寧波主要園林樹(shù)種木材物理力學(xué)性質(zhì)及抗風(fēng)能力評(píng)價(jià)

樓璐 何云核

摘要 [目的]掌握寧波主要園林樹(shù)種的抗風(fēng)能力。[方法]調(diào)查9號(hào)、18號(hào)臺(tái)風(fēng)過(guò)后寧波主城區(qū)園林樹(shù)種的受害情況，篩選出8個(gè)種植范圍較廣且較為典型的園林樹(shù)種進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析。測(cè)定8個(gè)樹(shù)種枝條的木材纖維特性、木材力學(xué)性質(zhì)、抗風(fēng)性能，分析木材性質(zhì)與抗風(fēng)值的相關(guān)性，綜合評(píng)價(jià)抗風(fēng)性。[結(jié)果]抗風(fēng)值與枝條纖維長(zhǎng)寬比（相關(guān)系數(shù)0.843）、枝條彎曲彈性模量（相關(guān)系數(shù)0.779）存在強(qiáng)正相關(guān)。8個(gè)樹(shù)種中，以柚、木犀、樟、水杉的抗風(fēng)能力較好，廣玉蘭、構(gòu)樹(shù)、意楊的枝條抗風(fēng)能力較差。[結(jié)論]該研究為今后寧波市區(qū)園林樹(shù)種的選擇與應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 園林樹(shù)種;纖維長(zhǎng)度;纖維寬度;彈性模量;抗風(fēng)能力

中圖分類號(hào) S-781? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）12-0116-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.029

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Evaluation of Wood Properties and Wind Resistance of Branches of Major Garden Trees in Ningbo

LOU Lu，HE Yun he （School of Landscape Architecture，Zhejiang A&F University，Hangzhou，Zhejiang 311300）

Abstract [Objective]To master the wind resistance ability of main garden trees in Ningbo.[Method]The damage of landscape tree species in the main urban area of Ningbo after typhoon No.9 and No.18 was investigated.Eight typical landscape tree species with wide planting range were selected and analyzed.The wood fiber properties，wood mechanical properties and wind resistance of 8 tree species were measured，and the correlation between wood properties and wind resistance was analyzed.[Result]There was a strong positive correlation between wind resistance value and fiber aspect ratio （correlation coefficient 0.843） and bending modulus of elasticity （correlation coefficient 0.779）.Among the 8 tree species，Citrus maxima，Osmanthus fragrans，Cinnamomum camphora，Metasequoia glyptostroboides，while Magnolia grandiflora，Broussonetia papyrifera and Populus euramevicana had lower wind resistance.[Conclusion]This study provides a scientific basis for the selection and application of landscape tree species in Ningbo City in the future.

Key words Garden tree species;Fiber length;Fiber width;Modulus of elasticity;The wind resistance ability

寧波地處我國(guó)東南沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)。在夏季，風(fēng)害是寧波等多風(fēng)地區(qū)毀壞城市綠化的主要自然災(zāi)害之一。因此，選擇抗風(fēng)性良好的植物作為行道樹(shù)、沿海防護(hù)林、園林綠化、建筑綠化等，是城市環(huán)境建設(shè)的迫切需求[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年至今對(duì)寧波市造成影響的臺(tái)風(fēng)數(shù)量為46個(gè)，平均每年3.5個(gè)[2]，且?guī)缀趺磕陮?duì)寧波的農(nóng)林牧漁業(yè)造成巨大影響。歷年來(lái)，影響寧波的臺(tái)風(fēng)數(shù)量有增無(wú)減，隨著氣象部門對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)能力的提升，群眾抗臺(tái)應(yīng)急意識(shí)的增強(qiáng)，城市綠化部門相關(guān)預(yù)防及災(zāi)后重建措施的完善，使臺(tái)風(fēng)對(duì)寧波的影響處于可控制范圍內(nèi)。但臺(tái)風(fēng)后大量行道樹(shù)的倒伏對(duì)綠化及交通的影響較大，如何選擇適宜寧波生長(zhǎng)又具有較好抗風(fēng)能力的行道樹(shù)樹(shù)種并進(jìn)行合理配置是目前值得探討的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于林木抗風(fēng)能力的研究較少，國(guó)內(nèi)更多偏向于林分尺度，表現(xiàn)在林分布局、營(yíng)林措施對(duì)抗風(fēng)效果的影響等方面[3]，國(guó)外主要對(duì)風(fēng)力大小、方向和植株自身特性進(jìn)行綜合研究評(píng)價(jià)[4]。筆者對(duì)寧波市區(qū)受損程度較大地區(qū)行道樹(shù)展開(kāi)調(diào)查，選擇主要園林樹(shù)種并對(duì)其樹(shù)木枝條進(jìn)行內(nèi)部纖維與力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，并使用層次分析法將試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)影響因素進(jìn)行分析篩選出較好樹(shù)種，以期為今后寧波市區(qū)園林樹(shù)種的選擇與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 風(fēng)害調(diào)查與樣本采集

