氣候變化背景下濱海地區(qū)園林樹種抗風(fēng)性研究進(jìn)展

張德順 劉鳴 姚馳遠(yuǎn) 陳陸琪瑤

中國濱海地區(qū)城市眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集，受西太平洋活躍的暖濕氣旋影響，臺風(fēng)災(zāi)害成為沿海地區(qū)的主要災(zāi)害之一。在過去30年里，臺風(fēng)和風(fēng)暴潮事件的發(fā)生頻率和成災(zāi)強(qiáng)度呈不斷上升的趨勢，其形成的鏈?zhǔn)綖?zāi)害（比如洪澇引發(fā)泥石流）影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一災(zāi)害的疊加，對濱海地區(qū)造成的破壞程度也愈發(fā)嚴(yán)重[1-2]。海水表面溫度的升高可能導(dǎo)致未來西北太平洋沿岸出現(xiàn)更多強(qiáng)臺風(fēng)[3]，預(yù)計到2050年，每年登陸中國濱海地區(qū)的臺風(fēng)頻次會比2000年增多1～2個，引發(fā)的風(fēng)暴潮頻次也會增多0.6～1.5個[4]。2010年以來，臺風(fēng)移動路徑發(fā)生了新的變化：受大尺度環(huán)流的影響，中國副熱帶高壓持續(xù)偏北，臺風(fēng)移動路徑也相對北上，頻繁登陸沿海地區(qū)。2018年7月下旬到8月中旬，臺風(fēng)“安比”“云雀”“摩羯”和“溫比亞”接連襲擊華東濱海地區(qū)，隨后，臺風(fēng)“蘇力”“西馬侖”和“飛燕”等相繼而來；2019年熱帶氣旋“利奇馬”“玲玲”“塔巴”“米娜”接踵而至，嚴(yán)重危害沿海城市的園林樹木。以2018年第22號臺風(fēng)“山竹”為例，據(jù)統(tǒng)計廣州全市共倒伏樹木9 000多株，倒伏樹木阻擋道路、壓毀車輛、破壞市政設(shè)施。頻發(fā)的風(fēng)害不僅給城市居民的生命財產(chǎn)帶來巨大威脅，也增加了園林維護(hù)成本，增大了樹木次生病蟲害的風(fēng)險，威脅到城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的穩(wěn)定發(fā)揮。

濱海地區(qū)的園林樹木必須具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性，才能防控臺風(fēng)對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)與植物群落結(jié)構(gòu)、功能的負(fù)面影響，避免或者減少風(fēng)害及其次生災(zāi)害；但受限于眾多不利條件，濱海地區(qū)抗風(fēng)園林樹種的研究一直未得到應(yīng)有的重視：一方面，濱海地區(qū)鹽漬化土壤和海潮鹽霧等特殊生境條件限制了園林樹種的選擇及應(yīng)用范圍；另一方面，雖然城市粗糙的表面可以降低風(fēng)速，但高大的建筑物也會產(chǎn)生瞬時風(fēng)洞效應(yīng)（wind tunnel effects）或狹管效應(yīng)（funnelling effects），潛在的局地強(qiáng)風(fēng)會對樹木構(gòu)成嚴(yán)重的風(fēng)害威脅[5-6]。全球范圍內(nèi)對樹木風(fēng)害的研究主要集中于歐洲北部、北美東南部和西太平洋地區(qū)。北歐大西洋的強(qiáng)風(fēng)暴、北美東南部海域的颶風(fēng)及西太平洋的臺風(fēng)均對當(dāng)?shù)貓@林樹木造成了大規(guī)模破壞[7-10]。國內(nèi)外關(guān)于樹木風(fēng)害的研究一般從樹冠、樹干和樹根3個方面展開（圖1），而濱海地區(qū)抗風(fēng)園林樹種研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢可以分為災(zāi)后實(shí)地調(diào)查、樹木形態(tài)特征、樹干性質(zhì)和根系結(jié)構(gòu)研究4個方面。

1 抗風(fēng)性樹種研究方向示意圖Schematic diagram of the research direction of windresistant tree species

1 基于災(zāi)后實(shí)地調(diào)查的抗風(fēng)性研究

臺風(fēng)會對園林樹木造成最直接、巨大的危害，通常會導(dǎo)致樹木發(fā)生落葉、斷枝、折干、倒伏、拔根等機(jī)械性損傷[11-12]。臺風(fēng)風(fēng)速越大，樹木受損害的程度就越高：風(fēng)速為50 km/h 時，樹木一般不會受到損害；風(fēng)速達(dá)到125 km/h 時，約80%的樹木會受損；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過200 km/h 時，將會有90%以上的樹木遭受嚴(yán)重?fù)p害[9]。

