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上海滨海地区25种园林树种的抗风性研究

张德顺 李科科 李玲璐 章丽耀 刘鸣

张德顺, 李科科, 李玲璐, 章丽耀, 刘鸣. 上海滨海地区25种园林树种的抗风性研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
引用本文: 张德顺, 李科科, 李玲璐, 章丽耀, 刘鸣. 上海滨海地区25种园林树种的抗风性研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
Zhang Deshun, Li Keke, Li Linglu, Zhang Liyao, Liu Ming. Wind resistance of 25 landscape tree species in coastal area of Shanghai[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
Citation: Zhang Deshun, Li Keke, Li Linglu, Zhang Liyao, Liu Ming. Wind resistance of 25 landscape tree species in coastal area of Shanghai[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253

上海滨海地区25种园林树种的抗风性研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
基金项目: 国家自然科学基金项目(31770747)
详细信息
    作者简介:

    张德顺,教授,博士生导师。主要研究方向:园林植物规划设计、生态与园林规划设计、气候变化景观应对、园林小气候调控规划、风景旅游区规划。Email:zds@tongji.edu.cn 地址:200092 上海市四平路1239号同济大学建筑与城市规划学院

  • 中图分类号: S731.2

Wind resistance of 25 landscape tree species in coastal area of Shanghai

  • 摘要:   目的  台风是我国东部沿海地区的主要气象灾害之一,近年来气候变化引发的风害发生的频度和成灾强度有不断上升的趋势,加强园林树种的抗风性研究直接关乎城市绿地体系的生态稳定性。  方法  本文通过对上海常见的25种园林树种的静态拉力实验、树木形态稳定性评价、树木木材测试以及土壤紧实度测量,综合评价了各树种的抗风性特征。  结果  实验结果显示,各树种的抗拉力矩与抗拉角度呈对数函数关系;稳定性指数随着树木高度、冠高比、树冠不对称性指标的上升而减小;树木树芯的抗压强度与抗压弯度呈线性关系。  结论  将25种受试树种大致分为两大类:一类是以广玉兰、梧桐、金丝楸、枫香为中心的静态拉力较大、弯曲角度较小的刚性树种,另一类是以银杏为中心的静态拉力较小、弯曲角度较大的韧性树种。
  • 图  1  静态拉力试验图示

    Figure  1.  Diagram of the static tension test

    图  2  25种树种的最大反抗力矩与弯曲最大角度的关系

    柳杉 Cryptomeria japonica var. sinensis,乐昌含笑 Michelia chapensis,香樟 Cinnamomum camphora,广玉兰 Magnolia grandiflora,女贞 Ligustrum lucidum,蚊母树 Distylium racemosum,棕榈 Trachycarpus fortunei,小叶朴 Celtis bungeana,榉树 Zelkova serrata,枫香Liquidambar formosana,中山杉 Taxodium ‘Zhongshanshan’,光皮树 Cornus wilsoniana,五角枫Acer pictum subsp. mono,乌桕 Sapium sebifera,黄连木 Pistacia chinensis,梧桐 Firmiana simplex,喜树 Camptotheca acuminata,银杏 Ginkgo biloba,无患子 Sapindus saponaria,黄山栾树 Koelreuteria paniculata ‘Integrifoliola’,金丝楸 Catalpa bungei ‘Jinsi’,杜仲 Eucommia ulmoides,鹅掌楸 Liriodendron chinense,玉兰 Yulania denudata,重阳木 Bischofia polycarpa. 下同 The same below

    Figure  2.  A logarithmic function relationship between the maximum resistance bending moment and bending angle of 25 tree species

    图  3  25种树种的树高与稳定性指数的关系

    Figure  3.  Relationship between tree height and stabilitys index of 25 tree species

    图  5  25种树种的树冠对称性与稳定性指数的关系

    Figure  5.  Relationship between crown symmetry and stability index of 25 tree species

    图  4  25种树种的冠高比与稳定性指数的关系

    Figure  4.  Relationship between crown width/crown height(CR) and stability index of 25 tree species

    图  6  25种树种的抗压强度与抗压弯度的关系

    Figure  6.  Relationship between compressive strength and compressive bending of 25 tree species