選區(qū)為寧波海曙區(qū)環(huán)城西路與段塘東路交界處往西南方向170 m處的街邊公園、月湖公園及不同走向的主要干道。在9號(hào)、18號(hào)臺(tái)風(fēng)后對(duì)樣區(qū)進(jìn)行調(diào)查，2次臺(tái)風(fēng)后樹(shù)木情況：意楊、黃山欒樹(shù)、廣玉蘭整株倒伏，木犀、構(gòu)樹(shù)、柚、樟、水杉均有不同程度的枝椏斷裂情況。

綜合上述情況，采集以上8種并選擇長(zhǎng)勢(shì)較好的樹(shù)木，用高枝剪剪取15～20根生長(zhǎng)于樹(shù)干且直挺無(wú)蟲(chóng)害樹(shù)枝作為試樣。根據(jù)五級(jí)風(fēng)害等級(jí)評(píng)估樹(shù)種受害情況，估算相應(yīng)的抗風(fēng)值。Ⅰ 級(jí)：主干折斷等必須更換，得1分;Ⅱ 級(jí)，連根拔起或傾斜傾角在45°以上等需扶起種植，得2分;Ⅲ 級(jí)，枝條折斷（包括主干折斷但仍可繼續(xù)種植），得3分;Ⅳ 級(jí)，傾斜傾角在45°以下需扶正，得4分;Ⅴ級(jí)，主干皮傷及護(hù)樹(shù)設(shè)施損壞，得5分[5]。

抗風(fēng)值=（Ⅰ 級(jí)風(fēng)害抗風(fēng)值×株數(shù)+Ⅱ 級(jí)風(fēng)害抗風(fēng)值×株數(shù)+Ⅲ 級(jí)風(fēng)害抗風(fēng)值×株數(shù)+Ⅳ 級(jí)風(fēng)害抗風(fēng)值×株數(shù)+Ⅴ 級(jí)風(fēng)害抗風(fēng)值×株數(shù)）/總株數(shù)[6]。

1.2 木材性質(zhì)測(cè)定方法

1.2.1 纖維特性。

采用硝酸-氯酸鉀法，即Schaltze法[7]測(cè)定。取5根試樣劈成火柴桿大小，隨機(jī)抽取5～8根試樣放入試管中，倒入30%硝酸淹沒(méi)試樣，再加入適量氯酸鉀后置于60～80 ℃水浴鍋中加熱。待試樣變成黃白色或白色時(shí)，用玻璃棒試觸試樣兩端，若兩端軟化即證明離析完成。待試管冷卻后用水沖洗數(shù)次至無(wú)酸為止，再注水至試管中，用手指按住試管口用力振蕩。取木材細(xì)胞分離后的溶液滴1～2滴番紅試劑染色，用膠頭滴管取適量液體滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，用吸水紙吸取蓋玻片上多余水分。

