2025, Vol. 57
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国科学院红壤生态实验站, 江西鹰潭 335211
全球每年因材料腐蚀造成的直接经济损失约2.5万亿美元，占全球GDP的3% ~ 4%[1]。我国每年因材料腐蚀造成的直接与间接经济损失约2.13万亿人民币，约占GDP的3.34%[2]。随着能源结构优化和基础设施建设，我国大量地下设施如钢桩、套管、储罐、电缆等广泛应用，其腐蚀防护成为国家战略基础设施安全的重要环节。过去十年，我国已颁布多项相关防护标准，如GB/T 50251—2015《给水排水管道工程施工及验收规范》、GB/T 32974—2016《金属和合金的腐蚀土壤腐蚀性分类导则》、GB/T 21448—2017《埋地钢质管道外腐蚀控制规范》、GB/T 50393—2017《城市地下综合管廊工程技术规范》等，这些标准为腐蚀监测与防护提供了关键技术依据，对提升基础设施安全与服役寿命具有重要意义。
1931年，Gill和Rogers[3]首次发现土壤电阻率与管道腐蚀程度相关。随后研究表明，除土壤电阻率外，硫酸盐还原菌(SRB)活性[4]、土壤水–气比[5]、氯离子浓度、pH、氧化还原电位(Eh)及溶解氧含量等也对腐蚀有重要影响[6-7]。我国土壤类型丰富，包括砖红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、黑土、潮土及多种类型的水稻土等，不同土壤在物理、化学和生物特性上差异显著，且气候、水文与土地利用差异使土壤环境呈现高度异质性[8]。这些差异直接影响材料在不同地区的腐蚀类型和速率[9]。
随着城市基础设施、能源管网及地下工程建设的推进，特别是“西气东输”东段管线穿越酸性红壤地区[10]，大量埋地设施长期暴露于高腐蚀环境中，导致材料退化、结构破损、失效及安全事故，严重制约了设施的耐久性与安全性。在于天仁院士领导下，中国科学院南京土壤研究所电化学研究室自20世纪70年代起开展酸性红壤地下设施腐蚀与防护研究。依托该研究所及江西鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站，该研究室于20世纪80年代就开展红壤环境中材料腐蚀研究(图 1为1989年试验区设立的界石)揭示腐蚀规律，并为其预测与控制提供依据。鹰潭土壤环境腐蚀试验站在推动材料土壤腐蚀领域创新与水平提升方面作出了重要贡献。
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图 1 1989年国家材料腐蚀试验网鹰潭红壤试验站在试验区设立的界石 Fig. 1 Boundary stone marking experimental area of Yingtan Red Soil Test Station, erected by National Materials Corrosion Testing Network of China in 1989 |
本文旨在：①系统梳理酸性红壤地区地下设施金属构件腐蚀防护的研究现状；②深入解析红壤环境下地下设施电化学腐蚀与微生物腐蚀的机制及主控因素，揭示腐蚀的演化规律；③探讨适用于酸性红壤环境的高效防护技术与材料选择策略，构建综合防控体系；④展望未来研究趋势。本综述力求在理论与应用两方面协同推进：提升红壤区地下设施腐蚀防控能力，保障基础设施长期安全运行；深化土壤腐蚀机理与材料响应行为的理论研究，为基于地下结构智能感知与数字孪生技术支撑下的“智慧管网”平台建设提供支撑。深入研究地下设施在特定土壤环境中的腐蚀机理与防护技术，有助于指导工程设计与材料选用，并普及相关科普知识，提高腐蚀防护意识与技术应用水平，从源头上降低腐蚀风险，延长设施使用寿命。
