臺風(fēng)對森林群落的影響與災(zāi)后生態(tài)修復(fù)
——以澳門登山步行徑為例*

錢萬惠 趙 慶 陳星澄 張凌宇 章 馳

（廣東省林業(yè)科學(xué)研究院/廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520）

2017年8月23日，臺風(fēng)“天鴿”在澳門特別行政區(qū)沿海地區(qū)正面登陸，橫掃澳門全境，最高陣風(fēng)風(fēng)力達(dá)17級，由東南向西北移動(dòng)，最高風(fēng)速達(dá)到132.0 km/h（即36.67 m/s），為東東南風(fēng)（ESE），8級以上風(fēng)力持續(xù)4小時(shí)之久[1]?？耧L(fēng)暴雨給澳門造成嚴(yán)重災(zāi)害，尤其是郊野森林、城市公園和道路綠化的林木受損極為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，澳門共有50多萬株林木受損，森林受災(zāi)面積達(dá)500多hm2[2]。隨后臺風(fēng)“帕卡”、“卡努”、超強(qiáng)臺風(fēng)“山竹”接踵襲來，加重了災(zāi)害損失，給受損森林災(zāi)后生態(tài)修復(fù)帶來很大難度。

以往關(guān)于臺風(fēng)對森林群落的影響主要圍繞三方面開展：一是臺風(fēng)風(fēng)害受損評估，包括對樹木受損的評估、對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失的評價(jià)等[3]。二是臺風(fēng)對森林群落中樹木個(gè)體的影響研究，如臺風(fēng)對樹木的機(jī)械作用機(jī)理[4-5]、樹木抗風(fēng)能力研究[6-8]，不同樹種受損情況對比[9]。三是臺風(fēng)對森林群落結(jié)構(gòu)的影響及評估[10-12]。四是在不同尺度下基于CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬風(fēng)環(huán)境對森林、樹木的影響[13-14]。然而，對臺風(fēng)災(zāi)害后城市森林群落受損進(jìn)行評估并提出生態(tài)修復(fù)策略的研究不多。本文通過調(diào)查分析臺風(fēng)“天鴿”影響后，澳門登山徑兩側(cè)森林群落受損特征，結(jié)合CFD模擬與預(yù)測，探討不同區(qū)位的生態(tài)修復(fù)策略手段，以期為構(gòu)建粵港澳大灣區(qū)沿海城市穩(wěn)定的城市森林群落提供借鑒。

圖1 臺風(fēng)“天鴿”移動(dòng)路徑及影響圈Fig.1 Typhoon Hato’s moving path and affecting area

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

澳門特別行政區(qū)地處珠江三角洲出口，毗鄰廣東省，面積32.9 km2（2020年），由澳門半島、路環(huán)島和氹仔島（合稱“路氹”）組成。連片山體主要分布在路氹，為80年代營建，樹種主要為馬尾松Pinus massoniana、臺灣相思Acacia confusa、木麻黃Casuarina equisetifolia、桉樹Eucalyptus robusta等，森林群落結(jié)構(gòu)單一，同時(shí)有退化跡象。澳門屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季主要受來自海洋的熱帶天氣系統(tǒng)影響，以吹西南風(fēng)為主，氣溫較高，濕度大，降雨量充沛。冬季主要受中、高緯度大陸高壓影響，多吹北風(fēng)，天氣較冷而且干燥，雨量較少。澳門年平均氣溫為22.6 ℃，年總降雨量平均超過2 000 mm。臺風(fēng)季節(jié)為每年5月至10月，其中7月至9月是臺風(fēng)吹襲最多的月份[15]。

1.2 研究樣地和調(diào)查內(nèi)容

為科學(xué)評估臺風(fēng)“天鴿”影響后，澳門登山步行徑兩側(cè)森林群落的受損情況，為后續(xù)森林生態(tài)修復(fù)提供相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合考慮時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本，項(xiàng)目組于2018年1—2月，對12條寬度為3.0 ～ 3.5 m步行徑兩側(cè)10 m范圍的森林進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，長度共計(jì)31.96 km，主要樹種有馬尾松、臺灣相思、木麻黃、桉樹、鴨腳木Schefflera heptaphylla、白楸Mallotus paniculatus、山烏桕Triadica cochinchinensis、烏桕Triadica sebifera、陰香Cinnamomum burmannii、大葉相思Acacia auriculiformis、血桐Macaranga tanariusvar. tomentosa、木荷Schima superba、簕竹Bambusa blumeana、野漆Toxicodendron succedaneum等（表1）。