    图  7  因子分析与树种抗风性定位图

    Figure  7.  Diagram of factor analysis and location of wind resistance

    表  1  25种实验树种的形态指标

    Table  1.   Shape indices of 25 selected tree species

    序号
    No.
    树种
    Tree species
    树高
    Tree height/m
    胸径
    DBH/cm
    冠幅
    Crown width/m
    冠高
    Crown height/m
    冠高比
    Crown width/
    crown height
    1 杜仲 Eucommia ulmoides 5.65 ± 1.34 9.25 ± 1.20 2.65 ± 0.21 3.90 ± 1.56 0.68 ± 0.11
    2 枫香 Liquidambar formosana 9.55 ± 0.07 11.4 ± 0.57 5.00 ± 0.71 6.90 ± 0.00 0.72 ± 0.01
    3 光皮树 Cornus wilsoniana 8.50 ± 1.13 9.65 ± 2.33 4.00 ± 0.71 7.20 ± 1.13 0.85 ± 0.02
    4 广玉兰 Magnolia grandiflora 7.05 ± 0.92 11.00 ± 0.00 5.05 ± 0.07 5.85 ± 0.92 0.83 ± 0.02
    5 黄连木 Pistacia chinensis 8.10 ± 2.12 8.65 ± 0.21 4.60 ± 0.14 4.75 ± 0.92 0.59 ± 0.04
    6 金丝楸 Catalpa bungei ‘Jinsi’ 9.35 ± 0.21 11.50 ± 0.14 5.20 ± 0.99 7.25 ± 0.21 0.78 ± 0.01
    7 榉树 Zelkova serrata 10.30 ± 0.71 10.10 ± 0.42 4.00 ± 0.71 8.45 ± 0.35 0.82 ± 0.02
    8 乐昌含笑 Michelia chapensis 5.20 ± 0.00 11.75 ± 1.91 3.60 ± 0.28 3.80 ± 0.14 0.73 ± 0.03
    9 柳杉 Cryptomeria japonica var. sinensis 3.90 ± 0.71 10.00 ± 0.00 1.90 ± 0.28 2.95 ± 1.06 0.74 ± 0.14
    10 黄山栾树 Koelreuteria paniculata ‘Integrifoliola’ 9.15 ± 0.49 12.50 ± 0.85 4.35 ± 0.07 5.90 ± 0.57 0.64 ± 0.03
    11 鹅掌楸 Liriodendron chinense 8.55 ± 0.92 9.65 ± 0.92 3.70 ± 0.42 7.05 ± 0.64 0.83 ± 0.01
    12 女贞 Ligustrum lucidum 5.45 ± 0.35 9.35 ± 0.07 2.85 ± 0.49 4.30 ± 0.28 0.79 ± 0.00
    13 梧桐 Firmiana simplex 12.00 ± 4.10 11.10 ± 1.98 5.00 ± 1.13 8.65 ± 4.74 0.69 ± 0.16
    14 蚊母树 Distylium racemosum 5.05 ± 1.06 9.25 ± 0.07 4.50 ± 0.14 3.40 ± 0.99 0.67 ± 0.06
    15 乌桕 Sapium sebifera 10.10 ± 0.42 11.05 ± 0.49 4.70 ± 0.14 5.10 ± 0.57 0.50 ± 0.03
    16 无患子 Sapindus saponaria 6.85 ± 1.48 11.20 ± 2.26 5.90 ± 0.14 5.75 ± 1.48 0.84 ± 0.04
    17 五角枫 Acer pictum subsp. mono 5.05 ± 0.21 9.65 ± 1.16 3.20 ± 0.85 3.85 ± 0.07 0.76 ± 0.02
    18 喜树 Camptotheca acuminata 8.50 ± 0.14 9.90 ± 1.27 3.50 ± 0.57 4.85 ± 0.49 0.57 ± 0.05
    19 香樟 Cinnamomum camphora 7.90 ± 0.28 12.50 ± 1.41 4.70 ± 0.28 5.65 ± 0.07 0.72 ± 0.03
    20 小叶朴 Celtis bungeana 7.00 ± 0.57 10.65 ± 0.49 4.10 ± 0.00 4.80 ± 0.14 0.69 ± 0.04
    21 银杏 Ginkgo biloba 7.30 ± 2.12 9.20 ± 1.13 3.40 ± 0.42 4.75 ± 2.05 0.64 ± 0.10
    22 玉兰 Yulania denudata 8.15 ± 4.88 8.30 ± 0.00 3.45 ± 0.07 6.15 ± 3.46 0.76 ± 0.03
    23 中山杉 Taxodium ‘Zhongshanshan’ 9.70 ± 1.27 12.20 ± 0.57 3.35 ± 0.35 7.65 ± 0.78 0.79 ± 0.02
    24 重阳木 Bischofia polycarpa 4.85 ± 0.21 9.65 ± 0.35 3.15 ± 0.21 2.75 ± 0.21 0.57 ± 0.07
    25 棕榈 Trachycarpus fortunei 2.65 ± 0.78 13.75 ± 3.75 1.50 ± 0.00 1.00 ± 0.00 0.40 ± 0.12
    总计 Total 7.43 ± 2.51 10.53 ± 1.21 3.89 ± 1.09 5.31 ± 2.11 0.70 ± 0.12
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    表  2  不同指标分级及评分表格

