台风多发地区植物抗风性能及其防护措施研究进展

周丁一，王英姿

（汕头大学工学院，广东 汕头 515063）

0 引言

我国是世界上遭受台风袭击影响最严重的国家之一，每年因台风造成的损失不计其数，仅在2013年内，因遭遇台风灾害所造成的直接经济损失就达到152.45亿元[1].在我国沿海11个省（自治区、直辖市）中就有10个有台风登陆记录，香港、澳门、台湾地区也有台风登陆，其中在广东、台湾、海南台风登陆次数尤其之多[2].

随着城市化进程的不断加进、生活水平的显著提高，人们的环境意识以及生态意识都在不断的增强，园林绿化在城市中扮演着越来越重要的角色.然而，台风多发区的城市绿化却因台风的到来屡屡受害，比如，2012年7月，因“韦森特”过境而造成深圳市11.5万棵植物受损，其中约2.9万植物倒伏死亡[3].这些给城市绿化工作带来了严重的困扰，每次风灾过后都要花大量的人力物力清理掉落的枝干、扶正倒伏的植物、更换新的植株等等.并且植物景观环境的恢复不同于其它物体，建筑、道路、桥梁等可以通过修复并随着修复的结束达到与之前未受损时高度相似的程度，可是植物不行，它是具有生命的物体，需要相当长一段时间的生长才能完好如初.因此，台风对植物造成的损害无法仅仅用金钱来衡量.

在台风多发区域，选择抗风性良好的植物作为行道树、沿海防护林、园林绿化以及建筑绿化等，无疑是城市环境建设中迫切的需求.据研究发现，影响植物抗风性的主要因素是植物的生物力学性能和根系与土壤的相互作用力这两个方面[4].其中，植物的生物力学性能又主要包括植物的树冠大小以及形态、树干的韧性、树龄以及树干尺寸；而根系与土壤的相互作用又与土壤的湿度、土壤性质和根系的深浅有关[5].当然，植物的抗风性也是相对而言，当风暴达到9级或更大时，即使是一级抗风树种也会不同程度的受到侵害，但它们比其他等级抗风性植物损失要小得多.

1 解析植物的抗风性能

1.1 概念

重大的风灾破坏后，整个城市满目苍夷，然而，部分植物却能在灾难中存活甚至保持完整.于是，研究者们开始思考为什么有些植物能够抵挡住风害而有些植物又不能，不同种类的植物抗风性强弱要如何判断呢？

研究者们通过观察植物在风中的形态特征来判断它们是如何应付风在周围产生的气流：美国生物学教授史蒂文博士发现，在风动模拟实验室中，当植物受到风的连续击打时，叶子会扭转成一个顺应风向的圆锥体；在做另一个关于水仙花抗风性能测试实验时，像水仙花这种类型的植物会不停的在风中扭动身体，这些扭曲是为了让花瓣扭转过来，用背面来迎风.史蒂文博士认为有别于建筑等物体的坚固，植物拥有自己的一种“坚固形态”，它主要靠自身的柔韧性来体现[6].

因此，植物在受到风的作用力时，会对其自身的形态进行调整，以此来适应环境的变化，达到抵抗风灾的能力，这便是植物的抗风性能.

1.2 研究对象

研究植物的抗风性能，顾名思义，研究对象便是植物本身，在确定并记录研究对象的过程中包括两方面的工作——选取对象和观察并记录对象受损情况：

1.选取对象

植物不仅仅是单一存在的一个个体，它生长在复杂的环境之中，所以，在选取对象时一定要考虑周围的环境因素，排除外在干扰，以免测得的实验数据不准而对研究者进行错误的引导，比如，设置观测点时要规避因小地形、小环境使得某些并不具备该等级抗风能力的植物得以存活[7]，即植物因周围建筑物、构筑物或者坡形地貌对风的遮挡，使得风向、风速发生改变，影响了风袭程度，对植物起了一定的保护作用，使得对该植物的抗风性能做出了错误的判断.另外，植物选样中，它们的种类应尽量涵盖该调查地点的常见种类，因为本土植物是经过长期的生物进化过程才能留在该地区健康茁壮生长的品种，相对其他外来引进品种有多方面的优势，如成本更低廉、生长条件更契合当地气候、后期维护管理更简便等等.

肖洁舒等[3]根据深圳主要受风道路及受风区域的位置，选择了三个方向上的主要干道，以及城市某些集中绿化带，包括6个城市公园，1个风景区，2个住宅区进行现场察看调查，同时，以问卷调研的形式与近20位有经验的绿化管理者、专家进行交流.辛如如等[8]在汕头市将观测点设置在交通主干道、具代表性的交叉路口以及大型绿地，共在市区设置风害观测点32处，其中道路5条、路口27个.观测点的树种占目前市区现有路树种类的80%以上.王良睦等[9]对厦门市绿化工程管辖的59条主次干道的25种行道树的风损情况进行了详细的调查.

