強臺風(fēng)后城市園林樹木的風(fēng)災(zāi)損傷及其抗風(fēng)能力研究
——以深圳大學(xué)后海校區(qū)為例

劉瑞雪

許曉雪

中國是風(fēng)災(zāi)活動頻繁且受風(fēng)災(zāi)影響較大的國家之一，其中臺風(fēng)是影響我國沿海地區(qū)及部分內(nèi)陸地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，是極具破壞力的熱帶氣旋[1]。作為城市景觀的重要組成部分，沿海地區(qū)的城市園林樹木常因臺風(fēng)侵襲而遭受重大損失[2]。在臺風(fēng)多發(fā)區(qū)域，有效判斷和預(yù)測園林樹木的抗風(fēng)能力，選擇抗風(fēng)能力良好的樹種用作城市綠化，以減輕風(fēng)災(zāi)損傷是城市建設(shè)的迫切需要。目前國內(nèi)關(guān)于樹木風(fēng)害的研究主要集中在風(fēng)對樹木的力學(xué)作用機理、樹木風(fēng)害評價等方面。如艾曉秋等建立樹木風(fēng)災(zāi)破壞評估有限元模型，采用頻域分析法對樹木失效風(fēng)速進行研究[3]；彭勇波等建立樹木風(fēng)振響應(yīng)分析的簡化理論模型，分析影響樹木動力學(xué)特征的材料物理參數(shù)，提出樹木風(fēng)振響應(yīng)分析方法[4]；祖若川等利用層次分析法和綜合評價法對樹木形態(tài)學(xué)相關(guān)指標(biāo)進行評分，建立樹木抗風(fēng)性形態(tài)性狀預(yù)測體系[5]；吳小寧等面向橡膠樹熱帶氣旋風(fēng)險評估及保險應(yīng)用，對橡膠樹風(fēng)災(zāi)易損性進行量化評估等[6]。關(guān)于易受風(fēng)害樹種的研究，已有研究指出在我國沿海地區(qū)菩提、人面子、大葉桃花心木、黃槿和銀樺等樹種易受風(fēng)害影響且損傷較嚴(yán)重[7-8]。國際上一些易受颶風(fēng)災(zāi)害影響的國家如美國、墨西哥等，也針對樹木風(fēng)害展開大量研究。研究多針對沿海松樹林、紅樹林等脆弱生態(tài)系統(tǒng)，分析颶風(fēng)對其植物群落結(jié)構(gòu)和空間分布等的影響，以及對風(fēng)害后生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢進行預(yù)測[9-10]。綜合現(xiàn)有研究，雖已有一些專門針對城市園林樹木抗風(fēng)能力的研究，但多是通過災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查獲取樹木的受損情況，從直接外因(風(fēng)力和風(fēng)向)和間接外因(綠地、施工與養(yǎng)護管理等)對樹木抗風(fēng)能力進行經(jīng)驗推測性分析，定量論證尚不多見[2，7]，而且針對內(nèi)因(樹木功能性狀)來解析樹木抗風(fēng)能力的研究寥寥無幾[11-12]。

深圳地處我國東南沿海，經(jīng)常遭受臺風(fēng)襲擊，嚴(yán)重影響城市園林景觀，因此有效判斷園林樹木的抗風(fēng)能力，科學(xué)選擇抗風(fēng)樹種是城市建設(shè)亟待解決的問題。通過調(diào)查臺風(fēng)侵襲后深圳園林樹木的損傷情況，王勇進曾對園林樹種進行損傷評估[13]；吳顯坤也分析過臺風(fēng)對樹木的作用機理并對樹木抗風(fēng)能力因素進行探討[14]。2018年9月16日，超強臺風(fēng)“山竹”在廣東沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力17級。受臺風(fēng)影響，深圳陸地風(fēng)力11～13級，沿海最大陣風(fēng)14～16級，9月15日0時—17日0時最大累計雨量324mm。對深圳城市園林景觀造成嚴(yán)重破壞，樹木受損達17萬株，其中倒伏8 074株[15]。本文通過實地調(diào)查，統(tǒng)計深圳大學(xué)后海校區(qū)校園內(nèi)園林樹木在臺風(fēng)中的受損情況，評估常見園林樹木的抗風(fēng)能力，并通過定量分析樹種抗風(fēng)能力相關(guān)性狀與風(fēng)害指數(shù)之間的關(guān)系，確定影響城市園林樹木抗風(fēng)能力的關(guān)鍵性狀，以期為易受臺風(fēng)侵襲城市的抗風(fēng)樹種選擇及綠地規(guī)劃設(shè)計和栽培養(yǎng)護管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