不同樹種遭受風(fēng)災(zāi)時的損傷程度具有顯著差異，美國紐約西部阿迪朗達(dá)克山地區(qū)經(jīng)常受到雷暴風(fēng)、颶風(fēng)、溫帶氣旋和龍卷風(fēng)的侵襲，從當(dāng)?shù)貧v年受災(zāi)報告可知，黑櫻桃（Prunus serotina）和紅果云杉（Picea rubens）幾乎在所有風(fēng)暴中都受到了破壞，而黃樺（Betula alleghaniensis）和糖槭（Acer saccharum）則是部分受到風(fēng)害，并且黃樺、紅果云杉和大葉水青岡（Fagus grandifolia）在老齡林分中比次生林中具有明顯的低受害率[8]。

近20年來，中國濱海地區(qū)持續(xù)進(jìn)行著臺風(fēng)侵襲后的園林樹木災(zāi)后調(diào)查，例如，湛江臺風(fēng)“莎莉”（1996年）、汕頭臺風(fēng)“杜鵑”（2003年）、廈門臺風(fēng)“莫蘭蒂”（2016年）、珠海臺風(fēng)“天鴿”“帕卡”（2017年）等侵襲后，相關(guān)研究人員對當(dāng)?shù)貓@林樹種進(jìn)行調(diào)查分析后，提出了濱海地區(qū)主要樹種的抗風(fēng)災(zāi)分級體系：以椰子（Cocos nucifera）、大王椰子（Roystonea regia）、江邊針葵（Phoenix roebelenii）、銀海棗（P. sylvestris）、油棕（Elaeis guineensis）、蒲 葵（Livistona chinensis）、假 檳榔（Archontophoenix alexandrae）為代表的強(qiáng)抗風(fēng)樹種；以石栗（Aleurites moluccana）、木麻黃（Casuarina equisetifolia）、錫蘭橄欖（Elaeocarpus serratus）、海 南 紅 豆（Ormosia pinnata）、紅豆 樹（O. hosiei）、人 面 子（Dracontomelon duperreanum）、麻 楝（Chukrasia tabularis）、長芒 杜 英（Elaeocarpus apiculatus）、小 葉 欖 仁（Terminalia neotaliala）、鐵力木（Mesua ferrea）等為代表的中等抗風(fēng)樹種；及以洋紫荊（Bauhinia variegata）、鳳 凰 木（Delonix regia）、木棉（Bombax ceiba）、高山榕（Ficus altissima）、榕 樹（F. microcarpa）、藍(lán) 花 楹（Jacaranda mimosifolia）等為代表的弱抗風(fēng)性樹種[13-17]。

1999年，臺風(fēng)“丹恩”侵襲廈門，城區(qū)行道樹受損率為75%，其中倒伏者占45%，折枝者占30%。風(fēng)倒率最大的是桃花心木（Swietenia mahagoni）、海 南 蒲 桃（Syzygium hainanense）、菩提樹（Ficus religiosa）、洋紫荊、杧果（Mangifera indica）和澳洲堅(jiān)果（Macadamia ternifolia）等[18]；大王椰子、皇后葵（Syagrus romanzoffiana）的風(fēng)倒率僅為3%和5%；而海棗（Phoenix dactylifera）、蒲葵無倒伏現(xiàn)象，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗風(fēng)性[14]。2012年，臺風(fēng)“布拉萬”侵襲沈陽市，銀白楊（Populus alba）、旱柳（Salix matsudana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、國槐（Sophora japonica）、京桃（Prunus persicaf.rubro-plena）和白榆（Ulmus pulila）等行道樹發(fā)生倒伏；其中，楊樹（Populusspp.）受損最嚴(yán)重，其次為柳樹（Salixspp.）、刺槐和國槐[19]。湛江市常見82種園林樹種的抗風(fēng)性評價結(jié)果顯示，棕櫚科植物的抗風(fēng)性最強(qiáng)，如椰子、大王椰子、假檳榔、棕櫚（Trachycarpus fortunei）等樹種，夾竹桃（Nerium indicum）、尖葉木樨欖（Olea ferruginea）、烏 墨（Syzygium cumini）等具有較強(qiáng)抗風(fēng)性，而石栗、藍(lán)花楹、相思樹（Acacia confusa）等樹種抗風(fēng)性較差[12]。然而，即使是抗風(fēng)性較強(qiáng)的棕櫚科植物，種間的抗風(fēng)性差異也較大，抗風(fēng)性強(qiáng)弱與樹種、樹高、胸徑、冠幅均具有密切關(guān)系[20]，常見園林喬木抗風(fēng)性能關(guān)聯(lián)度大小依次為：胸徑＞樹高＞冠幅＞枝下高[21]。