將步行徑兩側(cè)即上坡位、下坡位的森林群落每10 m 設(shè)置為1個(gè)調(diào)查單元，并將相鄰受損等級相同的調(diào)查單元進(jìn)行合并，根據(jù)劃定的受損等級，分類統(tǒng)計(jì)每條步行徑兩側(cè)不同受損等級的長度及比例。

1.3 森林群落受損數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

1.3.1 樹木嚴(yán)重受損的判定 當(dāng)樹木同時(shí)出現(xiàn)以下2類情況時(shí)，將其劃定為嚴(yán)重受損：樹木吹倒翻兜，樹木倒伏、斜倒45°以上，樹木一級分枝折斷或撕裂，斷枝達(dá)半數(shù)以上，樹冠葉全損或樹冠破壞程度大于2/3。樹木屬于嚴(yán)重受損情況則判定為需要進(jìn)行生態(tài)修復(fù)[16]。

1.3.2 森林群落受損等級劃分 森林群落受損等級（DL）劃分為5級，按照每調(diào)查單元內(nèi)嚴(yán)重受損樹木的數(shù)量比例R進(jìn)行分級（表2）。

表2 森林群落受損等級的劃分Table 2 Damage level of forest community

步行徑內(nèi)嚴(yán)重受損樹木的數(shù)量比例R計(jì)算公式為：

式中：i指第i條步行徑，i= 1，2，3……。

1.3.3 步行徑森林群落受損長度比例 步行徑森林群落受損長度比例DLP計(jì)算公式為：

式中：Li為第i條步行徑的總長度；Liu、Lil分別為第i條步行徑，受損等級為N級的上坡位、下坡位長度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

研究借助Microsoft Excel 2019統(tǒng)計(jì)分析軟件和風(fēng)環(huán)境模擬軟件Phoenics 2019等完成相關(guān)圖表數(shù)據(jù)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 步行徑森林群落受損長度及等級差異分析

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)12條步行徑森林群落受損長度比例、受損等級參差（圖2）。各步行徑受損長度比例由23.07% ～ 86.50%不等，受損長度比例排名前5的路徑是東北步行徑、九澳水庫環(huán)湖徑、黑沙水庫家樂徑、九澳高頂家樂徑和路環(huán)健康徑，受損長度比例分別為86.50%、67.56%、67.20%、62.01%、60.05%，均超過50%。而大潭山、小潭山步行徑的受損長度比例率最低，分別為23.67%和23.07%，結(jié)合“天鴿”由東南至西北的移動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)受損長度比例最高的5條步行徑均位于路環(huán)，即臺風(fēng)26 ～ 30 km影響圈范圍內(nèi)；而受損長度比例率最低的2條步行徑即大潭山、小潭山步行徑均位于氹仔，即臺風(fēng)30 ～ 32 km影響圈范圍內(nèi)。相較路環(huán)的步行徑，氹仔步行徑受損長度比例的顯著降低，該現(xiàn)象與臺風(fēng)登陸切斷了海洋輸送的水汽潛熱能源、受陸面磨擦耗損，風(fēng)力得到削減密切相關(guān)[17]。各步行徑森林群落受損等級比例參差，DL值主要集中在I級、II級和IV級。

圖2 路氹12條步行徑森林群落受損等級特征Fig.2 Damage level distribution of forest communities of 12 walking trails in islands of Taipa and Coloane

2.2 步行徑上坡位、下坡位森林群落受損長度及等級差異分析

對12條步行徑兩側(cè)森林群落不同坡位受損長度比例、受損等級差異分析（圖3），上坡位受損長度比例均高于下坡位受損長度比例。在上坡位中，8條步行徑受損長度比例超過50%，且DL值主要集中在IV級，即需要生態(tài)修復(fù)的長度長、樹木數(shù)量大，尤為突出的是其中5條步行徑上坡位，包括東北步行徑、九澳高頂家樂徑，九澳水庫環(huán)湖徑、路環(huán)健康徑、路環(huán)石面盆古道。相反，4條受損長度比例小于50%的步行徑，DL值主要集中在I級、II級，即需要生態(tài)修復(fù)的長度短、樹木數(shù)量少。在下坡位中，僅有東北步行徑受損長度比例超過50%，其余11條步行徑受損長度均比例小于50%，由7.27% ～ 46.89%不等，DL值主要集中在I級、II級，即需要生態(tài)修復(fù)的長度短、樹木數(shù)量少。另外，黑沙水庫健康徑下坡位的森林群落幾乎未受損傷，不需人工干預(yù)即可自然恢復(fù)。