深圳地處廣東中南沿海，珠江入海口之東偏北，屬亞熱帶海洋性氣候。常年主導(dǎo)風(fēng)向為東南偏東風(fēng)，年均溫22.4℃，雨量充足，4—9月為雨季，年均降雨量1 882.8mm。日照時間長，年均日照數(shù)為2 120.5h。平均每年受臺風(fēng)影響4～5次[16]。地帶性植被為南部熱帶常綠闊葉林和北部亞熱帶常綠闊葉林，植物資源豐富。深圳大學(xué)后海校區(qū)位于深圳市南山區(qū)，地處深圳市西南部，靠近深圳灣海域。校園內(nèi)園林植物種類繁多，種植有常見的城市園林樹木如大王椰子、黃葛樹、南洋杉和洋紫荊等。

表1 園林樹木風(fēng)害程度等級

1.2 數(shù)據(jù)收集

強臺風(fēng)山竹過后第3天，對校園內(nèi)園林樹木受災(zāi)情況進行實地調(diào)查并拍照記錄。根據(jù)文獻資料[17-18]，結(jié)合實際受災(zāi)情況，制定樹木風(fēng)害程度分級(表1)。

對校園園林樹木進行實地調(diào)查，采用每木調(diào)查法，根據(jù)樹木風(fēng)害程度等級(表1)記錄每株樹木的風(fēng)害情況。調(diào)查中如果樹木表現(xiàn)為1種以上的風(fēng)害癥狀，則受害等級的樹木株數(shù)需重復(fù)統(tǒng)計。根據(jù)每株樹木的風(fēng)害程度等級，計算每種樹木的平均風(fēng)害級和風(fēng)害指數(shù)[17]，分析樹木的抗風(fēng)能力。平均風(fēng)害級越大，風(fēng)害指數(shù)越大，樹種抗風(fēng)能力越弱。計算公式為：

表2 園林樹木抗風(fēng)能力相關(guān)性狀

表3 常見園林樹種的平均風(fēng)害級

DG=Σ[(Dn/N)×G]

DI=Σ[(Dn×G)/(N×SG)]

式中，DG為平均風(fēng)害級；DI為風(fēng)害指數(shù)；Dn為某風(fēng)害等級株數(shù)；N為總株數(shù)；G為代表級值；SG為受災(zāi)最重代表級值。

根據(jù)文獻閱讀和實地調(diào)查[14，19]，選取相對穩(wěn)定且能反映樹種抗風(fēng)能力的性狀進行調(diào)查記錄，包括2個方面：樹種形態(tài)性狀(15種)和木材材質(zhì)性狀(8種)，相關(guān)性狀的調(diào)查內(nèi)容描述詳見表2。

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先使用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析風(fēng)害指數(shù)與樹木形態(tài)性狀和木材材質(zhì)性狀之間的相關(guān)性；采用多元回歸模型，以樹種風(fēng)害指數(shù)為因變量，抗風(fēng)能力相關(guān)性狀為自變量，分析抗風(fēng)能力相關(guān)性狀與樹種風(fēng)害指數(shù)之間的關(guān)系，確定影響樹種抗風(fēng)能力的關(guān)鍵性狀。所有數(shù)據(jù)分析由SPSS20.0完成。

