臺風“山竹”對深圳城市綠地及生物量的影響

田韞鈺,周偉奇,3,*,錢雨果,鄭 重,潘雪蓮

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 北京城市生態系統研究站， 北京 100085 4 深圳市環境科學研究院, 深圳 518001

在全球氣候變化影響下,臺風越來越頻繁地登陸沿海城市,嚴重影響城市的社會經濟系統、城市綠地生態系統等[1- 4]。深圳市地處南海之濱,夏秋季常受臺風襲擊。從1949年到2000年,共有182次臺風對深圳市造成直接或間接災害；其中1999年有四次臺風在深圳及附近地區登陸,造成的直接經濟損失高達651萬元[5]。臺風具有降雨強度大和風速快的特點[6],往往損傷大量林木,影響樹木的生長,降低綠地質量[7- 9]。2012 年超強臺風“韋森特”導致深圳市11.5萬棵樹木受損[10]。城市綠地是城市生態系統的重要組成部分,具有凈化環境、調節小氣候、涵養水源、維持生物多樣性等作用[11- 12],而臺風的頻發會嚴重影響綠地的生態服務功能[10]。因此,研究臺風對沿海城市綠地生態系統的影響,評估其生物量的損失,是沿海城市臺風災后重建與防災減災的現實需求。

國內外對臺風對林地生態系統的影響開展了大量研究,但主要關注臺風對自然森林/農田系統的影響[6,8,13- 15],缺乏對城市森林/喬木受損情況的研究[9]。而已有的城市綠地研究大多是關于臺風過后的樹木受損數量調查[16- 17],少有研究評估城市綠地生物量的受損程度。綠地生物量是評估區域綠地碳儲量的重要參數,也是綠地固碳能力的重要標志[18]；其中,樹冠生物量是綠地生物量的重要組成部分,在綠地為城市提供的生態服務功能中扮演著重要的角色,如遮陰、降塵、凈化空氣等[19]。研究表明,臺風對綠地最為明顯的影響是大量掉落的枝葉和被連根拔起的樹木,在短期內將原本活的生物量轉變為地表的死生物量[20]。因此,需要對臺風干擾下的城市綠地生物量的受損程度進行評估研究,進而了解臺風對城市綠地生態服務功能的影響。同時,當前國內外對防護林的營造、管理、功能和效益等方面研究較多[21-24],但是對城市綠地防臺風等減災防災策略的研究尚處于起步探索階段[5]。比較不同行政區、功能區的受損情況,能夠增強減災策略的針對性和可實施性。因此按照行政區和不同綠地類型進行分析的研究逐漸增多,特別是關于城市行道樹受損情況的統計研究[5,9]。

鑒于此,本研究以深圳市區綠地為研究對象,探討臺風“山竹”對不同行政區綠地、不同綠地類型以及不同樹種的影響,提出了以下科學問題：深圳市綠地在臺風“山竹”中的受損情況有何特征？為了回答這個科學問題,本研究基于災后實地調研數據,分析了臺風“山竹”對深圳市區樹木的破壞情況以及對生物量的影響,以期為災害損失評估、災后綠地恢復及抗風樹種的選擇提供依據。

1 研究區域概況

研究區域為整個深圳市,包括光明區、寶安區、南山區、龍華區、福田區、龍崗區、羅湖區、鹽田區、坪山區和大鵬新區共10個行政區。深圳地處中國廣東省東南沿海低山丘陵地區,位于113°46′—114°37′E,22°27′—22°52′N,總面積1997.47 km2。深圳市根據自身依山傍海、地形狹長的特點,精心構筑了全市點、線、帶、面結合的綠地系統：北面以綿延起伏近50 km的群山為綠色背景,用大面積的混交林構成天然綠色屏障；南部沿海為368 hm2的紅樹林；以及城市內部68 km2的綠化隔離帶,干道兩側的綠化帶等[9]。樹種以南方鄉土植物(小葉榕等)和棕櫚科植物為主。

