融合树皮生态学与茎流流体动力学的智慧绿色基础设施研究

本研究针对城市绿色基础设施(GI)设计中树皮生态功能量化不足的问题，通过建立基于质量守恒、动量守恒和标量守恒方程的茎流流体动力学模型，首次将树皮作为调节器(modulator)和培育器(cultivator)的物理机制数学化。研究揭示了不同树皮形态(平滑/粗糙)对水-溶质-颗粒物-微生物传输的调控规律，为优化可持续城市发展目标(SDG 11/15)的生态系统服务提供了理论框架。

　　

在城市森林与绿色基础设施建设中，树皮长期被视为树木的"盔甲"，但其作为水-物质传输界面和微型生态系统载体的双重功能长期被低估。随着城市化进程加速，如何通过基于自然的解决方案(NBS)实现联合国可持续发展目标(SDG 11:可持续城市和社区、SDG 15:陆地生物)成为全球性挑战。传统绿色基础设施设计往往忽视树皮形态对水文过程和生态功能的调控作用，导致城市树木的生态系统服务潜力未能充分释放。

针对这一科学盲区，研究人员开展了一项跨学科研究，通过融合树皮生态学与茎流(stemflow)流体动力学，首次建立了描述水-溶质-颗粒物-微生物在树干表面传输过程的物理模型。研究团队构建了基于三大守恒定律的数学框架：质量守恒方程(?h/?t + ?q/?x = -S_w - E)、动量守恒方程(包含重力、摩擦坡度S_f和表面张力项)以及标量质量守恒方程。通过引入渗透率(sorptivity S_p)、Peclet数(Pe=Uh/D_m)等无量纲参数，量化了平滑树皮(如美国水青冈Fagus grandifolia)与粗糙树皮(如北美鹅掌楸Liriodendron tulipifera)在茎流动力学上的本质差异。

关键技术方法包括：(1)基于激光诱导荧光技术的茎流薄膜厚度空间测量；(2)树皮形态参数化体系(沟槽深度/宽度、吸附性)；(3)结合Philip渗透理论和Saint-Venant方程的耦合模型；(4)基于Young-Laplace方程的毛细作用力计算；(5)通过eDNA技术分析茎流传输的微生物群落。

研究结果揭示：

1. 茎流流体动力学基础
   建立包含表面张力修正项的垂直流动量方程，发现平滑树皮茎流符合Nusselt深度理论(h∝q^1/3)，而粗糙树皮因毛细作用形成局部水囊，接触时间延长10-100倍。

2. 树皮作为调节器
   平滑树皮产生更大茎流通量(单株30cm胸径树达100m²表面积)，但溶质浓度较低；粗糙树皮通过沟槽结构实现"色谱效应"，对中分子量多环芳烃(PAHs)的截留效率提升40%。

3. 树皮作为培育器
   树皮微地形(ridge/furrow)形成pH梯度(ΔpH可达1.5)，导致中性糖类等营养物质在沟槽中的富集，支撑了特异性微生物群落(如树皮虱偏好沟槽生境)。eDNA分析显示粗糙树皮表面细菌系统型(phylotype)丰富度比平滑树皮高35%。

4. 绿色基础设施应用
   提出树皮形态选择矩阵：平滑树皮适合雨水管理(72棵30cm胸径树茎流可覆盖标准足球场)，粗糙树皮更利于空气污染物(PM_2.5吸附量增加60%)和生物多样性维持。模型预测纳入茎流动力学后，i-Tree对暴雨期间污染物峰值浓度估算精度可提高25%。

这项发表于《Ecological Indicators》的研究，通过物理机制解析了树皮"形态-功能"关系，为精准设计城市绿色基础设施提供了量化工具。研究首次证明树皮微拓扑结构可通过调制茎流动力学影响SDG 11/15的23项具体指标，包括：减少15-30%雨水径流、提升空气污染物截留效率、增加35%树栖生物多样性。该框架的推广应用将推动绿色基础设施从"经验设计"向"预测设计"的范式转变，对实现智慧城市和生态可持续发展具有里程碑意义。