我国沿海地区城市行道树抗台风评价与应用*

张德顺 曾明璇 奉树成 陈莹莹 姚鳗卿

1 同济大学建筑与城市规划学院高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室 上海 200092

2 上海市绿化管理指导站 上海 200020

中国是全世界发生台风最多的国家。 在西太平洋沿岸， 登陆我国的台风平均每年约7 次， 几乎每2.25 年就发生一次特大台风灾害， 对当地的生态、 生产和生活造成了极大的危害[1]。 随着全球气候变暖和海水表面温度的升高， 预测未来我国沿海地区将会有更多强台风灾害发生[2]。 行道树作为生态系统中重要的绿色基础设施[3]， 是维系生态平衡、 调节城市气候、 缓解城市热岛、 彰显城市风貌不可或缺的角色， 同时在台风来袭时也会承受较高的损害风险。

本文以沿海地区的城市行道树为研究对象，对台风灾害下的树木抗风性评价与选择现状进行分析， 旨在为提升台风影响下城市行道树种选择的科学性与规划的合理性， 以及加强城市生态系统的稳定性提供理论支持。

1 树木受台风危害的主要因素及抗风性评价

基于国内外部分风灾的实地调查与分析， 树木受到风害的原因可以归结两类: 风强劲的瞬时风力和持续的大风是最直接的外因， 树木立地环境胁迫及养护管理缺失是间接外因； 树木本身的抗风性能是树木受损程度的内因。

1.1 树种因素

我国沿海台风后绿化树木灾情调查结果表明，不同树种遭受风灾后的受损程度有着显著差异。1999 年， 9914 号台风途径厦门， 造成高达75%的行道树遭到毁损， 其中倾伏、 折枝占比分别为45%和 30%。 菩提树(Ficus religiosa)、桃花心木(Swietenia mahagoni)、杧果(Mangifera indica)、乌墨(Syzygium hainanense)等风倒率最高；而大王椰(Roystonea regia) 风 倒 率 只有 3%， 女 王 椰 子(Syagrus romanzoffiana) 为 5%； 海 枣 (Phoenix dactylifera)、蒲葵(Livistona chinensis)没有受到损害， 抗风能力出色[4]。 通过调查 2007 年 “派比安” 台风袭击后情况发现， 深圳城市道路绿地中受害最严重的是宫粉羊蹄甲 (Bauhinia variegata)，其次是人面子(Dracontomelon duperreanum)、桃花心木、 黄 槐 决 明 (Senna surattensis)、 大 花 紫 薇(Lagerstroemia speciosa)、白兰(Michelia×alba)、吊瓜 树 (Kigelia africana)、 南 洋 楹 (Falcatariafalcata)[5]。 广东湛江市80 余种绿化树木抗风性能评价结果表明， 棕榈 (Trachycarpus fortunei)、 假槟榔 (Archontophoenix alexandrae )、 大 王 椰(Roystonea regia)、 椰子 (Cocos nucifera) 等抗风能力最强； 乌墨 (Syzygium cumini)、 锈鳞木樨榄(Olea europaeasubsp.cuspidata)、 夹竹桃 (Nerium indicum) 等抗风能力较强； 石栗 (Aleurites moluccanu)、 台湾相思 (Acacia confusa)、 蓝花楹(Jacaranda mimosifolia) 等抗风能力较弱[6]。 调查还发现， 树冠形态、 木材特性、 根系结构与园林树种抗风能力的相关系数最高[7]， 目前对树木抗风能力的研究也主要从树冠形态、 树干性质和根系结构 (含根土板特性) 3 方面展开。

1.1.1 基于树冠形态的抗风稳定性评价

与树木抗风能力紧密相关的因子是树冠形态。当风作用于树木时，树冠承受了大部分风压，形成风阻，这是造成树木风倒、风折和风拔现象的主要原因；此外，常年受风向与风力作用的影响，树木的生长发生了变化，其空间结构以及树冠形态、根和茎的形态发育受到间接影响，树木的表型外观也随之发生变化。 常见的树冠形态有尖塔形、圆锥形、圆柱形、卵形、倒卵形、球形、平顶形、伞形等。