2 數據和方法

2.1 臺風“山竹”情況

2018年9月15日20時至17日14時,臺風“山竹”過境深圳,東部大鵬半島極大風速達到50.8 m/s(16級),南部和西部沿海地區出現12級陣風,對深圳市植被造成嚴重損害,進而對全市的生態系統質量產生不同程度的影響。

2.2 樣區調查

通過典型抽樣法,按照深圳各行政區的面積比例,從各區中隨機抽樣。共抽取40個調查樣區,全面覆蓋深圳市區,調查面積達160 km2以上(圖1)。每個樣區內選取3種典型綠地：1個公園綠地、2—3列行道樹以及1個居民區綠地(圖1)。其中,公園綠地采用樣方法進行抽樣調查,每個公園等距調查3—4個10 m×10 m的樣方；行道樹、居民區綠地為全面每木調查。調查對象為喬木樹種。

主要調查因子包括：調查地海拔、樹種、樹種基本特征(胸徑、樹高、冠幅)、樹坑面積、總株數及清理情況,并按以下3種等級記錄樣木受損株數[5,25]：(1)重度受損。包括主干折斷、連根拔起或傾斜倒伏(傾角超過45°)的樹木,損傷嚴重；(2)輕度受損。即枝條折斷比例超過20%的樹木,包括傾斜傾角小于45°需要扶正的樹木；(3)未受損。即無明顯損傷,包括枝條折斷比例在20%以下的樹木。調查時間為2018年9月19日至24日。

圖1 樣區分布情況及公園、居民區、道路綠地調查樣點示例Fig.1 The location of sample areas and green space in the park, neighborhood and street

2.3 數據處理

首先,本研究基于災后現場調研數據,計算深圳市樹木各受損等級的比例。其次,比較了不同行政區、綠地類型的受損情況；同時針對行道樹,分析了各樹種的受損差異。最后,根據樹木受損比例,評估了市區樹冠生物量的損失情況。

為了探究臺風“山竹”對深圳市區植被的破壞情況,首先需要量化樹木受損情況。本研究用樹木受損比例Yi來表示臺風對樹木的破壞程度[8],按照受損等級i又分為重度受損比例、輕度受損比例以及未受損比例：

(1)

式中,i為受損等級,ni為統計范圍內該受損等級的樹木株數,N為統計范圍內樹木總株數。統計范圍分為兩種：一種是空間范圍——即全市、10個行政區11個水平；一種是樹種——即小葉榕、垂葉榕、芒果、木棉、棕櫚等22個水平。

其次,進一步評估了深圳市區植被生態系統的樹冠生物量受損情況。從樹冠生物量獲取的途徑來看,可將研究方法分為直接實測法和間接估算法,間接估算法又可分為基于實測數據的樹冠生物量模型法和借助遙感數據估測樹冠生物量的遙感法,其中模型法是目前應用較廣且精度較高的方法[19]。因此,本研究采用了基于災后實測數據的樹冠生物量模型法,估算得到臺風“山竹”過后樹冠生物量的減少率,來表征臺風對樹冠生物量的損害。樹冠生物量損失率Db的估算經驗公式如下：

Db=Y2×100%+Y1×50%

(2)

式中,Y2和Y1分別是重度受損比例和輕度受損比例,100%與50%分別為重度受損和輕度受損樹木的樹冠生物量減少系數。重度受損樹木或被連根拔起或嚴重倒伏,幾乎無生還可能,因此其樹冠生物量基本降為0[25]。輕度受損樹木的枝條折斷比例超過20%,由于枝葉生物量是樹冠生物量的主要組成部分,因此輕度受損樹木的樹冠生物量減少系數可估算為50%[19, 26- 27]。

3 結果與分析

3.1 臺風“山竹”對深圳市區樹木的破壞情況

3.1.1總體情況

深圳市區樹木總體受損情況較為嚴重,以輕度受損(枝干折斷)為主。調查結果顯示,深圳市臺風后調查樹木的受損比例高達21.4%。其中,輕度受損(枝干折斷)樹木占12.6%,重度受損(樹木死亡)占8.8%。重度受損樹木中,被連根拔起或者倒伏嚴重(超過45°)的樹木占66.3%,其余表現為樹木主干折斷。