近年來，在單一樹種不同品種（系）的抗風(fēng)性方面研究也在日益深入。如吳春太等對臺風(fēng)“達(dá)維”“納沙”影響下的海南省橡膠樹進(jìn)行災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，品種（系）的抗風(fēng)害能力主要受木材密度、樹高、分枝習(xí)性、樹冠形狀、根系深度、葉面積指數(shù)、葉片厚度等性狀影響[22]。2015年，強(qiáng)臺風(fēng)“彩虹”災(zāi)后，梁坤南等對40個月生的赤桉（Eucalyptus camaldulensis）進(jìn)行生長性狀測定和遺傳分析后得出，種源間、家系間、區(qū)組間的差異及種源與區(qū)組、家系與區(qū)組的交互作用極其顯著[23]，樹高、胸徑、冠幅、單株材積、Pilodyn值和風(fēng)害等級均受遺傳控制[24]。

災(zāi)后實(shí)地調(diào)查是抗風(fēng)性園林樹種選擇的基礎(chǔ)工作，可以根據(jù)園林樹種風(fēng)害分級標(biāo)準(zhǔn)，按主干傾斜、折干（枝）、倒伏（拔根）等各類型對常見園林樹種進(jìn)行抗風(fēng)性評價。而樹冠形態(tài)抗風(fēng)性分析可以主要考慮整體形態(tài)、生活型以及樹高、胸徑、冠幅、冠形、樹冠比、樹冠指數(shù)、冠部豐滿度、冠部投射比、樹冠疏透度等功能性狀指標(biāo)，結(jié)合逐步多元回歸分析，確定樹木穩(wěn)定性的指數(shù)函數(shù)。

2 基于樹木形態(tài)特征的抗風(fēng)性研究

樹木形態(tài)特征與抗風(fēng)穩(wěn)定性密切關(guān)聯(lián)，常年風(fēng)向與風(fēng)力是決定樹木抗風(fēng)性表型外觀的重要因素之一，即通過影響樹木的生長，間接影響樹木空間的結(jié)構(gòu)和根、莖、冠形態(tài)的發(fā)育。衡量樹種抗風(fēng)性強(qiáng)弱，需要綜合考慮樹種特性、樹冠形狀和大小、分枝性狀、樹冠疏透度、莖干材性、樹木總?cè)~量、葉片特性，甚至栽培措施等[25]。

樹木形態(tài)抗風(fēng)穩(wěn)定性可通過穩(wěn)定性指數(shù)（stability index）計算和評價[26-30]。長期適應(yīng)強(qiáng)風(fēng)侵襲的樹種，其伸長生長量相對減少，樹干和樹枝的徑向生長量增加，樹木通過減少機(jī)械應(yīng)力和力矩來適應(yīng)強(qiáng)風(fēng)條件，逐漸形成高錐度的塔形形態(tài)[31]。臺風(fēng)災(zāi)后的實(shí)地調(diào)查也驗(yàn)證了塔形樹木具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性，例如，對于樹冠結(jié)構(gòu)有差異的泡桐（Paulownia fortunei）來說，窄冠細(xì)枝塔形的泡桐會具更強(qiáng)的抗風(fēng)性[32]。樹冠過于濃密、透風(fēng)性差、風(fēng)阻大的主干形、圓柱形、紡錘形等的樹木抗風(fēng)能力最弱，而杯狀、傘形、叢狀形、開心形的樹木可降低正面風(fēng)壓，增強(qiáng)抗風(fēng)性。因此，合理的樹木干形比對抗風(fēng)性樹木的選擇至關(guān)重要[33]。干形比的降低是樹木長期受風(fēng)環(huán)境下為增強(qiáng)自身穩(wěn)定性的一個適應(yīng)性進(jìn)化策略，而高干形比則增加了樹木倒伏的風(fēng)險[34-35]。

