输电线路边坡生态修复技术的综合性能评估：整合岩土稳定性与生态指标

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Comparative performance assessment of ecological restoration techniques for transmission line slopes: integrating geotechnical stability and ecological indicators

本研究通过为期24个月的现场试验，系统评估了植被混凝土（VC）、水力喷播（HS）、生态袋（EB）和自然恢复（NR）四种生态修复技术在三峡库区输电线路边坡的应用效果。研究整合了剪切强度、根系抗拉强度等岩土稳定性指标与植被覆盖度、香农多样性指数、地上生物量、土壤有机质等生态指标，发现VC技术表现最优，综合评估得分达99.8，其植被覆盖率（82.3%）和剪切强度（45.8 kPa）均最高，揭示了生态指标与岩土稳定性间存在强正相关（例如生物量与根系抗拉强度r=0.963），为输电线路廊道管理中的修复技术选择提供了定量指导。

　　

引言

在山区建设输电线路廊道会因大规模开挖而破坏边坡稳定性，导致浅层滑坡、侵蚀加速和结构破坏，不仅威胁基础设施完整性，也扰乱生态廊道并造成生境破碎。这一维持结构安全与生态功能的双重挑战，催生了对兼顾岩土与环境目标的修复策略的迫切需求。当前针对输电线路区域的生态修复实践方法多样，其中植被混凝土技术结合了工程化基质的机械稳定与植被建植，显示出巨大潜力。其他方法包括提供透水结构的生态挡土墙、适用于酸性土壤碳质岩边坡的喷播植被混凝土系统，以及掺入硅藻土和沸石添加剂以改善保水性和污染物去除效率的优化配方。尽管技术进步显著，但针对输电线路边坡生态修复方法的比较评估仍存在关键知识缺口。现有研究大多关注单一技术或短期观测（<12个月），缺乏在相同环境条件下对多种方法的系统比较。整合岩土稳定性参数与生态性能指标的综合评价框架也明显不足，这限制了输电廊道管理中修复策略选择的循证决策。本研究旨在对四种输电线路边坡生态修复方法进行全面比较。

材料与方法

研究区域

研究区域位于中国重庆市万州区的输电线路廊道边坡，属于三峡库区。该区域为山地地形，海拔150至1200米，属亚热带季风气候，年均气温18.3°C，年降水量1200毫米，集中于5月至9月。该地区强烈的降雨事件同时影响边坡稳定性和生态修复效果。试验点（S1）位于海拔580米的500 kV输电线路廊道内，边坡高12米，长18米，东南向，倾角45°。土壤剖面分为三层：表土层（0–0.3米）、风化砂岩层（0.3–2.5米）和基岩层（>2.5米）。处理前，边坡植被稀疏、侵蚀明显，是输电线路廊道受扰动区域的典型代表。

实验设计

研究采用随机完全区组设计，在支撑输电线路的边坡上比较四种生态修复方法的有效性。实验处理包括：（1）植被混凝土（VC），一种多孔水泥基基质，旨在提供机械稳定同时促进植被生长；（2）水力喷播（HS），将种子、覆盖物、肥料和水混合喷施以实现快速地表覆盖；（3）生态袋（EB），使用可生物降解的土工合成材料作为生长基质；（4）自然恢复（NR），作为不进行人为干预的对照处理。在边坡上共建立了12个实验样地。

监测指标

建立了为期24个月的全面监测系统，以评估岩土稳定性和生态功能。监测指标分为两大类：边坡稳定性指标和生态功能参数。边坡稳定性通过四个主要参数评估：使用全站仪系统每月测量表面位移；每隔6个月从0–30厘米深度提取完整样品，通过直剪试验测量土壤剪切强度；使用侵蚀针和沉积物捕集器在代表性位置测量地表侵蚀速率；测量直径1–5毫米根系的抗拉强度。

生态性能通过综合植被和土壤测量进行评估：每月使用无人机（UAV）摄影和图像分析测量植被覆盖度；每季度使用样方取样（1米 × 1米）测量物种多样性，并计算香农（Shannon）和辛普森（Simpson）指数；每半年使用破坏性取样后烘干法测量地上生物量；每3至6个月按常规实验室规程测量土壤参数，如有机质、有效养分（氮、磷、钾）和土壤pH值。

