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    氣候變化背景下濱海地區(qū)園林樹種抗風(fēng)性研究進(jìn)展

    2021-12-20 01:07:52張德順劉鳴姚馳遠(yuǎn)陳陸琪瑤
    風(fēng)景園林 2021年11期
    關(guān)鍵詞:抗風(fēng)性抗風(fēng)臺風(fēng)

    張德順 劉鳴 姚馳遠(yuǎn) 陳陸琪瑤

    中國濱海地區(qū)城市眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集,受西太平洋活躍的暖濕氣旋影響,臺風(fēng)災(zāi)害成為沿海地區(qū)的主要災(zāi)害之一。在過去30年里,臺風(fēng)和風(fēng)暴潮事件的發(fā)生頻率和成災(zāi)強(qiáng)度呈不斷上升的趨勢,其形成的鏈?zhǔn)綖?zāi)害(比如洪澇引發(fā)泥石流)影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一災(zāi)害的疊加,對濱海地區(qū)造成的破壞程度也愈發(fā)嚴(yán)重[1-2]。海水表面溫度的升高可能導(dǎo)致未來西北太平洋沿岸出現(xiàn)更多強(qiáng)臺風(fēng)[3],預(yù)計到2050年,每年登陸中國濱海地區(qū)的臺風(fēng)頻次會比2000年增多1~2個,引發(fā)的風(fēng)暴潮頻次也會增多0.6~1.5個[4]。2010年以來,臺風(fēng)移動路徑發(fā)生了新的變化:受大尺度環(huán)流的影響,中國副熱帶高壓持續(xù)偏北,臺風(fēng)移動路徑也相對北上,頻繁登陸沿海地區(qū)。2018年7月下旬到8月中旬,臺風(fēng)“安比”“云雀”“摩羯”和“溫比亞”接連襲擊華東濱海地區(qū),隨后,臺風(fēng)“蘇力”“西馬侖”和“飛燕”等相繼而來;2019年熱帶氣旋“利奇馬”“玲玲”“塔巴”“米娜”接踵而至,嚴(yán)重危害沿海城市的園林樹木。以2018年第22號臺風(fēng)“山竹”為例,據(jù)統(tǒng)計廣州全市共倒伏樹木9 000多株,倒伏樹木阻擋道路、壓毀車輛、破壞市政設(shè)施。頻發(fā)的風(fēng)害不僅給城市居民的生命財產(chǎn)帶來巨大威脅,也增加了園林維護(hù)成本,增大了樹木次生病蟲害的風(fēng)險,威脅到城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的穩(wěn)定發(fā)揮。

    濱海地區(qū)的園林樹木必須具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性,才能防控臺風(fēng)對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)與植物群落結(jié)構(gòu)、功能的負(fù)面影響,避免或者減少風(fēng)害及其次生災(zāi)害;但受限于眾多不利條件,濱海地區(qū)抗風(fēng)園林樹種的研究一直未得到應(yīng)有的重視:一方面,濱海地區(qū)鹽漬化土壤和海潮鹽霧等特殊生境條件限制了園林樹種的選擇及應(yīng)用范圍;另一方面,雖然城市粗糙的表面可以降低風(fēng)速,但高大的建筑物也會產(chǎn)生瞬時風(fēng)洞效應(yīng)(wind tunnel effects)或狹管效應(yīng)(funnelling effects),潛在的局地強(qiáng)風(fēng)會對樹木構(gòu)成嚴(yán)重的風(fēng)害威脅[5-6]。全球范圍內(nèi)對樹木風(fēng)害的研究主要集中于歐洲北部、北美東南部和西太平洋地區(qū)。北歐大西洋的強(qiáng)風(fēng)暴、北美東南部海域的颶風(fēng)及西太平洋的臺風(fēng)均對當(dāng)?shù)貓@林樹木造成了大規(guī)模破壞[7-10]。國內(nèi)外關(guān)于樹木風(fēng)害的研究一般從樹冠、樹干和樹根3個方面展開(圖1),而濱海地區(qū)抗風(fēng)園林樹種研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢可以分為災(zāi)后實(shí)地調(diào)查、樹木形態(tài)特征、樹干性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)研究4個方面。

    1 抗風(fēng)性樹種研究方向示意圖Schematic diagram of the research direction of windresistant tree species