    Table  2.   Index classification and grading form

    等级分值 Grade score树高分级 Tree height grade/m冠高比
    分级
    CR
    树冠不对称
    度分级
    CAI
    树冠不对称度图示 Diagram of CAI
    1 < 5 < 0.33R1 = R2 =
    R3 = R4
    25 ~ 100.34 ~ 0.5R1 = R2,
    R3 = R4
    310 ~ 150.5 ~ 0.67R1 > R2 or R1 < R2, R3 = R4
    415 ~ 20 > 0.67R1R2
    R3R
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-13
  • 修回日期:  2019-10-22
  • 网络出版日期:  2020-05-28
  • 刊出日期:  2020-08-14

上海滨海地区25种园林树种的抗风性研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
    基金项目:  国家自然科学基金项目(31770747)
    作者简介:

    张德顺,教授,博士生导师。主要研究方向:园林植物规划设计、生态与园林规划设计、气候变化景观应对、园林小气候调控规划、风景旅游区规划。Email:zds@tongji.edu.cn 地址:200092 上海市四平路1239号同济大学建筑与城市规划学院

  • 中图分类号: S731.2

摘要:   目的  台风是我国东部沿海地区的主要气象灾害之一,近年来气候变化引发的风害发生的频度和成灾强度有不断上升的趋势,加强园林树种的抗风性研究直接关乎城市绿地体系的生态稳定性。  方法  本文通过对上海常见的25种园林树种的静态拉力实验、树木形态稳定性评价、树木木材测试以及土壤紧实度测量,综合评价了各树种的抗风性特征。  结果  实验结果显示,各树种的抗拉力矩与抗拉角度呈对数函数关系;稳定性指数随着树木高度、冠高比、树冠不对称性指标的上升而减小;树木树芯的抗压强度与抗压弯度呈线性关系。  结论  将25种受试树种大致分为两大类:一类是以广玉兰、梧桐、金丝楸、枫香为中心的静态拉力较大、弯曲角度较小的刚性树种,另一类是以银杏为中心的静态拉力较小、弯曲角度较大的韧性树种。

English Abstract

张德顺, 李科科, 李玲璐, 章丽耀, 刘鸣. 上海滨海地区25种园林树种的抗风性研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
引用本文: 张德顺, 李科科, 李玲璐, 章丽耀, 刘鸣. 上海滨海地区25种园林树种的抗风性研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
Zhang Deshun, Li Keke, Li Linglu, Zhang Liyao, Liu Ming. Wind resistance of 25 landscape tree species in coastal area of Shanghai[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
Citation: Zhang Deshun, Li Keke, Li Linglu, Zhang Liyao, Liu Ming. Wind resistance of 25 landscape tree species in coastal area of Shanghai[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 122-130. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190253
  • 台风危害已对我国东部沿海地区造成了严重的影响,其中对长江三角洲和珠江三角洲人类社会经济系统的影响最为严重[1],也是损毁当地园林树木的主要自然灾害之一。在过去的30年里,台风在频率上虽然变化不大,但其持续时间和所释放的能量却增加了50%以上,具有更大的破坏性[2-3]。有研究表明,随着海水表面温度的升高和全球气候变暖,西北太平洋将会出现更多强台风[4]。预计到2050年左右,每年登陆我国的台风频次会比目前增多1 ~ 2个,引发的风暴潮频次也可能比目前增多0.6 ~ 1.5个[5]

    上海为沿海城市,是强风频发的区域之一,每年夏季产生的西太平洋台风会给上海带来强烈的风暴潮灾害。经1991—2013年上海市各区域月最大风速和月平均风速等的分析发现,上海市大风强度最大的区域为崇明,其次为南部的金山、奉贤和南汇沿海地区。频发的台风给园林树木的抗风性提出了更高的要求,城市中的树木必须具有较强的抗风性,以增强整个城市生态系统的稳定性,从而避免或者减少因为风害及其带来的次生灾害。为了增强树种对未来极端天气以及环境的适应能力,有必要加强对树种抗风性的研究,选择具有抗风能力的园林树种对于提高生态系统韧性、维护绿地健康、保育生物多样性起重要作用。

    • 树种的抗风能力受到内因和外因等多重因素的综合影响,风折、风倒、拔根等风害现象的发生与土壤、形态、生理、根系、生物力学及木材物理力学特性等方面相关。

      目前,从国内外相关文献可知,研究树木和风之间相互作用主要通过静态拉力实验[6-10]和动态监测实验[9, 11-13]。静态拉力实验是假设树木的动态摇摆不是其发生风害的主要因素,树木风倒或风折是由于持续的大风使树木的根与土相互作用所形成的抵抗力达到了极限,致使树木弯曲到达了极限点产生风折和风倒[14-15]。抵抗力主要由木材弹性模量及树木干形比决定,极限抵抗力可通过静态拉力试验及木材材性测得。但是,静态拉力不能完全解释自然状态下树木受风后的能量转化过程[16],可能会过于简化了树木和风之间的相互作用关系,使得预测树木能承受的最大风速和实际情况产生偏差[17]。有实验发现,树木真正发生风害时,受到的风速比通过静态拉力实验估计出的可承受的最大风速要小[9, 11, 18-19]