對樹木形態(tài)特征進(jìn)行分類后能更好地研究各種樹形在受風(fēng)時的動態(tài)反應(yīng)[36]。例如肖潔舒等對廣州行道樹受風(fēng)害后的調(diào)查顯示，受害樹木大多是總?cè)~量大、葉面積指數(shù)高、冠大蔭濃的樹種，且與樹木的高度、胸徑及冠幅有關(guān)，并且淺根系、木材強(qiáng)度低的樹木更容易受害；高聳和分叉的樹比敦壯的樹更具有搖晃的危險；隨著樹木高度、細(xì)長指數(shù)、冠長率、冠滿率、展開度、冠長、總樹高、冠圓度和冠不對稱度的增加，樹木穩(wěn)定性降低[37]。

此外，通過修枝整形使樹冠疏朗、均衡、通透，可提高樹種抗風(fēng)能力。廣州蓮花山公園修剪過的印度紫檀（Pterocarpus santalinus）在臺風(fēng)中抗風(fēng)表現(xiàn)較好，未經(jīng)修剪的幾乎全部倒伏；即使是抗風(fēng)性較強(qiáng)的異葉南洋杉（Araucaria heterophylla），未經(jīng)修剪的植株仍大量倒伏[37]。

3 基于樹干抗風(fēng)荷載應(yīng)力與樹干性質(zhì)的抗風(fēng)性研究

3.1 樹干抗風(fēng)荷載應(yīng)力評價

在陸地環(huán)境中，風(fēng)力是樹木最普遍和最重要的荷載應(yīng)力[5]。靜態(tài)荷載條件下的樹木抗風(fēng)穩(wěn)定性研究是假設(shè)樹木在持續(xù)的大風(fēng)荷載下，樹干與樹木的根土系統(tǒng)相互抗衡，進(jìn)而發(fā)生樹干彎曲現(xiàn)象，直至到達(dá)極限產(chǎn)生風(fēng)折和風(fēng)倒現(xiàn)象[38]。引起風(fēng)折或風(fēng)倒的主要因素有風(fēng)力大小、樹木生物力學(xué)特性、根系與土壤的相互作用力等。其中，樹木生物力學(xué)特性與樹齡、樹干強(qiáng)度、樹干和樹冠的外形尺寸及樹木健康狀況有關(guān)；根系與土壤間的相互作用力則受土壤物理性質(zhì)、剪切強(qiáng)度、含水量、樹木根系深度等因素的影響。研究樹干抗風(fēng)荷載應(yīng)力的常用方法包括樹木抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和虛擬建模等。

3.1.1 抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn)

樹木抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注樹木發(fā)生風(fēng)折和風(fēng)倒的臨界風(fēng)速[39-45]，以及立地土壤剪切強(qiáng)度與樹干力矩之間的關(guān)系。在力學(xué)簡化模型上，可視樹木為單懸臂梁板，根部為支座。臨界風(fēng)速與樹木的生物學(xué)特性（樹種、樹木高度、樹冠高度和幅度、胸徑、干形通直度、長細(xì)比、葉層狀況等）、風(fēng)荷載大小（陣風(fēng)系數(shù)、阻力系數(shù)和樹冠流線）及立地土壤物理性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)受風(fēng)載或風(fēng)壓的作用達(dá)到極限時，即橫向荷載力大于樹木抗傾覆力時，樹干負(fù)荷極限強(qiáng)度由樹冠風(fēng)載產(chǎn)生的風(fēng)壓力矩和根系的附著力矩決定。風(fēng)壓力矩與風(fēng)速或風(fēng)壓大小、作用方向、作用時間、作用頻率以及受力樹冠大小、形狀、結(jié)構(gòu)、樹高、葉層密切相關(guān)。根系附著力矩則受土壤類型、土層、含水量及樹木的根系特征影響[46]。樹木最大阻力彎矩是樹干質(zhì)量、樹高、胸徑、材積、根深、根幅、土壤類型的復(fù)合函數(shù)。Tanaka等利用樹木抗風(fēng)牽引實(shí)驗(yàn)，模擬垂柳（Salix babylonica）和日本核桃（Juglans ailanthifolia）受災(zāi)時的受力荷載狀況發(fā)現(xiàn)，根系結(jié)構(gòu)、樹形特征和土壤抗剪強(qiáng)度三者相關(guān)性較強(qiáng)，垂柳具有心狀根系，根錨固力強(qiáng)，抗傾覆力矩較大；而日本核桃具有板狀根系統(tǒng)，傾覆力矩較小，易倒伏[47]。

