張德順 曾明璇 奉樹成 陳瑩瑩 姚鰻卿

1 同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室 上海 200092

2 上海市綠化管理指導站 上海 200020

中國是全世界發(fā)生臺風最多的國家。 在西太平洋沿岸， 登陸我國的臺風平均每年約7 次， 幾乎每2.25 年就發(fā)生一次特大臺風災害， 對當?shù)氐纳鷳B(tài)、 生產(chǎn)和生活造成了極大的危害[1]。 隨著全球氣候變暖和海水表面溫度的升高， 預測未來我國沿海地區(qū)將會有更多強臺風災害發(fā)生[2]。 行道樹作為生態(tài)系統(tǒng)中重要的綠色基礎設施[3]， 是維系生態(tài)平衡、 調節(jié)城市氣候、 緩解城市熱島、 彰顯城市風貌不可或缺的角色， 同時在臺風來襲時也會承受較高的損害風險。

本文以沿海地區(qū)的城市行道樹為研究對象，對臺風災害下的樹木抗風性評價與選擇現(xiàn)狀進行分析， 旨在為提升臺風影響下城市行道樹種選擇的科學性與規(guī)劃的合理性， 以及加強城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供理論支持。

1 樹木受臺風危害的主要因素及抗風性評價

基于國內外部分風災的實地調查與分析， 樹木受到風害的原因可以歸結兩類: 風強勁的瞬時風力和持續(xù)的大風是最直接的外因， 樹木立地環(huán)境脅迫及養(yǎng)護管理缺失是間接外因； 樹木本身的抗風性能是樹木受損程度的內因。

1.1 樹種因素

我國沿海臺風后綠化樹木災情調查結果表明，不同樹種遭受風災后的受損程度有著顯著差異。1999 年， 9914 號臺風途徑廈門， 造成高達75%的行道樹遭到毀損， 其中傾伏、 折枝占比分別為45%和 30%。 菩提樹(Ficus religiosa)、桃花心木(Swietenia mahagoni)、杧果(Mangifera indica)、烏墨(Syzygium hainanense)等風倒率最高；而大王椰(Roystonea regia) 風 倒 率 只有 3%， 女 王 椰 子(Syagrus romanzoffiana) 為 5%； 海 棗 (Phoenix dactylifera)、蒲葵(Livistona chinensis)沒有受到損害， 抗風能力出色[4]。 通過調查 2007 年 “派比安” 臺風襲擊后情況發(fā)現(xiàn)， 深圳城市道路綠地中受害最嚴重的是宮粉羊蹄甲 (Bauhinia variegata)，其次是人面子(Dracontomelon duperreanum)、桃花心木、 黃 槐 決 明 (Senna surattensis)、 大 花 紫 薇(Lagerstroemia speciosa)、白蘭(Michelia×alba)、吊瓜 樹 (Kigelia africana)、 南 洋 楹 (Falcatariafalcata)[5]。 廣東湛江市80 余種綠化樹木抗風性能評價結果表明， 棕櫚 (Trachycarpus fortunei)、 假檳榔 (Archontophoenix alexandrae )、 大 王 椰(Roystonea regia)、 椰子 (Cocos nucifera) 等抗風能力最強； 烏墨 (Syzygium cumini)、 銹鱗木樨欖(Olea europaeasubsp.cuspidata)、 夾竹桃 (Nerium indicum) 等抗風能力較強； 石栗 (Aleurites moluccanu)、 臺灣相思 (Acacia confusa)、 藍花楹(Jacaranda mimosifolia) 等抗風能力較弱[6]。 調查還發(fā)現(xiàn)， 樹冠形態(tài)、 木材特性、 根系結構與園林樹種抗風能力的相關系數(shù)最高[7]， 目前對樹木抗風能力的研究也主要從樹冠形態(tài)、 樹干性質和根系結構 (含根土板特性) 3 方面展開。