我国台湾省的章锦瑜在1998 年 “瑞伯” 袭击台中市后的调研中发现: 作为开张伞形大冠的凤凰木 (Delonix regia) 损失比较严重， 棕榈科植物因树冠窄小、 且迎风旗型摆动， 抗风能力较强[8]。 广州市行道树受损情况调查显示: 树木总叶面积大， 受损概率高； 树木高度、 冠幅和胸径也是影响树木受损的因子， 低矮粗壮的树木更为稳定； 树木稳定性与树高、 细长指数、 冠幅比、冠幅长、 冠满比率、 冠幅圆度、 展开度及冠幅不对称性为负相关[9]。

利用 Kontogianni 等[10]建立的稳定性指数(Tree Stability Index) 对影响树木抗风稳定性的形态因子进行评级。 在适应强风环境的过程中， 树木横向生长量减少， 纵向生长量增加， 目的是减少机械应力以适应长期的强风条件， 最终形成锥形或塔形的树冠形态[11]。 例如冠层稀疏， 树冠呈塔形的树木抗风能力较强； 树冠茂密、 透风率低、高阻尼的树木抗风性较差， 大多为纺锤状、 主干状和柱状等； 而伞状、 开心状、 丛状、 杯形能将迎面风压有效降低， 使树木抗风能力提高[12]。 因此， 通过对树木形态特征的分类可以更有针对性地研究不同树形在风荷载作用下的动态响应。

1.1.2 树干荷载应力与木材性质评价

陆地风力是树木经常承受的关键性负荷应力。力学特性、 风力特征和根土板特点是导致风折、 风倒的主因[13]。 评估树干对风荷载应力的抵抗能力通常采用牵引试验、 风洞试验和虚拟建模等手段。

树木抗风牵引的测定分析聚焦于使树木发生风折、 风倒时的极限风速， 以及土壤抗剪强度与树干力矩相互之间的关联性。 树木可简化为根部作支点， 树干作单臂梁的力学模型 (图1)[14]。风害的实质是风力的不平衡对树干造成的损伤，当侧向负荷加载于树冠和树干时， 若载荷力大于树干强度就会发生风折， 若载荷力大于根土侧向负荷极限就会发生风倒[15]。 树木抗风折和风倒的生物学特性、 风荷载大小以及树木抗根拔的立地土壤物理性质共同决定临界风速的大小。 倾覆极限指造成树木倾覆的横向载荷最小值， 倾覆极限条件下的抗风折、 抗风倒能力决定了这种状态下的树木负荷极限。 从垂柳 (Salix babylonica) 和胡桃 (Juglans ailanthifolia) 在模拟抗风牵引试验中的反应得知， 根系结构、 树木形态和土壤强度对树木抗风性起着关键性作用。 垂柳根系呈心型，锚固稳定， 抗倾覆能力强； 胡桃根系呈板状， 更容易发生风倒[16]。 然而实际情况比理想分析情况更为复杂， 台风侵袭时， 风速和风向的瞬时值大多处于变动状态， 树木的力学情况比较复杂。 牵引试验将风荷载视为静态荷载， 是针对风速和风向为恒定值时的理想情况的模拟， 会导致牵引试验预测的可承受极限风载大于真实风害发生时的风速[17]。 较多学者从静力学与动力学两方面分析树木的力学性质和稳定特征， 并指出树木是具备独立力学结构的柔性单元其承载能力与静拉力试验预测结果存在一定偏离[18]。

图1 树木的静态拉力试验

风洞试验通过设定风荷速度、 峰值作用时间、风荷频率等载荷参数模拟自然风环境， 以多工况加载并测量树木在风环境下的力学响应而进行人工模拟。 已有研究机构实地模拟建立典型植物群落， 进行多级别风洞试验发现， 不同建群树种组成的植物群落抗风性差异显著[19]。

近年来， 虚拟建模用于树木抗风性研究已取得长足进展， 其中， 线性滤波法解决了脉动风模型在真实条件下的模拟问题， 参数化设计语言 (APDL)用于建模和编程可生成树木模型， 能对树木的风荷载过程进行更全面地仿真， 也为树木的应力和位移计算提供了可靠的方法。 但该方法也存在局限性，如树木受风力作用后， 对树木所能承载的极限风速和条件的预估在一定程度上可能偏离现实。

木材特性也是影响抗风性的关键因素之一，主要包括弹性 (elasticity)、 韧度 (tenacity)、 塑性 (plasticity)、 强度 (strength)、 刚度 (rigidity)等性能， 其中刚度和韧度是反映抗风能力的重要指标[20]。 由夏威夷强台风损毁的树种分析可以看出， 木材韧性与树木受损状况密切相关， 树木韧性越大则弹性越大， 刚度越大则弹性越小[21]。 在其他条件不变的情况下， 高韧性的树木不易折断，而高刚性、 低强度的树木则容易折断。

