華南地區(qū)城市常見園林樹木風(fēng)災(zāi)受損等級及抗風(fēng)能力研究

董 毅，黃義鈞，何國強(qiáng)，劉永金，譚廣文

（1.華潤（深圳）有限公司，廣東 深圳 518010；2.深圳市仙湖植物園，廣東 深圳 518004；3.廣州普邦園林股份有限公司，廣東 廣州 510600；4.深圳市梧桐山風(fēng)景區(qū)管理處，廣東 深圳 518004）

【研究意義】臺風(fēng)發(fā)生于西太平洋洋面，每年夏秋季節(jié)頻繁影響中國、日本、越南、菲律賓等沿海地區(qū)。近30年來全球氣候變化加劇，各種極端氣象災(zāi)害頻發(fā)，影響我國東南沿海地區(qū)的臺風(fēng)有顯著加強(qiáng)和增多的趨勢。臺風(fēng)具有發(fā)生頻率高、突發(fā)性強(qiáng)，影響范圍廣、成災(zāi)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，在登陸過程中，除了嚴(yán)重干擾人們正常生產(chǎn)、生活，還對城市基礎(chǔ)設(shè)施尤其是綠地系統(tǒng)造成極大破壞。隨著我國園林事業(yè)蓬勃發(fā)展，近年來沿海城市園林綠化樹種的景觀應(yīng)用方式日漸豐富，在臺風(fēng)侵襲時(shí)受害情況尤為明顯。因此，園林樹木風(fēng)災(zāi)與抗風(fēng)性的問題受到沿海城市管理者及專業(yè)人士的持續(xù)關(guān)注?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】20世紀(jì)90年代末開始，諸多學(xué)者從物理學(xué)、數(shù)學(xué)的角度對樹木抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。鄭興峰等［1］分析了經(jīng)濟(jì)樹種不同抗風(fēng)品系間主干與枝條木材纖維結(jié)構(gòu)間關(guān)系；陶嗣巍［2］研究了樹木在強(qiáng)風(fēng)作用下達(dá)到折干、彎區(qū)的最大運(yùn)動極限；邵卓平等［3］研究了活立木在風(fēng)荷載作用下達(dá)到變形時(shí)的最大彎區(qū)和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等；吳顯坤［4］以逐步回歸法和強(qiáng)制回歸法構(gòu)建樹種抗風(fēng)能力評估模型；吳志華等［5］在綠化樹種的抗風(fēng)評價(jià)及分級選擇中采用綜合評價(jià)法及灰色度關(guān)聯(lián)法構(gòu)建評價(jià)模型；張華林［6］采用層次分析法研究了不同樹種及林組的生長量、形態(tài)指標(biāo)及材質(zhì)性狀對其抗風(fēng)性能的影響等?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于樹木臺風(fēng)風(fēng)災(zāi)研究多圍繞某一區(qū)域風(fēng)災(zāi)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及風(fēng)災(zāi)的發(fā)生機(jī)理，而對影響樹木風(fēng)災(zāi)受損的主要因子和抗風(fēng)性能關(guān)系的硏究不多，對樹木抗風(fēng)性能強(qiáng)弱的硏究多為經(jīng)驗(yàn)型的模糊表達(dá)，華南地區(qū)對樹木風(fēng)災(zāi)等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)也不一致，甚至同一城市不同區(qū)城的園林部門也不統(tǒng)一，評估口徑的差異造成不同城市園林部門對樹木風(fēng)災(zāi)情況難以進(jìn)行橫向比較?！緮M解決的關(guān)鍵問題】從樹木本身受損情況、對景觀的影響及災(zāi)后恢復(fù)的難易程度對樹木風(fēng)災(zāi)等級進(jìn)行劃分，在探討園林樹木風(fēng)災(zāi)受損等級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用量化數(shù)據(jù)對影響園林樹木倒伏、折干、折枝的相關(guān)因子進(jìn)行分析，以期為沿海地區(qū)園林綠化樹種選擇及防風(fēng)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2018年9月16日，14級超強(qiáng)臺風(fēng)“山竹”自東向西橫掃珠三角沿海地帶。調(diào)研工作于2018年9月17日開始，范圍涵蓋深圳全市10個(gè)行政區(qū)。各區(qū)內(nèi)選取代表性道路3～4條［道路包括橫向（東西走向）及縱向（南北走向）］、公園1～2個(gè)進(jìn)行樹木風(fēng)災(zāi)受損情況調(diào)查，同時(shí)每個(gè)樣本重復(fù)調(diào)查3次。采用隨機(jī)區(qū)域調(diào)查法，道路是沿主要道路的上下行方向依次進(jìn)行，公園從不同入口開始隨機(jī)選3個(gè)區(qū)域，各區(qū)域樣方面積為50 m×50 m。