1.1.1 基于樹冠形態(tài)的抗風穩(wěn)定性評價

與樹木抗風能力緊密相關的因子是樹冠形態(tài)。當風作用于樹木時，樹冠承受了大部分風壓，形成風阻，這是造成樹木風倒、風折和風拔現(xiàn)象的主要原因；此外，常年受風向與風力作用的影響，樹木的生長發(fā)生了變化，其空間結構以及樹冠形態(tài)、根和莖的形態(tài)發(fā)育受到間接影響，樹木的表型外觀也隨之發(fā)生變化。 常見的樹冠形態(tài)有尖塔形、圓錐形、圓柱形、卵形、倒卵形、球形、平頂形、傘形等。

我國臺灣省的章錦瑜在1998 年 “瑞伯” 襲擊臺中市后的調研中發(fā)現(xiàn): 作為開張傘形大冠的鳳凰木 (Delonix regia) 損失比較嚴重， 棕櫚科植物因樹冠窄小、 且迎風旗型擺動， 抗風能力較強[8]。 廣州市行道樹受損情況調查顯示: 樹木總葉面積大， 受損概率高； 樹木高度、 冠幅和胸徑也是影響樹木受損的因子， 低矮粗壯的樹木更為穩(wěn)定； 樹木穩(wěn)定性與樹高、 細長指數(shù)、 冠幅比、冠幅長、 冠滿比率、 冠幅圓度、 展開度及冠幅不對稱性為負相關[9]。

利用 Kontogianni 等[10]建立的穩(wěn)定性指數(shù)(Tree Stability Index) 對影響樹木抗風穩(wěn)定性的形態(tài)因子進行評級。 在適應強風環(huán)境的過程中， 樹木橫向生長量減少， 縱向生長量增加， 目的是減少機械應力以適應長期的強風條件， 最終形成錐形或塔形的樹冠形態(tài)[11]。 例如冠層稀疏， 樹冠呈塔形的樹木抗風能力較強； 樹冠茂密、 透風率低、高阻尼的樹木抗風性較差， 大多為紡錘狀、 主干狀和柱狀等； 而傘狀、 開心狀、 叢狀、 杯形能將迎面風壓有效降低， 使樹木抗風能力提高[12]。 因此， 通過對樹木形態(tài)特征的分類可以更有針對性地研究不同樹形在風荷載作用下的動態(tài)響應。

1.1.2 樹干荷載應力與木材性質評價

陸地風力是樹木經(jīng)常承受的關鍵性負荷應力。力學特性、 風力特征和根土板特點是導致風折、 風倒的主因[13]。 評估樹干對風荷載應力的抵抗能力通常采用牽引試驗、 風洞試驗和虛擬建模等手段。

樹木抗風牽引的測定分析聚焦于使樹木發(fā)生風折、 風倒時的極限風速， 以及土壤抗剪強度與樹干力矩相互之間的關聯(lián)性。 樹木可簡化為根部作支點， 樹干作單臂梁的力學模型 (圖1)[14]。風害的實質是風力的不平衡對樹干造成的損傷，當側向負荷加載于樹冠和樹干時， 若載荷力大于樹干強度就會發(fā)生風折， 若載荷力大于根土側向負荷極限就會發(fā)生風倒[15]。 樹木抗風折和風倒的生物學特性、 風荷載大小以及樹木抗根拔的立地土壤物理性質共同決定臨界風速的大小。 傾覆極限指造成樹木傾覆的橫向載荷最小值， 傾覆極限條件下的抗風折、 抗風倒能力決定了這種狀態(tài)下的樹木負荷極限。 從垂柳 (Salix babylonica) 和胡桃 (Juglans ailanthifolia) 在模擬抗風牽引試驗中的反應得知， 根系結構、 樹木形態(tài)和土壤強度對樹木抗風性起著關鍵性作用。 垂柳根系呈心型，錨固穩(wěn)定， 抗傾覆能力強； 胡桃根系呈板狀， 更容易發(fā)生風倒[16]。 然而實際情況比理想分析情況更為復雜， 臺風侵襲時， 風速和風向的瞬時值大多處于變動狀態(tài)， 樹木的力學情況比較復雜。 牽引試驗將風荷載視為靜態(tài)荷載， 是針對風速和風向為恒定值時的理想情況的模擬， 會導致牽引試驗預測的可承受極限風載大于真實風害發(fā)生時的風速[17]。 較多學者從靜力學與動力學兩方面分析樹木的力學性質和穩(wěn)定特征， 并指出樹木是具備獨立力學結構的柔性單元其承載能力與靜拉力試驗預測結果存在一定偏離[18]。