木纤维结构是对木材性能产生影响的重要参数之一。 抗风能力强的树种具备韧性大耐冲击、纤维致密占比高、 轴向薄壁组织占比低的特征。研究发现， 大桉 (Eucalyptus grandis) 木材纤维长度与宽度、 长宽比、 木材密度等与抗风能力相关，因此遗传力较高的性状， 如木材密度、 树木高度、纤维宽度、 应力波值等指标应作为桉树选种时考虑的关键因素[22-23]。

1.1.3 根系结构特征的抗风性评价

树木的存活很大程度依赖于树根组织的锚固能力。 树木的锚固牢度和抗风能力受根系组织状态和土壤特性的影响， 而根结构对锚固能力有关键性影响， 起决定性作用[24]。 根系组织的分布状况与树体稳定性有显著的相关性， 导致树木倒伏的一个重要因素则是根系密度。 比较一年生的巨细桉 (E.grandis×E.tereticornis) 和 巨 尾 桉(E.grandis×E.urophylla) 根系发现， 根系数量和形态对根系抗拔起关键作用[25]]。 在对海岸松(Pinus pinaster) 根系结构模拟中发现， 根系结构决定锚固效果， 直根深度、 根系锥度区面积及迎风面根茎直径对锚固起决定性作用[26]。

1.2 台风风力

强台风会导致落叶、 枝干折断、 倾伏、 连根拔起等机械性损害[9]。 王庆等[27]通过模拟台风“山竹” 对园林树木造成的破坏发现， 树木受损情况的轻重区域与风速高低的分布区域高度吻合，且树木遭损毁的严重程度与台风风速呈正相关，50 km·L-1为安全极限， 树木基本无损； 125 km·L-1为损伤极限， 被断枝折干损伤的树木占 80%；200 km· L-1以上为损毁极限， 受到风倒或风拔损毁树木超过90%。 一般情况下， 大部分园林树木的抗风能力不能抵御超过9 级的风力[28](表1)。

表1 风致树木受损等级统计

1.3 环境因素

1.3.1 树木立地环境

种植立地、 周围建筑、 下垫面特征通过改变城市局地风环境使局部风力加强， 导致园林树木受损。 研究发现， 当风力从道路侧向 90°±45°加载时， 树木受到的损害最大， 倒伏率最高[9]。 除街道走向外， 高密度建筑群可形成强大的风阻，有效降低风速， 减弱树木的损害。 而自然地貌、低矮建筑形成的空旷空间， 以及沿街高大建筑构成的狭管效应 (Funnelling effect) 则加强了风力，形成高风通道， 此区域内树木受损情况更加严重[29]。

除以上因素之外， 树木的土壤环境， 如栽植穴过小、 根系土壤环境差等也是造成行道树大量遭受风害的主要原因。 台风 “莫兰蒂” 侵袭厦门后， 位于行道树绿带中的树木损伤最严重， 原因之一是道路绿地普遍空间局促、 土质薄瘠、 树穴过小、 土壤量不足、 构型不完整、 树根数量偏少、长度不足、 分布面狭窄； 原因之二是部分城建工程对树木生长造成不利影响， 特别是涉及地面开挖工程极易造成土壤松动和根系损伤[30]。

1.3.2 树木的养护与修剪

及时修剪与合理养护， 对在台风下园林树木抗风能力的影响不可小觑。 台风 “韦森特” 过境深圳后， 修剪与否的紫檀 (Pterocarpus indicus)受灾情况对比明显， 经过剪枝整形的没有受到风害， 抗风性能良好， 而没有经过剪枝整形的大多数都发生风折、 风倒现象； 尽管异叶南洋杉(Araucaria heterophylla) 具备很强的抗风能力， 但在台风作用下， 仍有大量未经修剪的植株发生倒伏情况[9]。 对火炉山公园中移栽龄不同的树木在台风 “山竹” 过境后的受损情况调查还发现， 树木受损率与移栽龄相关， 其受损率随移栽龄的增长而明显降低[31]。 此外， 抗风性较差的树种在修剪后也能在一定程度提升抗风能力， 例如大花紫薇的根系浅， 抗风性差， 本不宜选为行道树， 但在台风 “莫兰蒂” 登陆厦门市前因进行了疏枝，有效提升了抗风能力， 结果出现了风害受损较轻的情况[32]。 以上现象充分证明修剪管理是提高树木抗风性能的必要措施之一， 但如果错误修剪、树干具有机械性损伤， 以及树木病虫害危害等不当养护则会导致行道树在台风灾害下承受更多伤害。