3.1.2行政區受損差異

圖2 深圳市區調查樹木受損情況空間分布Fig.2 The spatial distribution of damaged trees in Shenzhen

從空間分布來看,南部地區受損程度明顯高于內陸,東南地區受損程度高于西北地區(圖2)。其中,深圳市東南部(福田區、羅湖區、龍崗區、鹽田區、坪山區以及大鵬新區)的平均受損樹木比例為33%,而西北部(光明區、寶安區、南山區及龍華區)的平均受損樹木比例僅為14%(表1)。比較行政區受損的差異發現,福田區、龍崗區和坪山區的綠地受損情況最為嚴重,調查的樹木中受損樹木比例均超過30%(表1)。其中龍崗區調查的樹木中有一半以上遭到損害,重度受損比例接近四分之一,明顯高于周邊其他行政區。南部的羅湖區、鹽田區和大鵬新區受損情況較為嚴重,調查的樹木中受損樹木比例在25%—30%之間,以輕度受損為主。而位于深圳市西部的光明區、寶安區、南山區及龍華區樹木受損情況最輕,龍華區調查樹木中未受損比例高達92%。

表1 深圳市各行政區調查樹木受損比例

3.1.3不同綠地類型受損差異

在行道樹、居民區綠地及公園綠地三類綠地中,公園綠地受損最為嚴重,居民區綠地的受損情況最輕(圖3；表2)。調查的居民區綠地中,未受損樹木比例達到81.35%,重度受損樹木比例低于其他兩類綠地。其次是行道樹,調查樹木中未受損樹木比例為78.94%,受損樹木中傾斜和倒伏現象比較嚴重。公園綠地的受損程度最高,調查樹木中未受損樹木比例僅為71.70%,并且重度受損和輕度受損樹木株數均明顯高于其他兩類綠地,樹木主干折斷現象尤為嚴重。

表2 深圳市不同綠地類型調查樹木受損比例

圖3 深圳市不同類型受損綠地Fig.3 The damaged green space of different types in Shenzhen

3.1.4樹種差異

行道樹中,黃金榕、臘腸樹受損嚴重,棕櫚科植物受損程度較輕。選取深圳市較為常見的24種喬木,調查其在沿海及內陸地區的受損情況(表3),發現部分常見綠化樹種受損情況較為嚴重。其中,黃金榕、臘腸樹在沿海地區及內陸受損比例均超過50%,且重度受損比例較高。小葉榕、垂葉榕、鳳凰木、秋楓、陰香雖然在內陸保存較為完好,但是在沿海地區受損比例超過50%。而棕櫚科植物,如王棕、棕櫚、魚尾葵等在本次臺風災害中保存較好,損害較輕,未有折斷或倒伏現象發生。

表3 深圳市不同種類行道樹受損等級株數及比例

3.2 臺風“山竹”對深圳市區樹冠生物量的破壞情況

樹木受損直接導致城市綠地生態系統質量降低。樹冠生物量損失率的評估結果表明,深圳市區樹冠生物量總量較臺風之前下降了8.44%,且中東部樹冠生物量損失程度高于西部地區(圖4)。中東部各行政區由于林地面積較大,并且植被受損情況較為嚴重,樹冠生物量總量下降比例均超過10%；其中羅湖區(下降23.6%)和坪山區(下降24.6%)情況最為嚴重。東北部各行政區樹冠生物量損失程度較輕；其中龍華區樹冠生物量損失最小,僅較臺風前下降4.2%。

圖4 深圳市臺風后各行政區樹冠生物量損失率Fig.4 Biomass loss rates of administrative districts in Shenzhen City

4 結論與討論

本研究以深圳市區綠地為研究對象,基于災后實地調研數據,分析了臺風“山竹”對深圳市區樹木的破壞情況,評估了樹木樹冠生物量的損失情況,并進一步探討了植被受損原因以及對深圳市生態系統修復、減災工作的建議。