喬木類選擇標(biāo)準(zhǔn)：生長5年以上、（胸徑φ）＞10 cm，灌木：（株高H）＞1 m、園林中被廣泛應(yīng)用的樹種。風(fēng)災(zāi)狀況方面，調(diào)查折干率、倒伏率、傾斜率、折枝率。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 抗風(fēng)因子測定 風(fēng)災(zāi)過后園林樹木表現(xiàn)出不同程度的風(fēng)災(zāi)狀況?；谖覀兘?0年對樹木風(fēng)災(zāi)的研究結(jié)果［1,6-9］及對樹木自身因素分析，篩選出與抗折干能力密切相關(guān)的因子為樹干與材質(zhì)、抗彎強(qiáng)度、冠高比、冠層密度；與抗倒伏能力密切相關(guān)的因子為抗彎強(qiáng)度、根系狀況、冠層密度、冠高比，但城市綠化的園林樹木大多是移植苗，根系狀況受人為因素影響較大；與抗折枝能力密切相關(guān)的因子是最大靜荷載、撓曲變形量、樹干與材質(zhì)。

1.2.2 枝條柔韌度測定 枝條柔韌度主要測定枝條最大靜荷載、撓曲變形量，數(shù)據(jù)由深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院檢測提供。

測試樣品為新鮮枝條，基本通直，無分枝，無明顯傷口及病蟲害，枝條長度≥500 mm、中部直徑約20 mm，兩端口整齊，無撕裂。測試參數(shù)：測試樣品中部同規(guī)格直徑的最大靜曲載荷時(shí)的撓曲變形量和力值。試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度26℃，濕度70%～80%。每樹種為1組，每組重復(fù)6根。測試儀器及標(biāo)準(zhǔn)要求：樣品外徑測量采用分度值為0.01 mm的游標(biāo)卡尺；撓曲變形量采用材料試驗(yàn)機(jī)的橫梁位移作為測量，精確到0.1 mm；最大靜荷載采用兩點(diǎn)支撐并在中央加荷的三點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行測試，采用精度為1級的材料試驗(yàn)機(jī)，以10 mm/min速度進(jìn)行恒速加載，記錄最大載荷，精確至1 N。

樹木冠層密度的測定與計(jì)算方法參考張東穎等［10-16］。抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)來源于成俊卿等［17］。樹干與材質(zhì)是樹干纖維密度的指標(biāo)，主要由氣干密度（g/cm3）決定，數(shù)據(jù)來源于吳顯坤［4］、張華林等［6,17-19］。根系狀況、冠高比數(shù)據(jù)來源于祖若川等［7,20］。

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與評分

各形態(tài)因子用字母縮寫代替，對應(yīng)如下：樹干與材質(zhì)XSC、抗彎強(qiáng)度XKQ、冠層密度XGM、冠高比XGG、根系狀況XGZ、撓曲變形量XNB、最大靜荷載XZJ。

1.3.1 抗風(fēng)因子的評定 采用三分制評分法［6-7,10］計(jì)算各樹種對應(yīng)因子的理論得分。其中，3分為抗風(fēng)性強(qiáng)，2分為抗風(fēng)性一般，1分為抗風(fēng)性弱。

1.3.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化 （1）抗風(fēng)因子分值。根據(jù)評分法分別計(jì)算樹種抗性能力分值，每個(gè)因子最高評3分，i=1～50，共計(jì)50種樹木。

抗折干能力分值 :YG（i）=XSC+XKQ+XGM+XGG；

抗倒伏能力分值 :YF（i）=XGG+XGM+XGZ+XKQ；

抗折枝能力分值 :YZ（i）=XSC+XNQ+XZJ

（2）樹種抗性能力重要性指數(shù)S（i），即重要值百分?jǐn)?shù)?？拐壑δ芰?、抗折干能力、抗倒伏能力對應(yīng)的重要性指數(shù)分別為 SZ（i）、SG（i）、SF（i）。