選擇兩端尖、壁厚腔小、完整的細(xì)胞在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，并測(cè)定纖維長(zhǎng)度、寬度、腔徑。測(cè)定時(shí)每個(gè)樣本中取200根纖維進(jìn)行讀數(shù)，獲得數(shù)據(jù)后計(jì)算平均值進(jìn)行記錄。試驗(yàn)獲得纖維長(zhǎng)度、寬度、壁厚、腔徑后等基本形態(tài)指標(biāo)，可進(jìn)一步計(jì)算出長(zhǎng)寬比、壁腔比、腔徑比等指標(biāo)。

1.2.2 力學(xué)性質(zhì)。

取基本直徑為1.5 cm，尺寸公差為0.3 mm的試樣10～15個(gè)。其中，拉伸樣本試驗(yàn)長(zhǎng)度為4 cm柱體，壓縮樣本試驗(yàn)長(zhǎng)度為3 cm，彎曲樣本試驗(yàn)長(zhǎng)度14 cm。試驗(yàn)在WDW-100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上操作。在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上安裝量程為15 kN的力傳感器。拉伸、壓縮、彎曲試驗(yàn)步驟基本相同：先打開(kāi)軟件，在進(jìn)行拉伸與壓縮試驗(yàn)前，輸入試樣直徑與試驗(yàn)長(zhǎng)度;進(jìn)行彎曲試驗(yàn)前輸入有效變形長(zhǎng)度與試樣直徑。拉伸試驗(yàn)中樣本中段需安裝Y40/5力傳感器檢測(cè)試驗(yàn)載荷，壓縮、彎曲試驗(yàn)均可從軟件中直接進(jìn)行讀數(shù)。準(zhǔn)備試驗(yàn)時(shí)將力值讀數(shù)清零，開(kāi)始試驗(yàn)，當(dāng)讀數(shù)到達(dá)試樣屈服強(qiáng)度時(shí)終止試驗(yàn)。在軟件中可直接讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出每個(gè)樹(shù)種的相關(guān)力學(xué)性質(zhì)。

1.3 抗風(fēng)性綜合評(píng)價(jià)

1.3.1 評(píng)價(jià)方法、指標(biāo)體系建立與分級(jí)。依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果并參考已有研究成果[8-13]，使用層次分析法與綜合評(píng)價(jià)法對(duì)選擇樹(shù)種進(jìn)行抗風(fēng)性綜合評(píng)價(jià)。篩選影響樹(shù)種抗風(fēng)能力的6個(gè)指標(biāo)：樹(shù)木類型、冠形、根系情況、葉片疏密度、枝條纖維長(zhǎng)寬比、枝條彎曲彈性模量。

樹(shù)木類型分為常綠大喬木/喬木、常綠小喬木、落葉喬木3級(jí);根系情況分為不發(fā)達(dá)、一般、發(fā)達(dá)3級(jí);冠形分為圓錐形/傘形、圓柱形、扁圓形3級(jí);葉片疏密度分為濃密、密、一般、稀疏4級(jí)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，彎曲彈性模量、纖維長(zhǎng)寬比與抗風(fēng)能力成正相關(guān)。

1.3.2 層次分析法。

構(gòu)建判斷矩陣，對(duì)各指標(biāo)的影響程度咨詢專家意見(jiàn)，判斷各指標(biāo)的相對(duì)重要性。通過(guò)計(jì)算最大特征根λmax對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，CR小于0.1則可確定評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和數(shù)據(jù)的可靠性，最終得出各指標(biāo)的權(quán)重。

1.3.3 綜合評(píng)價(jià)法。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立對(duì)應(yīng)模型，通過(guò)各指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重對(duì)所選園林樹(shù)種的抗風(fēng)性能進(jìn)行綜合評(píng)分計(jì)算。評(píng)分準(zhǔn)則：常綠大喬木/喬木3分、常綠小喬木2分、落葉喬木1分;根系不發(fā)達(dá)1分、根系發(fā)達(dá)情況一般2分、根系發(fā)達(dá)3分;冠形圓錐形/傘形3分、圓柱形2分、扁圓形1分;葉片疏密度濃密1分、密2分、一般3分、稀疏4分。彎曲彈性模量、纖維長(zhǎng)寬比按照數(shù)據(jù)分為4級(jí)，從小到大分別對(duì)應(yīng)1～4分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹(shù)種材性性狀與抗風(fēng)效果比較

