台风对森林群落的影响与灾后生态修复——以澳门登山步行径为例*

钱万惠 赵 庆 陈星澄 张凌宇 章 驰

（广东省林业科学研究院/广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520）

2017年8月23日，台风“天鸽”在澳门特别行政区沿海地区正面登陆，横扫澳门全境，最高阵风风力达17级，由东南向西北移动，最高风速达到132.0 km/h（即36.67 m/s），为东东南风（ESE），8级以上风力持续4小时之久[1]。狂风暴雨给澳门造成严重灾害，尤其是郊野森林、城市公园和道路绿化的林木受损极为严重。据统计，澳门共有50多万株林木受损，森林受灾面积达500多hm2[2]。随后台风“帕卡”、“卡努”、超强台风“山竹”接踵袭来，加重了灾害损失，给受损森林灾后生态修复带来很大难度。

以往关于台风对森林群落的影响主要围绕三方面开展：一是台风风害受损评估，包括对树木受损的评估、对森林生态系统服务损失的评价等[3]。二是台风对森林群落中树木个体的影响研究，如台风对树木的机械作用机理[4-5]、树木抗风能力研究[6-8]，不同树种受损情况对比[9]。三是台风对森林群落结构的影响及评估[10-12]。四是在不同尺度下基于CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟风环境对森林、树木的影响[13-14]。然而，对台风灾害后城市森林群落受损进行评估并提出生态修复策略的研究不多。本文通过调查分析台风“天鸽”影响后，澳门登山径两侧森林群落受损特征，结合CFD模拟与预测，探讨不同区位的生态修复策略手段，以期为构建粤港澳大湾区沿海城市稳定的城市森林群落提供借鉴。

图1 台风“天鸽”移动路径及影响圈Fig.1 Typhoon Hato’s moving path and affecting area

1 材料与方法

1.1 研究区域

澳门特别行政区地处珠江三角洲出口，毗邻广东省，面积32.9 km²（2020年），由澳门半岛、路环岛和氹仔岛（合称“路氹”）组成。连片山体主要分布在路氹，为80年代营建，树种主要为马尾松Pinus massoniana、台湾相思Acacia confusa、木麻黄Casuarina equisetifolia、桉树Eucalyptus robusta等，森林群落结构单一，同时有退化迹象。澳门属南亚热带海洋性季风气候，夏季主要受来自海洋的热带天气系统影响，以吹西南风为主，气温较高，湿度大，降雨量充沛。冬季主要受中、高纬度大陆高压影响，多吹北风，天气较冷而且干燥，雨量较少。澳门年平均气温为22.6 ℃，年总降雨量平均超过2 000 mm。台风季节为每年5月至10月，其中7月至9月是台风吹袭最多的月份[15]。

1.2 研究样地和调查内容

为科学评估台风“天鸽”影响后，澳门登山步行径两侧森林群落的受损情况，为后续森林生态修复提供相关数据，综合考虑时间与经济成本，项目组于2018年1—2月，对12条宽度为3.0 ～ 3.5 m步行径两侧10 m范围的森林进行实地调查，长度共计31.96 km，主要树种有马尾松、台湾相思、木麻黄、桉树、鸭脚木Schefflera heptaphylla、白楸Mallotus paniculatus、山乌桕Triadica cochinchinensis、乌桕Triadica sebifera、阴香Cinnamomum burmannii、大叶相思Acacia auriculiformis、血桐Macaranga tanariusvar. tomentosa、木荷Schima superba、簕竹Bambusa blumeana、野漆Toxicodendron succedaneum等（表1）。

将步行径两侧即上坡位、下坡位的森林群落每10 m 设置为1个调查单元，并将相邻受损等级相同的调查单元进行合并，根据划定的受损等级，分类统计每条步行径两侧不同受损等级的长度及比例。

1.3 森林群落受损数据的统计

1.3.1 树木严重受损的判定 当树木同时出现以下2类情况时，将其划定为严重受损：树木吹倒翻兜，树木倒伏、斜倒45°以上，树木一级分枝折断或撕裂，断枝达半数以上，树冠叶全损或树冠破坏程度大于2/3。树木属于严重受损情况则判定为需要进行生态修复[16]。