      另一方面,树木是有着不同结构的灵活个体,在受风时树干和树枝都会随风摆动,不断变化的风力会使树木发生动态变化[20],树冠受风面积会随着受风时间及风速的大小而变化。而在动态监测实验中,最需要考虑的因素是树木受到的风压和临界风速[12, 21-27]。当风速大于15 m/s时,压力随着树高增加而减小,但风速小于1.25 m/s时,树干所受的压力随着树高增加而增加。树枝的动态作用显著影响了树木受风的动态运动过程,但树木并没有和接近其固有频率的风速产生共振,而是发生了阻尼振荡,说明树木在受风吹的过程中不仅通过振动消耗了能量,自身可能还吸收了一部分能量。当大风的固有频率使得树木摆动的振幅达到最大,树木的固有频率与胸径(DBH)/树高(H)的比率具有线性关系[16]

      树木的树冠结构、干形比、木材性质和土壤环境条件都会对树木的抗风能力产生影响。

    • 由于树冠结构的不同,树木受风害的影响程度也不同。例如,塔状锥形树木更容易发生风折而不是风倒[20];主干形、圆柱形、纺锤形最不抗风;圆头形、丛状形、开心形的树木较抗风[28]。对树形进行分类是为了能更好地分析每种类型的树木在受风时的动态反应[29],例如棕榈科(Palmae)树木在振动模式过程中,只有在固有频率附近产生一个峰值;而桉树(Eucalyptus spp.)由于枝条质量阻尼作用具有多个峰值;意大利柏(Cupressus sempervirens)的树枝垂直于地面,和主干夹角较小,故摆动方式更接近于单自由度系统,出现了两次谐波振动。对广州行道树受风害后的调查显示,受害树种大多是冠大荫浓的树种,且与树木的高度、胸径及冠幅有关,并且浅根系、木材强度低的树木容易受害[30]

    • 树木的形态及干形比是决定树木受风害类型的重要因素[12]。干形比的增加会导致树木风倒的风险增加[31-32],有研究认为干形比50左右的树木比较容易受风害。

    • 木材性质也是树木抗风能力的一个重要因素[33],通过树木韧刚强度体现,其中韧度(tenacity)是材料抗破裂的能力,刚度(rigidity)是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。韧度和刚度不仅与树木的木材性质有关,还与树木形态有着密切关系。通过在飓风中调查夏威夷各种风害树种比例发现,木材弹性(lumber elastic)和树木受害类型及程度显著相关,树木刚度越小,弹性越大[34]。在立地条件较好,树木地下部分稳定的条件下,韧度大的树木发生折断的可能性较小,而刚度大且木材强度小的树木发生树干折断的可能性较大。

    • 树木扎根于土壤中,从土壤里汲取水分和营养,土壤也给予树木支撑。单体树木的抗风性不仅由其自身的形态、木材材性等因素决定,还受土壤环境条件的影响,尤其是根与土之间的相互作用关系。根的生长会随着风向的长期作用而改变,侧根的生长对于整个树木的抗风性有着重要作用[35]。裸子植物树干背风向的根系明显较多,树木自身通过增加背风向树干及根系的重量来抵抗强风,甚至通过根系支点的移动使得其力臂变大从而增加了抵御风倒的能力[36]。此外,土壤干湿度指标也与树木受风害有很大关系[37]。在土壤干燥时,树木受害情况和树高、胸径及干形比都没有相关关系,但是在土壤湿润时,发生风折的树木明显比风倒或未受害树木更高,并且相对胸径更大。

    • 实验地点在上海海湾国家森林公园内,位于上海市南部奉贤区海湾镇五四农场境内,距上海市中心60 km,东接临港新城,南临杭州湾。基地地势平坦,平均海拔4.0 ~ 4.5 m。年均气温17.6 ℃,最高月平均温度28.1 ℃,最低月平均温度− 2.1 ℃。年均降雨日117 d,降雨量1 106.5 mm。

    • 考虑到园林树种的常见性和实验地所选树种的规格一致性、重复性,本文选择25种上海常见园林树种为研究对象,统一胸径10 cm左右,其中常绿树种7种:柳杉(Cryptomeria japonica var. sinensis)、乐昌含笑(Michelia chapensis)、香樟(Cinnamomum camphora)、广玉兰(Magnolia grandiflora)、女贞(Ligustrum lucidum)、蚊母树(Distylium racemosum)、棕榈(Trachycarpus fortunei);落叶树种18种:小叶朴(Celtis bungeana)、榉树(Zelkova serrata)、枫香(Liquidambar formosana)、中山杉(Taxodium ‘Zhongshanshan’)、光皮树(Cornus wilsoniana)、五角枫(Acer pictum subsp. mono)、乌桕(Sapium sebifera)、黄连木(Pistacia chinensis)、梧桐(Firmiana simplex)、喜树(Camptotheca acuminata)、银杏(Ginkgo biloba)、无患子(Sapindus saponaria)、黄山栾树(Koelreuteria paniculata ‘Integrifoliola ’)、金丝楸(Catalpa bungei ‘Jinsi’)、杜仲(Eucommia ulmoides)、鹅掌楸(Liriodendron chinense)、玉兰(Yulania denudata)、重阳木(Bischofia polycarpa)。各树种的形态指标如表1所示。

