华南地区城市常见园林树木风灾受损等级及抗风能力研究

董 毅，黄义钧，何国强，刘永金，谭广文

（1.华润（深圳）有限公司，广东 深圳 518010；2.深圳市仙湖植物园，广东 深圳 518004；3.广州普邦园林股份有限公司，广东 广州 510600；4.深圳市梧桐山风景区管理处，广东 深圳 518004）

【研究意义】台风发生于西太平洋洋面，每年夏秋季节频繁影响中国、日本、越南、菲律宾等沿海地区。近30年来全球气候变化加剧，各种极端气象灾害频发，影响我国东南沿海地区的台风有显著加强和增多的趋势。台风具有发生频率高、突发性强，影响范围广、成灾强度大等特点，在登陆过程中，除了严重干扰人们正常生产、生活，还对城市基础设施尤其是绿地系统造成极大破坏。随着我国园林事业蓬勃发展，近年来沿海城市园林绿化树种的景观应用方式日渐丰富，在台风侵袭时受害情况尤为明显。因此，园林树木风灾与抗风性的问题受到沿海城市管理者及专业人士的持续关注。【前人研究进展】20世纪90年代末开始，诸多学者从物理学、数学的角度对树木抗风性能进行研究。郑兴峰等［1］分析了经济树种不同抗风品系间主干与枝条木材纤维结构间关系；陶嗣巍［2］研究了树木在强风作用下达到折干、弯区的最大运动极限；邵卓平等［3］研究了活立木在风荷载作用下达到变形时的最大弯区和扭转应力等；吴显坤［4］以逐步回归法和强制回归法构建树种抗风能力评估模型；吴志华等［5］在绿化树种的抗风评价及分级选择中采用综合评价法及灰色度关联法构建评价模型；张华林［6］采用层次分析法研究了不同树种及林组的生长量、形态指标及材质性状对其抗风性能的影响等。【本研究切入点】目前关于树木台风风灾研究多围绕某一区域风灾结果统计及风灾的发生机理，而对影响树木风灾受损的主要因子和抗风性能关系的硏究不多，对树木抗风性能强弱的硏究多为经验型的模糊表达，华南地区对树木风灾等级的划分标准也不一致，甚至同一城市不同区城的园林部门也不统一，评估口径的差异造成不同城市园林部门对树木风灾情况难以进行横向比较。【拟解决的关键问题】从树木本身受损情况、对景观的影响及灾后恢复的难易程度对树木风灾等级进行划分，在探讨园林树木风灾受损等级标准的基础上，采用量化数据对影响园林树木倒伏、折干、折枝的相关因子进行分析，以期为沿海地区园林绿化树种选择及防风减灾工作提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018年9月16日，14级超强台风“山竹”自东向西横扫珠三角沿海地带。调研工作于2018年9月17日开始，范围涵盖深圳全市10个行政区。各区内选取代表性道路3～4条［道路包括横向（东西走向）及纵向（南北走向）］、公园1～2个进行树木风灾受损情况调查，同时每个样本重复调查3次。采用随机区域调查法，道路是沿主要道路的上下行方向依次进行，公园从不同入口开始随机选3个区域，各区域样方面积为50 m×50 m。

乔木类选择标准：生长5年以上、（胸径φ）＞10 cm，灌木：（株高H）＞1 m、园林中被广泛应用的树种。风灾状况方面，调查折干率、倒伏率、倾斜率、折枝率。

1.2 试验方法

1.2.1 抗风因子测定 风灾过后园林树木表现出不同程度的风灾状况。基于我们近30年对树木风灾的研究结果［1,6-9］及对树木自身因素分析，筛选出与抗折干能力密切相关的因子为树干与材质、抗弯强度、冠高比、冠层密度；与抗倒伏能力密切相关的因子为抗弯强度、根系状况、冠层密度、冠高比，但城市绿化的园林树木大多是移植苗，根系状况受人为因素影响较大；与抗折枝能力密切相关的因子是最大静荷载、挠曲变形量、树干与材质。

1.2.2 枝条柔韧度测定 枝条柔韧度主要测定枝条最大静荷载、挠曲变形量，数据由深圳市计量质量检测研究院检测提供。

测试样品为新鲜枝条，基本通直，无分枝，无明显伤口及病虫害，枝条长度≥500 mm、中部直径约20 mm，两端口整齐，无撕裂。测试参数：测试样品中部同规格直径的最大静曲载荷时的挠曲变形量和力值。试验时室内温度26℃，湿度70%～80%。每树种为1组，每组重复6根。测试仪器及标准要求：样品外径测量采用分度值为0.01 mm的游标卡尺；挠曲变形量采用材料试验机的横梁位移作为测量，精确到0.1 mm；最大静荷载采用两点支撑并在中央加荷的三点弯曲方法进行测试，采用精度为1级的材料试验机，以10 mm/min速度进行恒速加载，记录最大载荷，精确至1 N。