但實(shí)際情況更為復(fù)雜，因風(fēng)力瞬時值和風(fēng)向多處于變化之中，作用于樹木的不僅有彎應(yīng)力、剪應(yīng)力、拉應(yīng)力，還有扭應(yīng)力[48]。樹木實(shí)際遭受風(fēng)害時，可承受的最大風(fēng)速小于牽引實(shí)驗(yàn)理想值[49-50]，從靜力學(xué)和動力學(xué)的角度來說，樹木是具有不同結(jié)構(gòu)的可變個體，受到動力擾動時樹木各個部位產(chǎn)生復(fù)雜聯(lián)動，對其荷載產(chǎn)生正負(fù)向影響，因阻尼振蕩生成的實(shí)際荷載比由靜態(tài)拉伸試驗(yàn)估算的有一定偏差[51-54]。此外，臺風(fēng)登陸時往往伴隨著長時間降水，土壤含水量增大，使得樹木根部土壤軟化、根系固著力降低，加大了倒伏的風(fēng)險。土壤干燥時，樹木受害情況和樹高、胸徑及干形比關(guān)系不大；土壤濕潤時，發(fā)生風(fēng)折的樹木明顯比風(fēng)倒或未受害樹木更高大且相對胸徑更大[55]。

3.1.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是研究樹木抗風(fēng)性的重要方法之一。樹木發(fā)生風(fēng)害時，在其自然搖擺頻率下會與湍流風(fēng)場發(fā)生強(qiáng)烈的共振[44]，而不同樹種具有不同的共振特性：棕櫚科植物只在固有頻率附近產(chǎn)生一個峰值；意大利柏（Cupressus sempervirens）的樹枝垂直于地面，和主干夾角較小，擺動方式更接近于單自由度系統(tǒng)，會出現(xiàn)兩次諧波振動；桉樹（Eucalyptusspp.）由于枝條的阻尼作用具有多個峰值[5]。中科院沙坡頭試驗(yàn)站利用野外風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分別對模擬的20世紀(jì)50和80年代的典型結(jié)皮、苔蘚、草本、半灌木和灌木植被群落進(jìn)行風(fēng)力吹擊實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，檸條（Caragana korshinskii）群落的抗風(fēng)穩(wěn)定性最高，能夠抵抗較大風(fēng)沙流的侵襲[56]。

3.1.3 虛擬建模

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和突破，樹木抗風(fēng)性模擬研究取得了較大進(jìn)展[57-59]。利用線性濾波法可以模擬實(shí)際狀態(tài)下的脈動風(fēng)模型，通過有限元軟件ANSYS中的參數(shù)化建模法編程可得到樹木模型。二者結(jié)合可模擬樹木受動力風(fēng)荷載作用的全過程，并計算樹木各個部位的應(yīng)力狀態(tài)和位移等參數(shù)。剪切破壞是引起樹木結(jié)構(gòu)損害的主要形式[57]，在木材的抗彎、抗壓、抗剪性能中，抗剪能力相對較差，樹木受到橫向風(fēng)作用力時，在樹干、樹枝連接處都會產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。樹干底部、枝干連接處的剪切應(yīng)力明顯大于周邊部位的應(yīng)力值。樹木分枝較長時，其內(nèi)部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較大，枝干的受彎破壞也加大。

英國林業(yè)委員會（British Forestry Commission, BFC）通過風(fēng)倒和風(fēng)折的靜態(tài)荷載力學(xué)穩(wěn)定性模擬實(shí)驗(yàn)，連續(xù)多年測試了近2 000棵樹的臨界風(fēng)速所需的最大阻力彎矩，建立了樹木牽引實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，用于預(yù)測樹木風(fēng)倒和風(fēng)折的極限值，并認(rèn)為樹木受風(fēng)害程度與阻力系數(shù)、木材性質(zhì)或樹冠結(jié)構(gòu)有關(guān)[58]。但是虛擬建模并不能完全解釋自然狀態(tài)下樹木受風(fēng)后的能量轉(zhuǎn)化過程[30]，可能存在因過于簡化樹木和風(fēng)之間的相互作用關(guān)系導(dǎo)致與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差的問題[59]。