数据收集与统计分析

数据收集活动从2023年5月持续到2025年4月，为期24个月。遵循标准化测量协议以确保处理间可比性。数据分析使用R软件（4.3.1版）和SPSS 26.0进行。采用单因素方差分析（ANOVA）检验处理间差异，事后检验使用Tukey HSD法。通过主成分分析（PCA）进行降维并识别监测指标中的主导趋势。开发了一个综合评估框架，通过整合熵权法（Entropy Weight Method）和层次分析法（AHP）进行指标赋权，计算每个处理的综合性能得分。

结果

边坡稳定性表现

在24个月的监测期内，不同修复处理间的岩土性能差异显著。24个月时，VC处理的表面位移最低（3.1 ± 0.5毫米），相对于NR对照（18.7 ± 2.1毫米）减少了83%。EB处理表现出中等位移（4.5 ± 0.6毫米），而HS显示出中等的稳定能力（7.2 ± 1.0毫米）。所有处理的土壤剪切强度均逐步增加，VC处理在24个月时剪切强度最高（45.8 ± 4.1 kPa），比NR（32.6 ± 3.0 kPa）提高了79%。地表侵蚀测量证实了这些稳定性发现，24个月总侵蚀量从VC的1.2 ± 0.3 kg/m²到NR的5.4 ± 0.8 kg/m²不等。根系抗拉强度在处理间波动很大，VC根系的平均抗拉强度最高，为12.8 ± 1.5 MPa，显著高于其他处理。

生态性能指标

在24个月期间，不同修复处理间的生态性能差异显著。植被覆盖百分比显示，VC处理覆盖度最高且最稳定，24个月时达82.3 ± 3.8%，其次是EB（78.6 ± 3.5%）、HS（72.5 ± 4.2%）和NR（32.4 ± 4.5%）。HS处理达到了最高的香农多样性指数（2.15 ± 0.18），超过了EB（1.84 ± 0.15）和VC（1.68 ± 0.14）。地上生物量分析显示，VC处理的积累量最高（1045 ± 78 g/m²），其次是EB、HS和NR。土壤有机质积累在各处理间呈现类似模式，VC处理改善最显著（23.6 ± 2.1 g/kg），比初始状态提高了141%。

生态发育的时间动态

在24个月期间，生态指标的时间模式揭示了四种修复处理间不同的发展轨迹。VC处理在前六个月表现出快速定殖，之后进入稳定期。HS处理的植被覆盖度随季节波动较大。EB处理的植被覆盖发展高度稳定，而NR处理改善有限。香农多样性指数的曲线在各处理组物种积累模式上不同。生物量增加和土壤有机质形成遵循传统的生态演替模型，增长率逐渐放缓。

综合性能评估与排序

使用多标准评估方法的综合评估得出了明确的层级排序。标准权重因子中，稳定性标准（剪切强度和根系抗拉强度）占38%，生态标准合计占62%，兼顾了边坡修复的工程需求与生态目标。

多维性能比较显示，VC处理在结构工程标准上表现优异，在剪切强度、根系抗拉强度、植被覆盖度、地上生物量和土壤有机质方面得分（归一化分数 > 98）均很高，香农指数值中等（78.1 ± 0.9）。相比之下，HS处理获得了最高的生物多样性分数（100 ± 0.7），但岩土得分中等。EB处理在多项标准中表现中等，没有明显的优势或劣势。

综合得分排序为：VC（99.8 ± 1.2）> EB（84.8 ± 1.3）> HS（72.8 ± 1.5）> NR（42.5 ± 1.6），处理间差异极显著。VC的优异表现源于机械加固和生物稳定的综合作用。EB因其在中高水平上稳定的平均得分而表现良好，表明其在需要平衡岩土-生态性能的区域具有可行性。HS的平均排名源于其在结构加固能力上的基本限制，尽管其多样性水平较高。NR的低分验证了在严重退化的输电线路边坡上，被动恢复原则无法在可接受的时间内满足运行稳定性标准。