1 红壤酸化与地下设施腐蚀红壤在我国主要分布于长江以南的亚热带低山丘陵区，总面积约203万km2，占全国土地面积的21%。该土壤类型广泛分布于北纬10° ~ 30°之间的南方热带与亚热带地区，具有典型的温热湿润气候特征，年均温15 ~ 28 ℃，年有效积温(≥10 ℃)约为5 000 ~ 9 500 ℃，年降水量为1 200 ~ 1 500 mm[11]。红壤的发育是长期强烈风化脱硅、次生矿物富铝化与植物–微生物共生系统协同作用的结果[11]。根据铁铝氧化物积累、生物富集及淋溶作用的强弱，进一步分为砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤等类型。
红壤是一种富含铁铝氧化物的高度风化土壤，通常呈酸性，表层pH介于4.5 ~ 6.5，且旱地原位pH通常比实验室测定值低0.52个单位[12]。红壤主要形成于花岗岩、红黏土、玄武岩等钙镁元素贫乏的酸性母岩，自然酸化过程极为缓慢，南方亚热带地区的土壤pH每下降一个单位需百万年[13]。然而，高温湿润环境中有机质分解生成腐殖酸、草酸等有机酸[14]，进一步降低土壤pH。人类活动加速红壤酸化，特别是工业排放、化石燃料燃烧、施肥与农业活动，导致土壤盐基流失与酸缓冲破坏[15]。自然和人为干扰使南方红壤地区面临严重的酸化问题，进一步加剧了地下金属设施的腐蚀。
红壤具有低pH、丰富的腐蚀性离子(如Cl–、SO42–)和普遍的渍水现象，对埋地金属构件构成显著腐蚀威胁[16]。研究表明[17]，Q235B碳素结构钢、X70和X80管线钢在江西鹰潭的红壤中埋藏1年后，其腐蚀质量损失率和腐蚀失厚率分别是其他地区的2.14倍~ 4.53倍和2.13倍~ 4.71倍(表 1)。主要原因是：土壤酸度较高，促进金属阳极溶解反应；土壤结构不均，通气性差，易形成氧浓差电池；黏粒含量高，增强腐蚀性离子的迁移能力；高湿度下土壤含水率持续在适宜腐蚀的范围，增强电解质导电性，维持腐蚀电偶作用。这揭示了红壤环境对地下设施腐蚀的显著影响，并表现出特殊性和地域敏感性，提醒在南方红壤区设计与运维地下设施时需特别关注腐蚀风险。
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表 1 Q235B碳素结构钢、X70和X80管线钢在8个地区埋藏1年的腐蚀指标[17] Table 1 Corrosion indicators for Q235B structural steel, X70 and X80 pipeline steels after one-year in-situ burial in eight soil districts |
为揭示酸性红壤地下设施腐蚀研究的热点与趋势，本文基于Web of Science核心合集与中国科学引文数据库(CSCD)构建文献样本，利用Citespace 6.3.1进行科学计量学分析。检索采用“acid*soil” (*表示通配符)与“corrosion”为关键词，获取相关文献1 965篇，最终筛选出有效样本184篇，包括SCI文献116篇和CSCD中文文献68篇。为探讨领域焦点与前沿演化，进行引文突增检测，识别大量引用的关键词或文献，揭示研究热点与潜在前沿[18]。突增强度最高的前9个关键词包括X70钢(X70 steel)、阳极溶解(anodic dissolution)、应力腐蚀开裂(stress corrosion cracking)、管线钢(pipeline steel)、X80管线钢(X80 pipeline steel)、点蚀(pitting corrosion)等(图 2)，显示出研究聚焦从“整体腐蚀”向“局部腐蚀机制”深化，特别是在微观行为如点蚀、阳极溶解方面的突破[19]。X70与X80管线钢腐蚀性能成为核心研究内容，探索了不同红壤条件下的服役响应和材料适配性[20]；“应力–腐蚀”协同机制与应力腐蚀开裂行为研究日趋深化，聚焦在酸性土壤环境下的裂纹萌生、扩展及失效模式[21]，显示出正朝向高精度、材料定向与微观机理解析方向加速发展。
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图 2 以“acid*soil”和“corrosion”为主题词检索得到自2005年起184篇文献中引文突增强度最高的前9个关键词 Fig. 2 Top 9 keywords with strongest citation bursts identified from 184 publications (since 2005) using "acid * soil" and "corrosion" as topic keywords |
