强台风后城市园林树木的风灾损伤及其抗风能力研究——以深圳大学后海校区为例

刘瑞雪

许晓雪

中国是风灾活动频繁且受风灾影响较大的国家之一，其中台风是影响我国沿海地区及部分内陆地区重要的天气系统，是极具破坏力的热带气旋[1]。作为城市景观的重要组成部分，沿海地区的城市园林树木常因台风侵袭而遭受重大损失[2]。在台风多发区域，有效判断和预测园林树木的抗风能力，选择抗风能力良好的树种用作城市绿化，以减轻风灾损伤是城市建设的迫切需要。目前国内关于树木风害的研究主要集中在风对树木的力学作用机理、树木风害评价等方面。如艾晓秋等建立树木风灾破坏评估有限元模型，采用频域分析法对树木失效风速进行研究[3]；彭勇波等建立树木风振响应分析的简化理论模型，分析影响树木动力学特征的材料物理参数，提出树木风振响应分析方法[4]；祖若川等利用层次分析法和综合评价法对树木形态学相关指标进行评分，建立树木抗风性形态性状预测体系[5]；吴小宁等面向橡胶树热带气旋风险评估及保险应用，对橡胶树风灾易损性进行量化评估等[6]。关于易受风害树种的研究，已有研究指出在我国沿海地区菩提、人面子、大叶桃花心木、黄槿和银桦等树种易受风害影响且损伤较严重[7-8]。国际上一些易受飓风灾害影响的国家如美国、墨西哥等，也针对树木风害展开大量研究。研究多针对沿海松树林、红树林等脆弱生态系统，分析飓风对其植物群落结构和空间分布等的影响，以及对风害后生态系统的变化趋势进行预测[9-10]。综合现有研究，虽已有一些专门针对城市园林树木抗风能力的研究，但多是通过灾害现场调查获取树木的受损情况，从直接外因(风力和风向)和间接外因(绿地、施工与养护管理等)对树木抗风能力进行经验推测性分析，定量论证尚不多见[2，7]，而且针对内因(树木功能性状)来解析树木抗风能力的研究寥寥无几[11-12]。

深圳地处我国东南沿海，经常遭受台风袭击，严重影响城市园林景观，因此有效判断园林树木的抗风能力，科学选择抗风树种是城市建设亟待解决的问题。通过调查台风侵袭后深圳园林树木的损伤情况，王勇进曾对园林树种进行损伤评估[13]；吴显坤也分析过台风对树木的作用机理并对树木抗风能力因素进行探讨[14]。2018年9月16日，超强台风“山竹”在广东沿海登陆，登陆时中心附近最大风力17级。受台风影响，深圳陆地风力11～13级，沿海最大阵风14～16级，9月15日0时—17日0时最大累计雨量324mm。对深圳城市园林景观造成严重破坏，树木受损达17万株，其中倒伏8 074株[15]。本文通过实地调查，统计深圳大学后海校区校园内园林树木在台风中的受损情况，评估常见园林树木的抗风能力，并通过定量分析树种抗风能力相关性状与风害指数之间的关系，确定影响城市园林树木抗风能力的关键性状，以期为易受台风侵袭城市的抗风树种选择及绿地规划设计和栽培养护管理提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

深圳地处广东中南沿海，珠江入海口之东偏北，属亚热带海洋性气候。常年主导风向为东南偏东风，年均温22.4℃，雨量充足，4—9月为雨季，年均降雨量1 882.8mm。日照时间长，年均日照数为2 120.5h。平均每年受台风影响4～5次[16]。地带性植被为南部热带常绿阔叶林和北部亚热带常绿阔叶林，植物资源丰富。深圳大学后海校区位于深圳市南山区，地处深圳市西南部，靠近深圳湾海域。校园内园林植物种类繁多，种植有常见的城市园林树木如大王椰子、黄葛树、南洋杉和洋紫荆等。

表1 园林树木风害程度等级

1.2 数据收集

强台风山竹过后第3天，对校园内园林树木受灾情况进行实地调查并拍照记录。根据文献资料[17-18]，结合实际受灾情况，制定树木风害程度分级(表1)。

对校园园林树木进行实地调查，采用每木调查法，根据树木风害程度等级(表1)记录每株树木的风害情况。调查中如果树木表现为1种以上的风害症状，则受害等级的树木株数需重复统计。根据每株树木的风害程度等级，计算每种树木的平均风害级和风害指数[17]，分析树木的抗风能力。平均风害级越大，风害指数越大，树种抗风能力越弱。计算公式为：