3.2 樹干木材性質(zhì)和纖維結(jié)構(gòu)評價

木材的彈性、塑性、蠕變、強(qiáng)度、韌度、剛度等力學(xué)性質(zhì)是決定樹木抗風(fēng)能力的重要因素，樹木韌度和剛度是體現(xiàn)樹木抗風(fēng)性能的主要指標(biāo)[60]。吳志華等認(rèn)為木麻黃具有較大的材料密度和應(yīng)力波速，木質(zhì)堅(jiān)硬，抗彎彈性大，不易風(fēng)折；而相思樹則表現(xiàn)出較高的生長應(yīng)力，導(dǎo)致木材材性較脆，易發(fā)生開裂和變形，其抗風(fēng)折能力較弱[61]。

抗風(fēng)力強(qiáng)的樹種具有抗沖擊次數(shù)多、韌度大、纖維組織比率高、軸向薄壁組織含量低的特點(diǎn)。Asner等調(diào)查夏威夷受颶風(fēng)破壞的樹木發(fā)現(xiàn)，木材彈性和樹木受害類型及程度顯著相關(guān)，樹木剛度越小，其彈性越大[62]。在立地條件較好、地下部分穩(wěn)定時，韌度大的樹木發(fā)生折斷的可能性較小，而剛度大且木材強(qiáng)度小的樹木發(fā)生枝干折斷的可能性較大[6]。從赤桉不同品種的木材性質(zhì)上也發(fā)現(xiàn)，受風(fēng)害程度與材積關(guān)系較大，材積越大，越易遭受風(fēng)害[24]；木材基本密度，纖維長度、寬度，纖維長寬比等指標(biāo)，均與其抗風(fēng)性有聯(lián)系，其中，纖維寬度、樹高、木材密度、應(yīng)力波值等性狀具有高遺傳效應(yīng)，是桉樹抗風(fēng)性品種選擇的重要指標(biāo)[63-64]。

木材胞壁纖絲角，通常指木纖維（包括管胞、韌型纖維等廣義上的木纖維）次生壁中的大纖絲角，其大小在一定程度上影響木材力學(xué)性質(zhì)，是反映木材性質(zhì)的重要參數(shù)之一。鄭興峰等應(yīng)用X射線衍射的Cave法，對巴西橡膠（Hevea brasiliensis）的13個具不同抗風(fēng)力的品系主干和枝干木材纖維壁的（微）纖絲角測試分析表明，主干和枝干木材纖維壁纖絲角在抗風(fēng)強(qiáng)度不同的品系之間存在著明顯的差異[65]。

現(xiàn)有關(guān)于樹木木材物理力學(xué)數(shù)據(jù)資料中，62種針葉裸子植物和216種被子植物木材的密度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗剪強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗拉強(qiáng)渡、沖擊韌性、硬度、抗劈力等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)已較為完備[66-68]。其中，裸子植物有銀杏（Ginkgo biloba）、水杉（Metasequoia glyptostroboides）、黑松（Pinus thunbergii）、圓柏（Sabina chinensis）等；被子植物有臭椿（Ailanthus altissima）、香樟（Cinnamomum camphora）、皂 莢（Gleditsia sinensis）、黃 山 欒 樹（Koelreuteria paniculata‘Integrifoliola’）、苦楝（Melia azedarach）、桑（Morus alba）、毛泡桐（Paulownia tomentosa）、加楊（Populus×canadensis）、麻櫟（Quercus acutissima）、烏桕（Sapium sebiferum）和櫸樹（Zelkova serrata）等。

4 基于樹木根系結(jié)構(gòu)特征的抗風(fēng)性研究

根系是植物體長期適應(yīng)陸地生活形成的地下器官，主要作用是固定支撐和吸收營養(yǎng)。由于根系生長環(huán)境復(fù)雜、結(jié)構(gòu)難以觀察、定量分析手段局限，相關(guān)研究進(jìn)展一直較為緩慢。20世紀(jì)80年代開始，國際對植物根系的研究逐漸重視，研究人員主要通過直接或間接測量的方法獲得根形態(tài)的二維平面參數(shù)。到了20世紀(jì)90年代，人們試圖應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)理論將三維根構(gòu)型分解成二維根構(gòu)型，進(jìn)而通過測定相關(guān)的拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)對根構(gòu)型進(jìn)行定量描述，或者通過分形幾何方法估計植物根系的三維立體構(gòu)型。隨著現(xiàn)代測量和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及研究方法的突破，基于地下雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)、射線斷層掃描、核磁共振系統(tǒng)、掃描圖像分析、三維構(gòu)型模擬、微根管法等技術(shù)方法，根系研究已逐步成為國際前沿?zé)狳c(diǎn)[69-70]。從根系形態(tài)構(gòu)型的原位觀察測定和定量分析，到根系形成的發(fā)育生物學(xué)和分子生物學(xué)基礎(chǔ)方面，均開展了系統(tǒng)的研究[69,71]。