图 3展示了基于文献计量的关键词共现网络，高频主题词包括：#0酸性土壤溶液(acidic soil solution)、#1脱黏涂层(disbonded coating)、#2酸腐蚀(acid corrosion)、#3酸雨(acid rain)、#4极化曲线(polarization curves)、#5土壤腐蚀(soil corrosion)、#6酸环境(acid environment)、#7薄液层(thin electrolyte layer)、#8地下腐蚀(underground corrosion)、#9裂纹(cracks)。这些主题词从环境特征、腐蚀机制到结构失效等多个维度构建了研究图谱，反映出酸性土壤环境中地下设施腐蚀研究的系统化、机制化和多尺度交叉发展趋势。例如，#0酸性土壤溶液反映了酸性土壤作为腐蚀电解质的基本特征，低pH、高导电性和腐蚀性阴离子如Cl–、SO42–构成金属腐蚀的驱动因素[22]；#3酸雨研究不仅关注土壤酸性影响，还涉及酸雨渗透带与地表径流的协同作用，强调土壤–大气–水界面的腐蚀加剧机制[23]；#6酸环境关键词则扩展了研究范围，涵盖污泥堆场、工业废弃地、含硫矿渣土层等复杂介质环境，显示腐蚀场景的多样性与工程应用的复杂性[24]。
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(节点大小表示关键词出现频次；颜色表示主题集群) 图 3 基于自2005年以来184篇文献的关键词共现网络 Fig. 3 Keywords co-occurrence map based on 184 publications (since 2005) |
自2005年以来，酸性红壤地下设施腐蚀与防护技术的研究不断深入，在腐蚀机制解析、腐蚀因子识别、防护材料开发与技术集成、智能化监测系统应用等方面取得显著进展。总体来说，研究演进可分为3个阶段：①腐蚀特性识别与基础调查阶段(2005—2012年)，重点是土壤理化与生物特性表征及腐蚀风险识别，结果表明红壤具有低pH、高含水率、强微生物活性等典型腐蚀风险因子[25]；②微生物–电化学腐蚀机制与防护材料研究阶段(2013—2019年)，研究转向微生物腐蚀机理与局部腐蚀行为，同时开发与验证新型防腐材料(如多层环氧涂层、锌基牺牲阳极材料、抗酸复合水泥基材料等)[2]；③系统性防护集成与智能监测融合阶段(2020—2025年)，研究聚焦多因子耦合腐蚀机制与智能监测系统构建，推动建立电化学–微生物–环境三元耦合模型，并逐步实现智能腐蚀监测技术的工程化[10]。这一演进反映了从单因子识别到多因子耦合机制，从静态防护到智能响应式管理的转变，为地下设施长期安全服役提供技术支撑。
3 红壤地下设施腐蚀的机制及影响因素一般而言，红壤由于低pH，能直接促进金属表面氢离子去极化反应，并通过氧化铁锰等矿物催化加速氧化还原反应，形成典型电化学腐蚀条件。同时，红壤中广泛的微生物群落，尤其是SRB等厌氧菌，通过代谢活动促进微生物腐蚀。此外，红壤具有一系列不利于地下设施耐久性的特性，如高黏粒含量、强吸水性，促进电解质膜持续形成；干湿交替频繁，加剧腐蚀产物破裂与金属暴露；低pH缓冲容量，难以抑制局部酸化。这些因素共同作用，导致地下设施金属构件在红壤中易发生显著的电化学与微生物协同腐蚀，表现出时间演化性、空间分异性和机制耦合性。
3.1 地下设施金属构件的电化学腐蚀电化学腐蚀是金属材料与周围介质(如土壤、水体或湿润空气)接触时，通过自发氧化还原反应引起的腐蚀现象，实质为腐蚀电池作用，由阳极金属溶解与阴极电子消耗共同驱动。在酸性土壤环境中，析氢腐蚀为主导机制，吸氧腐蚀仅在局部富氧区域偶发(图 4)。析氢腐蚀多发生在深层土壤、生物膜内或酸性渗滤液等pH < 5.0的厌氧环境中。此过程中，铁在阳极溶解(Fe→Fe2++2e–)，阴极区域氢离子还原为氢气(2H++2e–→H2↑)[26]。当土壤中存在SRB时，H2会被其代谢消耗，打破H2的钝化积累效应，加速阳极电子转移，进一步加剧阳极腐蚀反应[27]，形成典型的微生物–电化学协同腐蚀机制。