      表 1  25种实验树种的形态指标

      Table 1.  Shape indices of 25 selected tree species

      序号
      No.
      树种
      Tree species
      树高
      Tree height/m
      胸径
      DBH/cm
      冠幅
      Crown width/m
      冠高
      Crown height/m
      冠高比
      Crown width/
      crown height
      1 杜仲 Eucommia ulmoides 5.65 ± 1.34 9.25 ± 1.20 2.65 ± 0.21 3.90 ± 1.56 0.68 ± 0.11
      2 枫香 Liquidambar formosana 9.55 ± 0.07 11.4 ± 0.57 5.00 ± 0.71 6.90 ± 0.00 0.72 ± 0.01
      3 光皮树 Cornus wilsoniana 8.50 ± 1.13 9.65 ± 2.33 4.00 ± 0.71 7.20 ± 1.13 0.85 ± 0.02
      4 广玉兰 Magnolia grandiflora 7.05 ± 0.92 11.00 ± 0.00 5.05 ± 0.07 5.85 ± 0.92 0.83 ± 0.02
      5 黄连木 Pistacia chinensis 8.10 ± 2.12 8.65 ± 0.21 4.60 ± 0.14 4.75 ± 0.92 0.59 ± 0.04
      6 金丝楸 Catalpa bungei ‘Jinsi’ 9.35 ± 0.21 11.50 ± 0.14 5.20 ± 0.99 7.25 ± 0.21 0.78 ± 0.01
      7 榉树 Zelkova serrata 10.30 ± 0.71 10.10 ± 0.42 4.00 ± 0.71 8.45 ± 0.35 0.82 ± 0.02
      8 乐昌含笑 Michelia chapensis 5.20 ± 0.00 11.75 ± 1.91 3.60 ± 0.28 3.80 ± 0.14 0.73 ± 0.03
      9 柳杉 Cryptomeria japonica var. sinensis 3.90 ± 0.71 10.00 ± 0.00 1.90 ± 0.28 2.95 ± 1.06 0.74 ± 0.14
      10 黄山栾树 Koelreuteria paniculata ‘Integrifoliola’ 9.15 ± 0.49 12.50 ± 0.85 4.35 ± 0.07 5.90 ± 0.57 0.64 ± 0.03
      11 鹅掌楸 Liriodendron chinense 8.55 ± 0.92 9.65 ± 0.92 3.70 ± 0.42 7.05 ± 0.64 0.83 ± 0.01
      12 女贞 Ligustrum lucidum 5.45 ± 0.35 9.35 ± 0.07 2.85 ± 0.49 4.30 ± 0.28 0.79 ± 0.00
      13 梧桐 Firmiana simplex 12.00 ± 4.10 11.10 ± 1.98 5.00 ± 1.13 8.65 ± 4.74 0.69 ± 0.16
      14 蚊母树 Distylium racemosum 5.05 ± 1.06 9.25 ± 0.07 4.50 ± 0.14 3.40 ± 0.99 0.67 ± 0.06
      15 乌桕 Sapium sebifera 10.10 ± 0.42 11.05 ± 0.49 4.70 ± 0.14 5.10 ± 0.57 0.50 ± 0.03
      16 无患子 Sapindus saponaria 6.85 ± 1.48 11.20 ± 2.26 5.90 ± 0.14 5.75 ± 1.48 0.84 ± 0.04
      17 五角枫 Acer pictum subsp. mono 5.05 ± 0.21 9.65 ± 1.16 3.20 ± 0.85 3.85 ± 0.07 0.76 ± 0.02
      18 喜树 Camptotheca acuminata 8.50 ± 0.14 9.90 ± 1.27 3.50 ± 0.57 4.85 ± 0.49 0.57 ± 0.05
      19 香樟 Cinnamomum camphora 7.90 ± 0.28 12.50 ± 1.41 4.70 ± 0.28 5.65 ± 0.07 0.72 ± 0.03
      20 小叶朴 Celtis bungeana 7.00 ± 0.57 10.65 ± 0.49 4.10 ± 0.00 4.80 ± 0.14 0.69 ± 0.04
      21 银杏 Ginkgo biloba 7.30 ± 2.12 9.20 ± 1.13 3.40 ± 0.42 4.75 ± 2.05 0.64 ± 0.10
      22 玉兰 Yulania denudata 8.15 ± 4.88 8.30 ± 0.00 3.45 ± 0.07 6.15 ± 3.46 0.76 ± 0.03
      23 中山杉 Taxodium ‘Zhongshanshan’ 9.70 ± 1.27 12.20 ± 0.57 3.35 ± 0.35 7.65 ± 0.78 0.79 ± 0.02
      24 重阳木 Bischofia polycarpa 4.85 ± 0.21 9.65 ± 0.35 3.15 ± 0.21 2.75 ± 0.21 0.57 ± 0.07
      25 棕榈 Trachycarpus fortunei 2.65 ± 0.78 13.75 ± 3.75 1.50 ± 0.00 1.00 ± 0.00 0.40 ± 0.12
      总计 Total 7.43 ± 2.51 10.53 ± 1.21 3.89 ± 1.09 5.31 ± 2.11 0.70 ± 0.12
    • 树木抗风能力的综合评价需要考虑内因、外因等诸多因素,还需要根据实际立地条件进行分析。分别测试25种园林树种的静态拉力极限、树木形态与稳定性指标、木材材性指标和土壤紧实度指标。各指标测试方法如下:

      (1)模拟风压的静态拉力测试

      为模拟风对树干的影响,通过绞盘和钢丝对树干施加拉力负荷(图1)。将绞盘与支架组合,一端与静物固定,另一端用拉力绳在树干固定,绑绳高度固定为1.4 m左右,拉力计固定在两段拉绳中间以测定拉力大小。用绞盘对受试树木进行拉伸测试,当树木发生明显弯曲或折断时记录瞬时拉力F,依据受力平衡计算得出树木受力F1和树木基部瞬时最大反抗力矩M。每种树木选取3株进行重复。

      图  1  静态拉力试验图示

      Figure 1.  Diagram of the static tension test

      其计算公式如下:

      $${F_1} = F (\cos \alpha \cos \theta + \sin \alpha \sin \theta )$$ (1)
      $$M{\rm{ = }}{F_1} H$$ (2)

      式中:F为瞬时拉力值,α为弯曲角度,θ为固定拉绳的水平角度,H为树木弯曲时绑绳处距离地面的垂直距离。

      (2)树木形态指标与稳定性评估

      采用Kontogianni等[38]提出的树木稳定性的评价方法计算树木稳定性指数(Tree Stability Index,TSI)[39-41],主要通过对树高(H)、冠高比(CR)和树冠不对称度(CAI) 3项指标进行分级评分,赋分方法如表2所示。每种树木选取3株进行重复。

      表 2  不同指标分级及评分表格

      Table 2.  Index classification and grading form

      等级分值 Grade score树高分级 Tree height grade/m冠高比
      分级
      CR
      树冠不对称
      度分级
      CAI
      树冠不对称度图示 Diagram of CAI
      1 < 5 < 0.33R1 = R2 =
      R3 = R4
      25 ~ 100.34 ~ 0.5R1 = R2,
      R3 = R4
      310 ~ 150.5 ~ 0.67R1 > R2 or R1 < R2, R3 = R4
      415 ~ 20 > 0.67R1R2
      R3R

      树木稳定性指数的计算公式如下:

      $$ {\rm{TSI}} = a + b{\rm{CR}} + c{\rm{CAI}} + dH $$ (3)

      式中:abcd为经验系数。本文中各系数取值:a = 6.362,b = 0.984,c = 1.014,d = 0.388。

      在推导模型中,对各个因子有详细的解释,例如Kontogianni等认为H占树木稳定性的39%,故同样的力施加在10 m高树木和30 m高树木的同一部位,30 m树高树木承受的力矩是10 m树高树木的3倍。

      (3)木材材性测定

      用生长锥取出受试树种直径5 mm的木芯,用树木弯曲断裂强度测试仪(Fractometer)测试树木木芯抗压强度和抗弯强度,以代表树木的木材材性。每种树木选取3株进行重复。

      (4)土壤紧实度测量

      用土壤紧实度仪(SC900)测量0 ~ 10 cm受试树木根部附近土层深度的土壤紧实度,探头每深入2.5 cm,仪器自动记录数据一次。对25种树木周围不同深度的土壤紧实度进行单因素方差分析,所得结果通过了方差齐性检验,且组间方差显著(P < 0.05)即土深2.5 cm处的土壤紧实度与土深5.0 cm、10.0 cm处的土壤紧实度之间存在差异,但土深5.0 cm与10.0 cm处的土壤紧实度不存在差异性,5.0 cm以下的土壤条件基本上是均质的,而树木根系大部分均处于表土层5.0 cm以下的地下空间,所测得的各项树木抗风性指标数据是各个树种种间差异性的客观反映,不受土壤结构的影响。

    • 经静态拉力实验测试,有些树木发生了树干折断,如枫香;而更多的树木则是发生了拔根现象,如乌桕、喜树、银杏、重阳木等;而蚊母树、柳杉不仅发生拔根现象,树干也有折断;其余受试树木则只是发生了树干弯曲。