4.1 樹木根系形態(tài)特征研究

根系空間分布形態(tài)特征是根部系統(tǒng)多樣性中最顯著的特征。對樹木根系形態(tài)分類的方法很多，如：基于田間實(shí)測數(shù)據(jù)測量根系直徑與重量之比和密度來區(qū)分；基于生態(tài)學(xué)中“植物功能類型”（plant functional type）識別方法來分類[72]；基于系統(tǒng)發(fā)育類型（phylogenetic relation）的拓?fù)涮卣鲃澐植煌后w根系形態(tài)等。

主根、側(cè)根和須根的不同組合形成了樹木的不同空間構(gòu)型[40]，側(cè)根的生長對于整體樹木的抗風(fēng)性有著重要作用[73]。裸子植物樹干背風(fēng)向的根系明顯較多，樹木自身通過增加背風(fēng)向樹干及根系的重量來抵抗強(qiáng)風(fēng)，甚至通過移動根系支點(diǎn)使其力臂變大，從而提升抗風(fēng)能力[74]。深根性、根幅廣的樹種均表現(xiàn)出良好的抗風(fēng)性[37]。日本學(xué)者對457種木本植物的根系進(jìn)行系統(tǒng)研究后，揭示了每種樹木根系生長發(fā)育的相關(guān)因子，包括土壤性質(zhì)、生活型、樹木形態(tài)和根系結(jié)構(gòu)等[75]。根系深度和具有主根根系類型的樹木較有抗風(fēng)優(yōu)勢，如根系深度大于2 m的槲樹（Quercus dentata）、鐵堅(jiān)油杉（Keteleeria davidiana）、剛松（Pinus rigida）、木麻黃、黑松、日本冷杉（Abies firma）、美國黑核桃（Juglans nigra）和美洲黑櫟（Quercus velutina）等。根系支持力較大的則有吉爾瓦櫟（Q. gilva）、槲樹和麻櫟等。

4.2 樹木根系結(jié)構(gòu)與抗風(fēng)穩(wěn)定性研究

樹木根部錨固作用是保證樹體存活的基本功能。樹木的根系結(jié)構(gòu)和土壤的物理性質(zhì)（土壤容重、土壤比重、土壤孔隙率、土壤結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)地、土壤粘附力）共同決定了樹木整體的錨固能力以及抗風(fēng)性能的大小。

樹木根土板是包括樹木根系和周邊的土壤的復(fù)合性結(jié)構(gòu)，其錨固強(qiáng)度與樹木穩(wěn)定性關(guān)系緊密?？赏ㄟ^測定不同風(fēng)速下根－板傾角極限來確定不同樹種風(fēng)速－傾斜之間的差異性[76-77]。對于淺根性的北美云杉（Picea sitchensis）來說，迎風(fēng)側(cè)的根受風(fēng)時的錨固力是影響其抗風(fēng)性的最主要因素，其次是根土板的重量、土壤粘聚力和背風(fēng)側(cè)根的抗拉強(qiáng)度[40]。

根系結(jié)構(gòu)特征在樹木錨固作用中起主導(dǎo)作用[78]。根系的分布情況，如根系密度、側(cè)根分布寬度、輪數(shù)、主根大小和深度等都與樹體穩(wěn)定性直接相關(guān)，其中，根系密度則是樹木發(fā)生倒伏的最主要原因之一。張華林等對兩種一年生桉樹無性系根系開展調(diào)查研究，結(jié)果表明巨細(xì)桉（Eucalyptus grandis×E. tereticornis）根總數(shù)，以及根直徑在0～2 cm的根數(shù)顯著比尾巨桉（E. urophylla×E. grandisclone）多，但尾巨桉冠幅顯著比巨細(xì)桉大，故巨細(xì)桉樹干易斷，而尾巨桉易倒伏，在相同種植密度下，巨細(xì)桉比尾巨桉抗風(fēng)性更強(qiáng)[79]。