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图 4 金属土壤腐蚀的电化学原理 Fig. 4 Electrochemical mechanisms of metal corrosion in soil |
虽然红壤整体氧含量较低，但在表层土壤、植被根际区或孔隙度较大的通气带，吸氧腐蚀仍可能局部发生。该过程以氧作为电子受体(O2+2H2O+4e–→ 4OH–)[28]，生成的OH–可使局部pH升高，诱导腐蚀产物沉积。若金属表面存在氧浓度差异，如缝隙、涂层缺陷区，易形成氧浓差电池，进而诱发点蚀或缝隙腐蚀[29]。
3.2 地下设施金属构件的微生物腐蚀在多种自然环境中，不同类型的微生物能够在材料表面附着、繁殖，其生命活动往往诱导或加剧金属腐蚀。地下设施的土壤环境中，金属腐蚀与碳、氮、铁、硫等生物地球化学循环密切相关，参与这些循环的微生物是腐蚀的主要驱动者[30]。常见的腐蚀微生物包括：SRB、硫氧化菌(SOB)、产酸菌(APB)、铁氧化细菌(IOB)、铁还原细菌(IRB)、硝酸盐还原菌(NRB)及产黏液细菌等(表 2)。这些微生物通过生物膜形式聚集在材料表面，通过定殖和代谢活动在材料–土壤界面形成独特“微环境”。一些微生物利用胞外电子传递(EET)能力，与金属材料发生电子交换[31]，诱发强烈局部腐蚀。生物膜为微生物群体提供物理屏障和营养保持[32]，更通过代谢产物的释放与传输，改变金属表面条件(如pH、氧浓度、电极电位、离子迁移等)，已被视为微生物腐蚀的关键反应界面。因此，深入研究生物膜的形成机制、结构特征及其电化学调控效应，对揭示微生物腐蚀机理和开发防护策略具有重要理论意义与工程价值。
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表 2 与金属腐蚀相关的微生物[30] Table 2 Microorganisms implicated in metal corrosion processes |
生物膜的形成通常分成3个阶段(图 5)。首先是微生物附着阶段，微生物(如SRB、IOB、NRB等)通过物理吸附、静电引力、范德华力等机制附着在金属表面，附着效率受温度、pH、流速及离子强度等因素影响。其次是生物膜成熟阶段，微生物在表面定殖后分泌大量胞外聚合物(EPS)，这些物质构建三维基质，促使微生物实现不可逆附着，并形成复杂微生态系统。成熟的生物膜呈现群落分层，外层为好氧菌(如IOB、SOB)，内层为厌氧菌(如SRB、产甲烷菌MPB等)，在缺氧环境中主导腐蚀作用。然而，并非所有生物膜都严格遵循“好氧→厌氧”结构，其结构受环境因素(如淹水、频繁扰动等)与土壤深度影响。最后是生物膜动态演变阶段，随着膜的持续演化，内部形成电化学梯度和代谢通道结构，包括pH梯度、氧浓度梯度及促进代谢产物扩散和金属离子迁移的离子通道，影响腐蚀行为和反应速率[33]。这一过程不仅为微生物提供栖息环境，还改变金属表面的氧化还原状态、电势分布和局部电化学反应路径，为微生物腐蚀的发生与扩展提供基础。
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图 5 生物膜形成过程示意图 Fig. 5 Schematic representation of biofilm development stages |
红壤中的微生物种类繁多，SRB、IOB、APB和NRB等关键腐蚀微生物通过各自的代谢途径及相互作用，对地下设施金属腐蚀过程产生显著影响(图 6)。SRB还原硫酸盐生成H2S，破坏金属钝化膜，并与Fe2+生成FeS沉积，作为阴极反应的催化剂，加速电子转移过程，显著增强金属腐蚀[34]。IOB通过氧化Fe2+为Fe3+并生成Fe(OH)3等沉积物，形成局部点蚀源并消耗氧气，创造厌氧环境，有利于SRB的定殖与生长[35]。APB能代谢产生有机酸与无机酸，降低pH并破坏钝化膜，促进金属阳极溶解[36]。NRB通过硝酸盐还原反应加速阴极区电子消耗，改变腐蚀电偶的极化状态，调控腐蚀反应动力学[37]。这些微生物通过生物膜定殖，形成氧浓度、pH、电势等梯度，促使代谢耦合与电子共享，增强腐蚀速率[38]。因此，微生物的群落结构与代谢路径在红壤腐蚀体系中具有重要地位。