表2 园林树木抗风能力相关性状

表3 常见园林树种的平均风害级

DG=Σ[(Dn/N)×G]

DI=Σ[(Dn×G)/(N×SG)]

式中，DG为平均风害级；DI为风害指数；Dn为某风害等级株数；N为总株数；G为代表级值；SG为受灾最重代表级值。

根据文献阅读和实地调查[14，19]，选取相对稳定且能反映树种抗风能力的性状进行调查记录，包括2个方面：树种形态性状(15种)和木材材质性状(8种)，相关性状的调查内容描述详见表2。

1.3 数据分析

首先使用Spearman秩相关系数分析风害指数与树木形态性状和木材材质性状之间的相关性；采用多元回归模型，以树种风害指数为因变量，抗风能力相关性状为自变量，分析抗风能力相关性状与树种风害指数之间的关系，确定影响树种抗风能力的关键性状。所有数据分析由SPSS20.0完成。

2 园林树木风害情况及其抗风能力评估

本次调查共记录园林树木137种14 452棵，隶属于47科109属，其中以棕榈科(8种2 332棵)、桑科(12种2 272棵)为主。根据生活型分类，乔木109种13 096棵，灌木28种1 356棵。外来树木39种2 804棵，乡土树木98种11 648棵。受害树木达7 080棵，占调查树木总量的48.99%，隶属于34科88属111种，其中以桑科(10种1 064棵)、豆科(21种976棵)和桃金娘科(7种864棵)为主。根据生活型分类，乔木92种6 600棵，灌木19种480棵。外来树木30种2 076棵，乡土树木81种5 004棵。受害树木以枝条不同程度的折断为主，占受害树木总量的67.63%。

表4 常见园林乔木树种24种

对树种株数占树木总株数0.2%以上的63种树木计算平均风害级DG，根据每种树木的平均风害级对其风害情况进行分析，分为未受风害、轻度风害、中度风害和重度风害(表3)。由表3可知，63种树木中57.14%的树种属于轻度风害，包括6种外来树种和30种乡土树种，抗风能力较强，所受风害主要表现为树干稍倾斜和叶片部分脱落，如美丽异木棉、小叶榄仁、秋枫和大花紫薇等；38.10%的树种属于中度伤害，包括10种外来树种和14种乡土树种，抗风能力一般，所受风害主要表现为枝条不同程度折断，如金叶假连翘、樟、大叶桃花心木和黄槿等；没有重度风害的树种；基本未受风害的仅有3种，为大王椰子、酒瓶椰子和苏铁，抗风能力强。

3 影响园林树木抗风能力的关键性状

树木受风害的程度，除了取决于风力风向等台风因素和空间环境因素以外，树种自身抗风能力是非常关键的因素。不同树种的抗风能力存在差异，与树种的形态和材质密切相关[11-12、24]。调查中树种株数占树木总株数1%以上的树种共35种，其中包括棕榈科植物6种(大王椰子、假槟榔、鱼尾葵、蒲葵、散尾葵和美丽针葵)。由于已有文献研究过棕榈类植物的抗风性，因此本文将棕榈科植物纳入分析[25]。其余29种常见园林树木主要以乔木为主，由于乔木和灌木在形态和材质上有显著的差别，因此本研究以24种乔木树种为研究对象进行抗风能力分析(表4)。

对乔木树种的风害指数和23个抗风能力相关性状进行相关性检验(图1)。风害指数与形态性状中的枝条是否轮生和主干分枝数呈极显著负相关，与分枝角为极显著正相关；与木材材质性状中的木纤维长度和抗弯强度显著负相关。结果表明乔木树种枝条不轮生、主干分枝数越少、分枝角越大、木纤维长度越短、抗弯强度越小，则风害指数越高。

以风害指数为因变量Y，以抗风能力相关性状为X，进行多元回归分析。由表5可知，分枝角X11、枝下高X4和顺纹抗压强度X23所对应的P值分别为0.000、0.007和0.009，均小于0.01，说明回归检验具有极显著性，即分枝角、枝下高和顺纹抗压强度对风害指数的影响极显著。而且方差膨胀系数VIF值分别为1.018、1.042和1.058，均小于3，说明自变量之间的多重共线微弱，可忽略不计。根据表5所得的风害指数与抗风能力相关性状的回归方程为：Y=-1.083+1.859X11+0.594X4-0.994X23。从方程可知，23个抗风能力相关性状中，与乔木树种风害指数相关性最大的是分枝角，为显著正相关；其次是顺纹抗压强度，为显著负相关；枝下高也与乔木树种风害指数相关性显著，为正相关。结果表明，乔木树种分枝角越大、枝下高越高、顺纹抗压强度越小，则风害指数越高。