2.观察并记录对象受损情况

首先，在观察植物受损前，可以先分析植物的受力情况，也就是将植物视为简化模型进行分析，如图1所示：把植物比作单悬臂梁，根部视作支座，当风对植物作用时，横向倾覆力大于植物最大抗倾覆力时，就会发生折断或倒伏.当然，实际情况比这种模型要复杂得多，风力瞬时值和风向处于不断的改变中，因此，作用在植物身上的力不仅有弯、剪、拉力，还有扭力.当风向、风力恒值时，受损与否主要靠树木树冠特性、枝干刚柔度和根部支承力决定[9].

图1 植物受力简图

然后，根据不同受损等级将所选种类的植物进行分门别类的记录，受损等级的划分参考《汕头市抗风绿化树种的选择》[7]、《华南地区园林树木抗风能力的研究》等[3]文献将植物受损程度分为以下五种：1.倒伏，死亡；2.倒伏，修剪后，可原地扶正；3.歪斜，修剪后，可原地扶正；4.主要枝干（包括主干）折断，须换种或修剪后予以保留；5.次要枝干折断，稍作修剪后留用.观察记录时根据上面的五种不同情况对研究对象的种类、数量进行分类和归纳.

1.3 研究方法

研究方法主要包括两种方式——现场调查法和灰色关联度法：1.现场调查法：以陈有义[7]、肖洁舒[3]为代表，主要以走访受灾现场的方式来实现；2.灰色关联度法：运用关联度法构建植物抗风性因素的关联性.

1.3.1 现场调查法

首先，现场调查法在研究前期需要通过调研受灾现场获取第一手资料，再选取场地察看受灾植物损失情况，以拍照和记录为主，包括统计植物种类数、同种植物在各受损等级的棵数等等，并将这些数据进行初步的总结归纳；其次，通过问卷调查的方式了解更详细的信息，与园林绿化相关工作人员进行交谈，向他们咨询专业的情况和指导意见；然后，将记录与调查得到的数据进行综合整理分析；最后，参考《汕头市道路抗风绿化树种调查研究初报》[7]、《台风风灾害对深圳城市园林树木的影响和对策》[10]、《9914～#号台风对厦门市园林树木破坏情况的调查及对策研究》[9]等文章提出植物抗风类型划分标准：Ⅰ、在风灾中基本无受损现象；Ⅱ、出现部分小枝折断，少量植株轻微风斜；Ⅲ、出现少数主干折断、风倒、风斜等现象，风害率小于等于10%；Ⅳ、主干折断，风倒、风斜现象较多，风害率大于10%，确定出调研植物种类的抗风等级[8].

1.3.2 灰色关联度法

灰色关联分析[11]，实质上是对事物的各因素关联度进行系统的分析，这种分析方式不需要走访风在现场，而是将植物本身的特性作为因素进行分析，求解流程图如图2所示.

图2 灰色关联度求解流程图

现假设选定n种植物作为研究对象，具体步骤如下：

1）将主要影响植物抗风性的9个指标组成评价体系集 x（k）（x（1），x（2），x（3），x（4），x（5），x（6），x（7），x（8），x（9）），即植物类型 x（1）、最大树高 x（2）、最小胸径 x（3）、最大冠幅 x（4）、冠形 x（5）、干形通直度 x（6）、气干密度x（7）、叶层状况 x（8）、根系状况 x（9）.其中植物的形态、生长特性等可查阅王宏志的《中国南方生态园林树种》[12]、臧德奎的《园林树木学》[13]，气干密度可查阅成俊卿的《木材学》[4].

2）把评价体系集 x（k）建立序列{x（k）}：

由于各因素之间计量单位不同，因此各数据的量纲也不同，如树高为米、胸径为厘米、气干密度为克每立方米等等，所以我们需要将数列初值化，即是将同一数列的所有数据除以第一个数据，得到一个与第一个数列存在倍数关系的新数列：

3）在研究对象中选定一个参考序列x0（k），这个序列就是用来被作为参考的“母序列”，其余植物作为评判其关联性的序列xi（k）（i=1，2，3，…，n），表示第i个评价数据序列与参考数据序列在对应第k个指标的相对差，即关联系数ζi（k），如公式（1）所示：

式中，W（k）为对应评价指标k的权重值，可根据层次分析法中Saaty1-9标度法对评价体系x（k）构建判断矩阵求得.