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图 6 典型微生物腐蚀机制示意图 Fig. 6 Illustration of microbial corrosion mechanisms by representative microorganisms |
在酸性红壤环境中，电化学腐蚀与微生物腐蚀是地下设施腐蚀的两大类型。尽管二者常耦合作用于金属表面，但在驱动机制、主导因子与能量来源上，二者有显著差异(表 3)。电化学腐蚀主要由金属表面不同区域的电位差驱动，通过金属在电解质环境中的氧化还原反应，电子在阳极–阴极之间流动并形成腐蚀原电池，推动金属溶解[39]。相比之下，微生物腐蚀源于微生物代谢活动释放的化学能及其在金属表面形成的生物膜所构建的微环境异质性。微生物通过生成有机酸、无机酸、H2S或消耗氧气等，改变局部pH、电极电位及氧化还原条件等，显著加速腐蚀反应[40]。
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表 3 酸性红壤电化学腐蚀与微生物腐蚀的差异 Table 3 Differences between electrochemical corrosion and microbial corrosion in acidic red soil |
从腐蚀过程的动力学与形态特征来看，二者在启动机制、发展周期与表观形态上差异显著。电化学腐蚀起效迅速，电极电位差下可在短时间内激发腐蚀反应；而微生物腐蚀启动较慢，形成稳定微生态系统后，腐蚀行为持续且隐蔽，不易早期发现[41]。电化学腐蚀通常表现为均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等，典型产物为氧化铁层、Fe(OH)3等[42]；微生物腐蚀则易诱发局部性破坏，如点蚀、凹坑腐蚀、丝状腐蚀及生物膜下腐蚀，产物多为细菌代谢残留的生物膜、有机胶体附着层及硫酸盐还原沉淀物等[43]。电化学腐蚀主要受土壤理化属性影响，微生物腐蚀则更多受微生物种群结构、土壤有机质、溶解氧等生物化学因素控制[41, 44]。
在红壤环境中，尽管有机质含量较低，但由于pH低、微生物多样性高且适应酸性环境的能力强，电化学腐蚀与微生物腐蚀常呈现协同腐蚀的耦合机制。微生物代谢活动直接增强电化学过程，例如SRB代谢还原SO42–生成H2S，破坏Fe表面钝化膜并生成FeS沉积膜[45]，促进极化反应并增强电化学腐蚀速率[36]。此外，APB可生成有机酸，降低pH并增强阳极溶解反应[41]。微生物活动还通过有氧代谢消耗氧气，在金属表面形成氧浓度梯度，促进腐蚀反应的持续发展[46]。因此，电化学腐蚀与微生物腐蚀共同作用，对地下设施造成更大腐蚀威胁。
3.4 红壤环境因素对地下设施腐蚀的影响在红壤环境中，pH、有机质含量、含水率、电阻率及腐蚀性离子等土壤因子共同构成多因子耦合腐蚀体系，这些因子显著提高地下设施腐蚀风险，进而影响其服役寿命与结构完整性。首先，低pH(常低于5.0)导致H+浓度升高，加速金属阳极溶解并破坏钝化膜，诱发晶间腐蚀与点蚀[47]。此外，酸性条件下腐蚀产物更易溶解或迁移，削弱保护层稳定性。其次，有机质分解产生的有机酸通过缓冲反应降低局部pH，并与金属离子形成络合物，阻碍钝化膜自愈，导致腐蚀持续并加剧[48]。
含水率、电阻率与腐蚀性离子浓度等理化指标同样是影响红壤中地下设施腐蚀速率与形态的关键因素。首先，含水率是调控腐蚀反应速率的重要参数。红壤区降水充沛，地下土壤长期高湿，易形成连续电解质膜，为电子流动与离子迁移提供高效通道，显著增强腐蚀电池闭合条件。研究表明，X52管线钢在高湿状态下腐蚀速率显著提高(P < 0.05)，且更有利于微生物繁殖与生物膜快速形成，进一步叠加微生物腐蚀作用[49]。
