華南地區(qū)城市常見園林樹木風災受損等級及抗風能力研究

董 毅，黃義鈞，何國強，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.深圳市梧桐山風景區(qū)管理處，廣東 深圳 518004）

【研究意義】臺風發(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，各種極端氣象災害頻發(fā)，影響我國東南沿海地區(qū)的臺風有顯著加強和增多的趨勢。臺風具有發(fā)生頻率高、突發(fā)性強，影響范圍廣、成災強度大等特點，在登陸過程中，除了嚴重干擾人們正常生產(chǎn)、生活，還對城市基礎設施尤其是綠地系統(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用方式日漸豐富，在臺風侵襲時受害情況尤為明顯。因此，園林樹木風災與抗風性的問題受到沿海城市管理者及專業(yè)人士的持續(xù)關注。【前人研究進展】20世紀90年代末開始，諸多學者從物理學、數(shù)學的角度對樹木抗風性能進行研究。鄭興峰等［1］分析了經(jīng)濟樹種不同抗風品系間主干與枝條木材纖維結構間關系；陶嗣巍［2］研究了樹木在強風作用下達到折干、彎區(qū)的最大運動極限；邵卓平等［3］研究了活立木在風荷載作用下達到變形時的最大彎區(qū)和扭轉應力等；吳顯坤［4］以逐步回歸法和強制回歸法構建樹種抗風能力評估模型；吳志華等［5］在綠化樹種的抗風評價及分級選擇中采用綜合評價法及灰色度關聯(lián)法構建評價模型；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)指標及材質性狀對其抗風性能的影響等。【本研究切入點】目前關于樹木臺風風災研究多圍繞某一區(qū)域風災結果統(tǒng)計及風災的發(fā)生機理，而對影響樹木風災受損的主要因子和抗風性能關系的硏究不多，對樹木抗風性能強弱的硏究多為經(jīng)驗型的模糊表達，華南地區(qū)對樹木風災等級的劃分標準也不一致，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災情況難以進行橫向比較。【擬解決的關鍵問題】從樹木本身受損情況、對景觀的影響及災后恢復的難易程度對樹木風災等級進行劃分，在探討園林樹木風災受損等級標準的基礎上，采用量化數(shù)據(jù)對影響園林樹木倒伏、折干、折枝的相關因子進行分析，以期為沿海地區(qū)園林綠化樹種選擇及防風減災工作提供理論依據(jù)與技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年9月16日，14級超強臺風“山竹”自東向西橫掃珠三角沿海地帶。調研工作于2018年9月17日開始，范圍涵蓋深圳全市10個行政區(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個進行樹木風災受損情況調查，同時每個樣本重復調查3次。采用隨機區(qū)域調查法，道路是沿主要道路的上下行方向依次進行，公園從不同入口開始隨機選3個區(qū)域，各區(qū)域樣方面積為50 m×50 m。

喬木類選擇標準：生長5年以上、（胸徑φ）＞10 cm，灌木：（株高H）＞1 m、園林中被廣泛應用的樹種。風災狀況方面，調查折干率、倒伏率、傾斜率、折枝率。

1.2 試驗方法

1.2.1 抗風因子測定 風災過后園林樹木表現(xiàn)出不同程度的風災狀況。基于我們近30年對樹木風災的研究結果［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的因子為樹干與材質、抗彎強度、冠高比、冠層密度；與抗倒伏能力密切相關的因子為抗彎強度、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的因子是最大靜荷載、撓曲變形量、樹干與材質。

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)由深圳市計量質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的撓曲變形量和力值。試驗時室內(nèi)溫度26℃，濕度70%～80%。每樹種為1組，每組重復6根。測試儀器及標準要求：樣品外徑測量采用分度值為0.01 mm的游標卡尺；撓曲變形量采用材料試驗機的橫梁位移作為測量，精確到0.1 mm；最大靜荷載采用兩點支撐并在中央加荷的三點彎曲方法進行測試，采用精度為1級的材料試驗機，以10 mm/min速度進行恒速加載，記錄最大載荷，精確至1 N。

樹木冠層密度的測定與計算方法參考張東穎等［10-16］。抗彎強度數(shù)據(jù)來源于成俊卿等［17］。樹干與材質是樹干纖維密度的指標，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)標準化與評分

各形態(tài)因子用字母縮寫代替，對應如下：樹干與材質XSC、抗彎強度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 抗風因子的評定 采用三分制評分法［6-7,10］計算各樹種對應因子的理論得分。其中，3分為抗風性強，2分為抗風性一般，1分為抗風性弱。

1.3.2 數(shù)據(jù)的標準化 （1）抗風因子分值。根據(jù)評分法分別計算樹種抗性能力分值，每個因子最高評3分，i=1～50，共計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），即重要值百分數(shù)。抗折枝能力、抗折干能力、抗倒伏能力對應的重要性指數(shù)分別為 SZ（i）、SG（i）、SF（i）。

2 結果與分析

2.1 園林樹木風災等級與抗風因子

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

結合以往學者對園林樹木風災受損等級評估，本研究從樹木本身受損情況及災后恢復的難易程度，將園林樹木做以下5個等級劃分：1級，主干折斷，已失去園林功能及價值（棕櫚科植物以心葉生長點或主干折斷為標準）；2級，倒伏連根拔起，扶正種植存在成活機會；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 抗風能力主要因子及評分標準 園林樹木位居綠化景觀的中上層空間，易受臺風危害，決定樹木抗風的主要因素包括氣象與地理、城市建設及綠地規(guī)劃、建設監(jiān)管、日常養(yǎng)護等，還與樹木自身因素緊密相關。通過分析學者們多年的研究成果［4,6,10,13,16］，篩選出與風災關聯(lián)度較高的7個形態(tài)因子，包括樹干與材質、抗彎強度、冠層密度、根系類狀況、冠高比及最大靜荷載和撓曲變形量。通過實測及文獻收集整理50種常見園林樹木7個因子的研究數(shù)據(jù)見表1。