4.1 植被受損情況分析

4.1.1不同行政區、綠地類型受損情況分析

深圳市各行政區中,福田區、龍崗區和坪山新區的受損情況最為嚴重,特別是龍崗區,其受損情況明顯高于周邊行政區。這可能是由于臺風“山竹”的北部進風口位于龍崗區,并且少有山地遮擋,導致進入龍崗區與坪山新區的風力較強；而這兩個行政區地勢較為平坦,內部低矮的工廠較多,幫助樹木抵擋臺風的高樓較少,因此樹木倒伏和折枝現象較為嚴重。

各綠地類型中,公園綠地受損最為嚴重,這可能是由于深圳公園以山地為主,風力較大。調查過程中也發現,公園內風力強的山頂,主干折枝現象較多；山道斜坡較為陡峭的地方,樹木受損程度較高；較大綠地邊緣處的受損程度明顯高于中心地帶。而居民區對內部植被的養護管理得當,物業經常進行病蟲害防治,且有高樓遮擋大風,因此其內部樹木受損情況最輕。調查中也發現,居民區受損植被一般都處于其入口及穿堂風口,說明外圍居民樓對內部植被有一定的保護作用。對于行道樹來說,道路交叉風口處的樹木明顯受損,并且調查各處的受損原因不一。例如,部分行道樹的樹冠過于濃密,透風率低,致使“樹大招風”,臺風中被連根拔起；也有一些是由于修剪不當,增強了樹木的頂端優勢,使得樹木的高度、冠幅與其根系分布不相適應,造成頭重腳輕之勢,易在強風下發生倒伏[1]。還有一個造成行道樹倒伏的重要原因是硬化地表阻礙了行道樹根系發育：大多行道樹根部的透水面積較小,周邊硬化地表使得根系水平與垂直延展均受阻(圖5),固著力不足以抵抗強臺風[28]；同時,部分區域道路施工破壞一側板根造成根系不平衡,比如本次受損的板根樹種(小葉榕等)。

圖5 行道樹樹坑面積與其受損程度之間的關系；樹坑較小的行道樹被連根拔起Fig.5 The relationship between heavily damaged rate and tree-pit area; uprooted trees in small pits in Shenzhen

4.1.2深圳市抗風樹種

朱偉華和謝良生[5]對1999年9910號臺風中深圳市行道樹的受損情況進行了統計分析,發現紅花紫荊、 芒果、 尾葉桉倒樹是受損最嚴重的樹種。吳顯坤[9]對給深圳城市綠地造成較大破壞的 0103 號臺風“榴蓮”、0104 號臺風“尤特”及 0606 號臺風“派比安”災害數據進行了統計分析,發現受損最嚴重的是洋紫荊、人面子、桃花心木、黃槐、大葉紫薇、白蘭花、印度紫檀、吊瓜、南洋楹等。而本次關于臺風“山竹”的調查研究顯示,黃金榕、臘腸樹、黃金榕受損嚴重。這種受損嚴重樹種的差異可能與深圳市政府不斷探索抗風樹種以及更換易受損樹種有關。

雖然本研究發現的臺風中受損嚴重樹種結果與之前的研究結果不完全一致,但與深圳市園林綠化抗風樹種的推薦較為相似。本研究發現王棕、棕櫚、魚尾葵等棕櫚科樹木在臺風災害中保存較好,與吳顯坤[9]推薦的深圳市抗風樹種一致。此外,深圳內陸地區秋楓、陰香的受損程度較輕,其他研究也表明這兩種喬木抗風性能好,是值得發展的樹種[5]。因此,深圳市可以選擇棕櫚科、秋楓以及陰香等抗風的行道樹種,更換受損程度較大的行道樹。當然,行道樹的選擇,還需要綜合考慮其他的生態功能,比如遮陰等。