图1 乔木的风害指数和抗风能力相关性状之间的相关性

4 结论与讨论

4.1 深圳常见园林树木的抗风能力

强台风“山竹”对深圳园林树木影响巨大，通过对园林树木的受损情况调查统计可知，大王椰子、苏铁、酒瓶椰子、散尾葵、蒲葵和美丽针葵等单子叶植物所受台风损害程度较轻，平均风害级属于未受风害或轻度风害，表明其抗风能力较强，这与前人的研究结果一致[25]。调研中也发现受台风侵袭后假槟榔零星出现主干折断或连根拔起，金山葵落叶严重，造成一定的安全隐患。美丽异木棉、南洋杉、幌伞枫、秋枫、小叶榄仁、荔枝、龙眼、垂叶榕和小叶榕等这些华南地区常见的乔木树种在台风中表现良好，所受损伤程度较轻，表明其抗风能力较好，所受损伤主要表现为树干稍倾斜和叶片部分脱落，灾后可快速恢复。而大叶桃花心木、洋紫荆、黄槿、白千层、阿江榄仁、大叶相思和木麻黄等树种受损较严重，主要表现为枝干不同程度折断，表明其抗风能力一般。在调研中发现洋紫荆、大叶相思和黄槿出现一些主干折断或连根拔起倒伏的损伤，存在较大的安全隐患。前人研究已证明，大叶桃花心木和洋紫荆的抗风能力弱，在多地多次台风中受灾较严重[2，17]。在调查中发现大部分的灌木树种受台风损伤较轻，如华南地区的常见灌木红檵木、叶子花、金叶假连翘和基及树等，轻度风害等级的灌木株数占灌木总数的74.44%。大部分灌木冠高较低、分枝角低，抗风能力较强。同时大部分灌木树种修剪成球形或成片种植，而且灌木层上多有乔木层庇护，在一定程度上减轻了台风伤害。

4.2 影响乔木树种抗风能力的关键性状

影响树木抗风能力的性状主要包括2 个方面，树木形态性状和木材材质性状。通过Spearman相关性检验和多元回归可知，乔木树种的枝条是否轮生、主干分枝数、分枝角、枝下高、木纤维长、顺纹抗压强度与树种风害指数有显著相关性，树木的形态性状相对于木材材质性状具有更明显的影响力。

乔木的形态性状中，枝条是否轮生和主干分枝数与树种风害指数呈显著负相关。即树木枝条非轮生且主干分枝数越少，所受台风损害越大，抗风能力越弱。在实地调研中发现，像南洋杉和幌伞枫等枝条近轮生且主干分枝数较多的树种，所受台风影响较小，多表现为基本无伤害或叶片脱落，偶有小枝条折断。分枝角和枝下高与树种风害指数显著正相关，即树木枝下高越高、分枝角越大，则抗风能力越差，所受台风损伤越严重。调研中发现，校园中的洋紫荆树木高大、树枝开展、枝下高较高，受台风的影响较为严重。前人研究中通过现场观察结合经验分析推测得出树木冠形、胸径、根系类型与树木抗风能力有重要相关性[7，26-27]。吴显坤通过树木形态数据资料的现场调查与收集，结合树种在台风中的受害情况，采用聚类和主成分分析，得出树种冠形、根系类型和树冠浓密程度是树种抗风能力差异的主要原因[14]。而本研究中通过台风过后的现场调查，采用Spearman相关性检验和多元回归，得到树木冠形和根系类型与树木风害指数并没有显著相关性。结果存在差异的原因可能是台风属偶然极端天气情况，无法进行重复试验，而且树木形态如冠形、冠幅等极易受到空间形态、种植形式、土壤类型和养护管理等人为影响，所以研究中无法做到精确的定量研究。而且现有研究主要都局限在通过台风后植物的损伤情况来进行分析，难以通过风洞试验来精确定量分析树木在哪种级别的风力和哪个风向时会受到哪种伤害，以及树木的形态性状如树高、冠形、冠幅、枝下高等与其抗风能力的关系[1]。