各因子的評分標準見表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，是木材流變性質的直接反映［4,6,8,11,14］。木材受外力作用時，其彈性模量與木材密度呈正相關。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)的極限應力。樹木的風荷載與樹木材質、韌度緊密相關。

2.2 園林樹木形態(tài)因子與樹木抗風能力

2.2.1 抗折枝能力 枝條是樹體結構中相對細弱和最易受傷害的部位，強風吹拂下，樹體最先受風災的是枝、葉等器官。綜合相關研究篩選出與枝條抗風性密切相關的形態(tài)因子為撓曲變形量、最大靜荷載、樹干與材質。計算可得50個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)陸靜風的山區(qū)或平原，如火焰木、藍花楹等，該類樹種普遍冠大、枝脆，風災程度最為嚴重。

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 主干是樹體結構中最基礎、最重要的結構單元，具有承接根與樹冠結構平衡、穩(wěn)定（樹干彈性與堅固性）的重要作用。強風經(jīng)過時，樹木主干御風性能將影響整個樹體結構的穩(wěn)定與平衡。綜合調查與文獻研究［1,3,10,15］得出與主干抗風性密切相關的形態(tài)學因子4個：樹干與材質、抗彎強度、冠層密度、冠高比。計算得出50個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，以抗彎強度分值大小排序；抗彎強度分值相等的樹種，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）材質堅韌，如木麻黃、龍眼、荔枝等；（2）干形挺直、分層明顯，樹冠受風面積小，如小葉欖仁、霸王棕等。

2.2.3 抗倒伏能力 根據(jù)臺風“山竹”過境后的現(xiàn)場調查及綜合以往關于樹木風災倒伏情況的研究［4,6,12,15］，我們認為冠高比、抗彎強度、根系狀況、冠層密度4個形態(tài)因子與樹木抗倒伏能力密切相關，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)恢復生長。一般情況下，根系受市政設施及園林施工的影響，往往生長空間不足導致難以伸展，未能真實體現(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、透風效果好或枝條柔軟風阻小的樹種，如小葉欖仁、木麻黃等。

2.2.4 綜合抗風性能 綜合50種常見園林樹木抗折枝、抗折干、抗倒伏能力分值，計算出樹木綜合抗風能力分值及指數(shù)排序。抗風能力依大小劃分Ⅰ～Ⅴ級，綜合抗風能力指數(shù)排名前10位的評定抗風等級為Ⅰ級，排名11～20位的評定抗風等級為Ⅱ級，以此類推。從表6可以看出，垂葉榕、木棉、黃槿、黃槐等樹種實際調查的風災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)護的人為干擾密切相關。

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 樹木風災等級

目前各地園林部門甚至同一城市不同行政區(qū)域、機構針對樹木風災等級的劃分缺乏統(tǒng)一標準，對抗風性的評價也缺乏量化表達。以往研究表明，樹木風災與多種形態(tài)因子相關，其中根系狀況、樹冠類型、材質與密度、抗彎強度等因子對樹種抗風性起決定性作用［4-6,8,13,17］。我們認為從樹木實際風災受損程度及災后景觀恢復狀況出發(fā)，應將樹木風災等級分為5類，有利于行業(yè)管理部門對風災損失進行統(tǒng)一評估，也便于城市綠地規(guī)劃中更加精細、有效開展樹種選擇、規(guī)劃和配置。

3.2 樹木抗風能力

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、風阻小，與吳志華［5］研究結果相一致；36種闊葉樹種中有9種同時出現(xiàn)在抗折干、抗倒伏能力排序前15名，說明具備材質堅韌、抗彎強度大、深根性、樹冠通透、透風效果好或枝條柔軟風阻小是抗折干、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)風災較重現(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)缽培育后抗風性能大為減弱。

3.3 環(huán)境因子對樹木風災的影響

導致樹木風災的原因除樹木自身因素外，還與樹木所處外部環(huán)境（風向、土壤、地形條件、位置等）密切相關。就外因而言，針對同一樹種的行道樹來看，當臺風登陸風向與道路呈較大銳角或直角時對行道樹破壞力最大；若該地段土壤淺薄、樹穴或綠帶設計不合理，且市政施工損傷樹木根系，則會增大風災幾率；當綠地周圍為高層建筑群環(huán)繞或位于狹窄樓宇之間時，受到空間環(huán)境影響會產(chǎn)生狹管效應、渦流現(xiàn)象，進而改變風向、提升瞬時風速，樹木受害情況將加劇；臺風對同一路段不同結構的群落影響也不同，如結構層次豐富的群落分散了風壓和風力作用，明顯優(yōu)于結構單純的群落。

4 結論

本研究認為，樹干與材質、抗彎強度、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性能的強弱。棕櫚類、鄉(xiāng)土樹種及根系發(fā)達或材質堅韌、樹冠通透的種類抗風性能較強。合理選擇、配置抗風樹種可有效提升景觀樹木抗風性能，其中：綜合抗風性評價為Ⅰ級的樹種，抗風性能優(yōu)異并能很好體現(xiàn)區(qū)域景觀特色，宜作為基調樹種在華南沿海城市景觀綠化中廣泛運用；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)達地面根系的樹種，適合布置于濱海綠地、路側綠地等處作為骨干樹種。

表6 50種常見園林樹木綜合抗風能力及風災等級排序Table 6 Comprehensive wind resistance capacity and wind damage level of 50 common garden trees