2 園林樹木風(fēng)害情況及其抗風(fēng)能力評估

本次調(diào)查共記錄園林樹木137種14 452棵，隸屬于47科109屬，其中以棕櫚科(8種2 332棵)、桑科(12種2 272棵)為主。根據(jù)生活型分類，喬木109種13 096棵，灌木28種1 356棵。外來樹木39種2 804棵，鄉(xiāng)土樹木98種11 648棵。受害樹木達7 080棵，占調(diào)查樹木總量的48.99%，隸屬于34科88屬111種，其中以桑科(10種1 064棵)、豆科(21種976棵)和桃金娘科(7種864棵)為主。根據(jù)生活型分類，喬木92種6 600棵，灌木19種480棵。外來樹木30種2 076棵，鄉(xiāng)土樹木81種5 004棵。受害樹木以枝條不同程度的折斷為主，占受害樹木總量的67.63%。

表4 常見園林喬木樹種24種

對樹種株數(shù)占樹木總株數(shù)0.2%以上的63種樹木計算平均風(fēng)害級DG，根據(jù)每種樹木的平均風(fēng)害級對其風(fēng)害情況進行分析，分為未受風(fēng)害、輕度風(fēng)害、中度風(fēng)害和重度風(fēng)害(表3)。由表3可知，63種樹木中57.14%的樹種屬于輕度風(fēng)害，包括6種外來樹種和30種鄉(xiāng)土樹種，抗風(fēng)能力較強，所受風(fēng)害主要表現(xiàn)為樹干稍傾斜和葉片部分脫落，如美麗異木棉、小葉欖仁、秋楓和大花紫薇等；38.10%的樹種屬于中度傷害，包括10種外來樹種和14種鄉(xiāng)土樹種，抗風(fēng)能力一般，所受風(fēng)害主要表現(xiàn)為枝條不同程度折斷，如金葉假連翹、樟、大葉桃花心木和黃槿等；沒有重度風(fēng)害的樹種；基本未受風(fēng)害的僅有3種，為大王椰子、酒瓶椰子和蘇鐵，抗風(fēng)能力強。

3 影響園林樹木抗風(fēng)能力的關(guān)鍵性狀

樹木受風(fēng)害的程度，除了取決于風(fēng)力風(fēng)向等臺風(fēng)因素和空間環(huán)境因素以外，樹種自身抗風(fēng)能力是非常關(guān)鍵的因素。不同樹種的抗風(fēng)能力存在差異，與樹種的形態(tài)和材質(zhì)密切相關(guān)[11-12、24]。調(diào)查中樹種株數(shù)占樹木總株數(shù)1%以上的樹種共35種，其中包括棕櫚科植物6種(大王椰子、假檳榔、魚尾葵、蒲葵、散尾葵和美麗針葵)。由于已有文獻研究過棕櫚類植物的抗風(fēng)性，因此本文將棕櫚科植物納入分析[25]。其余29種常見園林樹木主要以喬木為主，由于喬木和灌木在形態(tài)和材質(zhì)上有顯著的差別，因此本研究以24種喬木樹種為研究對象進行抗風(fēng)能力分析(表4)。

對喬木樹種的風(fēng)害指數(shù)和23個抗風(fēng)能力相關(guān)性狀進行相關(guān)性檢驗(圖1)。風(fēng)害指數(shù)與形態(tài)性狀中的枝條是否輪生和主干分枝數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與分枝角為極顯著正相關(guān)；與木材材質(zhì)性狀中的木纖維長度和抗彎強度顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明喬木樹種枝條不輪生、主干分枝數(shù)越少、分枝角越大、木纖維長度越短、抗彎強度越小，則風(fēng)害指數(shù)越高。

以風(fēng)害指數(shù)為因變量Y，以抗風(fēng)能力相關(guān)性狀為X，進行多元回歸分析。由表5可知，分枝角X11、枝下高X4和順紋抗壓強度X23所對應(yīng)的P值分別為0.000、0.007和0.009，均小于0.01，說明回歸檢驗具有極顯著性，即分枝角、枝下高和順紋抗壓強度對風(fēng)害指數(shù)的影響極顯著。而且方差膨脹系數(shù)VIF值分別為1.018、1.042和1.058，均小于3，說明自變量之間的多重共線微弱，可忽略不計。根據(jù)表5所得的風(fēng)害指數(shù)與抗風(fēng)能力相關(guān)性狀的回歸方程為：Y=-1.083+1.859X11+0.594X4-0.994X23。從方程可知，23個抗風(fēng)能力相關(guān)性狀中，與喬木樹種風(fēng)害指數(shù)相關(guān)性最大的是分枝角，為顯著正相關(guān)；其次是順紋抗壓強度，為顯著負(fù)相關(guān)；枝下高也與喬木樹種風(fēng)害指數(shù)相關(guān)性顯著，為正相關(guān)。結(jié)果表明，喬木樹種分枝角越大、枝下高越高、順紋抗壓強度越小，則風(fēng)害指數(shù)越高。