乔木的木材材质性状中，木纤维长度、顺纹抗压强度和抗弯强度与树种风害指数有显著的负相关性。抗弯强度与风害指数呈负相关，即木材所能承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力越大，风害指数越小，抗风能力越强；顺纹抗压强度与风害指数呈负相关，木材受到外压力时，能抵抗外力压缩变形破坏的能力越强，风害指数越小，则树木抗风能力越强；木纤维长度越长说明树木由木质化增厚的细胞壁和具有细裂缝状纹孔的纤维细胞所构成的机械组织的长度越长，树木越坚硬。因此乔木树种的木纤维长度越长，顺纹抗压强度越大，抗弯强度越强，抗风能力越强[28]。前人研究中较少涉及树木的木材材质性状与抗风能力的关系，虽有研究提到木材的韧性、易曲性与抗风能力有关，但结论是通过现场观察结合经验分析推测得出，并未经过定量分析或实验验证[27]。吴显坤对广东沿海常见行道树的抗风性能进行研究，提出树种的木材抗弯强度与抗风能力密切相关[14]74；段溪对杭州湾地区海岸7种防护林树种的抗风性能进行研究，提出树种的气干密度和抗弯强度与抗风能力密切相关[29]，这都与本研究的结论较为一致。

树木抗风能力除了受到自身形态和木材材质的影响外，空间形态、周边建筑分布情况、种植方式、群落结构、土壤条件和养护管理等因素对树木抗风能力也有影响[7]。本研究进行树木台风伤害实地调查的场地主要包括硬质场地(主要是生态停车场和树阵广场)、道路绿地、建筑周边绿地和草地树丛。调研中发现道路两侧树木受台风伤害最为严重，其次为硬质场地和建筑周边绿地，草地树丛所受风害最小。究其原因可能是周边建筑使道路成为天然风道，风速较大，且树木等距分散种植，土壤条件较差，因此树木受害最严重；硬质场地由于场地较为空旷开敞，缺少建筑围合与遮挡，且树木种植较为分散，树池面积小根系生长受限，受台风影响也较大；建筑周边树木由于受到建筑遮挡，受到风害损伤相对较小；草地树丛植物种植较密集，形成丛生效果，且土壤条件较好，树木根系可充分接触土壤，受到台风影响最小。综合以上分析，受台风侵袭较频繁的城市应优先选择冠幅适中、根系深广、枝条柔韧和材质坚硬的乡土树种进行城市绿化。

表5 各变量的回归系数和T检验

4.3 台风应对策略

强台风“山竹”风力强劲，已超过大多数树木所能承受的风力，是造成园林树木受灾严重的重要因素。虽然园林树木的抗风能力与众多因素密切相关，但在实际工作中可以从树种选择、设计施工和养护管理等方面增强其抵御台风的能力，以期在灾害中降低损失。1)抗风树种的选择。对于台风频繁侵袭的城市，城市园林树木的选择要兼具观赏性和抗风性。以多样性原则为依据，在保证生态系统稳定的情况下增加抗风树种选择，减少抗风能力较差的树种。尽量选择树冠适中、深根系、枝条柔软、木材紧致、抗弯能力强的树种。可种植幌伞枫、荔枝、龙眼、杧果、小叶榄仁、菠萝蜜和美丽异木棉等优良园林树木和大王椰子、假槟榔、酒瓶椰子等棕榈科植物，减少种植木麻黄、洋紫荆、大叶相思和白千层等抗风性较弱的树木。此外，在城市风环境数据模型的基础上，在城市多发强风位点和地段种植抗风能力较强的树种。还应注意避免易受病虫害的树种，以免加重风害损失。2)种植设计施工。在设计之初应尽量考虑到立地条件，设计合理的植物种植方式，少出现单个树木孤植的情况，并注重形成多层复合的植物群落，利用群体效应来增强树木的抗风性。施工时应注意保证土壤质量和树木生长空间，保证树木根系的健康生长。3)养护管理。对于生长迅速、树冠浓密的树种应适时修剪，提高树木的透风性，在一定程度上避免枝条或者主干的折断。平时的养护管理中培养树干骨架、树枝结构和树冠形状，从根本上提高树木的抗风性。对于树冠浓密，根系较浅的树种，如大叶桃花心木、洋紫荆、大叶相思和黄槿等，应加强修剪，梳理冠内过多分枝，调整合理根冠比，避免树大招风，达到增强抗风性的目的。对新栽和老弱的树木应及时搭建护树架，以增强抗风能力。

注：文中图片均由作者绘制。