    1 基于災(zāi)后實(shí)地調(diào)查的抗風(fēng)性研究

    臺風(fēng)會對園林樹木造成最直接、巨大的危害,通常會導(dǎo)致樹木發(fā)生落葉、斷枝、折干、倒伏、拔根等機(jī)械性損傷[11-12]。臺風(fēng)風(fēng)速越大,樹木受損害的程度就越高:風(fēng)速為50 km/h 時,樹木一般不會受到損害;風(fēng)速達(dá)到125 km/h 時,約80%的樹木會受損;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過200 km/h 時,將會有90%以上的樹木遭受嚴(yán)重?fù)p害[9]。

    不同樹種遭受風(fēng)災(zāi)時的損傷程度具有顯著差異,美國紐約西部阿迪朗達(dá)克山地區(qū)經(jīng)常受到雷暴風(fēng)、颶風(fēng)、溫帶氣旋和龍卷風(fēng)的侵襲,從當(dāng)?shù)貧v年受災(zāi)報告可知,黑櫻桃(Prunus serotina)和紅果云杉(Picea rubens)幾乎在所有風(fēng)暴中都受到了破壞,而黃樺(Betula alleghaniensis)和糖槭(Acer saccharum)則是部分受到風(fēng)害,并且黃樺、紅果云杉和大葉水青岡(Fagus grandifolia)在老齡林分中比次生林中具有明顯的低受害率[8]。

    近20年來,中國濱海地區(qū)持續(xù)進(jìn)行著臺風(fēng)侵襲后的園林樹木災(zāi)后調(diào)查,例如,湛江臺風(fēng)“莎莉”(1996年)、汕頭臺風(fēng)“杜鵑”(2003年)、廈門臺風(fēng)“莫蘭蒂”(2016年)、珠海臺風(fēng)“天鴿”“帕卡”(2017年)等侵襲后,相關(guān)研究人員對當(dāng)?shù)貓@林樹種進(jìn)行調(diào)查分析后,提出了濱海地區(qū)主要樹種的抗風(fēng)災(zāi)分級體系:以椰子(Cocos nucifera)、大王椰子(Roystonea regia)、江邊針葵(Phoenix roebelenii)、銀海棗(P. sylvestris)、油棕(Elaeis guineensis)、蒲 葵(Livistona chinensis)、假 檳榔(Archontophoenix alexandrae)為代表的強(qiáng)抗風(fēng)樹種;以石栗(Aleurites moluccana)、木麻黃(Casuarina equisetifolia)、錫蘭橄欖(Elaeocarpus serratus)、海 南 紅 豆(Ormosia pinnata)、紅豆 樹(O. hosiei)、人 面 子(Dracontomelon duperreanum)、麻 楝(Chukrasia tabularis)、長芒 杜 英(Elaeocarpus apiculatus)、小 葉 欖 仁(Terminalia neotaliala)、鐵力木(Mesua ferrea)等為代表的中等抗風(fēng)樹種;及以洋紫荊(Bauhinia variegata)、鳳 凰 木(Delonix regia)、木棉(Bombax ceiba)、高山榕(Ficus altissima)、榕 樹(F. microcarpa)、藍(lán) 花 楹(Jacaranda mimosifolia)等為代表的弱抗風(fēng)性樹種[13-17]。

    1999年,臺風(fēng)“丹恩”侵襲廈門,城區(qū)行道樹受損率為75%,其中倒伏者占45%,折枝者占30%。風(fēng)倒率最大的是桃花心木(Swietenia mahagoni)、海 南 蒲 桃(Syzygium hainanense)、菩提樹(Ficus religiosa)、洋紫荊、杧果(Mangifera indica)和澳洲堅(jiān)果(Macadamia ternifolia)等[18];大王椰子、皇后葵(Syagrus romanzoffiana)的風(fēng)倒率僅為3%和5%;而海棗(Phoenix dactylifera)、蒲葵無倒伏現(xiàn)象,表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗風(fēng)性[14]。2012年,臺風(fēng)“布拉萬”侵襲沈陽市,銀白楊(Populus alba)、旱柳(Salix matsudana)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、國槐(Sophora japonica)、京桃(Prunus persicaf.rubro-plena)和白榆(Ulmus pulila)等行道樹發(fā)生倒伏;其中,楊樹(Populusspp.)受損最嚴(yán)重,其次為柳樹(Salixspp.)、刺槐和國槐[19]。湛江市常見82種園林樹種的抗風(fēng)性評價結(jié)果顯示,棕櫚科植物的抗風(fēng)性最強(qiáng),如椰子、大王椰子、假檳榔、棕櫚(Trachycarpus fortunei)等樹種,夾竹桃(Nerium indicum)、尖葉木樨欖(Olea ferruginea)、烏 墨(Syzygium cumini)等具有較強(qiáng)抗風(fēng)性,而石栗、藍(lán)花楹、相思樹(Acacia confusa)等樹種抗風(fēng)性較差[12]。然而,即使是抗風(fēng)性較強(qiáng)的棕櫚科植物,種間的抗風(fēng)性差異也較大,抗風(fēng)性強(qiáng)弱與樹種、樹高、胸徑、冠幅均具有密切關(guān)系[20],常見園林喬木抗風(fēng)性能關(guān)聯(lián)度大小依次為:胸徑>樹高>冠幅>枝下高[21]。