圖1 樹木的靜態(tài)拉力試驗

風洞試驗通過設定風荷速度、 峰值作用時間、風荷頻率等載荷參數(shù)模擬自然風環(huán)境， 以多工況加載并測量樹木在風環(huán)境下的力學響應而進行人工模擬。 已有研究機構實地模擬建立典型植物群落， 進行多級別風洞試驗發(fā)現(xiàn)， 不同建群樹種組成的植物群落抗風性差異顯著[19]。

近年來， 虛擬建模用于樹木抗風性研究已取得長足進展， 其中， 線性濾波法解決了脈動風模型在真實條件下的模擬問題， 參數(shù)化設計語言 (APDL)用于建模和編程可生成樹木模型， 能對樹木的風荷載過程進行更全面地仿真， 也為樹木的應力和位移計算提供了可靠的方法。 但該方法也存在局限性，如樹木受風力作用后， 對樹木所能承載的極限風速和條件的預估在一定程度上可能偏離現(xiàn)實。

木材特性也是影響抗風性的關鍵因素之一，主要包括彈性 (elasticity)、 韌度 (tenacity)、 塑性 (plasticity)、 強度 (strength)、 剛度 (rigidity)等性能， 其中剛度和韌度是反映抗風能力的重要指標[20]。 由夏威夷強臺風損毀的樹種分析可以看出， 木材韌性與樹木受損狀況密切相關， 樹木韌性越大則彈性越大， 剛度越大則彈性越小[21]。 在其他條件不變的情況下， 高韌性的樹木不易折斷，而高剛性、 低強度的樹木則容易折斷。

木纖維結構是對木材性能產(chǎn)生影響的重要參數(shù)之一。 抗風能力強的樹種具備韌性大耐沖擊、纖維致密占比高、 軸向薄壁組織占比低的特征。研究發(fā)現(xiàn)， 大桉 (Eucalyptus grandis) 木材纖維長度與寬度、 長寬比、 木材密度等與抗風能力相關，因此遺傳力較高的性狀， 如木材密度、 樹木高度、纖維寬度、 應力波值等指標應作為桉樹選種時考慮的關鍵因素[22-23]。

1.1.3 根系結構特征的抗風性評價

樹木的存活很大程度依賴于樹根組織的錨固能力。 樹木的錨固牢度和抗風能力受根系組織狀態(tài)和土壤特性的影響， 而根結構對錨固能力有關鍵性影響， 起決定性作用[24]。 根系組織的分布狀況與樹體穩(wěn)定性有顯著的相關性， 導致樹木倒伏的一個重要因素則是根系密度。 比較一年生的巨細桉 (E.grandis×E.tereticornis) 和 巨 尾 桉(E.grandis×E.urophylla) 根系發(fā)現(xiàn)， 根系數(shù)量和形態(tài)對根系抗拔起關鍵作用[25]]。 在對海岸松(Pinus pinaster) 根系結構模擬中發(fā)現(xiàn)， 根系結構決定錨固效果， 直根深度、 根系錐度區(qū)面積及迎風面根莖直徑對錨固起決定性作用[26]。