5）根据研究对象n种研究植物关联度ri分布情况，确定其抗风等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等.吴志华等[4]曾用灰色关联度法对广东湛江市82种类型的植物进行抗风性能的研究，得出的结果与《中国南方生态园林树种》[12]中对其抗风性描述相一致，并且也与实际中的抗风强度吻合，因此，说明将灰色关联度法运用到植物抗风性研究中是科学可靠的.

1.3.3 现场调查法和灰色关联度法的对比分析

现场调查法和灰色关联度法各有利弊，如表1所示，可以根据二者的特点进行选择.

表1 现场调查法与灰色关联度法比较

现场调查法和灰色关联度法是研究者们关于植物抗风性研究实践和理论方法上的探索，两者各有其特点，需要的条件也各不相同.现场调查法更注重对风灾后植物的真实反映作为信息进行提取和总结，得到的结果真实可靠，但是调查前提是必须在风灾后大量的走访现场，尽快记录以便获取最直观的第一手资料；灰色关联度法从植物本身的特性出发，通过理论计算的方式得出植物影响其抗风性特性之间的关联性，得出的结果经过实践检验，表现出一致性，证明了灰色关联度法运用到植物抗风性研究上的科学性，由于它的研究条件自由，因此现在越来越多的研究者更倾向于利用理论的研究来探索植物抗风性.

研究者们还通过更多种的方式进行抗风性测试，比如可以通过测量植物某一影响抗风性的固定属性联系到抗风性能上——Page对针叶树材管胞细胞壁的单根纤维进行了拉伸力学测试，成功将纤维拉伸技术应用到植物细胞壁结构力学性能的研究上[14-15].

2 增强植物抗风性能防护措施

2.1 影响植物抗风性能的因素

影响植物抗风性因素主要由植物的生物力学特性、根系与土壤的相互作用以及风的干扰，其中植物的生物力学特性属于影响植物抗风性的内因，但植物内因不是主要影响因素.外因，即人为提供给植物生长的环境和条件，也是抗风性因素之一，内因和外因互相作用，内因改变外因，外因制约内因，正因为如此，研究者们才应该弄清楚每个因素，让植物的抗风性达到最佳.

2.1.1 生物力学因素

1.树木特性.比如树形不利于过风，树冠大，根浅，枝脆，木材密度较低等，如木材在韧性、易曲性好的情况下抗风能力强[16]；

（2）从外国导入重大项目的核心技术。从制造业水平看，山东省制造业的整体比较落后，其关键在于核心技术多数被制造业发达国家所掌握。因此，山东应基于重大项目，从国外积极引进核心技术，并通过技术的吸收和消化，实现技术的本土应用，最大限度地顺应本地企业和产业的发展，从而增强其制造业的竞争力。同时，还需制定出能够有效指导产业发展的规划或计划方案，培养建立新兴产业。此外，基于本地的区域优势，山东省还可以从海洋设备、生物、新材料、新能源等新兴制造领域着力发展新产业。

2.植物年龄.有一些植物在不同年龄段，其抗风性也不同，Niklas就研究出随着植物生长，干物质开始逐渐积累，从而使得植物机械组织中纤维素含量增加[17]，因而植物生长越久抗风性能越好；

3.植物本身健康状态.遭遇虫害的植物，通常主干被掏空、根部被啃食殆尽等，这样即使本应具备良好抗风性能的植物，也会大打折扣，无力抵抗风的侵害.

2.1.2 种植养护因素

1.修剪.大多数人的认识上觉得树越大越好，树荫浓密，可以遮挡夏季烈阳，让道路成为林荫大道会比较舒适宜人，加之台风低发期这段长时间的安逸气候，容易让人们忽视在台风中树大招风这个存在安全隐患的疏漏点；

2.植物栽种时长.植物刚栽种不久，它与所在环境的适应度并没有达到最佳状态，主根不明显或不发达，这样根系与土壤的固着力会降低，体现不出植物本身应有的抗风性能；

3.支护.同一种植物若安有连排竹架支护，则抗风性能增强，说明了支护的重要性；

4.苗木种植质量.它对抗风性的影响经常被大家忽视，比如土壤空间小、土质差、植物之间的间距太小等等，这些可能造成植物的根系生长空间受到限制，没有起到应有的支撑作用，受强风力影响容易松动，从而抗风性能降低；

5.种植土的深浅.种植土层越厚，植物的根系生长空间越充足，根系与土壤的结合更充分，如若土壤过于浅薄使得植物的根系无法深入，从而容易在风力的影响下倒伏，降低了植物的抗风性能；