    近年來,在單一樹種不同品種(系)的抗風(fēng)性方面研究也在日益深入。如吳春太等對臺風(fēng)“達(dá)維”“納沙”影響下的海南省橡膠樹進(jìn)行災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn),品種(系)的抗風(fēng)害能力主要受木材密度、樹高、分枝習(xí)性、樹冠形狀、根系深度、葉面積指數(shù)、葉片厚度等性狀影響[22]。2015年,強(qiáng)臺風(fēng)“彩虹”災(zāi)后,梁坤南等對40個月生的赤桉(Eucalyptus camaldulensis)進(jìn)行生長性狀測定和遺傳分析后得出,種源間、家系間、區(qū)組間的差異及種源與區(qū)組、家系與區(qū)組的交互作用極其顯著[23],樹高、胸徑、冠幅、單株材積、Pilodyn值和風(fēng)害等級均受遺傳控制[24]。

    災(zāi)后實(shí)地調(diào)查是抗風(fēng)性園林樹種選擇的基礎(chǔ)工作,可以根據(jù)園林樹種風(fēng)害分級標(biāo)準(zhǔn),按主干傾斜、折干(枝)、倒伏(拔根)等各類型對常見園林樹種進(jìn)行抗風(fēng)性評價。而樹冠形態(tài)抗風(fēng)性分析可以主要考慮整體形態(tài)、生活型以及樹高、胸徑、冠幅、冠形、樹冠比、樹冠指數(shù)、冠部豐滿度、冠部投射比、樹冠疏透度等功能性狀指標(biāo),結(jié)合逐步多元回歸分析,確定樹木穩(wěn)定性的指數(shù)函數(shù)。

    2 基于樹木形態(tài)特征的抗風(fēng)性研究

    樹木形態(tài)特征與抗風(fēng)穩(wěn)定性密切關(guān)聯(lián),常年風(fēng)向與風(fēng)力是決定樹木抗風(fēng)性表型外觀的重要因素之一,即通過影響樹木的生長,間接影響樹木空間的結(jié)構(gòu)和根、莖、冠形態(tài)的發(fā)育。衡量樹種抗風(fēng)性強(qiáng)弱,需要綜合考慮樹種特性、樹冠形狀和大小、分枝性狀、樹冠疏透度、莖干材性、樹木總?cè)~量、葉片特性,甚至栽培措施等[25]。

    樹木形態(tài)抗風(fēng)穩(wěn)定性可通過穩(wěn)定性指數(shù)(stability index)計算和評價[26-30]。長期適應(yīng)強(qiáng)風(fēng)侵襲的樹種,其伸長生長量相對減少,樹干和樹枝的徑向生長量增加,樹木通過減少機(jī)械應(yīng)力和力矩來適應(yīng)強(qiáng)風(fēng)條件,逐漸形成高錐度的塔形形態(tài)[31]。臺風(fēng)災(zāi)后的實(shí)地調(diào)查也驗(yàn)證了塔形樹木具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性,例如,對于樹冠結(jié)構(gòu)有差異的泡桐(Paulownia fortunei)來說,窄冠細(xì)枝塔形的泡桐會具更強(qiáng)的抗風(fēng)性[32]。樹冠過于濃密、透風(fēng)性差、風(fēng)阻大的主干形、圓柱形、紡錘形等的樹木抗風(fēng)能力最弱,而杯狀、傘形、叢狀形、開心形的樹木可降低正面風(fēng)壓,增強(qiáng)抗風(fēng)性。因此,合理的樹木干形比對抗風(fēng)性樹木的選擇至關(guān)重要[33]。干形比的降低是樹木長期受風(fēng)環(huán)境下為增強(qiáng)自身穩(wěn)定性的一個適應(yīng)性進(jìn)化策略,而高干形比則增加了樹木倒伏的風(fēng)險[34-35]。