2 結(jié)果與分析

2.1 園林樹木風(fēng)災(zāi)等級與抗風(fēng)因子

2.1.1 樹木風(fēng)災(zāi)等級 國內(nèi)對園林樹木風(fēng)災(zāi)及抗風(fēng)性的研究最早為楊康民等［21］的目測及對比分析法，經(jīng)觀測將樹木風(fēng)災(zāi)等級分為4類。郭祁源等［19］將經(jīng)濟(jì)林幼苗抗風(fēng)性為劃分5類。祖若川［7］將樹木抗風(fēng)性分成3類。張華林［6］將樹木抗風(fēng)性等級增加至4類。朱偉華等［22］在樹木風(fēng)災(zāi)分級中，結(jié)合護(hù)樹設(shè)施受損狀況將樹木風(fēng)災(zāi)等級分為5類。

結(jié)合以往學(xué)者對園林樹木風(fēng)災(zāi)受損等級評估，本研究從樹木本身受損情況及災(zāi)后恢復(fù)的難易程度，將園林樹木做以下5個(gè)等級劃分：1級，主干折斷，已失去園林功能及價(jià)值（棕櫚科植物以心葉生長點(diǎn)或主干折斷為標(biāo)準(zhǔn)）；2級，倒伏連根拔起，扶正種植存在成活機(jī)會；3級，樹木傾斜，需要扶正種植，絕大多數(shù)能存活；4級，一級分枝或主分枝折損，能恢復(fù)生長，但景觀受影響（棕櫚科植物以葉稍折損等同主枝折損）；5級，其他分枝折斷或主干樹皮損傷，對景觀影響較小（棕櫚科植物以葉裂片折損等同分枝折損）。

2.1.2 抗風(fēng)能力主要因子及評分標(biāo)準(zhǔn) 園林樹木位居綠化景觀的中上層空間，易受臺風(fēng)危害，決定樹木抗風(fēng)的主要因素包括氣象與地理、城市建設(shè)及綠地規(guī)劃、建設(shè)監(jiān)管、日常養(yǎng)護(hù)等，還與樹木自身因素緊密相關(guān)。通過分析學(xué)者們多年的研究成果［4,6,10,13,16］，篩選出與風(fēng)災(zāi)關(guān)聯(lián)度較高的7個(gè)形態(tài)因子，包括樹干與材質(zhì)、抗彎強(qiáng)度、冠層密度、根系類狀況、冠高比及最大靜荷載和撓曲變形量。通過實(shí)測及文獻(xiàn)收集整理50種常見園林樹木7個(gè)因子的研究數(shù)據(jù)見表1。

各因子的評分標(biāo)準(zhǔn)見表2，其中撓曲變形量為木材在施加荷載后所表現(xiàn)出的彎曲程度，是木材流變性質(zhì)的直接反映［4,6,8,11,14］。木材受外力作用時(shí)，其彈性模量與木材密度呈正相關(guān)。最大靜荷載為樹木枝干在穩(wěn)定外力作用下，接近彎曲變形臨界狀態(tài)的極限應(yīng)力。樹木的風(fēng)荷載與樹木材質(zhì)、韌度緊密相關(guān)。

2.2 園林樹木形態(tài)因子與樹木抗風(fēng)能力

2.2.1 抗折枝能力 枝條是樹體結(jié)構(gòu)中相對細(xì)弱和最易受傷害的部位，強(qiáng)風(fēng)吹拂下，樹體最先受風(fēng)災(zāi)的是枝、葉等器官。綜合相關(guān)研究篩選出與枝條抗風(fēng)性密切相關(guān)的形態(tài)因子為撓曲變形量、最大靜荷載、樹干與材質(zhì)。計(jì)算可得50個(gè)樹種抗折枝能力總得分，其中抗折枝能力總得分值相等的樹種，以枝條最大靜荷載量分值大小排序；枝條最大靜荷載量分值相等的樹種，參考枝條撓曲變形量分值大小排序（表3）。

表3中抗性優(yōu)良的前15名樹種，棕櫚科植物有12種、占80%。排名前15的樹種具有如下特征：（1）以棕櫚科植物為主；（2）多為原生近海地區(qū)的樹種或適合濱海綠化的樹種，如椰子、銀海棗、木麻黃等。后15名樹種，大多原產(chǎn)于內(nèi)陸靜風(fēng)的山區(qū)或平原，如火焰木、藍(lán)花楹等，該類樹種普遍冠大、枝脆，風(fēng)災(zāi)程度最為嚴(yán)重。