1.2 臺風風力

強臺風會導致落葉、 枝干折斷、 傾伏、 連根拔起等機械性損害[9]。 王慶等[27]通過模擬臺風“山竹” 對園林樹木造成的破壞發(fā)現(xiàn)， 樹木受損情況的輕重區(qū)域與風速高低的分布區(qū)域高度吻合，且樹木遭損毀的嚴重程度與臺風風速呈正相關，50 km·L-1為安全極限， 樹木基本無損； 125 km·L-1為損傷極限， 被斷枝折干損傷的樹木占 80%；200 km· L-1以上為損毀極限， 受到風倒或風拔損毀樹木超過90%。 一般情況下， 大部分園林樹木的抗風能力不能抵御超過9 級的風力[28](表1)。

表1 風致樹木受損等級統(tǒng)計

1.3 環(huán)境因素

1.3.1 樹木立地環(huán)境

種植立地、 周圍建筑、 下墊面特征通過改變城市局地風環(huán)境使局部風力加強， 導致園林樹木受損。 研究發(fā)現(xiàn)， 當風力從道路側向 90°±45°加載時， 樹木受到的損害最大， 倒伏率最高[9]。 除街道走向外， 高密度建筑群可形成強大的風阻，有效降低風速， 減弱樹木的損害。 而自然地貌、低矮建筑形成的空曠空間， 以及沿街高大建筑構成的狹管效應 (Funnelling effect) 則加強了風力，形成高風通道， 此區(qū)域內樹木受損情況更加嚴重[29]。

除以上因素之外， 樹木的土壤環(huán)境， 如栽植穴過小、 根系土壤環(huán)境差等也是造成行道樹大量遭受風害的主要原因。 臺風 “莫蘭蒂” 侵襲廈門后， 位于行道樹綠帶中的樹木損傷最嚴重， 原因之一是道路綠地普遍空間局促、 土質薄瘠、 樹穴過小、 土壤量不足、 構型不完整、 樹根數(shù)量偏少、長度不足、 分布面狹窄； 原因之二是部分城建工程對樹木生長造成不利影響， 特別是涉及地面開挖工程極易造成土壤松動和根系損傷[30]。

1.3.2 樹木的養(yǎng)護與修剪

及時修剪與合理養(yǎng)護， 對在臺風下園林樹木抗風能力的影響不可小覷。 臺風 “韋森特” 過境深圳后， 修剪與否的紫檀 (Pterocarpus indicus)受災情況對比明顯， 經(jīng)過剪枝整形的沒有受到風害， 抗風性能良好， 而沒有經(jīng)過剪枝整形的大多數(shù)都發(fā)生風折、 風倒現(xiàn)象； 盡管異葉南洋杉(Araucaria heterophylla) 具備很強的抗風能力， 但在臺風作用下， 仍有大量未經(jīng)修剪的植株發(fā)生倒伏情況[9]。 對火爐山公園中移栽齡不同的樹木在臺風 “山竹” 過境后的受損情況調查還發(fā)現(xiàn)， 樹木受損率與移栽齡相關， 其受損率隨移栽齡的增長而明顯降低[31]。 此外， 抗風性較差的樹種在修剪后也能在一定程度提升抗風能力， 例如大花紫薇的根系淺， 抗風性差， 本不宜選為行道樹， 但在臺風 “莫蘭蒂” 登陸廈門市前因進行了疏枝，有效提升了抗風能力， 結果出現(xiàn)了風害受損較輕的情況[32]。 以上現(xiàn)象充分證明修剪管理是提高樹木抗風性能的必要措施之一， 但如果錯誤修剪、樹干具有機械性損傷， 以及樹木病蟲害危害等不當養(yǎng)護則會導致行道樹在臺風災害下承受更多傷害。

2 樹種抗風性評價體系

近20 年來， 園林樹種抗風性評價體系可分為兩類。 一類是基于臺風或大風極端天氣后的調研結果， 以園林樹木受損率為依據(jù)確定樹種的抗風性排序[5，9，33-34]。 另一類是篩選影響樹木抗風性的相關因子作為評價指標， 構建綠化樹種的評價模型， 并據(jù)此進行抗風性綜合評估與分級。 評價指標主要為樹木高度、 形態(tài)、 冠高比、 胸徑、 冠幅、冠層密度、 葉層和根系狀況、 抗彎強度和撓曲變形量等形態(tài)因子[5，35-36]。 而關于樹木抗風性研究的評價方法也正在逐漸成熟， 如將實際風害災后的樹木受損情況與理論樹木抗風性評價模型相互結合并比對修正， 提高了抗風性評價的充分性、有效性及準確性。