2 树种抗风性评价体系

近20 年来， 园林树种抗风性评价体系可分为两类。 一类是基于台风或大风极端天气后的调研结果， 以园林树木受损率为依据确定树种的抗风性排序[5，9，33-34]。 另一类是筛选影响树木抗风性的相关因子作为评价指标， 构建绿化树种的评价模型， 并据此进行抗风性综合评估与分级。 评价指标主要为树木高度、 形态、 冠高比、 胸径、 冠幅、冠层密度、 叶层和根系状况、 抗弯强度和挠曲变形量等形态因子[5，35-36]。 而关于树木抗风性研究的评价方法也正在逐渐成熟， 如将实际风害灾后的树木受损情况与理论树木抗风性评价模型相互结合并比对修正， 提高了抗风性评价的充分性、有效性及准确性。

台风是一种极为偶然的天气， 这可能是造成某些基于风灾后树木受损率评价抗风性所得结论存在差异的原因。 单凭风灾后对园林树木损毁状况的调查结果， 并不能真实反映实际树木的抗风性， 甚至存在理论抗风性与实际受损率相矛盾的情况。 此外， 树种抗风能力的评价指标与评价模型之间的偏差也会造成评价结果的不一致。 国内目前对抗风树种的分级尚无标准，不同分级评判方法形成的结论偶有不同。 因此，本文对国内近20 年文献中抗风性排序及评价方法进行综合整理 (表2)。 结果表明， 我国沿海地区抗风性较强的树种有乌桕 (Sapium sebifera)、 喜树 (Camptotheca acuminata)、 重阳木 (Bischofia polycarpa)、 柳 杉 (Cryptomeria japonicavar.sinensis)、 蚊 母 树 (Distylium racemosum)、 枫香 (Liquidambar formosana)、 杜仲 (Eucommia ulmoides)、 广 玉 兰 (Magnolia grandiflora)、 香樟 (Cinnamomum camphora)、 朴树 (Celtis sinensis) 和 中 山 杉 (Taxodium‘Zhongshansha’ ) 等。

表2 行道树树种抗风性评价体系演化 (1999—2021 年)

3 展望

3.1 加强抗风树种选择， 注重树木养护管理

不同树种在风灾中受损情况存在较大差异，因此树种的选择至关重要。 增加根际栽植空间，更新优质栽培土壤， 进行合理的抗风支撑、 科学的冠型修剪、 及时的病虫害防治和株行距的疏密布局是提升特定树种抗风能力的必备措施。

3.2 完善树种抗风性评价， 建立综合评价体系

由于影响树木抗风性的因素较多， 研究选择的评价指标多元， 树种抗风特征因地制宜， 其评价结果往往存在差异， 甚至相互矛盾。 又因风害具有不可重复性， 通过风灾后的树木受损率评价树种抗风能力也具有或然性、 主观性与模糊性。现阶段应根据沿海地区不同的立地条件选择行道树种， 综合单体树木的地上部分——树冠抗风形态指标、 树干抗风应力荷载和木材材料性质指标，以及地下部分——根部构型和根土板物理特性指标， 构建多因子选择指标体系， 探索出适应沿海地区抗风性行道树种的选择机制。

3.3 引入以行道树为对象的风环境研究， 完善非常态城市风环境的评估

从致灾因子层面出发， 防风减灾的重要方面在于对台风的风险分析[47-48]， 进而在规划设计阶段优化整体绿地结构和种植模式， 提高应对自然灾害的能力。 因此需要进一步聚焦风环境研究，为城市应对极端气候提供依据。 现阶段针对台风风场的模拟， 在风景园林领域以园林树木为研究对象针对非常态风环境的评估相对匮乏， 只有少数研究借助计算流体力学软件对树木风损原因进行探究。 未来应尝试针对行道树的生存安全， 从模拟条件设计、 模拟结果输出到风环境评价指标设计， 搭建行道树种的非常态风环境评价方法，以便寻求生态安全和绿化健康的科学路径。