树木冠层密度的测定与计算方法参考张东颖等［10-16］。抗弯强度数据来源于成俊卿等［17］。树干与材质是树干纤维密度的指标，主要由气干密度（g/cm3）决定，数据来源于吴显坤［4］、张华林等［6,17-19］。根系状况、冠高比数据来源于祖若川等［7,20］。

1.3 数据标准化与评分

各形态因子用字母缩写代替，对应如下：树干与材质XSC、抗弯强度XKQ、冠层密度XGM、冠高比XGG、根系状况XGZ、挠曲变形量XNB、最大静荷载XZJ。

1.3.1 抗风因子的评定 采用三分制评分法［6-7,10］计算各树种对应因子的理论得分。其中，3分为抗风性强，2分为抗风性一般，1分为抗风性弱。

1.3.2 数据的标准化 （1）抗风因子分值。根据评分法分别计算树种抗性能力分值，每个因子最高评3分，i=1～50，共计50种树木。

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）树种抗性能力重要性指数S（i），即重要值百分数。抗折枝能力、抗折干能力、抗倒伏能力对应的重要性指数分别为 SZ（i）、SG（i）、SF（i）。

2 结果与分析

2.1 园林树木风灾等级与抗风因子

2.1.1 树木风灾等级 国内对园林树木风灾及抗风性的研究最早为杨康民等［21］的目测及对比分析法，经观测将树木风灾等级分为4类。郭祁源等［19］将经济林幼苗抗风性为划分5类。祖若川［7］将树木抗风性分成3类。张华林［6］将树木抗风性等级增加至4类。朱伟华等［22］在树木风灾分级中，结合护树设施受损状况将树木风灾等级分为5类。

结合以往学者对园林树木风灾受损等级评估，本研究从树木本身受损情况及灾后恢复的难易程度，将园林树木做以下5个等级划分：1级，主干折断，已失去园林功能及价值（棕榈科植物以心叶生长点或主干折断为标准）；2级，倒伏连根拔起，扶正种植存在成活机会；3级，树木倾斜，需要扶正种植，绝大多数能存活；4级，一级分枝或主分枝折损，能恢复生长，但景观受影响（棕榈科植物以叶稍折损等同主枝折损）；5级，其他分枝折断或主干树皮损伤，对景观影响较小（棕榈科植物以叶裂片折损等同分枝折损）。

2.1.2 抗风能力主要因子及评分标准 园林树木位居绿化景观的中上层空间，易受台风危害，决定树木抗风的主要因素包括气象与地理、城市建设及绿地规划、建设监管、日常养护等，还与树木自身因素紧密相关。通过分析学者们多年的研究成果［4,6,10,13,16］，筛选出与风灾关联度较高的7个形态因子，包括树干与材质、抗弯强度、冠层密度、根系类状况、冠高比及最大静荷载和挠曲变形量。通过实测及文献收集整理50种常见园林树木7个因子的研究数据见表1。

各因子的评分标准见表2，其中挠曲变形量为木材在施加荷载后所表现出的弯曲程度，是木材流变性质的直接反映［4,6,8,11,14］。木材受外力作用时，其弹性模量与木材密度呈正相关。最大静荷载为树木枝干在稳定外力作用下，接近弯曲变形临界状态的极限应力。树木的风荷载与树木材质、韧度紧密相关。

2.2 园林树木形态因子与树木抗风能力

2.2.1 抗折枝能力 枝条是树体结构中相对细弱和最易受伤害的部位，强风吹拂下，树体最先受风灾的是枝、叶等器官。综合相关研究筛选出与枝条抗风性密切相关的形态因子为挠曲变形量、最大静荷载、树干与材质。计算可得50个树种抗折枝能力总得分，其中抗折枝能力总得分值相等的树种，以枝条最大静荷载量分值大小排序；枝条最大静荷载量分值相等的树种，参考枝条挠曲变形量分值大小排序（表3）。

表3中抗性优良的前15名树种，棕榈科植物有12种、占80%。排名前15的树种具有如下特征：（1）以棕榈科植物为主；（2）多为原生近海地区的树种或适合滨海绿化的树种，如椰子、银海枣、木麻黄等。后15名树种，大多原产于内陆静风的山区或平原，如火焰木、蓝花楹等，该类树种普遍冠大、枝脆，风灾程度最为严重。

表3 50种常见园林树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 主干是树体结构中最基础、最重要的结构单元，具有承接根与树冠结构平衡、稳定（树干弹性与坚固性）的重要作用。强风经过时，树木主干御风性能将影响整个树体结构的稳定与平衡。综合调查与文献研究［1,3,10,15］得出与主干抗风性密切相关的形态学因子4个：树干与材质、抗弯强度、冠层密度、冠高比。计算得出50个常见园林树种抗折干能力得分，其中对抗折干能力总得分值相等的树种，以抗弯强度分值大小排序；抗弯强度分值相等的树种，按冠层密度分值大小排序（表4）。