臺風是一種極為偶然的天氣， 這可能是造成某些基于風災后樹木受損率評價抗風性所得結論存在差異的原因。 單憑風災后對園林樹木損毀狀況的調查結果， 并不能真實反映實際樹木的抗風性， 甚至存在理論抗風性與實際受損率相矛盾的情況。 此外， 樹種抗風能力的評價指標與評價模型之間的偏差也會造成評價結果的不一致。 國內目前對抗風樹種的分級尚無標準，不同分級評判方法形成的結論偶有不同。 因此，本文對國內近20 年文獻中抗風性排序及評價方法進行綜合整理 (表2)。 結果表明， 我國沿海地區(qū)抗風性較強的樹種有烏桕 (Sapium sebifera)、 喜樹 (Camptotheca acuminata)、 重陽木 (Bischofia polycarpa)、 柳 杉 (Cryptomeria japonicavar.sinensis)、 蚊 母 樹 (Distylium racemosum)、 楓香 (Liquidambar formosana)、 杜仲 (Eucommia ulmoides)、 廣 玉 蘭 (Magnolia grandiflora)、 香樟 (Cinnamomum camphora)、 樸樹 (Celtis sinensis) 和 中 山 杉 (Taxodium‘Zhongshansha’ ) 等。

表2 行道樹樹種抗風性評價體系演化 (1999—2021 年)

3 展望

3.1 加強抗風樹種選擇， 注重樹木養(yǎng)護管理

不同樹種在風災中受損情況存在較大差異，因此樹種的選擇至關重要。 增加根際栽植空間，更新優(yōu)質栽培土壤， 進行合理的抗風支撐、 科學的冠型修剪、 及時的病蟲害防治和株行距的疏密布局是提升特定樹種抗風能力的必備措施。

3.2 完善樹種抗風性評價， 建立綜合評價體系

由于影響樹木抗風性的因素較多， 研究選擇的評價指標多元， 樹種抗風特征因地制宜， 其評價結果往往存在差異， 甚至相互矛盾。 又因風害具有不可重復性， 通過風災后的樹木受損率評價樹種抗風能力也具有或然性、 主觀性與模糊性?，F(xiàn)階段應根據(jù)沿海地區(qū)不同的立地條件選擇行道樹種， 綜合單體樹木的地上部分——樹冠抗風形態(tài)指標、 樹干抗風應力荷載和木材材料性質指標，以及地下部分——根部構型和根土板物理特性指標， 構建多因子選擇指標體系， 探索出適應沿海地區(qū)抗風性行道樹種的選擇機制。

3.3 引入以行道樹為對象的風環(huán)境研究， 完善非常態(tài)城市風環(huán)境的評估

從致災因子層面出發(fā)， 防風減災的重要方面在于對臺風的風險分析[47-48]， 進而在規(guī)劃設計階段優(yōu)化整體綠地結構和種植模式， 提高應對自然災害的能力。 因此需要進一步聚焦風環(huán)境研究，為城市應對極端氣候提供依據(jù)。 現(xiàn)階段針對臺風風場的模擬， 在風景園林領域以園林樹木為研究對象針對非常態(tài)風環(huán)境的評估相對匱乏， 只有少數(shù)研究借助計算流體力學軟件對樹木風損原因進行探究。 未來應嘗試針對行道樹的生存安全， 從模擬條件設計、 模擬結果輸出到風環(huán)境評價指標設計， 搭建行道樹種的非常態(tài)風環(huán)境評價方法，以便尋求生態(tài)安全和綠化健康的科學路徑。