      25种受试树种的最大反抗拉力与弯曲角度的关系如图2所示。总体上,各树种的力矩与角度呈对数函数关系,其中,五角枫、重阳木、柳杉、银杏、黄连木、蚊母树5种树种的反抗力矩较小,弯曲角度较大,表明树木刚性较小,韧性较高,受持续风害能顺应风向正常生长;黄山栾树、无患子、广玉兰、金丝楸、光皮树5种树种的反抗力矩较大,弯曲角度较小,表明树种刚性较强,韧性较弱,易遭风折伤害;其他树种则在两类之间,兼具一定的刚性和韧性。

      图  2  25种树种的最大反抗力矩与弯曲最大角度的关系

      Figure 2.  A logarithmic function relationship between the maximum resistance bending moment and bending angle of 25 tree species

    • 按树木稳定性评价,25种园林树种在树高、冠高比、树冠对称性与稳定性指数之间的关系分别如图3 ~ 5所示。

      图  3  25种树种的树高与稳定性指数的关系

      Figure 3.  Relationship between tree height and stabilitys index of 25 tree species

      图  5  25种树种的树冠对称性与稳定性指数的关系

      Figure 5.  Relationship between crown symmetry and stability index of 25 tree species

      在树高方面,总体上,稳定性指数随着树木高度的上升而减小。棕榈、柳杉、重阳木、喜树的株高较低,稳定性较高,表明受风害的可能性较小;广玉兰、杜仲、女贞、蚊母树、五角枫、香樟、银杏、小叶朴、无患子、乐昌含笑等虽然株高也较低,但稳定性较低,表明较易受风害影响而引起风倒或风折;梧桐、枫香、榉树、金丝楸、黄连木、光皮树、中山杉、黄山栾树、鹅掌楸、玉兰则由于植株较高而稳定性低,特别易受风害影响。

      在冠高比上,棕榈、喜树、重阳木、乌桕由于具有较低的冠高比而稳定性较大,而其他树种的冠高比几乎都大于0.6,但同时,稳定性也较低。表明枝叶浓密的树冠对树木的稳定性具有重要影响,在大风侵袭下,树冠产生的阻力是导致风倒与风折的主要原因之一。

      图  4  25种树种的冠高比与稳定性指数的关系

      Figure 4.  Relationship between crown width/crown height(CR) and stability index of 25 tree species

      在树冠对称性方面,偏冠现象明显加重了树木的稳定性,使树木更容易受到风倒和风折的潜在影响,特别是黄连木、乐昌含笑、银杏、光皮树、小叶朴、榉树等树种,由于不良竞争或管理养护不善而导致的树冠偏斜,造成树木结构上的不稳定,在大风环境影响下更易受到损害,甚至发生倒伏与拔根现象。

    • 图6可知,树木树芯的抗压强度与抗压弯度呈线性关系。光皮树、小叶朴、榉树、杜仲、黄连木、无患子、女贞等的抗压强度和弯度都较大,表明这些树种的木材材性具有较强的刚度和韧度,能抵御一定的风压,并且不易折断。棕榈、柳杉、中山杉等树种抗压强度和弯度均较低,表现出一定的脆弱性。而其他树种处在两者之间,一些树种抗压强度较高,但抗压弯度较低,表明较能抵御更大的风压,但超过阈值后易受风折,如梧桐、黄山栾树、喜树、蚊母树等;而另一些树种则相反,材性刚度较低,但具有较高的韧度,表明在一定风压胁迫下能通过树冠的大幅摆动而耗散能量,减低风害对树木的影响。

      图  6  25种树种的抗压强度与抗压弯度的关系

      Figure 6.  Relationship between compressive strength and compressive bending of 25 tree species

    • 综上,为了对25种树种的综合抗风性进行客观评价。需要对8项因子进行主成分分析,通过降维找出主要的公因子。主成分分析结果显示(KMO = 0.538,P < 0.01),总体贡献率达到77.53%,其基本上包含了主要的实验数据。取前两个特征值大于1的两个公因子为轴,绘制二维图(图7)。

      图  7  因子分析与树种抗风性定位图

      Figure 7.  Diagram of factor analysis and location of wind resistance

      图7可知,第1主成分主要由树芯木材材性因子组成,第2主成分主要由静态拉力因子组成。据此,可将25种受试树种大致分为两大类:一类是以广玉兰、梧桐、金丝楸、枫香为中心的静态拉力较大、弯曲角度较小的刚性树种;另一类是以银杏为中心的静态拉力较小、弯曲角度较大的韧性树种。这两类不同的树种反映出对风害胁迫不同的应对策略。在这两大类中又可各自分为两组,即按树木树形稳定性和木材材性的差别进行划分。例如,在前者中,光皮树、榉树、无患子、香樟、女贞、杜仲等树种的树冠枝叶茂盛,木材材性较高,但遇到大风胁迫时,树木的偏冠会对树木结构产生潜在威胁,而喜树、中山杉、棕榈等在树木形态上具有更高的稳定性,但木材材性脆弱。在后者中,柳杉、重阳木、五角枫等的稳定性高于小叶朴、乐昌含笑、黄连木等树种。