    對樹木形態(tài)特征進(jìn)行分類后能更好地研究各種樹形在受風(fēng)時的動態(tài)反應(yīng)[36]。例如肖潔舒等對廣州行道樹受風(fēng)害后的調(diào)查顯示,受害樹木大多是總?cè)~量大、葉面積指數(shù)高、冠大蔭濃的樹種,且與樹木的高度、胸徑及冠幅有關(guān),并且淺根系、木材強(qiáng)度低的樹木更容易受害;高聳和分叉的樹比敦壯的樹更具有搖晃的危險;隨著樹木高度、細(xì)長指數(shù)、冠長率、冠滿率、展開度、冠長、總樹高、冠圓度和冠不對稱度的增加,樹木穩(wěn)定性降低[37]。

    此外,通過修枝整形使樹冠疏朗、均衡、通透,可提高樹種抗風(fēng)能力。廣州蓮花山公園修剪過的印度紫檀(Pterocarpus santalinus)在臺風(fēng)中抗風(fēng)表現(xiàn)較好,未經(jīng)修剪的幾乎全部倒伏;即使是抗風(fēng)性較強(qiáng)的異葉南洋杉(Araucaria heterophylla),未經(jīng)修剪的植株仍大量倒伏[37]。

    3 基于樹干抗風(fēng)荷載應(yīng)力與樹干性質(zhì)的抗風(fēng)性研究

    3.1 樹干抗風(fēng)荷載應(yīng)力評價

    在陸地環(huán)境中,風(fēng)力是樹木最普遍和最重要的荷載應(yīng)力[5]。靜態(tài)荷載條件下的樹木抗風(fēng)穩(wěn)定性研究是假設(shè)樹木在持續(xù)的大風(fēng)荷載下,樹干與樹木的根土系統(tǒng)相互抗衡,進(jìn)而發(fā)生樹干彎曲現(xiàn)象,直至到達(dá)極限產(chǎn)生風(fēng)折和風(fēng)倒現(xiàn)象[38]。引起風(fēng)折或風(fēng)倒的主要因素有風(fēng)力大小、樹木生物力學(xué)特性、根系與土壤的相互作用力等。其中,樹木生物力學(xué)特性與樹齡、樹干強(qiáng)度、樹干和樹冠的外形尺寸及樹木健康狀況有關(guān);根系與土壤間的相互作用力則受土壤物理性質(zhì)、剪切強(qiáng)度、含水量、樹木根系深度等因素的影響。研究樹干抗風(fēng)荷載應(yīng)力的常用方法包括樹木抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和虛擬建模等。

    3.1.1 抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn)

    樹木抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注樹木發(fā)生風(fēng)折和風(fēng)倒的臨界風(fēng)速[39-45],以及立地土壤剪切強(qiáng)度與樹干力矩之間的關(guān)系。在力學(xué)簡化模型上,可視樹木為單懸臂梁板,根部為支座。臨界風(fēng)速與樹木的生物學(xué)特性(樹種、樹木高度、樹冠高度和幅度、胸徑、干形通直度、長細(xì)比、葉層狀況等)、風(fēng)荷載大小(陣風(fēng)系數(shù)、阻力系數(shù)和樹冠流線)及立地土壤物理性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)受風(fēng)載或風(fēng)壓的作用達(dá)到極限時,即橫向荷載力大于樹木抗傾覆力時,樹干負(fù)荷極限強(qiáng)度由樹冠風(fēng)載產(chǎn)生的風(fēng)壓力矩和根系的附著力矩決定。風(fēng)壓力矩與風(fēng)速或風(fēng)壓大小、作用方向、作用時間、作用頻率以及受力樹冠大小、形狀、結(jié)構(gòu)、樹高、葉層密切相關(guān)。根系附著力矩則受土壤類型、土層、含水量及樹木的根系特征影響[46]。樹木最大阻力彎矩是樹干質(zhì)量、樹高、胸徑、材積、根深、根幅、土壤類型的復(fù)合函數(shù)。Tanaka等利用樹木抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn),模擬垂柳(Salix babylonica)和日本核桃(Juglans ailanthifolia)受災(zāi)時的受力荷載狀況發(fā)現(xiàn),根系結(jié)構(gòu)、樹形特征和土壤抗剪強(qiáng)度三者相關(guān)性較強(qiáng),垂柳具有心狀根系,根錨固力強(qiáng),抗傾覆力矩較大;而日本核桃具有板狀根系統(tǒng),傾覆力矩較小,易倒伏[47]。