相关性分析

皮尔逊（Pearson）相关性分析揭示了岩土稳定性参数与生态性能指标之间存在显著的正相关关系，但这些关系的性质和强度因参数对而异。根系抗拉强度与地上生物量积累的正相关性最高（r = 0.963, R²= 0.927, P < 0.001），表明生物量积累是预测根系机械加固能力的良好指标。剪切强度与地上生物量、根系抗拉强度与植被覆盖度之间也存在高度正相关。土壤有机质含量与剪切强度呈显著正相关（r = 0.903, R²= 0.815, P = 0.001），表明除了根系的加固作用，土壤成土作用同样是改善岩土稳定性的重要机制。然而，香农多样性指数与剪切强度仅呈中等正相关（r = 0.496, R²= 0.246, P < 0.001），其关联程度远低于其他生态指标。

讨论

比较研究表明，植被混凝土在输电线路边坡修复中表现最佳，在24个月时实现了45.8 kPa的剪切强度和82.3%的植被覆盖度。其高度稳定的结果源于结构稳定和生物加固过程的互补效应。水泥稳定基质提供了必要的前期保护，使植被能够在输电线路廊道典型的恶劣微环境条件下建立。随后的根系发育通过机械锚固作用促进了长期稳定。根系抗拉强度与地上生物量之间的强相关性表明，生物量积累可作为评估稳定性能的实用指标。

香农多样性与岩土特性之间的中等相关性揭示了物种多样性与功能同质性之间的潜在权衡。在这种工程化系统中，“选择效应”似乎占主导地位，因为VC处理有利于快速建立、机械强度高的草种，这些草种最大化了岩土性能但限制了物种定殖。HS处理中较高的多样性反映了多孔微生境异质性对物种建立的积极影响。这一发现与半干旱高速公路修复项目的观察结果一致，生境异质性促进了自然定殖和物种共存，尽管这种多样性增益可能以根系生物量集中度降低为代价。

从实施角度来看，植被混凝土非常适合于需要立即稳定的高优先级边坡，即使其前期成本高于水力喷播选项。最近的碳足迹分析表明，添加生物炭的配方可以在不影响工程性能的情况下提高其生态可持续性。研究中讨论的性能标准层级与其他地区类似应用的调查结果相符，尽管考虑全生命周期成本的全面经济研究将有助于做出明智的选择。

24个月的观测期可能无法完全捕捉长期的系统动态，特别是在合成聚合物添加剂的可能降解以及根系力学性质的季节性变化方面。未来的研究需要调查不同时间尺度和地质因素下处理的长期性能，以便为输电线路廊道修复制定全面的设计标准。

结论

这项比较研究确立了输电线路边坡生态修复方法之间清晰的性能层级，植被混凝土在岩土稳定性和生态指标方面均实现了最高的综合性能。VC系统在剪切强度（45.8 kPa）、根系抗拉强度（12.8 MPa）和植被覆盖度（24个月时82.3%）方面表现优异，综合评估得分高达99.8，显著高于其他方案。生态袋系统综合得分中等（84.8），而水力喷播系统在稳定性因子方面表现较弱，但生物多样性功能更佳（香农指数：2.15）。自然恢复系统在可接受的时间范围内运行稳定化能力太差，仅获得42.5的综合得分。

相关性分析证实了生态因子与岩土因子之间存在强正相关（例如生物量-稳定性组合r > 0.89），而多样性与结构因子之间呈中等相关（r = 0.496），表明生态多样性与结构性能之间存在权衡。

研究结果为输电线路廊道修复项目中的处理选择提供了定量标准。对于需要立即稳定并具备长期耐久性的高优先级结构边坡，植被混凝土是优越选择，其机械稳定与生物稳定的综合效益超过了实施期间的高成本。生态袋系统适用于需要中等稳定水平并兼顾改善生态目标的场景，而水力喷播方案可能适用于生物多样性保护优先于最优结构性能的场合。研究中讨论的多标准评估方法有助于全面考虑岩土-生态标准，填补了不同稳定方案间性能比较的重要知识空白。

这项研究增进了对基于植被的边坡稳定化的理解，并为山区输电线路基础设施的可持续恢复提供了定量基准。未来的长期研究有必要在不同场地条件下进一步验证这些发现。