2.1.1 不同樹(shù)種枝條木材纖維特性比較。由圖1可以看出，不同樹(shù)種枝條的木材纖維特性存在較大不同，水杉枝條的平均纖維長(zhǎng)度（1 735.865 μm）、纖維寬度（28.259 μm）、雙倍壁厚（9.367 μm）、腔徑比（0.667）、長(zhǎng)寬比（61.113）均較大，壁腔比（0.520）最小;樟枝條的纖維平均壁腔比（0.935）最大，腔徑比（0.528）較小;意楊枝條的平均纖維長(zhǎng)度（499.614 μm）、雙倍壁厚（5.964 μm）、長(zhǎng)寬比（31.227）均小于其他樹(shù)種。

2.1.2 不同樹(shù)種枝條木材力學(xué)性質(zhì)比較。

在樹(shù)木枝條承受大風(fēng)時(shí)，樹(shù)枝不僅會(huì)發(fā)生彎曲形態(tài)變化，還會(huì)在受力點(diǎn)正反面受到壓縮與拉伸應(yīng)力作用，當(dāng)受力達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)，樹(shù)枝發(fā)生斷裂。從圖2可見(jiàn)，木犀枝條的壓縮彈性模量（1 049.10? MPa）與屈服強(qiáng)度（118.01? MPa）最大，彎曲彈性模量（3 986.88 MPa）也較大;構(gòu)樹(shù)枝條的彎曲彈性模量（4 294.14 MPa）、拉伸彈性模量（7 280.57 MPa）最大，其余力學(xué)性能也較好;黃山欒樹(shù)枝條的壓縮彈性模量（456.00 MPa）與拉伸彈性模量（505.68 MPa）均小于其他樹(shù)種。彈性模量與屈服強(qiáng)度越大，枝條抵抗外力變形的能力越好，越不容易發(fā)生變形。由試驗(yàn)結(jié)果可知，木犀、柚、構(gòu)樹(shù)、樟枝條相關(guān)彈性模量與屈服強(qiáng)度值較大，因此這4種樹(shù)種在同樣受風(fēng)情況下不易折斷。

2.1.3 不同樹(shù)種木材抗風(fēng)效果比較。

選區(qū)內(nèi)大部分樹(shù)木在臺(tái)風(fēng)過(guò)境后存在枝椏斷裂的情況，按照風(fēng)害等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可知，意楊受損較為嚴(yán)重，部分整株倒伏，主要風(fēng)害等級(jí)為 Ⅰ 級(jí);而樟、黃山欒樹(shù)、木犀大多為枝條折斷，并無(wú)大量整株倒伏現(xiàn)象，Ⅱ、Ⅲ級(jí)風(fēng)害占總風(fēng)害等級(jí)中大部分;柚、水杉、構(gòu)樹(shù)普遍未出現(xiàn)大面積受損現(xiàn)象。根據(jù)表1比較分析可知，各樹(shù)木的抗風(fēng)值由大到小為柚、水杉、構(gòu)樹(shù)、木犀、廣玉蘭、樟、黃山欒樹(shù)、意楊。

2.2 枝條木材性質(zhì)與抗風(fēng)值的相關(guān)性分析

用Pearson函數(shù)對(duì)抗風(fēng)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，抗風(fēng)值與枝條纖維長(zhǎng)寬比、枝條彎曲彈性模量存在極顯著、顯著正相關(guān)，與其他纖維性狀、力學(xué)性質(zhì)呈不顯著相關(guān)。這與許秀玉等[6]在不同樹(shù)種木材性質(zhì)及其抗臺(tái)風(fēng)性能的研究結(jié)果基本一致。

2.3 抗風(fēng)性綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 層次分析法。由表3可知，權(quán)重值較高的為彎曲彈性模量（W=0.330 9）、枝條纖維長(zhǎng)寬比（W=0.262 7）與根系情況（W=0.149 0），權(quán)重值較低的為冠形（W=0.080 4）與葉片疏密度（W=0.059 6）。通過(guò)計(jì)算得最大特征根λmax=6.481 2，一致性指標(biāo)（CI）=0.096 2，隨機(jī)一致性比值（CR）=0.076 4，值小于0.100 0，有較好的一致性，證明評(píng)價(jià)結(jié)果合理。