    但實(shí)際情況更為復(fù)雜,因風(fēng)力瞬時值和風(fēng)向多處于變化之中,作用于樹木的不僅有彎應(yīng)力、剪應(yīng)力、拉應(yīng)力,還有扭應(yīng)力[48]。樹木實(shí)際遭受風(fēng)害時,可承受的最大風(fēng)速小于牽引實(shí)驗(yàn)理想值[49-50],從靜力學(xué)和動力學(xué)的角度來說,樹木是具有不同結(jié)構(gòu)的可變個體,受到動力擾動時樹木各個部位產(chǎn)生復(fù)雜聯(lián)動,對其荷載產(chǎn)生正負(fù)向影響,因阻尼振蕩生成的實(shí)際荷載比由靜態(tài)拉伸試驗(yàn)估算的有一定偏差[51-54]。此外,臺風(fēng)登陸時往往伴隨著長時間降水,土壤含水量增大,使得樹木根部土壤軟化、根系固著力降低,加大了倒伏的風(fēng)險。土壤干燥時,樹木受害情況和樹高、胸徑及干形比關(guān)系不大;土壤濕潤時,發(fā)生風(fēng)折的樹木明顯比風(fēng)倒或未受害樹木更高大且相對胸徑更大[55]。

    3.1.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

    風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是研究樹木抗風(fēng)性的重要方法之一。樹木發(fā)生風(fēng)害時,在其自然搖擺頻率下會與湍流風(fēng)場發(fā)生強(qiáng)烈的共振[44],而不同樹種具有不同的共振特性:棕櫚科植物只在固有頻率附近產(chǎn)生一個峰值;意大利柏(Cupressus sempervirens)的樹枝垂直于地面,和主干夾角較小,擺動方式更接近于單自由度系統(tǒng),會出現(xiàn)兩次諧波振動;桉樹(Eucalyptusspp.)由于枝條的阻尼作用具有多個峰值[5]。中科院沙坡頭試驗(yàn)站利用野外風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分別對模擬的20世紀(jì)50和80年代的典型結(jié)皮、苔蘚、草本、半灌木和灌木植被群落進(jìn)行風(fēng)力吹擊實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,檸條(Caragana korshinskii)群落的抗風(fēng)穩(wěn)定性最高,能夠抵抗較大風(fēng)沙流的侵襲[56]。

    3.1.3 虛擬建模

    隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和突破,樹木抗風(fēng)性模擬研究取得了較大進(jìn)展[57-59]。利用線性濾波法可以模擬實(shí)際狀態(tài)下的脈動風(fēng)模型,通過有限元軟件ANSYS中的參數(shù)化建模法編程可得到樹木模型。二者結(jié)合可模擬樹木受動力風(fēng)荷載作用的全過程,并計算樹木各個部位的應(yīng)力狀態(tài)和位移等參數(shù)。剪切破壞是引起樹木結(jié)構(gòu)損害的主要形式[57],在木材的抗彎、抗壓、抗剪性能中,抗剪能力相對較差,樹木受到橫向風(fēng)作用力時,在樹干、樹枝連接處都會產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。樹干底部、枝干連接處的剪切應(yīng)力明顯大于周邊部位的應(yīng)力值。樹木分枝較長時,其內(nèi)部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較大,枝干的受彎破壞也加大。

    英國林業(yè)委員會(British Forestry Commission, BFC)通過風(fēng)倒和風(fēng)折的靜態(tài)荷載力學(xué)穩(wěn)定性模擬實(shí)驗(yàn),連續(xù)多年測試了近2 000棵樹的臨界風(fēng)速所需的最大阻力彎矩,建立了樹木牽引實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫,用于預(yù)測樹木風(fēng)倒和風(fēng)折的極限值,并認(rèn)為樹木受風(fēng)害程度與阻力系數(shù)、木材性質(zhì)或樹冠結(jié)構(gòu)有關(guān)[58]。但是虛擬建模并不能完全解釋自然狀態(tài)下樹木受風(fēng)后的能量轉(zhuǎn)化過程[30],可能存在因過于簡化樹木和風(fēng)之間的相互作用關(guān)系導(dǎo)致與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差的問題[59]。