其次，土壤电阻率越低，导电性越强，越利于电化学反应回路的形成。红壤黏粒丰富、铁铝含量高、离子迁移率大，通常表现为低电阻率。在此条件下，腐蚀电流更强、分布更广，尤其在杂散电流或电位梯度存在时，更易形成远程腐蚀回路，加剧设施底部或缺陷区的腐蚀[50]。此外，腐蚀性阴离子(如Cl–、SO42–)广泛存在于酸性红壤中，其来源于大气沉降、施肥及母岩风化等过程。这些阴离子具强络合与膜破坏能力，不仅可与金属阳离子生成易溶盐类，诱发点蚀与缝隙腐蚀，SO42–还可作为SRB的电子受体，协同驱动微生物腐蚀，形成离子–微生物–电化学耦合模式[51]。
4 红壤地下设施的防腐措施 4.1 地下设施材料选择与设计在红壤环境中，地下设施材料选择与结构设计必须充分应对其高腐蚀性特征及服役耐用性需求。红壤普遍pH低，富含游离铁铝氧化物，携带有机酸及腐蚀离子，并伴随较高电导率和嗜酸性微生物活性，极易诱发或加剧电化学与微生物腐蚀[41]，需采取针对性防护策略。材料体系方面，应优先选用高耐蚀合金、复合防护结构与功能涂层，并根据设施类型定制方案。对于金属管道(如油气管网)，X80管线钢因优良力学性能和焊接适应性被广泛应用，但在酸性红壤中仍可能遭受晶间腐蚀与点蚀风险，推荐配套环氧煤沥青、熔结环氧粉末等多层涂层体系，以提升介质屏蔽与电化学绝缘性能，实现长期服役[10]。对钢筋混凝土构件，可采用低水胶比并掺抗酸腐蚀型矿物掺合料(如偏高岭土、矿渣粉)，增强致密性与抗渗性，显著提升耐蚀性能。结合阴极保护或牺牲阳极系统，还可进一步降低电化学腐蚀速率[52]。此外，设计阶段应考虑排水通风、防潮导电隔离及可维护空间预留，构建“材料–结构–环境”协同体系，保障酸性红壤区地下设施的耐久性与运行安全。
4.2 阴极保护技术牺牲阳极法与外加电流阴极保护是目前应用最广的两种电化学防护技术，在延缓地下设施腐蚀、保障寿命方面作用显著。牺牲阳极法通过将电位更负的金属(如锌、铝、镁)与结构相连，使其优先氧化溶解，从而实现阴极极化与保护。在潮湿、导电性高的红壤环境中，该技术具有结构简单、无需外接电源、维护成本低等优势，适用于无电区域或中小型设施[16]。但因红壤电解质活性高、微环境波动大，阳极易钝化或过早失效，限制了其长期稳定性与经济性。相比之下，外加电流保护通过恒电位仪施加直流电流，精确调控设施电极极化状态，维持保护电位在有效区间，实现更稳定、可调与可监控的防护效果。该技术尤其适合长距离油气管道、水务管廊、电力隧道等关键地下基础设施，在复杂环境中展现出优越的适应性与防护效率[53]。为提升其在酸性红壤下的适配性与长期性，设计阶段应综合考虑红壤pH、电阻率、含水率、腐蚀性离子分布及关键微生物活性等参数，同时结合腐蚀风险等级与结构特征，优化阳极材料、电流密度与布设策略，实现经济性与耐久性的协同优化。
4.3 微生物抑制技术为防控微生物腐蚀，目前常用措施包括灭菌处理、阴极保护和功能性涂层屏蔽等。其中，添加抗生素、杀菌剂或化学抑制剂是应用最广、经济高效且简便的技术方案。Jia[54]比较了四羟甲基磷酸杀菌剂(THPS)与氨基酸混合物(D-mix)对碳钢SRB生物膜的控制效果。结果表明，单独施用100 mg/kg THPS时，附着细胞数量明显减少，腐蚀电流密度和质量损失率分别下降45.0% 和36.4%；而100 mg/kg THPS和100 mg/kg D-mix联合时，腐蚀电流密度和质量损失率分别降低68.4% 和63.6%，表现出更优协同抑制效果。此外，Rasheed等[55]开发氧化锌/壳聚糖纳米复合材料作为绿色抑制剂，当其均匀吸附于碳钢表面时，对SRB生物膜的最大抑制效率可达74%。