4.3 樹木根系結(jié)構(gòu)模擬與定量化研究

基于真實(shí)或模擬根系的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，利用有限元法（finite element method, FEM），可探知“根土系統(tǒng)”在樹干彎曲載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)。Dupuy等對影響拔根的根系幾何參數(shù)、拓?fù)鋮?shù)及基本參數(shù)的敏感性分析，在一定的土壤條件下，根系分枝參數(shù)和根系形態(tài)是決定單個根系抗拔的重要因素[80]。Yang等通過對砂質(zhì)土壤中19年生的海岸松（Pinus pinaster）的根系結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，根系結(jié)構(gòu)特征決定了樹木錨固作用，其中，直根深度、根系錐度區(qū)大小及迎風(fēng)淺根的基部直徑是決定錨固強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[78]。

為對不同土壤類型中的根系錨固力快速評估，Dupuy等[80]采用基于莫爾–庫侖塑性模型（Mohr-Coulomb plasticity model）模擬了不同物理性質(zhì)的土壤，同時構(gòu)建了心狀根系、主根根系、魚尾狀根系和板狀根系4種根系結(jié)構(gòu)的3D模式。結(jié)果顯示，砂質(zhì)性土壤中的生根深度是重要參數(shù)；心狀根系在黏土性土壤中的抗風(fēng)性較強(qiáng)，而主根根系在砂質(zhì)性土壤中的抗風(fēng)性較強(qiáng)；魚尾狀和板狀根系在黏土性土壤的抗風(fēng)性只有心狀根和主根根系結(jié)構(gòu)的一半左右，而在砂質(zhì)性土壤中抗風(fēng)性相對較高?？傊?，心狀根系和主根根系的抗倒伏性最強(qiáng)，即有許多分枝、斜根、水平根和側(cè)根的樹種具有強(qiáng)抗風(fēng)性。

5 結(jié)論和展望

各種園林植物正在遭受前所未有的環(huán)境脅迫，臺風(fēng)、颶風(fēng)、龍卷風(fēng)等風(fēng)害侵襲必須引起專業(yè)、學(xué)科、行業(yè)研究人員的高度重視。樹種抗風(fēng)能力由內(nèi)外多重因素綜合決定，須充分考慮在風(fēng)災(zāi)后樹木調(diào)查與評估、樹冠抗風(fēng)形態(tài)、抗風(fēng)穩(wěn)定性特征、樹干木材性質(zhì)與荷載應(yīng)力測試、樹根根系結(jié)構(gòu)特征與根土板抗風(fēng)性等多方面研究中的各項(xiàng)抗風(fēng)性指標(biāo)因子，來確定不同樹種的抗風(fēng)性能參數(shù)與風(fēng)害敏感性之間的因果關(guān)系，并基于此進(jìn)行抗風(fēng)性良好的園林樹種選擇工作。

為增強(qiáng)整個城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少臺風(fēng)災(zāi)害對濱海地區(qū)的破壞與影響，濱海地區(qū)園林樹種選擇和應(yīng)用建議從以下幾個方面著手：進(jìn)行災(zāi)后實(shí)地調(diào)查，綜合分析多個樹木抗風(fēng)性的影響因子，對常見園林樹種進(jìn)行抗風(fēng)性評價；選擇適合濱海地區(qū)的園林樹種，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，科學(xué)搭配樹種抗風(fēng)性群落。樹種選擇是風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計中的一個重要內(nèi)容，增加濱海防護(hù)綠地中具有較強(qiáng)抗風(fēng)特性的樹種比例是最大限度程度降低風(fēng)害的基本策略?；跇浞N抗風(fēng)性的群落搭配和種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是實(shí)踐過程中的重要一環(huán)，園林種植設(shè)計中的樹種搭配、株行距設(shè)置、組團(tuán)面積以及垂直結(jié)構(gòu)也與植物群落的防風(fēng)性能密切相關(guān)。對于存在景觀需求的區(qū)域，必須注重喬、灌、草植物配置的多元性和季相的時空組合變化的藝術(shù)性；對于以防護(hù)為主的綠化區(qū)域，增加抗風(fēng)性強(qiáng)的樹種比例是應(yīng)對未來風(fēng)災(zāi)的關(guān)鍵舉措之一。

如何在氣候變化的背景下，以風(fēng)景園林學(xué)的角度積極應(yīng)對其可能帶來的種種問題是我們未來的前進(jìn)方向。樹木的抗風(fēng)能力只是樹種抗逆性的一個方面，研究了解樹木的各種抗性，對其進(jìn)行綜合評價，能在不同環(huán)境下選擇最為合適的樹種，真正做到“適地適樹”，也能使風(fēng)景園林生態(tài)體系能在氣候變化的條件下仍然保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的動態(tài)穩(wěn)定性。

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