2.3.2 綜合評(píng)價(jià)法。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立對(duì)應(yīng)模型，通過(guò)各指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重對(duì)所選園林樹(shù)種的抗風(fēng)性能進(jìn)行綜合評(píng)分。對(duì)表4中園林樹(shù)種枝條抗風(fēng)性綜合評(píng)分進(jìn)行排序，由高到低為柚、木犀、樟、水杉、黃山欒樹(shù)、廣玉蘭、構(gòu)樹(shù)、意楊。評(píng)分結(jié)果與對(duì)選區(qū)實(shí)地調(diào)查結(jié)果較為貼合，即枝條抗風(fēng)能力較強(qiáng)的柚、木犀、樟、水杉受到風(fēng)害多為枝條斷裂，枝條抗風(fēng)能力較差的廣玉蘭、構(gòu)樹(shù)、意楊存在主干折斷與整株倒伏的現(xiàn)象。

表4中綜合評(píng)分較高的樹(shù)種，如柚和木犀的特點(diǎn)為根系發(fā)達(dá)且枝條彎曲彈性模量較大;樟的枝條彎曲彈性模量偏小，但其為材性結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬的常綠大喬木;圓錐形冠形[14]如水杉，也有助于樹(shù)種抗風(fēng)能力的提升。對(duì)于綜合評(píng)分較低的樹(shù)種，多是在某些性狀上不利于抗風(fēng)，如構(gòu)樹(shù)，盡管其枝條彎曲彈性模量大，冠形抗風(fēng)，但因其根系較淺，在臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)易整株傾倒或連根拔起。意楊盡管根系發(fā)達(dá)，但其枝葉濃密、樹(shù)冠龐大且枝條纖維長(zhǎng)寬比值小即木材密度低，臺(tái)風(fēng)中易出現(xiàn)斷枝斷干等現(xiàn)象。

3 結(jié)論與討論

（1）該研究表明，枝條纖維長(zhǎng)寬比與彎曲彈性模量是影響樹(shù)種抗風(fēng)值的主要因素且二者成正比，根系發(fā)達(dá)與否也是影響抗風(fēng)能力的重要因素。枝條纖維長(zhǎng)寬比與密度存在線性關(guān)系[6]，因此根系發(fā)達(dá)，枝條纖維長(zhǎng)寬比與彎曲彈性模量越大，木材越致密的園林樹(shù)種抗風(fēng)性強(qiáng)。

（2）在目前城市園林樹(shù)種應(yīng)用中，樟作為行道樹(shù)大面積使用;木犀枝條抗風(fēng)能力較好，樹(shù)形也符合上述條件，可作為行道樹(shù)樹(shù)種的優(yōu)良選擇。柚四季常綠，果實(shí)在秋末成熟，作為點(diǎn)綴間植在道路兩側(cè)以豐富較為單調(diào)的道路景觀，而水杉由于其移植存活率低且對(duì)水分需求較大，可以選擇在道路近水處種植。

（3）該研究從樹(shù)種本身出發(fā)，對(duì)枝條木材性質(zhì)與物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，再將試驗(yàn)所得結(jié)果與重要影響因素進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，枝條纖維長(zhǎng)寬比、枝條彎曲彈性模量、根系情況是影響抗風(fēng)能力的主要因素。但抗風(fēng)能力還應(yīng)綜合考慮樹(shù)種立地條件[12]、受風(fēng)強(qiáng)弱、受風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)短、種植密度等因素。同時(shí)在城市園林樹(shù)種的選擇中還需考慮適地適樹(shù)、文化相關(guān)、植物配置等，這有待于今后進(jìn)一步研究。該結(jié)論與實(shí)際情況較為吻合，希望對(duì)寧波抗風(fēng)園林樹(shù)種的選擇提供參考。

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