    3.2 樹干木材性質(zhì)和纖維結(jié)構(gòu)評價

    木材的彈性、塑性、蠕變、強(qiáng)度、韌度、剛度等力學(xué)性質(zhì)是決定樹木抗風(fēng)能力的重要因素,樹木韌度和剛度是體現(xiàn)樹木抗風(fēng)性能的主要指標(biāo)[60]。吳志華等認(rèn)為木麻黃具有較大的材料密度和應(yīng)力波速,木質(zhì)堅(jiān)硬,抗彎彈性大,不易風(fēng)折;而相思樹則表現(xiàn)出較高的生長應(yīng)力,導(dǎo)致木材材性較脆,易發(fā)生開裂和變形,其抗風(fēng)折能力較弱[61]。

    抗風(fēng)力強(qiáng)的樹種具有抗沖擊次數(shù)多、韌度大、纖維組織比率高、軸向薄壁組織含量低的特點(diǎn)。Asner等調(diào)查夏威夷受颶風(fēng)破壞的樹木發(fā)現(xiàn),木材彈性和樹木受害類型及程度顯著相關(guān),樹木剛度越小,其彈性越大[62]。在立地條件較好、地下部分穩(wěn)定時,韌度大的樹木發(fā)生折斷的可能性較小,而剛度大且木材強(qiáng)度小的樹木發(fā)生枝干折斷的可能性較大[6]。從赤桉不同品種的木材性質(zhì)上也發(fā)現(xiàn),受風(fēng)害程度與材積關(guān)系較大,材積越大,越易遭受風(fēng)害[24];木材基本密度,纖維長度、寬度,纖維長寬比等指標(biāo),均與其抗風(fēng)性有聯(lián)系,其中,纖維寬度、樹高、木材密度、應(yīng)力波值等性狀具有高遺傳效應(yīng),是桉樹抗風(fēng)性品種選擇的重要指標(biāo)[63-64]。

    木材胞壁纖絲角,通常指木纖維(包括管胞、韌型纖維等廣義上的木纖維)次生壁中的大纖絲角,其大小在一定程度上影響木材力學(xué)性質(zhì),是反映木材性質(zhì)的重要參數(shù)之一。鄭興峰等應(yīng)用X射線衍射的Cave法,對巴西橡膠(Hevea brasiliensis)的13個具不同抗風(fēng)力的品系主干和枝干木材纖維壁的(微)纖絲角測試分析表明,主干和枝干木材纖維壁纖絲角在抗風(fēng)強(qiáng)度不同的品系之間存在著明顯的差異[65]。

    現(xiàn)有關(guān)于樹木木材物理力學(xué)數(shù)據(jù)資料中,62種針葉裸子植物和216種被子植物木材的密度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗剪強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)渡、沖擊韌性、硬度、抗劈力等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)已較為完備[66-68]。其中,裸子植物有銀杏(Ginkgo biloba)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、黑松(Pinus thunbergii)、圓柏(Sabina chinensis)等;被子植物有臭椿(Ailanthus altissima)、香樟(Cinnamomum camphora)、皂 莢(Gleditsia sinensis)、黃 山 欒 樹(Koelreuteria paniculata‘Integrifoliola’)、苦楝(Melia azedarach)、桑(Morus alba)、毛泡桐(Paulownia tomentosa)、加楊(Populus×canadensis)、麻櫟(Quercus acutissima)、烏桕(Sapium sebiferum)和櫸樹(Zelkova serrata)等。

    4 基于樹木根系結(jié)構(gòu)特征的抗風(fēng)性研究

    根系是植物體長期適應(yīng)陸地生活形成的地下器官,主要作用是固定支撐和吸收營養(yǎng)。由于根系生長環(huán)境復(fù)雜、結(jié)構(gòu)難以觀察、定量分析手段局限,相關(guān)研究進(jìn)展一直較為緩慢。20世紀(jì)80年代開始,國際對植物根系的研究逐漸重視,研究人員主要通過直接或間接測量的方法獲得根形態(tài)的二維平面參數(shù)。到了20世紀(jì)90年代,人們試圖應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)理論將三維根構(gòu)型分解成二維根構(gòu)型,進(jìn)而通過測定相關(guān)的拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)對根構(gòu)型進(jìn)行定量描述,或者通過分形幾何方法估計植物根系的三維立體構(gòu)型。隨著現(xiàn)代測量和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及研究方法的突破,基于地下雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)、射線斷層掃描、核磁共振系統(tǒng)、掃描圖像分析、三維構(gòu)型模擬、微根管法等技術(shù)方法,根系研究已逐步成為國際前沿?zé)狳c(diǎn)[69-70]。從根系形態(tài)構(gòu)型的原位觀察測定和定量分析,到根系形成的發(fā)育生物學(xué)和分子生物學(xué)基礎(chǔ)方面,均開展了系統(tǒng)的研究[69,71]。

