通过梯田建设、灌木梁以及根系对土壤的加固作用，实现生物结构与坡度稳定性的综合整合，从而实现可持续的森林道路管理

《Ecological Engineering》：Integrated bio-structural slope stabilization using terracing, brushwood beams, and soil reinforcement by roots for sustainable forest road management

本研究通过现场测量和数值模拟（极限平衡法）评估梯田、树枝束与黑果李幼苗根系协同稳定斜坡的效果。结果表明，综合系统使安全系数提升至2.14，较单一措施显著增强稳定性，且根系强化土壤凝聚力达1.91-4.63 kPa。

　　

Mehran Nasiri|Eisa Heidarizadeh|Majid Lotfalian

伊朗马赞德兰省萨里市萨里农业科学与自然资源大学（SANRU）自然资源学院森林工程系

摘要

森林道路沿线的坡度不稳定加剧了土壤侵蚀和生态系统退化，这对可持续森林管理和生态恢复构成了持续性的挑战。本研究通过实地测量和基于极限平衡法（LEM）的数值建模，定量评估了一种综合的生物结构稳定系统，该系统包括梯田建设、灌木梁以及利用黑桤木（Alnus glutinosa (L.) Gaertn.）幼苗进行的土壤加固。结果表明，稳定性条件得到了显著的逐步提升：未经处理的坡度安全系数仅为1.12，采用梯田后提升至1.54，使用灌木梁后提升至1.76，仅通过根系加固土壤后提升至1.89。而完全整合的系统达到了最高的稳定性（安全系数为2.14），表明其结构和生物成分之间存在强烈的协同作用。敏感性分析指出，土壤凝聚力是决定稳定性的主导因素，而几何参数和加固相关参数则产生了次要但重要的影响。几何评估强调了梯田配置的关键作用，较低梯田高度（0.35–0.42米）显著提高了灌木梁的机械性能。根系加固土壤使表层土壤的凝聚力增加了1.91–4.63千帕。在综合系统中，临界滑动面的深度从4.1米减少到了2.1米，有效将失效机制从深层滑动转变为浅层滑动。相关性分析进一步证实，较窄的梯田结合优化的立杆高度能够最大化整体加固效果。总体而言，这些发现为设计可持续的生物工程坡度稳定系统提供了一个经过验证且可推广的框架。机器学习预测表明，在灌木梁腐朽和根系成熟之间的过渡期内（四到五年），及时维护至关重要，以确保长期的坡度稳定性。

引言

土壤侵蚀和坡度不稳定在可持续土地管理中构成了重大挑战，尤其是在有森林道路通过的地区（Yu等人，2024年；Yousefi等人，2024年）。这些过程不仅导致土地退化和土壤肥力下降，还通过道路维护、沉积物堆积和生态系统破坏造成经济和社会损失（Zemke等人，2016年）。在当前和未来的气候变化条件下，极端降雨事件的频率和强度增加，进一步加剧了浅层滑坡和强烈地表侵蚀的风险（Amarasinghe等人，2024年）。

从岩土工程的角度来看，当驱动剪应力超过土壤的抗剪强度时，就会发生坡度失稳（Wang和Wang，2023年）。降雨渗透、基质吸力降低以及暂时饱和等因素会显著降低有效应力和坡度稳定性（Mahmood等人，2016年）。植被通过根系加固土壤、拦截降雨和蒸散作用，在水文和力学上影响坡度行为（Masi等人，2021年；Cheng等人，2024年）。根系提供的机械土壤加固作用提高了土壤凝聚力，尤其是在通常发生失效的表层（Yamase等人，2021年；Hao等人，2023年；Phan等人，2025年）。

传统的工程解决方案如挡土墙和土壤钉固虽然有效，但往往成本高昂且对环境有影响。因此，基于生物工程和生态系统的方法因其可持续性和与森林生态系统的兼容性而越来越受到重视（Preti等人，2022年）。其中，梯田建设和灌木篱笆（束材）是两种实用的技术，可以改变坡度几何形状和地表水文状况。梯田减少了坡长和径流速度，同时增强了渗透作用（Dorren和Rey，2014年；Vianney Nsabiyumva等人，2025年），而灌木梁则作为等高线屏障，能够拦截沉积物、消散地表水流能量并支持植被生长（Ruz和Anthony，2008年；Frankl等人，2021年）。此外，这些基于自然的解决方案不仅稳定了坡度，还恢复了生态功能，如栖息地创建、水分调节和土壤肥力提升（Preti等人，2022年）。

除了结构和水文干预措施外，种植幼树（两年生的树苗）还通过根系发育引入了生物加固机制（Saifuddin等人，2022年）。随着根系的生长，它们能够结合土壤颗粒，增加剪切强度，并在多变的水分条件下提高坡度的韧性（Tan等人，2019年）。梯田、灌木梁和树苗根系加固之间的相互作用可能产生协同稳定效应，其效果超过任何单一措施。然而，在实际条件下对这些综合效应的定量理解仍然有限。