4.1.3樹冠生物量受損情況分析

臺風對綠地生態系統最快最直接的干擾表現為臺風期間的大量落葉和落枝現象[29]。本研究發現臺風“山竹”過后,深圳市城市綠地的冠層生物量損失率達到8.44%。已有研究也表明,紅樹林在臺風季節的月掉落物與風速之間呈顯著相關,證實了臺風干擾對綠地冠層的枝葉產生的機械損傷。而枝葉等樹冠生物量的減少將直接影響到綠地為城市提供的生態服務功能。例如,研究表明臺風登陸后的地區出現了一段時間的增溫現象,這可能是由于臺風損傷樹冠后,失去冠層遮陰后增加的太陽輻射會導致溫度特別是土溫升高[30- 31]。

4.2 生態系統修復、減災工作建議

深圳市政府對臺風災害極為重視,在采取相應工程技術措施應對的同時,于2000年立項研究深圳園林綠地防臺風的減災防災策略,專門對綠化抗風樹種的選擇、不同種植養護方式的抗風性展開研究[9]。而本研究也為災后市區綠地生態系統的恢復和減少風災影響的綠地管理措施提供了依據。

(1)借助自然恢復和人為建設修復受損植被

受損植被恢復是臺風后城市自然環境修復工程的必要環節,需借助植被的自愈能力、加強對生物物種的保護等措施來實現[32]。一是針對受損嚴重的行道樹綠地和公園綠地,及時移栽、補種,并優化樹種組成和養護管理措施,以降低今后此類災害造成的損失；二是對于保護區內的林地,清理受損植被,扶正倒伏樹木,以樹木自然萌發再生過程為主要修復手段,并針對受損嚴重的地區適當進行補植補造。

(2)因地制宜、科學選擇抗風樹種

選擇抗風的行道樹種是降低臺風災害造成損失的重要措施[5,9]。本研究中不同樹種受損程度的對比直接反映了其抗風能力的差異,這為今后城市道路綠化抗風樹種的選擇具有很強的指導作用。例如,沿海地區土壤軟化,應適當種植具有良好支撐力和牽引力根系的抗風樹種,如棕櫚科植物、猴樟、七葉樹等。城市內部行道樹種可以在保持現有樹種的基礎上,適當替換掉抗風性較弱的樹種,如黃金榕、臘腸樹等。

(3)注重整體規劃,建立防護林網絡

深圳作為沿海城市,應規劃建立從灘涂消浪植被帶、海岸基干林帶到荒坡防護林、城鄉防護林網的大尺度、多系統、多層次復合型防護林體系。著眼于宏觀尺度的海防林整體結構優化,充分發揮海防林防臺減災能力,使其綜合效能最大化,最大程度地保障地區安全。

本次調查結果顯示,南部沿海地區與北部進風口處植被受損嚴重,因此應在臺風頻繁登陸口建立防護林網絡。其中,南部沿海地區已有368 hm2的紅樹林[9],今后需要通過適當密植紅樹林、拓寬種植帶(寬度至少50—100 m)來提高紅樹林自身抵抗臺風的能力[33]。

(4) 加強沿海地區樹木防護

沿海地區臺風災害發生較為頻繁,需要加強并及時更新護樹架等設施,統一管理和規范要求,有效降低樹木損失程度[5]。同時,本次調查發現,在臺風來臨前采取過防護措施的樹木抗風性明顯增強,基本無倒伏現象(圖6)。

圖6 深圳市臺風“山竹”過后有防護措施的行道樹Fig.6 The street trees with protective measures after Typhoon Mangkhut in Shenzhen

深圳市地處我國東南沿海地區,屬于臺風多發地帶,探究臺風對深圳城市樹木的影響是十分必要的。經過此次臺風“山竹”對深圳市樹木損害情況的調查,發現深圳市區內樹木受臺風損害現象較為嚴重,且空間分布差異較為明顯。在今后的城市綠化工程中,應注意根據綠化區域的地理位置和周邊環境選擇合適的樹種,并進行合理的后續養護,以降低臺風造成的損失。