寧波主要園林樹種木材物理力學性質及抗風能力評價

樓璐 何云核

摘要 [目的]掌握寧波主要園林樹種的抗風能力。[方法]調查9號、18號臺風過后寧波主城區園林樹種的受害情況，篩選出8個種植范圍較廣且較為典型的園林樹種進行相關試驗分析。測定8個樹種枝條的木材纖維特性、木材力學性質、抗風性能，分析木材性質與抗風值的相關性，綜合評價抗風性。[結果]抗風值與枝條纖維長寬比（相關系數0.843）、枝條彎曲彈性模量（相關系數0.779）存在強正相關。8個樹種中，以柚、木犀、樟、水杉的抗風能力較好，廣玉蘭、構樹、意楊的枝條抗風能力較差。[結論]該研究為今后寧波市區園林樹種的選擇與應用提供了科學依據。

關鍵詞 園林樹種;纖維長度;纖維寬度;彈性模量;抗風能力

中圖分類號 S-781? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）12-0116-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.029

開放科學（資源服務）標識碼（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

寧波地處我國東南沿海臺風多發地區。在夏季，風害是寧波等多風地區毀壞城市綠化的主要自然災害之一。因此，選擇抗風性良好的植物作為行道樹、沿海防護林、園林綠化、建筑綠化等，是城市環境建設的迫切需求[1]。據統計，2007年至今對寧波市造成影響的臺風數量為46個，平均每年3.5個[2]，且幾乎每年對寧波的農林牧漁業造成巨大影響。歷年來，影響寧波的臺風數量有增無減，隨著氣象部門對臺風預測能力的提升，群眾抗臺應急意識的增強，城市綠化部門相關預防及災后重建措施的完善，使臺風對寧波的影響處于可控制范圍內。但臺風后大量行道樹的倒伏對綠化及交通的影響較大，如何選擇適宜寧波生長又具有較好抗風能力的行道樹樹種并進行合理配置是目前值得探討的問題。目前國內外關于林木抗風能力的研究較少，國內更多偏向于林分尺度，表現在林分布局、營林措施對抗風效果的影響等方面[3]，國外主要對風力大小、方向和植株自身特性進行綜合研究評價[4]。筆者對寧波市區受損程度較大地區行道樹展開調查，選擇主要園林樹種并對其樹木枝條進行內部纖維與力學性質測定，并使用層次分析法將試驗結果與相關影響因素進行分析篩選出較好樹種，以期為今后寧波市區園林樹種的選擇與應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 風害調查與樣本采集

選區為寧波海曙區環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、18號臺風后對樣區進行調查，2次臺風后樹木情況：意楊、黃山欒樹、廣玉蘭整株倒伏，木犀、構樹、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種并選擇長勢較好的樹木，用高枝剪剪取15～20根生長于樹干且直挺無蟲害樹枝作為試樣。根據五級風害等級評估樹種受害情況，估算相應的抗風值。Ⅰ 級：主干折斷等必須更換，得1分;Ⅱ 級，連根拔起或傾斜傾角在45°以上等需扶起種植，得2分;Ⅲ 級，枝條折斷（包括主干折斷但仍可繼續種植），得3分;Ⅳ 級，傾斜傾角在45°以下需扶正，得4分;Ⅴ級，主干皮傷及護樹設施損壞，得5分[5]。

抗風值=（Ⅰ 級風害抗風值×株數+Ⅱ 級風害抗風值×株數+Ⅲ 級風害抗風值×株數+Ⅳ 級風害抗風值×株數+Ⅴ 級風害抗風值×株數）/總株數[6]。

1.2 木材性質測定方法

1.2.1 纖維特性。

采用硝酸-氯酸鉀法，即Schaltze法[7]測定。取5根試樣劈成火柴桿大小，隨機抽取5～8根試樣放入試管中，倒入30%硝酸淹沒試樣，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，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次至無酸為止，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、完整的細胞在光學顯微鏡下進行觀察，并測定纖維長度、寬度、腔徑。測定時每個樣本中取200根纖維進行讀數，獲得數據后計算平均值進行記錄。試驗獲得纖維長度、寬度、壁厚、腔徑后等基本形態指標，可進一步計算出長寬比、壁腔比、腔徑比等指標。

1.2.2 力學性質。

取基本直徑為1.5 cm，尺寸公差為0.3 mm的試樣10～15個。其中，拉伸樣本試驗長度為4 cm柱體，壓縮樣本試驗長度為3 cm，彎曲樣本試驗長度14 cm。試驗在WDW-100微機控制電子萬能試驗機上操作。在萬能試驗機上安裝量程為15 kN的力傳感器。拉伸、壓縮、彎曲試驗步驟基本相同：先打開軟件，在進行拉伸與壓縮試驗前，輸入試樣直徑與試驗長度;進行彎曲試驗前輸入有效變形長度與試樣直徑。拉伸試驗中樣本中段需安裝Y40/5力傳感器檢測試驗載荷，壓縮、彎曲試驗均可從軟件中直接進行讀數。準備試驗時將力值讀數清零，開始試驗，當讀數到達試樣屈服強度時終止試驗。在軟件中可直接讀取試驗數據，計算得出每個樹種的相關力學性質。

1.3 抗風性綜合評價

1.3.1 評價方法、指標體系建立與分級。依據上述試驗結果并參考已有研究成果[8-13]，使用層次分析法與綜合評價法對選擇樹種進行抗風性綜合評價。篩選影響樹種抗風能力的6個指標：樹木類型、冠形、根系情況、葉片疏密度、枝條纖維長寬比、枝條彎曲彈性模量。