圖1 喬木的風(fēng)害指數(shù)和抗風(fēng)能力相關(guān)性狀之間的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

4.1 深圳常見園林樹木的抗風(fēng)能力

強臺風(fēng)“山竹”對深圳園林樹木影響巨大，通過對園林樹木的受損情況調(diào)查統(tǒng)計可知，大王椰子、蘇鐵、酒瓶椰子、散尾葵、蒲葵和美麗針葵等單子葉植物所受臺風(fēng)損害程度較輕，平均風(fēng)害級屬于未受風(fēng)害或輕度風(fēng)害，表明其抗風(fēng)能力較強，這與前人的研究結(jié)果一致[25]。調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)受臺風(fēng)侵襲后假檳榔零星出現(xiàn)主干折斷或連根拔起，金山葵落葉嚴(yán)重，造成一定的安全隱患。美麗異木棉、南洋杉、幌傘楓、秋楓、小葉欖仁、荔枝、龍眼、垂葉榕和小葉榕等這些華南地區(qū)常見的喬木樹種在臺風(fēng)中表現(xiàn)良好，所受損傷程度較輕，表明其抗風(fēng)能力較好，所受損傷主要表現(xiàn)為樹干稍傾斜和葉片部分脫落，災(zāi)后可快速恢復(fù)。而大葉桃花心木、洋紫荊、黃槿、白千層、阿江欖仁、大葉相思和木麻黃等樹種受損較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為枝干不同程度折斷，表明其抗風(fēng)能力一般。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)洋紫荊、大葉相思和黃槿出現(xiàn)一些主干折斷或連根拔起倒伏的損傷，存在較大的安全隱患。前人研究已證明，大葉桃花心木和洋紫荊的抗風(fēng)能力弱，在多地多次臺風(fēng)中受災(zāi)較嚴(yán)重[2，17]。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)大部分的灌木樹種受臺風(fēng)損傷較輕，如華南地區(qū)的常見灌木紅檵木、葉子花、金葉假連翹和基及樹等，輕度風(fēng)害等級的灌木株數(shù)占灌木總數(shù)的74.44%。大部分灌木冠高較低、分枝角低，抗風(fēng)能力較強。同時大部分灌木樹種修剪成球形或成片種植，而且灌木層上多有喬木層庇護，在一定程度上減輕了臺風(fēng)傷害。

4.2 影響喬木樹種抗風(fēng)能力的關(guān)鍵性狀

影響樹木抗風(fēng)能力的性狀主要包括2 個方面，樹木形態(tài)性狀和木材材質(zhì)性狀。通過Spearman相關(guān)性檢驗和多元回歸可知，喬木樹種的枝條是否輪生、主干分枝數(shù)、分枝角、枝下高、木纖維長、順紋抗壓強度與樹種風(fēng)害指數(shù)有顯著相關(guān)性，樹木的形態(tài)性狀相對于木材材質(zhì)性狀具有更明顯的影響力。