表3 50種常見園林樹木抗折枝能力排序及得分Table 3 Ranking and score of tree branch breaking resistance of 50 common garden trees

2.2.2 抗折干能力 主干是樹體結(jié)構(gòu)中最基礎(chǔ)、最重要的結(jié)構(gòu)單元，具有承接根與樹冠結(jié)構(gòu)平衡、穩(wěn)定（樹干彈性與堅(jiān)固性）的重要作用。強(qiáng)風(fēng)經(jīng)過時(shí)，樹木主干御風(fēng)性能將影響整個(gè)樹體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與平衡。綜合調(diào)查與文獻(xiàn)研究［1,3,10,15］得出與主干抗風(fēng)性密切相關(guān)的形態(tài)學(xué)因子4個(gè)：樹干與材質(zhì)、抗彎強(qiáng)度、冠層密度、冠高比。計(jì)算得出50個(gè)常見園林樹種抗折干能力得分，其中對抗折干能力總得分值相等的樹種，以抗彎強(qiáng)度分值大小排序；抗彎強(qiáng)度分值相等的樹種，按冠層密度分值大小排序（表4）。

表4數(shù)據(jù)表明，抗折干能力排名前15位的樹種具有如下特征：（1）材質(zhì)堅(jiān)韌，如木麻黃、龍眼、荔枝等；（2）干形挺直、分層明顯，樹冠受風(fēng)面積小，如小葉欖仁、霸王棕等。

2.2.3 抗倒伏能力 根據(jù)臺風(fēng)“山竹”過境后的現(xiàn)場調(diào)查及綜合以往關(guān)于樹木風(fēng)災(zāi)倒伏情況的研究［4,6,12,15］，我們認(rèn)為冠高比、抗彎強(qiáng)度、根系狀況、冠層密度4個(gè)形態(tài)因子與樹木抗倒伏能力密切相關(guān)，通常城市中的綠化樹木多為移植苗，定植后根系需重新萌發(fā)恢復(fù)生長。一般情況下，根系受市政設(shè)施及園林施工的影響，往往生長空間不足導(dǎo)致難以伸展，未能真實(shí)體現(xiàn)其對樹木的支撐能力，因此對抗倒伏能力總得分值相等的樹種，以冠高比分值大小排序；冠高比分值相等的樹種，按冠層密度分值大小排序，得50個(gè)樹種抗倒伏能力得分排序（表5）。

從表5可以看出，抗倒伏能力最強(qiáng)的前15名樹種具有如下特征：（1）深根性樹種或具有特化的板根或支柱根，如木麻黃、黃葛樹、小葉榕等；（2）樹冠通透、透風(fēng)效果好或枝條柔軟風(fēng)阻小的樹種，如小葉欖仁、木麻黃等。

2.2.4 綜合抗風(fēng)性能 綜合50種常見園林樹木抗折枝、抗折干、抗倒伏能力分值，計(jì)算出樹木綜合抗風(fēng)能力分值及指數(shù)排序?？癸L(fēng)能力依大小劃分Ⅰ～Ⅴ級，綜合抗風(fēng)能力指數(shù)排名前10位的評定抗風(fēng)等級為Ⅰ級，排名11～20位的評定抗風(fēng)等級為Ⅱ級，以此類推。從表6可以看出，垂葉榕、木棉、黃槿、黃槐等樹種實(shí)際調(diào)查的風(fēng)災(zāi)狀況與理論評估出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象與市政環(huán)境因素或苗圃育苗與養(yǎng)護(hù)的人為干擾密切相關(guān)。

表4 50種常見園林樹木抗折干能力排序及得分Table 4 Ranking and score of tree trunk breaking resistance of 50 common garden trees

表5 50種常見園林樹木抗倒伏能力排序及得分Table 5 Ranking and score of tree lodging resistant of 50 common garden trees

