时间发育互连树木系统的生物力学分析：融合连接对提升树木抗风稳定性的机制研究

本研究针对城市树木在强风下易倒伏的问题，创新性地通过树木自然融合（inosculation）构建交叉和平行连接的树木系统。通过两年生长期的现场拉拔试验和有限元模拟，发现连接系统能显著提升抗侧向荷载能力，降低局部应变和基础旋转，为生态工程和仿生结构设计提供了新思路。

　　

强风是影响城市树木动态的关键非生物因子，它不仅会造成树木机械损伤，更是树木生长的重要环境信号。尽管过度风荷载会导致树木倒伏或折断，但风诱导的机械应力也会触发树木的适应性生长（即接触形态发生）。树木与边界障碍物或邻近树木融合是一种自然适应性生长现象，这一过程帮助树木获得结构支撑或附着。例如，树木可与钢支撑结构整合以增强稳定性；森林生态系统中更常见的根嫁接现象使树木通过根系连接，实现资源交换并改善根锚固。此外，茎干融合是另一种常见现象，如柳树、垂叶榕和小叶椴等树种的茎干可相互融合，形成保持结构完整性和生长活性的互连树木系统。

然而，目前对互连树木系统的研究仍处于探索阶段，先前简化拉拔试验已初步开展，但树木互连系统的生物特性在生长过程中如何演变及其对机械性能的影响尚不明确。因此，本研究旨在通过培育交叉连接和平行连接的树木系统，与单棵树对比，评估其在生长过程中的机械性能，并假设互连树木系统能通过连接共同抵抗侧向荷载，实现荷载重新分配，从而具有更高的抗侧向能力。

研究人员在荷兰代尔夫特理工大学植物园开展了为期两年的实验，以单棵树（TS）、交叉连接树木（TCA和TCB）和平行连接树木（TPA和TPB）为研究对象。通过现场非破坏性拉拔试验模拟风荷载，结合有限元建模（FEM）分析应力分布和整体变形行为。试验测量包括应用拉力、局部变形（使用弹性计）和基础旋转（使用倾斜计），并在生长阶段I（2020年）和阶段II（2022年）重复进行以确保数据可比性。有限元模型基于树木几何测量，材料属性参考先前研究，如木材密度设为1000 kg/m3，杨氏模量通过单棵树TS的反算确定为8300 MPa。加载条件包括面内和面外拉力，以评估不同连接配置的机械响应。

几何测量显示，经过两年生长，所有树木的截面惯性矩显著增加，单棵树TS的惯性矩增长约3倍，局部应变减少8-48%，自由端位移降低约60%。拉拔试验结果表明，互连树木系统在相同荷载下应变减少、刚度增加。单棵树TS在阶段II的应变显著降低（p=0.014），斜率无显著差异（p=0.084）。平行连接树木TPA-TPB在面内加载时，连接处力传递使TPA主导荷载抵抗，但两阶段间无显著统计差异（应变p=0.162，斜率p=0.375）。交叉连接树木TCA-TCB在面内加载时，连接提供结构支撑，表现出明显支撑效应，TCB因直径较小呈现更大扭转变形；面外加载时，直接作用于连接处的荷载（MOPA-TCA-B）导致阶段II应变显著减少（p=0.041），斜率也显著降低（p=0.008）。有限元分析进一步揭示了应力集中区域，如交叉连接处和TCB的1.4米高度处为高风险失效区。

旋转行为分析表明，除交叉连接系统在面内加载外，多数案例在阶段II基础旋转减少，锚固刚度提高1-2倍。单棵树TS的锚固刚度近似翻倍；平行连接系统中TPA表现出更高锚固刚度；交叉连接系统在面外加载时锚固增强。与单棵树相比，所有连接系统变形更小，交叉连接系统在面内加载时变形显著降低，归因于连接平面内的三角稳定性。

该研究通过实验和模拟验证了自然融合连接在提升树木抗风稳定性方面的有效性。交叉连接形成三角稳定单元，增强刚性；平行连接扩大承重面积，提高冗余度。尽管统计显著性有限 due to 样本量小和生物变异性，观察趋势一致表明生长和连接改善机械性能。未来研究可结合三维点云扫描和数字图像 correlation 技术提高测量精度，并探索不同树种、连接几何和生长阶段的影响。

本研究为设计自生长结构和仿生建筑系统提供了重要见解，展示了树木互连系统在生态工程中的应用潜力，有助于发展更 resilient 的城市绿化策略。论文发表于《Trees, Forests and People》，强调了生物力学连接在可持续环境设计中的价值。