喬木的形態(tài)性狀中，枝條是否輪生和主干分枝數(shù)與樹種風(fēng)害指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。即樹木枝條非輪生且主干分枝數(shù)越少，所受臺風(fēng)損害越大，抗風(fēng)能力越弱。在實地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，像南洋杉和幌傘楓等枝條近輪生且主干分枝數(shù)較多的樹種，所受臺風(fēng)影響較小，多表現(xiàn)為基本無傷害或葉片脫落，偶有小枝條折斷。分枝角和枝下高與樹種風(fēng)害指數(shù)顯著正相關(guān)，即樹木枝下高越高、分枝角越大，則抗風(fēng)能力越差，所受臺風(fēng)損傷越嚴(yán)重。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，校園中的洋紫荊樹木高大、樹枝開展、枝下高較高，受臺風(fēng)的影響較為嚴(yán)重。前人研究中通過現(xiàn)場觀察結(jié)合經(jīng)驗分析推測得出樹木冠形、胸徑、根系類型與樹木抗風(fēng)能力有重要相關(guān)性[7，26-27]。吳顯坤通過樹木形態(tài)數(shù)據(jù)資料的現(xiàn)場調(diào)查與收集，結(jié)合樹種在臺風(fēng)中的受害情況，采用聚類和主成分分析，得出樹種冠形、根系類型和樹冠濃密程度是樹種抗風(fēng)能力差異的主要原因[14]。而本研究中通過臺風(fēng)過后的現(xiàn)場調(diào)查，采用Spearman相關(guān)性檢驗和多元回歸，得到樹木冠形和根系類型與樹木風(fēng)害指數(shù)并沒有顯著相關(guān)性。結(jié)果存在差異的原因可能是臺風(fēng)屬偶然極端天氣情況，無法進行重復(fù)試驗，而且樹木形態(tài)如冠形、冠幅等極易受到空間形態(tài)、種植形式、土壤類型和養(yǎng)護管理等人為影響，所以研究中無法做到精確的定量研究。而且現(xiàn)有研究主要都局限在通過臺風(fēng)后植物的損傷情況來進行分析，難以通過風(fēng)洞試驗來精確定量分析樹木在哪種級別的風(fēng)力和哪個風(fēng)向時會受到哪種傷害，以及樹木的形態(tài)性狀如樹高、冠形、冠幅、枝下高等與其抗風(fēng)能力的關(guān)系[1]。

喬木的木材材質(zhì)性狀中，木纖維長度、順紋抗壓強度和抗彎強度與樹種風(fēng)害指數(shù)有顯著的負(fù)相關(guān)性。抗彎強度與風(fēng)害指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，即木材所能承受逐漸施加彎曲荷載的最大能力越大，風(fēng)害指數(shù)越小，抗風(fēng)能力越強；順紋抗壓強度與風(fēng)害指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，木材受到外壓力時，能抵抗外力壓縮變形破壞的能力越強，風(fēng)害指數(shù)越小，則樹木抗風(fēng)能力越強；木纖維長度越長說明樹木由木質(zhì)化增厚的細(xì)胞壁和具有細(xì)裂縫狀紋孔的纖維細(xì)胞所構(gòu)成的機械組織的長度越長，樹木越堅硬。因此喬木樹種的木纖維長度越長，順紋抗壓強度越大，抗彎強度越強，抗風(fēng)能力越強[28]。前人研究中較少涉及樹木的木材材質(zhì)性狀與抗風(fēng)能力的關(guān)系，雖有研究提到木材的韌性、易曲性與抗風(fēng)能力有關(guān)，但結(jié)論是通過現(xiàn)場觀察結(jié)合經(jīng)驗分析推測得出，并未經(jīng)過定量分析或?qū)嶒烌炞C[27]。吳顯坤對廣東沿海常見行道樹的抗風(fēng)性能進行研究，提出樹種的木材抗彎強度與抗風(fēng)能力密切相關(guān)[14]74；段溪對杭州灣地區(qū)海岸7種防護林樹種的抗風(fēng)性能進行研究，提出樹種的氣干密度和抗彎強度與抗風(fēng)能力密切相關(guān)[29]，這都與本研究的結(jié)論較為一致。