圖3 路氹12條步行徑兩側(cè)森林群落受損等級特征Fig. 3 Damage level distribution of forest communities on both sides of 12 walking trails in islands of Taipa and Coloane

2.3 不同坡向受損等級差異分析

對12條步行徑兩側(cè)森林群落不同坡向受損等級差異分析（圖4），發(fā)現(xiàn)不同坡向受損長度比例參差，由39.47% ～ 70.99%不等。9個(gè)坡向類型中，4個(gè)坡向受損長度比例大于50%，由高至低為西南坡、無坡向、西北坡、西坡，受損長度比例分別為70.99%、69.76%、57.28%和55.37%。

圖4 路氹12條步行徑不同坡向森林群落受損等級特征Fig. 4 Damage level distribution of forest communities on different slope directions of 12 walking trails in islands of Taipa and Coloane

2.4 不同坡向上坡位、下坡位森林群落受損長度及等級差異分析

對不同坡向上坡位、下坡位受損長度比例、受損等級差異分析（圖5），上坡位受損長度比例均高于下坡位受損長度比例。在上坡位中，所有步行徑受損長度比例超過50%，且DL值主要集中在IV級，尤為突出的是西南坡上坡位，IV級受損長度比例就高達(dá)62.29%，即需要生態(tài)修復(fù)的長度長、樹木數(shù)量大。在下坡位中，僅有西南坡、西坡受損長度比例超過50%，DL值主要集中在I級、II級，即需要生態(tài)修復(fù)的長度短、樹木數(shù)量少。而無坡向的森林群落有32.68%的長度處于IV級受損，也需要進(jìn)行人工干預(yù)。對于相同坡向，上坡位受損率均高于下坡位的受損率，可能與風(fēng)的“爬坡效應(yīng)”相關(guān)，推測是風(fēng)經(jīng)過下坡位森林群落的抬升，作用于上坡位的森林群落冠層而導(dǎo)致樹木折斷、倒伏，該現(xiàn)象有待進(jìn)一步探究。

圖5 路氹12條步行徑不同坡向兩側(cè)森林群落受損等級特征Fig. 5 Damage level distribution of forest communities on both sides of 12 walking trails of different slope directions in islands of Taipa and Coloane

2.5 CFD模擬與驗(yàn)證

為厘清臺風(fēng)“天鴿”對各步行徑兩側(cè)森林群落影響的差異，取“天鴿”的最高風(fēng)速132 km/h（36.67 m/s）及其風(fēng)向東東南風(fēng)（ESE）進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬（圖6）。

圖6 臺風(fēng)“天鴿”風(fēng)環(huán)境模擬風(fēng)速Fig. 6 Wind speed map of Typhoon Hato

50 m高度處，黑沙龍爪角家樂徑南坡、黑沙水庫健康徑東坡均在風(fēng)速50 m/s的范圍內(nèi)。隨著高度上升，風(fēng)速增大，100 m高度處炮臺山西南坡面、路環(huán)中央東坡面、九澳山的風(fēng)速均大于50 m/s，且范圍有所增大。路環(huán)中央、九澳山之間的峽谷即九澳高頂馬路，還因“狹管效應(yīng)”風(fēng)速驟然增強(qiáng)，風(fēng)速高達(dá)63 m/s以上，加速比最大出現(xiàn)在山頂處，所以在此區(qū)域的東北步行徑、九澳水庫環(huán)湖徑、黑沙水庫家樂徑、九澳高頂家樂徑的森林群落受損嚴(yán)重[18]。說明地理位置、地形地貌是本次森林群落受損差異顯著的主要因素。數(shù)據(jù)和模擬分析結(jié)果相吻合，證明風(fēng)環(huán)境模擬具有較高的參考性，可以為未來城市森林群落的營建提供有效預(yù)測。