    4.1 樹木根系形態(tài)特征研究

    根系空間分布形態(tài)特征是根部系統(tǒng)多樣性中最顯著的特征。對樹木根系形態(tài)分類的方法很多,如:基于田間實(shí)測數(shù)據(jù)測量根系直徑與重量之比和密度來區(qū)分;基于生態(tài)學(xué)中“植物功能類型”(plant functional type)識別方法來分類[72];基于系統(tǒng)發(fā)育類型(phylogenetic relation)的拓?fù)涮卣鲃澐植煌后w根系形態(tài)等。

    主根、側(cè)根和須根的不同組合形成了樹木的不同空間構(gòu)型[40],側(cè)根的生長對于整體樹木的抗風(fēng)性有著重要作用[73]。裸子植物樹干背風(fēng)向的根系明顯較多,樹木自身通過增加背風(fēng)向樹干及根系的重量來抵抗強(qiáng)風(fēng),甚至通過移動根系支點(diǎn)使其力臂變大,從而提升抗風(fēng)能力[74]。深根性、根幅廣的樹種均表現(xiàn)出良好的抗風(fēng)性[37]。日本學(xué)者對457種木本植物的根系進(jìn)行系統(tǒng)研究后,揭示了每種樹木根系生長發(fā)育的相關(guān)因子,包括土壤性質(zhì)、生活型、樹木形態(tài)和根系結(jié)構(gòu)等[75]。根系深度和具有主根根系類型的樹木較有抗風(fēng)優(yōu)勢,如根系深度大于2 m的槲樹(Quercus dentata)、鐵堅(jiān)油杉(Keteleeria davidiana)、剛松(Pinus rigida)、木麻黃、黑松、日本冷杉(Abies firma)、美國黑核桃(Juglans nigra)和美洲黑櫟(Quercus velutina)等。根系支持力較大的則有吉爾瓦櫟(Q. gilva)、槲樹和麻櫟等。

    4.2 樹木根系結(jié)構(gòu)與抗風(fēng)穩(wěn)定性研究

    樹木根部錨固作用是保證樹體存活的基本功能。樹木的根系結(jié)構(gòu)和土壤的物理性質(zhì)(土壤容重、土壤比重、土壤孔隙率、土壤結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)地、土壤粘附力)共同決定了樹木整體的錨固能力以及抗風(fēng)性能的大小。

    樹木根土板是包括樹木根系和周邊的土壤的復(fù)合性結(jié)構(gòu),其錨固強(qiáng)度與樹木穩(wěn)定性關(guān)系緊密??赏ㄟ^測定不同風(fēng)速下根-板傾角極限來確定不同樹種風(fēng)速-傾斜之間的差異性[76-77]。對于淺根性的北美云杉(Picea sitchensis)來說,迎風(fēng)側(cè)的根受風(fēng)時的錨固力是影響其抗風(fēng)性的最主要因素,其次是根土板的重量、土壤粘聚力和背風(fēng)側(cè)根的抗拉強(qiáng)度[40]。

    根系結(jié)構(gòu)特征在樹木錨固作用中起主導(dǎo)作用[78]。根系的分布情況,如根系密度、側(cè)根分布寬度、輪數(shù)、主根大小和深度等都與樹體穩(wěn)定性直接相關(guān),其中,根系密度則是樹木發(fā)生倒伏的最主要原因之一。張華林等對兩種一年生桉樹無性系根系開展調(diào)查研究,結(jié)果表明巨細(xì)桉(Eucalyptus grandis×E. tereticornis)根總數(shù),以及根直徑在0~2 cm的根數(shù)顯著比尾巨桉(E. urophylla×E. grandisclone)多,但尾巨桉冠幅顯著比巨細(xì)桉大,故巨細(xì)桉樹干易斷,而尾巨桉易倒伏,在相同種植密度下,巨細(xì)桉比尾巨桉抗風(fēng)性更強(qiáng)[79]。