樹木抗風(fēng)能力除了受到自身形態(tài)和木材材質(zhì)的影響外，空間形態(tài)、周邊建筑分布情況、種植方式、群落結(jié)構(gòu)、土壤條件和養(yǎng)護管理等因素對樹木抗風(fēng)能力也有影響[7]。本研究進行樹木臺風(fēng)傷害實地調(diào)查的場地主要包括硬質(zhì)場地(主要是生態(tài)停車場和樹陣廣場)、道路綠地、建筑周邊綠地和草地樹叢。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)道路兩側(cè)樹木受臺風(fēng)傷害最為嚴(yán)重，其次為硬質(zhì)場地和建筑周邊綠地，草地樹叢所受風(fēng)害最小。究其原因可能是周邊建筑使道路成為天然風(fēng)道，風(fēng)速較大，且樹木等距分散種植，土壤條件較差，因此樹木受害最嚴(yán)重；硬質(zhì)場地由于場地較為空曠開敞，缺少建筑圍合與遮擋，且樹木種植較為分散，樹池面積小根系生長受限，受臺風(fēng)影響也較大；建筑周邊樹木由于受到建筑遮擋，受到風(fēng)害損傷相對較小；草地樹叢植物種植較密集，形成叢生效果，且土壤條件較好，樹木根系可充分接觸土壤，受到臺風(fēng)影響最小。綜合以上分析，受臺風(fēng)侵襲較頻繁的城市應(yīng)優(yōu)先選擇冠幅適中、根系深廣、枝條柔韌和材質(zhì)堅硬的鄉(xiāng)土樹種進行城市綠化。

表5 各變量的回歸系數(shù)和T檢驗

4.3 臺風(fēng)應(yīng)對策略

強臺風(fēng)“山竹”風(fēng)力強勁，已超過大多數(shù)樹木所能承受的風(fēng)力，是造成園林樹木受災(zāi)嚴(yán)重的重要因素。雖然園林樹木的抗風(fēng)能力與眾多因素密切相關(guān)，但在實際工作中可以從樹種選擇、設(shè)計施工和養(yǎng)護管理等方面增強其抵御臺風(fēng)的能力，以期在災(zāi)害中降低損失。1)抗風(fēng)樹種的選擇。對于臺風(fēng)頻繁侵襲的城市，城市園林樹木的選擇要兼具觀賞性和抗風(fēng)性。以多樣性原則為依據(jù)，在保證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下增加抗風(fēng)樹種選擇，減少抗風(fēng)能力較差的樹種。盡量選擇樹冠適中、深根系、枝條柔軟、木材緊致、抗彎能力強的樹種。可種植幌傘楓、荔枝、龍眼、杧果、小葉欖仁、菠蘿蜜和美麗異木棉等優(yōu)良園林樹木和大王椰子、假檳榔、酒瓶椰子等棕櫚科植物，減少種植木麻黃、洋紫荊、大葉相思和白千層等抗風(fēng)性較弱的樹木。此外，在城市風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，在城市多發(fā)強風(fēng)位點和地段種植抗風(fēng)能力較強的樹種。還應(yīng)注意避免易受病蟲害的樹種，以免加重風(fēng)害損失。2)種植設(shè)計施工。在設(shè)計之初應(yīng)盡量考慮到立地條件，設(shè)計合理的植物種植方式，少出現(xiàn)單個樹木孤植的情況，并注重形成多層復(fù)合的植物群落，利用群體效應(yīng)來增強樹木的抗風(fēng)性。施工時應(yīng)注意保證土壤質(zhì)量和樹木生長空間，保證樹木根系的健康生長。3)養(yǎng)護管理。對于生長迅速、樹冠濃密的樹種應(yīng)適時修剪，提高樹木的透風(fēng)性，在一定程度上避免枝條或者主干的折斷。平時的養(yǎng)護管理中培養(yǎng)樹干骨架、樹枝結(jié)構(gòu)和樹冠形狀，從根本上提高樹木的抗風(fēng)性。對于樹冠濃密，根系較淺的樹種，如大葉桃花心木、洋紫荊、大葉相思和黃槿等，應(yīng)加強修剪，梳理冠內(nèi)過多分枝，調(diào)整合理根冠比，避免樹大招風(fēng)，達到增強抗風(fēng)性的目的。對新栽和老弱的樹木應(yīng)及時搭建護樹架，以增強抗風(fēng)能力。

注：文中圖片均由作者繪制。