1.3.2 森林群落受损等级划分 森林群落受损等级（DL）划分为5级，按照每调查单元内严重受损树木的数量比例R进行分级（表2）。

表2 森林群落受损等级的划分Table 2 Damage level of forest community

步行径内严重受损树木的数量比例R计算公式为：

式中：i指第i条步行径，i= 1，2，3……。

1.3.3 步行径森林群落受损长度比例 步行径森林群落受损长度比例DLP计算公式为：

式中：Li为第i条步行径的总长度；Liu、Lil分别为第i条步行径，受损等级为N级的上坡位、下坡位长度。

1.4 数据分析

研究借助Microsoft Excel 2019统计分析软件和风环境模拟软件Phoenics 2019等完成相关图表数据分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 步行径森林群落受损长度及等级差异分析

统计发现12条步行径森林群落受损长度比例、受损等级参差（图2）。各步行径受损长度比例由23.07% ～ 86.50%不等，受损长度比例排名前5的路径是东北步行径、九澳水库环湖径、黑沙水库家乐径、九澳高顶家乐径和路环健康径，受损长度比例分别为86.50%、67.56%、67.20%、62.01%、60.05%，均超过50%。而大潭山、小潭山步行径的受损长度比例率最低，分别为23.67%和23.07%，结合“天鸽”由东南至西北的移动轨迹进行分析，发现受损长度比例最高的5条步行径均位于路环，即台风26 ～ 30 km影响圈范围内；而受损长度比例率最低的2条步行径即大潭山、小潭山步行径均位于氹仔，即台风30 ～ 32 km影响圈范围内。相较路环的步行径，氹仔步行径受损长度比例的显著降低，该现象与台风登陆切断了海洋输送的水汽潜热能源、受陆面磨擦耗损，风力得到削减密切相关[17]。各步行径森林群落受损等级比例参差，DL值主要集中在I级、II级和IV级。

图2 路氹12条步行径森林群落受损等级特征Fig.2 Damage level distribution of forest communities of 12 walking trails in islands of Taipa and Coloane

2.2 步行径上坡位、下坡位森林群落受损长度及等级差异分析

对12条步行径两侧森林群落不同坡位受损长度比例、受损等级差异分析（图3），上坡位受损长度比例均高于下坡位受损长度比例。在上坡位中，8条步行径受损长度比例超过50%，且DL值主要集中在IV级，即需要生态修复的长度长、树木数量大，尤为突出的是其中5条步行径上坡位，包括东北步行径、九澳高顶家乐径，九澳水库环湖径、路环健康径、路环石面盆古道。相反，4条受损长度比例小于50%的步行径，DL值主要集中在I级、II级，即需要生态修复的长度短、树木数量少。在下坡位中，仅有东北步行径受损长度比例超过50%，其余11条步行径受损长度均比例小于50%，由7.27% ～ 46.89%不等，DL值主要集中在I级、II级，即需要生态修复的长度短、树木数量少。另外，黑沙水库健康径下坡位的森林群落几乎未受损伤，不需人工干预即可自然恢复。

图3 路氹12条步行径两侧森林群落受损等级特征Fig. 3 Damage level distribution of forest communities on both sides of 12 walking trails in islands of Taipa and Coloane

2.3 不同坡向受损等级差异分析

对12条步行径两侧森林群落不同坡向受损等级差异分析（图4），发现不同坡向受损长度比例参差，由39.47% ～ 70.99%不等。9个坡向类型中，4个坡向受损长度比例大于50%，由高至低为西南坡、无坡向、西北坡、西坡，受损长度比例分别为70.99%、69.76%、57.28%和55.37%。

图4 路氹12条步行径不同坡向森林群落受损等级特征Fig. 4 Damage level distribution of forest communities on different slope directions of 12 walking trails in islands of Taipa and Coloane

2.4 不同坡向上坡位、下坡位森林群落受损长度及等级差异分析

对不同坡向上坡位、下坡位受损长度比例、受损等级差异分析（图5），上坡位受损长度比例均高于下坡位受损长度比例。在上坡位中，所有步行径受损长度比例超过50%，且DL值主要集中在IV级，尤为突出的是西南坡上坡位，IV级受损长度比例就高达62.29%，即需要生态修复的长度长、树木数量大。在下坡位中，仅有西南坡、西坡受损长度比例超过50%，DL值主要集中在I级、II级，即需要生态修复的长度短、树木数量少。而无坡向的森林群落有32.68%的长度处于IV级受损，也需要进行人工干预。对于相同坡向，上坡位受损率均高于下坡位的受损率，可能与风的“爬坡效应”相关，推测是风经过下坡位森林群落的抬升，作用于上坡位的森林群落冠层而导致树木折断、倒伏，该现象有待进一步探究。