6.种植排列方式.随着植物种植的排列方式不同其抗风性能也得到改变，在空旷的场地，孤植容易受风侵袭，而群落式的植物，则表现出良好的抗风性能；

2.2 防护措施

植物抗风性在未系统分析之前，大都根据园林工人的经验来加强树木的抗风性，主要采用设置护树架——设置对树木起支撑固定作用的护树设施的形式来增强植物抗风性，利用护树架对植物的支撑能减少树干受风作用的实际应力.这种方式主要用于新移植树木的支撑保护.移植初期，植物的根系不能在短时期内跟土壤结合得非常好，容易遭到破坏，此时的固着力很低，不足以在大风中保持树木的稳固性.

通过对植物抗风性的研究，我们知道影响植物抗风性的因素有很多种，在增强抗风性措施时可以从两个方面出发：根据不同种类植物自身抗风性差异选取性的栽种；改变影响植物抗风性因素.具体如下：

1.自身抗风性能：

1）植物种类选择，考虑到景观效果和经济性上，应尽量选择抗风性良好、深根特点的植物，如棕榈科的某些植物，不仅抗风性良好，且具有特别典型的南方风貌[18].

2）栽种位置，可以利用某些地理位置的优势进行栽种，比如周围有建筑、坡地等围成的具有保护作用的小地形里种植景观良好但不一定具备很强抗风能力的植物.

3）栽种样式，群植的栽种方式应多用，无论抗风性如何的植物，群植的情况下都比孤植抗风强，整体功能大于个体功能，要充分利用植物群落的的整体抗风性能，并且群落的景观效果也会更加丰富.另外城市其他一些面积较小的绿地，如道路边、广场的绿化，尽量以带形树池的形式而不是以单个树池的形式出现.另外也可以分层搭配设计，抗风性良好与稍差的组团设计，利用抗风性能强的植物对抗风性差但景观效果优异的植物，如红花洋紫荆，起到保护作用，达到群落的抗风性强特点；

4）植物栽植过程，多用实生苗，少用高压苗.苗木规格应适当，不能过大或过小，很多时候为了求速度，一味追究大株种植.苗木的质量应优良，不能有病虫害.另外，种植穴的大小也应按照植物生长所需尺寸严格要求，不能偷工减料挖太小，抑制了根系的生长发育，填充物也一定不能是建筑垃圾，要用松软肥沃的土壤；

2.改变抗风性因素：

1）避免选取易闹虫害的树种，如盆架子、秋枫、橡胶榕在调查的过程中，容易患虫害，即使具备一定的抗风性，但因虫害的原因导致抗风性能差，主干被掏空、根系被毁坏，在风的作用下极易出现倒伏现象，这些树种应少选择；

2）修剪维护，树冠透风性对于植物的抗风性能影响很大，事实证明，植物修剪前后抗风强弱相差很大.定期对植物进行修剪管理也是保证植物正常健康生长的一个前提，观赏性上也更加整齐干净，杯形、伞形可降低树冠受到的正面风压，修剪时，可以考虑这两种形态.植物高度方面，根据研究结果表明，对于同一种植物而言，树高值越小抗风性能越强，对于不同种植物，树高平均值越低抗风性越强，但是也有意外，比如红花洋紫荆.因此，修剪时可以考虑将植物高度进行适量控制.

3 结语和展望

我国台风多发区每年都因台风饱受折磨，台风对城市园林绿化植物的损坏尤其严重，不同于构筑物等具有坚固的结构，植物通常只能凭借自身的力量对抗风灾.尽管如此，通过长期的自然进化，依然有某些种类的植物具备了抵抗风灾的能力，能够在风灾过后只受到微小的损伤，研究者们通过走访风灾现场获取植物最真实的抗风性信息，或者通过研究影响植物抗风性能的因素的关联性，以此得出它们抗风性等级，再根据研究结果提出增强抗风性措施的建议，指导日后的城市绿化设计.

目前对植物抗风性研究范围还比较小，首先，在植物种类方面，大多只选取了城市行道树进行研究，也就是以乔木类型的植物为主，很少涉及到灌木、攀缘类植物、地被植物等等，这些植物也会根据自身的特性产生不同等级的抗风性能；另外，在选取地点上，大多只选取了城市地面绿化，事实上，城市绿化的发展已经相当多元化，不仅仅只有地面绿化，屋顶、垂直空间的绿化也比比皆是，这些位置的绿化如若被风吹落，哪怕只是小小的一截断枝，也会后患无穷，所以，针对具有一定高度和复杂环境的绿化，我们更应该有相应的抗风性研究和防患措施.

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