    • 通过模拟风压的静态拉力实验、树木形态稳定性评价以及树木木材材性的测试,不同树种具有不同的种间差异和特异性。总体上,测试的25种园林树种可以大致分为刚性树种和韧性树种,刚性树种的机械抗拉力较大,且木材材质较高,能抵御一定的风压,但一旦超过风压阈值就会发生风折风倒现象。而韧性树种的树干弯曲变形较大,树冠枝叶茂密,材质弹性较大,受大风胁迫时,能通过产生阻尼震荡而消耗能量,以保证树体安全。

    • 树种抗风性评价不能仅仅只关注单因子指标,需要综合分析其他相关因子,而这些因子之间有时是具有矛盾性的,更需要综合权衡分析,具体情况具体对待。例如,光皮树的静态抗拉力与木材材性均较高,但树形稳定性较低,总体上仍可评价为抗风性较强的树种;枫香的静态抗拉力较高,其树高、冠高比、树冠对称性、树形稳定性、木材材性等其他各项指标均居中,故也可评定为具有相对较高的抗风性;一般认为,棕榈科植物具有较强的抗风性,本研究则认为棕榈的树形稳定性最高,但静态抗拉力居中,木材材性却最低,整体上影响了其抗风性的整合评价,而且其生长点怕受风害,应注意防护。

      与前人抗风性文献相比较,中山杉、广玉兰、香樟、朴树、枫香等树种具有较强的抗风性[28, 30, 42-43],这与本文的结论是一致的,且大多是上海地区的乡土树种。

      通过静态拉力试验结合2015年“灿鸿”过后海湾森林公园树木受损情况调研以及上海市23年来大风气象数据分析,初步得到以下结论:静态拉力试验中树木稳定性排序为:棕榈 > 柳杉 > 喜树 > 重阳木 > 乌桕 > 中山杉 > 五角枫 > 黄山栾树 > 广玉兰 > 杜仲 > 鹅掌楸 > 玉兰 > 蚊母树 > 枫香 > 梧桐 > 女贞 > 小叶朴 > 黄连木 > 银杏 > 无患子 > 香樟 > 金丝楸 > 光皮树 > 乐昌含笑 > 榉树;强风模拟试验中11种树种稳定性排序为:梧桐 > 玉兰 > 银杏 > 蜀桧柏 > 丝棉木 > 紫叶李 > 樱花 > 雪松 > 白蜡 > 国槐 > 柳树。

    • 平衡拉力、形态与稳定性指数和树木材质分析可以初步得出如下结论:在参试的常见上海市的25种树种中,乌桕、喜树、重阳木、柳杉、蚊母树、五角枫、杜仲、女贞、棕榈、小叶朴、中山杉11种树种具有相对较强的综合抗风性能;鹅掌楸、广玉兰、枫香、无患子、梧桐、香樟、黄连木、榉树、银杏9种树种具有中等抗风性能,风折风倒的概率较高;玉兰、光皮树、金丝楸、乐昌含笑、黄山栾树则抗风能力最差。

      在长江口岛屿(崇明岛、长兴岛、横沙岛)、临港新城和杭州湾北岸沿线尽量在绿地系统尤其是沿海防护林中配置使用乌桕、喜树、重阳木、柳杉、蚊母树、五角枫、杜仲、女贞、棕榈、小叶朴、中山杉等风倒和风折概率低的树种。在城区的公园绿地、街道绿地、居住区绿地、单位附属绿地中因有城市建筑围合镶嵌可在第1类的基础上增加鹅掌楸、广玉兰、枫香、无患子、梧桐、香樟、黄连木、榉树、银杏等树种。

      玉兰、光皮树、金丝楸、乐昌含笑、黄山栾树等容易在大风强风条件下倒伏和折断的树种可在高层建筑群的绿化环境中和在城乡结合部的郊野公园中有限使用,且新植树木要配合三角形扶架、扁担式扶架、井字形支柱、标杆式扶桩和连排网络形扶架等抗风措施,定期对树冠进行修整,以保持通透、疏朗的树形。

      除了树种的抗风特性外,园林种植设计的树种搭配和株行距设置与防风性能密切相关,目前新建园林中的“高大密厚”快速成效的设计手法增加了种植群落有效抑制横向风速的防风效果,但也增加了迎风面植株倒伏和树干折断的风险。一般短林带种植、带状配置方向平行于台风主导方向、疏朗通透的空间布局对于绿地的生态安全和绿化抗风性能的提升有正向效果。

参考文献 (43)

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