除施用杀菌剂或抑制剂外，通过调控土壤湿度与温度等环境因子，也可有效限制腐蚀性微生物繁殖与活性。Liu和Cheng[49]在模拟试验中设置3种土壤含水率(20%、60%、100%)，将X52管线钢埋入含SRB土壤中进行腐蚀试验。培养21 d后结果表明，100% 含水率条件下SRB数量分别是20% 和60% 含水率条件下的224.9倍和3.6倍，对应腐蚀电流密度显著增加(分别增加87.3% 和95.1%)，腐蚀速率也分别增加40.6% 和79.6%。此外，Sun等[56]研究表明，温度对SRB生长状态影响显著。当土壤温度由28 ℃升至45 ℃时，SRB数量、代谢产物H2S浓度及L360 N低碳钢腐蚀速率分别降低97.6%、90.0% 和87.8%，表明高温可破坏SRB酶活性和代谢路径，抑制其腐蚀能力。
4.4 土壤改良技术在酸性红壤中，通过改良其理化性质，尤其是调节pH、改善结构与保水能力，可有效降低地下设施的电化学与微生物腐蚀风险。首先，施用石灰、石膏等碱性调理剂可中和游离H+，将酸度调至弱酸或中性范围，降低电导率与H+活性，显著抑制电化学腐蚀。据报道，在pH约4.5的酸性红壤中施用石灰–石膏组合后，土壤pH稳定在6.2 ~ 6.5，碳钢腐蚀速率较对照下降超35%。电化学阻抗谱也显示电荷转移电阻升高、电流密度下降，反映腐蚀反应被抑制[57]。其次，通过改良红壤结构和保水性能，可减缓氧气与水分迁移，削弱氧浓差电池和水膜通路作用，从而抑制点蚀与缝隙腐蚀。Ismail和El-Shamy[58]将有机质、火山灰、膨润土等保水材料掺入压实土壤，显著降低渗透系数与氧扩散速率，使碳钢点蚀密度和腐蚀速率明显下降；同时压实还改变土壤孔隙与微生物群落，减弱SRB等的生存优势，降低其定殖和生物膜形成能力。
5 红壤地下设施腐蚀防护研究未来发展趋势在可持续发展与绿色韧性建设背景下，红壤地下设施的腐蚀防护研究呈现多学科融合与智能化演进趋势。一方面，随着对红壤复杂腐蚀环境特征(强酸性、富铁铝氧化物、高微生物活性与离子迁移)的深入认知，研究正由传统“材料–腐蚀响应”思路转向“材料–微环境–腐蚀机制”多因子耦合机理建模。当前聚焦于服役环境下多因子交互机制解析，并借助电化学、微生物生态学、土壤物理等交叉方法构建预测模型与寿命评价体系，以提升设施运行的可预见性与决策科学性[10]。另一方面，防护技术正趋于集成化与系统化。在工程应用中，通过材料选型、表面涂层、电化学阴极保护等多技术协同，构建多层次、全寿命周期的腐蚀控制体系，成为提升设施耐腐蚀性的关键路径。同时，腐蚀问题的根本解决仍依赖材料科学创新、新型功能化防护材料研发与应用加速推进。例如，纳米填料环氧涂层具备更高屏蔽与黏附性，功能梯度牺牲阳极更适应红壤复杂电化学场强分布，微生物抑制型复合材料在控制微生物腐蚀方面展现优越性能[59]。
与此同时，基于大数据与机器学习的“智能阴极保护系统”逐步应用于长距离油气管线与城市地下管网，推动腐蚀防护向智能化、可视化与自适应控制发展。该系统集成多源传感器、无线通信网络与腐蚀电位监测等技术，可实现设施腐蚀状态的实时监测、趋势预测与极化电流智能调节。通过部署分布式节点监测土壤pH、电阻率、电极电位及阳极消耗速率等关键参数，系统能在腐蚀初期快速预警并动态调整保护电流密度，显著提升响应效率与稳定性[2]。在此基础上，绿色低碳理念的引入也正重塑防护材料与体系开发导向。当前研究越加关注全生命周期性能与环境影响，强调采用低毒性、可降解与环保型防腐涂层及腐蚀抑制剂。综上，红壤区地下设施防护正向“智能监测–自适应控制–绿色材料–系统集成”持续演进，有望构建更高水平的安全性、可持续性与韧性腐蚀防护体系[60]。
6 结论红壤区地下设施腐蚀问题具有显著的区域性特征与工程敏感性。腐蚀加剧不仅威胁设施安全，还带来高经济损失和环境风险。因此，红壤地区地下设施规划设计与施工时，需系统考虑土壤腐蚀环境影响，采取“多维协同、多重防护”策略。具体而言，从源头优化耐腐蚀材料选型，结合阴极保护、防腐涂层与土壤环境改良，构建结构–环境–材料联动的防护体系，提升设施耐久性。展望未来，随着材料科学、传感技术与人工智能的融合，腐蚀防护技术将进一步向系统化、绿色化、智能化发展。在酸性红壤这类高腐蚀风险区域，基于环境感知与状态调控的智能腐蚀防控平台将实现设施全过程腐蚀监测、风险预警与动态防护，显著降低地下设施腐蚀风险，延长设施使用寿命，保障区域基础设施的长期安全与可持续运行。
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