樹木類型分為常綠大喬木/喬木、常綠小喬木、落葉喬木3級;根系情況分為不發達、一般、發達3級;冠形分為圓錐形/傘形、圓柱形、扁圓形3級;葉片疏密度分為濃密、密、一般、稀疏4級。根據試驗結果，彎曲彈性模量、纖維長寬比與抗風能力成正相關。

1.3.2 層次分析法。

構建判斷矩陣，對各指標的影響程度咨詢專家意見，判斷各指標的相對重要性。通過計算最大特征根λmax對判斷矩陣的一致性進行檢驗，CR小于0.1則可確定評價結果的合理性和數據的可靠性，最終得出各指標的權重。

1.3.3 綜合評價法。

根據綜合評價指標體系建立對應模型，通過各指標對應權重對所選園林樹種的抗風性能進行綜合評分計算。評分準則：常綠大喬木/喬木3分、常綠小喬木2分、落葉喬木1分;根系不發達1分、根系發達情況一般2分、根系發達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、纖維長寬比按照數據分為4級，從小到大分別對應1～4分。

2 結果與分析

2.1 不同樹種材性性狀與抗風效果比較

2.1.1 不同樹種枝條木材纖維特性比較。由圖1可以看出，不同樹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度（499.614 μm）、雙倍壁厚（5.964 μm）、長寬比（31.227）均小于其他樹種。

2.1.2 不同樹種枝條木材力學性質比較。

在樹木枝條承受大風時，樹枝不僅會發生彎曲形態變化，還會在受力點正反面受到壓縮與拉伸應力作用，當受力達到其屈服強度時，樹枝發生斷裂。從圖2可見，木犀枝條的壓縮彈性模量（1 049.10? MPa）與屈服強度（118.01? MPa）最大，彎曲彈性模量（3 986.88 MPa）也較大;構樹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，其余力學性能也較好;黃山欒樹枝條的壓縮彈性模量（456.00 MPa）與拉伸彈性模量（505.68 MPa）均小于其他樹種。彈性模量與屈服強度越大，枝條抵抗外力變形的能力越好，越不容易發生變形。由試驗結果可知，木犀、柚、構樹、樟枝條相關彈性模量與屈服強度值較大，因此這4種樹種在同樣受風情況下不易折斷。

2.1.3 不同樹種木材抗風效果比較。

選區內大部分樹木在臺風過境后存在枝椏斷裂的情況，按照風害等級評估標準可知，意楊受損較為嚴重，部分整株倒伏，主要風害等級為 Ⅰ 級;而樟、黃山欒樹、木犀大多為枝條折斷，并無大量整株倒伏現象，Ⅱ、Ⅲ級風害占總風害等級中大部分;柚、水杉、構樹普遍未出現大面積受損現象。根據表1比較分析可知，各樹木的抗風值由大到小為柚、水杉、構樹、木犀、廣玉蘭、樟、黃山欒樹、意楊。

2.2 枝條木材性質與抗風值的相關性分析

用Pearson函數對抗風值與試驗數據進行相關性分析，結果見表2。由表2可知，抗風值與枝條纖維長寬比、枝條彎曲彈性模量存在極顯著、顯著正相關，與其他纖維性狀、力學性質呈不顯著相關。這與許秀玉等[6]在不同樹種木材性質及其抗臺風性能的研究結果基本一致。

2.3 抗風性綜合評價

2.3.1 層次分析法。由表3可知，權重值較高的為彎曲彈性模量（W=0.330 9）、枝條纖維長寬比（W=0.262 7）與根系情況（W=0.149 0），權重值較低的為冠形（W=0.080 4）與葉片疏密度（W=0.059 6）。通過計算得最大特征根λmax=6.481 2，一致性指標（CI）=0.096 2，隨機一致性比值（CR）=0.076 4，值小于0.100 0，有較好的一致性，證明評價結果合理。

2.3.2 綜合評價法。

根據綜合評價指標體系建立對應模型，通過各指標對應權重對所選園林樹種的抗風性能進行綜合評分。對表4中園林樹種枝條抗風性綜合評分進行排序，由高到低為柚、木犀、樟、水杉、黃山欒樹、廣玉蘭、構樹、意楊。評分結果與對選區實地調查結果較為貼合，即枝條抗風能力較強的柚、木犀、樟、水杉受到風害多為枝條斷裂，枝條抗風能力較差的廣玉蘭、構樹、意楊存在主干折斷與整株倒伏的現象。

表4中綜合評分較高的樹種，如柚和木犀的特點為根系發達且枝條彎曲彈性模量較大;樟的枝條彎曲彈性模量偏小，但其為材性結構堅硬的常綠大喬木;圓錐形冠形[14]如水杉，也有助于樹種抗風能力的提升。對于綜合評分較低的樹種，多是在某些性狀上不利于抗風，如構樹，盡管其枝條彎曲彈性模量大，冠形抗風，但因其根系較淺，在臺風過境時易整株傾倒或連根拔起。意楊盡管根系發達，但其枝葉濃密、樹冠龐大且枝條纖維長寬比值小即木材密度低，臺風中易出現斷枝斷干等現象。

3 結論與討論

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

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

（3）該研究從樹種本身出發，對枝條木材性質與物理力學性質進行試驗，再將試驗所得結果與重要影響因素進行綜合分析，結果表明，枝條纖維長寬比、枝條彎曲彈性模量、根系情況是影響抗風能力的主要因素。但抗風能力還應綜合考慮樹種立地條件[12]、受風強弱、受風時間長短、種植密度等因素。同時在城市園林樹種的選擇中還需考慮適地適樹、文化相關、植物配置等，這有待于今后進一步研究。該結論與實際情況較為吻合，希望對寧波抗風園林樹種的選擇提供參考。

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