3 討論

3.1 樹木風(fēng)災(zāi)等級

目前各地園林部門甚至同一城市不同行政區(qū)域、機(jī)構(gòu)針對樹木風(fēng)災(zāi)等級的劃分缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對抗風(fēng)性的評價(jià)也缺乏量化表達(dá)。以往研究表明，樹木風(fēng)災(zāi)與多種形態(tài)因子相關(guān)，其中根系狀況、樹冠類型、材質(zhì)與密度、抗彎強(qiáng)度等因子對樹種抗風(fēng)性起決定性作用［4-6,8,13,17］。我們認(rèn)為從樹木實(shí)際風(fēng)災(zāi)受損程度及災(zāi)后景觀恢復(fù)狀況出發(fā)，應(yīng)將樹木風(fēng)災(zāi)等級分為5類，有利于行業(yè)管理部門對風(fēng)災(zāi)損失進(jìn)行統(tǒng)一評估，也便于城市綠地規(guī)劃中更加精細(xì)、有效開展樹種選擇、規(guī)劃和配置。

3.2 樹木抗風(fēng)能力

在抗折枝能力方面，14種棕櫚類植物有11種排序靠前，說明棕櫚類植物干形通直、葉片軟而稀疏、風(fēng)阻小，與吳志華［5］研究結(jié)果相一致；36種闊葉樹種中有9種同時(shí)出現(xiàn)在抗折干、抗倒伏能力排序前15名，說明具備材質(zhì)堅(jiān)韌、抗彎強(qiáng)度大、深根性、樹冠通透、透風(fēng)效果好或枝條柔軟風(fēng)阻小是抗折干、抗倒伏樹種的重要特征。但在城市綠化中上述類型樹種若樹穴過小，綠化土層薄而根系難以伸展或市政施工損傷根系，也難免出現(xiàn)風(fēng)災(zāi)較重現(xiàn)象；現(xiàn)代城市綠化的園林樹木大多是移植苗，經(jīng)斷根或營養(yǎng)缽培育后抗風(fēng)性能大為減弱。

3.3 環(huán)境因子對樹木風(fēng)災(zāi)的影響

導(dǎo)致樹木風(fēng)災(zāi)的原因除樹木自身因素外，還與樹木所處外部環(huán)境（風(fēng)向、土壤、地形條件、位置等）密切相關(guān)。就外因而言，針對同一樹種的行道樹來看，當(dāng)臺風(fēng)登陸風(fēng)向與道路呈較大銳角或直角時(shí)對行道樹破壞力最大；若該地段土壤淺薄、樹穴或綠帶設(shè)計(jì)不合理，且市政施工損傷樹木根系，則會增大風(fēng)災(zāi)幾率；當(dāng)綠地周圍為高層建筑群環(huán)繞或位于狹窄樓宇之間時(shí)，受到空間環(huán)境影響會產(chǎn)生狹管效應(yīng)、渦流現(xiàn)象，進(jìn)而改變風(fēng)向、提升瞬時(shí)風(fēng)速，樹木受害情況將加?。慌_風(fēng)對同一路段不同結(jié)構(gòu)的群落影響也不同，如結(jié)構(gòu)層次豐富的群落分散了風(fēng)壓和風(fēng)力作用，明顯優(yōu)于結(jié)構(gòu)單純的群落。

4 結(jié)論

本研究認(rèn)為，樹干與材質(zhì)、抗彎強(qiáng)度、冠層密度、冠高比、根系狀況、枝條撓曲變形量和最大靜荷載決定樹種抗風(fēng)性能的強(qiáng)弱。棕櫚類、鄉(xiāng)土樹種及根系發(fā)達(dá)或材質(zhì)堅(jiān)韌、樹冠通透的種類抗風(fēng)性能較強(qiáng)。合理選擇、配置抗風(fēng)樹種可有效提升景觀樹木抗風(fēng)性能，其中：綜合抗風(fēng)性評價(jià)為Ⅰ級的樹種，抗風(fēng)性能優(yōu)異并能很好體現(xiàn)區(qū)域景觀特色，宜作為基調(diào)樹種在華南沿海城市景觀綠化中廣泛運(yùn)用；抗折枝性能優(yōu)良的樹木枝條抗壓、柔韌能力突出，適合作城市道路綠化、公園或住宅區(qū)綠化的重要樹種；抗倒伏、抗折干的種類多為深根性或具有特化或發(fā)達(dá)地面根系的樹種，適合布置于濱海綠地、路側(cè)綠地等處作為骨干樹種。

表6 50種常見園林樹木綜合抗風(fēng)能力及風(fēng)災(zāi)等級排序Table 6 Comprehensive wind resistance capacity and wind damage level of 50 common garden trees