    4.3 樹木根系結(jié)構(gòu)模擬與定量化研究

    基于真實(shí)或模擬根系的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù),利用有限元法(finite element method, FEM),可探知“根土系統(tǒng)”在樹干彎曲載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)。Dupuy等對影響拔根的根系幾何參數(shù)、拓?fù)鋮?shù)及基本參數(shù)的敏感性分析,在一定的土壤條件下,根系分枝參數(shù)和根系形態(tài)是決定單個根系抗拔的重要因素[80]。Yang等通過對砂質(zhì)土壤中19年生的海岸松(Pinus pinaster)的根系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn),根系結(jié)構(gòu)特征決定了樹木錨固作用,其中,直根深度、根系錐度區(qū)大小及迎風(fēng)淺根的基部直徑是決定錨固強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[78]。

    為對不同土壤類型中的根系錨固力快速評估,Dupuy等[80]采用基于莫爾–庫侖塑性模型(Mohr-Coulomb plasticity model)模擬了不同物理性質(zhì)的土壤,同時構(gòu)建了心狀根系、主根根系、魚尾狀根系和板狀根系4種根系結(jié)構(gòu)的3D模式。結(jié)果顯示,砂質(zhì)性土壤中的生根深度是重要參數(shù);心狀根系在黏土性土壤中的抗風(fēng)性較強(qiáng),而主根根系在砂質(zhì)性土壤中的抗風(fēng)性較強(qiáng);魚尾狀和板狀根系在黏土性土壤的抗風(fēng)性只有心狀根和主根根系結(jié)構(gòu)的一半左右,而在砂質(zhì)性土壤中抗風(fēng)性相對較高??傊?,心狀根系和主根根系的抗倒伏性最強(qiáng),即有許多分枝、斜根、水平根和側(cè)根的樹種具有強(qiáng)抗風(fēng)性。

    5 結(jié)論和展望

    各種園林植物正在遭受前所未有的環(huán)境脅迫,臺風(fēng)、颶風(fēng)、龍卷風(fēng)等風(fēng)害侵襲必須引起專業(yè)、學(xué)科、行業(yè)研究人員的高度重視。樹種抗風(fēng)能力由內(nèi)外多重因素綜合決定,須充分考慮在風(fēng)災(zāi)后樹木調(diào)查與評估、樹冠抗風(fēng)形態(tài)、抗風(fēng)穩(wěn)定性特征、樹干木材性質(zhì)與荷載應(yīng)力測試、樹根根系結(jié)構(gòu)特征與根土板抗風(fēng)性等多方面研究中的各項(xiàng)抗風(fēng)性指標(biāo)因子,來確定不同樹種的抗風(fēng)性能參數(shù)與風(fēng)害敏感性之間的因果關(guān)系,并基于此進(jìn)行抗風(fēng)性良好的園林樹種選擇工作。

    為增強(qiáng)整個城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少臺風(fēng)災(zāi)害對濱海地區(qū)的破壞與影響,濱海地區(qū)園林樹種選擇和應(yīng)用建議從以下幾個方面著手:進(jìn)行災(zāi)后實(shí)地調(diào)查,綜合分析多個樹木抗風(fēng)性的影響因子,對常見園林樹種進(jìn)行抗風(fēng)性評價;選擇適合濱海地區(qū)的園林樹種,優(yōu)化種植結(jié)構(gòu),科學(xué)搭配樹種抗風(fēng)性群落。樹種選擇是風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計中的一個重要內(nèi)容,增加濱海防護(hù)綠地中具有較強(qiáng)抗風(fēng)特性的樹種比例是最大限度程度降低風(fēng)害的基本策略?;跇浞N抗風(fēng)性的群落搭配和種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是實(shí)踐過程中的重要一環(huán),園林種植設(shè)計中的樹種搭配、株行距設(shè)置、組團(tuán)面積以及垂直結(jié)構(gòu)也與植物群落的防風(fēng)性能密切相關(guān)。對于存在景觀需求的區(qū)域,必須注重喬、灌、草植物配置的多元性和季相的時空組合變化的藝術(shù)性;對于以防護(hù)為主的綠化區(qū)域,增加抗風(fēng)性強(qiáng)的樹種比例是應(yīng)對未來風(fēng)災(zāi)的關(guān)鍵舉措之一。

    如何在氣候變化的背景下,以風(fēng)景園林學(xué)的角度積極應(yīng)對其可能帶來的種種問題是我們未來的前進(jìn)方向。樹木的抗風(fēng)能力只是樹種抗逆性的一個方面,研究了解樹木的各種抗性,對其進(jìn)行綜合評價,能在不同環(huán)境下選擇最為合適的樹種,真正做到“適地適樹”,也能使風(fēng)景園林生態(tài)體系能在氣候變化的條件下仍然保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的動態(tài)穩(wěn)定性。

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    文中圖1由作者繪制。

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