3 結(jié)論與建議

3.1 臺風(fēng)影響下，森林群落受損程度與地形地貌、立地條件、風(fēng)的移動(dòng)路徑和強(qiáng)度密切相關(guān)[19]。地理位置、地形地貌是本次森林群落受損差異顯著的主要因素，臺風(fēng)“天鴿”對由路環(huán)中央和九澳山形成的峽谷及周邊環(huán)境影響最為嚴(yán)重，風(fēng)環(huán)境模擬也表明這兩處山頂風(fēng)速更大，與Francis等人[20-21]的研究結(jié)果相似，在高海拔、迎風(fēng)面和暴露于強(qiáng)風(fēng)中的突起山脊處的樹木損害較大。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)坡向?qū)ι秩郝涞挠绊戯@著[22]。本研究中西南至西北坡、無坡向的森林群落受損嚴(yán)重，與Sawaid等人[23-24]以相似移動(dòng)路徑的臺風(fēng)“山竹”為例的研究結(jié)果相似，符合大灣區(qū)熱帶氣旋活動(dòng)特征。姚丹丹等[22]發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)對不同坡位森林群落的影響不顯著，與本研究中上坡位森林群落受損程度明顯高于下坡位的現(xiàn)象存在差異，可能與步行徑具有3.0 ～ 3.5 m寬度而產(chǎn)生“爬坡效應(yīng)”相關(guān)，后續(xù)可建立小尺度風(fēng)環(huán)境模型，結(jié)合立地條件、植物疏透度、冠幅樹高等因子進(jìn)行深入調(diào)查研究[25-26]。

Foster等[27]發(fā)現(xiàn)樹齡較高、樹體較大、生長較快、構(gòu)成樹冠最上層的先鋒樹種更容易遭受臺風(fēng)破壞，與本研究受損程度較高的森林群落包含速生樹種、樹齡較高的情況相吻合。韓維棟等[28]指出，長期的臺風(fēng)干擾可促進(jìn)沿海防護(hù)林的演替，有利于林分中抗風(fēng)性強(qiáng)的鄉(xiāng)土樹種生長，使得森林群落抗風(fēng)性能不斷增強(qiáng)。張琳婷等[29]提出沿海造林優(yōu)化植物群落配置能顯著提高物種多樣性和群落穩(wěn)定性，采用不同樹種混交對增強(qiáng)群落抗風(fēng)能力有利。3.2 基于上述結(jié)果，提出3種生態(tài)修復(fù)策略，分別為沿海防護(hù)型、生態(tài)型、景觀型。沿海防護(hù)型修復(fù)適用于受風(fēng)害威脅大，沿海第一重山迎風(fēng)坡或海拔較高的區(qū)域。修復(fù)后的此類森林群落應(yīng)對暴風(fēng)雨有一定的抵御力，具有水土保持功能，修復(fù)時(shí)優(yōu)先選擇抗風(fēng)性好、耐貧瘠的鄉(xiāng)土樹種。種植小徑級、小冠層樹苗，能有效減少風(fēng)害威脅，提高樹苗成活率。撫育時(shí)，通過增大樹木胸徑、降低樹高等方式，維持苗木地上地下生物量動(dòng)態(tài)平衡，也將有利于提升樹木的抗風(fēng)能力[30-31]。生態(tài)型修復(fù)適用于受風(fēng)害威脅小，為自然風(fēng)貌保持較好的連片森林。修復(fù)后的此類森林群落應(yīng)發(fā)揮良好的生態(tài)功能，具備固碳釋氧、水源涵養(yǎng)等功能，選擇鄉(xiāng)土速生先鋒樹種，并補(bǔ)充具備更好生態(tài)功能的慢生樹種，構(gòu)建多樹種植物群落。景觀型修復(fù)適用于受風(fēng)害威脅小，與城市相鄰、人員活動(dòng)頻繁的區(qū)域，此區(qū)域的森林群落應(yīng)注重觀賞效果，強(qiáng)調(diào)不同色彩植物的搭配，修復(fù)時(shí)側(cè)重選擇根系發(fā)達(dá)、樹形優(yōu)美、有季相變化的色葉樹種或觀花樹種。