表4数据表明，抗折干能力排名前15位的树种具有如下特征：（1）材质坚韧，如木麻黄、龙眼、荔枝等；（2）干形挺直、分层明显，树冠受风面积小，如小叶榄仁、霸王棕等。

2.2.3 抗倒伏能力 根据台风“山竹”过境后的现场调查及综合以往关于树木风灾倒伏情况的研究［4,6,12,15］，我们认为冠高比、抗弯强度、根系状况、冠层密度4个形态因子与树木抗倒伏能力密切相关，通常城市中的绿化树木多为移植苗，定植后根系需重新萌发恢复生长。一般情况下，根系受市政设施及园林施工的影响，往往生长空间不足导致难以伸展，未能真实体现其对树木的支撑能力，因此对抗倒伏能力总得分值相等的树种，以冠高比分值大小排序；冠高比分值相等的树种，按冠层密度分值大小排序，得50个树种抗倒伏能力得分排序（表5）。

从表5可以看出，抗倒伏能力最强的前15名树种具有如下特征：（1）深根性树种或具有特化的板根或支柱根，如木麻黄、黄葛树、小叶榕等；（2）树冠通透、透风效果好或枝条柔软风阻小的树种，如小叶榄仁、木麻黄等。

2.2.4 综合抗风性能 综合50种常见园林树木抗折枝、抗折干、抗倒伏能力分值，计算出树木综合抗风能力分值及指数排序。抗风能力依大小划分Ⅰ～Ⅴ级，综合抗风能力指数排名前10位的评定抗风等级为Ⅰ级，排名11～20位的评定抗风等级为Ⅱ级，以此类推。从表6可以看出，垂叶榕、木棉、黄槿、黄槐等树种实际调查的风灾状况与理论评估出现差异，这种现象与市政环境因素或苗圃育苗与养护的人为干扰密切相关。

表4 50种常见园林树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种常见园林树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 讨论

3.1 树木风灾等级

目前各地园林部门甚至同一城市不同行政区域、机构针对树木风灾等级的划分缺乏统一标准，对抗风性的评价也缺乏量化表达。以往研究表明，树木风灾与多种形态因子相关，其中根系状况、树冠类型、材质与密度、抗弯强度等因子对树种抗风性起决定性作用［4-6,8,13,17］。我们认为从树木实际风灾受损程度及灾后景观恢复状况出发，应将树木风灾等级分为5类，有利于行业管理部门对风灾损失进行统一评估，也便于城市绿地规划中更加精细、有效开展树种选择、规划和配置。

3.2 树木抗风能力

在抗折枝能力方面，14种棕榈类植物有11种排序靠前，说明棕榈类植物干形通直、叶片软而稀疏、风阻小，与吴志华［5］研究结果相一致；36种阔叶树种中有9种同时出现在抗折干、抗倒伏能力排序前15名，说明具备材质坚韧、抗弯强度大、深根性、树冠通透、透风效果好或枝条柔软风阻小是抗折干、抗倒伏树种的重要特征。但在城市绿化中上述类型树种若树穴过小，绿化土层薄而根系难以伸展或市政施工损伤根系，也难免出现风灾较重现象；现代城市绿化的园林树木大多是移植苗，经断根或营养钵培育后抗风性能大为减弱。

3.3 环境因子对树木风灾的影响

导致树木风灾的原因除树木自身因素外，还与树木所处外部环境（风向、土壤、地形条件、位置等）密切相关。就外因而言，针对同一树种的行道树来看，当台风登陆风向与道路呈较大锐角或直角时对行道树破坏力最大；若该地段土壤浅薄、树穴或绿带设计不合理，且市政施工损伤树木根系，则会增大风灾几率；当绿地周围为高层建筑群环绕或位于狭窄楼宇之间时，受到空间环境影响会产生狭管效应、涡流现象，进而改变风向、提升瞬时风速，树木受害情况将加剧；台风对同一路段不同结构的群落影响也不同，如结构层次丰富的群落分散了风压和风力作用，明显优于结构单纯的群落。

4 结论

本研究认为，树干与材质、抗弯强度、冠层密度、冠高比、根系状况、枝条挠曲变形量和最大静荷载决定树种抗风性能的强弱。棕榈类、乡土树种及根系发达或材质坚韧、树冠通透的种类抗风性能较强。合理选择、配置抗风树种可有效提升景观树木抗风性能，其中：综合抗风性评价为Ⅰ级的树种，抗风性能优异并能很好体现区域景观特色，宜作为基调树种在华南沿海城市景观绿化中广泛运用；抗折枝性能优良的树木枝条抗压、柔韧能力突出，适合作城市道路绿化、公园或住宅区绿化的重要树种；抗倒伏、抗折干的种类多为深根性或具有特化或发达地面根系的树种，适合布置于滨海绿地、路侧绿地等处作为骨干树种。

表6 50种常见园林树木综合抗风能力及风灾等级排序Table 6 Comprehensive wind resistance capacity and wind damage level of 50 common garden trees