图5 路氹12条步行径不同坡向两侧森林群落受损等级特征Fig. 5 Damage level distribution of forest communities on both sides of 12 walking trails of different slope directions in islands of Taipa and Coloane

2.5 CFD模拟与验证

为厘清台风“天鸽”对各步行径两侧森林群落影响的差异，取“天鸽”的最高风速132 km/h（36.67 m/s）及其风向东东南风（ESE）进行风环境模拟（图6）。

图6 台风“天鸽”风环境模拟风速Fig. 6 Wind speed map of Typhoon Hato

50 m高度处，黑沙龙爪角家乐径南坡、黑沙水库健康径东坡均在风速50 m/s的范围内。随着高度上升，风速增大，100 m高度处炮台山西南坡面、路环中央东坡面、九澳山的风速均大于50 m/s，且范围有所增大。路环中央、九澳山之间的峡谷即九澳高顶马路，还因“狭管效应”风速骤然增强，风速高达63 m/s以上，加速比最大出现在山顶处，所以在此区域的东北步行径、九澳水库环湖径、黑沙水库家乐径、九澳高顶家乐径的森林群落受损严重[18]。说明地理位置、地形地貌是本次森林群落受损差异显著的主要因素。数据和模拟分析结果相吻合，证明风环境模拟具有较高的参考性，可以为未来城市森林群落的营建提供有效预测。

3 结论与建议

3.1 台风影响下，森林群落受损程度与地形地貌、立地条件、风的移动路径和强度密切相关[19]。地理位置、地形地貌是本次森林群落受损差异显著的主要因素，台风“天鸽”对由路环中央和九澳山形成的峡谷及周边环境影响最为严重，风环境模拟也表明这两处山顶风速更大，与Francis等人[20-21]的研究结果相似，在高海拔、迎风面和暴露于强风中的突起山脊处的树木损害较大。

相关研究发现坡向对森林群落的影响显著[22]。本研究中西南至西北坡、无坡向的森林群落受损严重，与Sawaid等人[23-24]以相似移动路径的台风“山竹”为例的研究结果相似，符合大湾区热带气旋活动特征。姚丹丹等[22]发现台风对不同坡位森林群落的影响不显著，与本研究中上坡位森林群落受损程度明显高于下坡位的现象存在差异，可能与步行径具有3.0 ～ 3.5 m宽度而产生“爬坡效应”相关，后续可建立小尺度风环境模型，结合立地条件、植物疏透度、冠幅树高等因子进行深入调查研究[25-26]。

Foster等[27]发现树龄较高、树体较大、生长较快、构成树冠最上层的先锋树种更容易遭受台风破坏，与本研究受损程度较高的森林群落包含速生树种、树龄较高的情况相吻合。韩维栋等[28]指出，长期的台风干扰可促进沿海防护林的演替，有利于林分中抗风性强的乡土树种生长，使得森林群落抗风性能不断增强。张琳婷等[29]提出沿海造林优化植物群落配置能显著提高物种多样性和群落稳定性，采用不同树种混交对增强群落抗风能力有利。3.2 基于上述结果，提出3种生态修复策略，分别为沿海防护型、生态型、景观型。沿海防护型修复适用于受风害威胁大，沿海第一重山迎风坡或海拔较高的区域。修复后的此类森林群落应对暴风雨有一定的抵御力，具有水土保持功能，修复时优先选择抗风性好、耐贫瘠的乡土树种。种植小径级、小冠层树苗，能有效减少风害威胁，提高树苗成活率。抚育时，通过增大树木胸径、降低树高等方式，维持苗木地上地下生物量动态平衡，也将有利于提升树木的抗风能力[30-31]。生态型修复适用于受风害威胁小，为自然风貌保持较好的连片森林。修复后的此类森林群落应发挥良好的生态功能，具备固碳释氧、水源涵养等功能，选择乡土速生先锋树种，并补充具备更好生态功能的慢生树种，构建多树种植物群落。景观型修复适用于受风害威胁小，与城市相邻、人员活动频繁的区域，此区域的森林群落应注重观赏效果，强调不同色彩植物的搭配，修复时侧重选择根系发达、树形优美、有季相变化的色叶树种或观花树种。