多项研究强调了梯田建设和坡度管理在减少滑坡风险和土壤侵蚀方面的关键作用。例如，Camera等人（2015年）和Surjandari等人（2021年）表明，适当的梯田几何形状和充分考虑水文条件可以显著提高坡度稳定性。植被及其演替的作用也很重要，Cammeraat等人（2005年）和Jiang等人（2023年）的研究表明，根系网络可以减少地表侵蚀并有助于土壤加固，尽管深层渗透仍可能带来滑坡风险。使用生物工程技术，包括植被种植、土壤改良和灌木种植，已被证明可以改善土壤凝聚力、减少径流并机械稳定坡度（Singh等人，2010年；Singh等人，2024年；Yüksel等人，2025年）。此外，Xu等人（2016年）和Yazdani等人（2024年）的研究强调了土壤水分保持和根系凝聚力在提高梯田和工程化坡度稳定性方面的作用。最后，Brandolini等人（2018年）和Koriyev等人（2024年）的研究表明，结合梯田建设、覆膜、灌木应用和生物工程方法可以有效减少侵蚀、提高土壤肥力，并在强降雨事件和土地废弃情况下促进长期坡度稳定。

森林道路沿线的坡度不稳定仍然是可持续森林管理和基础设施韧性的持续挑战。为了评估综合稳定系统，极限平衡法（LEM）提供了一个可靠且多用途的坡度稳定性分析框架（Showkat和Ghani，2025年），通过平衡潜在滑动面上的驱动力和抵抗力来确定安全系数（FoS），同时考虑土壤强度、孔隙水压力和坡度几何形状。使用Slide等先进软件，可以对包括梯田和根系加固在内的复杂情况进行建模，从而对各个稳定措施进行参数敏感性分析。虽然静态FoS可以提供即时稳定性的快照，但由于材料降解和根系生长，生物结构系统的性能会随时间演变。为了捕捉这些动态变化，开发了一个预测性机器学习框架，结合传统分析方法，以便预测长期性能并实现主动的坡度管理。

本研究通过实地测量和数值模拟，定量评估了梯田建设、灌木梁和树苗根系加固对坡度稳定性的综合影响。研究目标包括：（1）测量和表征稳定坡度中的土壤和植被参数；（2）进行LEM分析以确定不同配置下的FoS；（3）量化梯田、梁和根系对整体坡度稳定性的贡献，并确定最有效的组合；（4）开发并验证一个机器学习框架，以预测FoS随时间的变化，考虑时间依赖性行为并支持适应性管理。通过将实证观察与数值建模相结合，本研究为设计适合森林道路环境的可持续生物工程坡度稳定系统建立了经过验证的框架。

部分摘录

研究地点描述

研究区域位于伊朗北部马赞德兰省萨里市东南部的Darabkola森林，坐标为北纬36°28′–36°33′，东经52°14′–52°31′，海拔高度在180至874米之间。该地区属于湿润温带气候，夏季最高温度约为28°C，冬季最低温度低于0°C，年降水量约为750毫米，在较高海拔地区偶尔会有降雪。长期气候数据（2003–2023年）来自萨里

与梯田相关的土层和灌木强度特性

岩土工程调查显示，上层CL–ML土层与下层CH土层之间存在显著差异（表1）。上层为粉质粘壤土，具有中等塑性（LL = 32.4%，PI = 13.3%）和相对较高的有机质含量（8.2%），而下层CH土层为高塑性泥灰质粘土（LL = 48.2%，PI = 21.9%），有机质含量显著较低（2.1%）（图2b）。下层的含水量和单位重量均较高（28.3%）

综合稳定措施的协同效应

上层和下层土壤的岩土工程特性直接影响坡度稳定性和安全系数（FoS）。上层（CL-ML）具有较高的凝聚力和摩擦角以及较好的排水性，提供了足够的剪切强度，而下层（CH）的凝聚力和摩擦角较低，更容易发生滑动。层间硬度和弹性模量的差异可能导致变形集中在界面处。

结论

本研究在三个方面为现有文献做出了贡献：（i）定量展示了梯田建设、灌木结构和根系加固之间的协同作用；（ii）引入了一个考虑结构衰减和生物生长不匹配的时间依赖性建模框架；（iii）将这些见解转化为森林道路坡度的实际设计和维护建议。研究结果提供了定量证据

CRediT作者贡献声明

Mehran Nasiri：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查。Eisa Heidarizadeh：方法论、数据整理。Majid Lotfalian：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了萨里农业科学与自然资源大学（SANRU）的财政支持。作者衷心感谢这一支持，使得本研究能够进行野外调查、实验室分析和数值建模。作者还要感谢Abbas Agah先生、Nima Abdollahpoor先生和Sami-Rahman Bozorgzadeh先生在梯田建设、灌木梁安装以及土壤和根系采样方面提供的宝贵帮助。