《Ecological Frontiers》：Tree biomechanics to inform public safety: A case study from Indonesia
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树体稳定性评估与支撑根效应研究：通过欧拉和Ylinen方法分析印尼公共空间中带支撑根的大型遗产树临界屈曲高度（58.9m）及安全系数（68%），揭示其形态与结构优势对抵抗风雨的增强作用。
Arief Noor Rachmadiyanto | Lina Karlinasari | Dodi Nandika | Joko Ridho Witono | Iskandar Zulkarnaen Siregar | Chris J. Thorogood
印度尼西亚茂物农业学院（IPB大学）林业与环境学院森林培育系
摘要
树木倒塌是一个国际性问题，对公共安全构成重大威胁，且由于极端天气事件而日益受到关注。树木生物力学可以提供树木倒塌概率的信息，但来自热带地区的实证数据较为匮乏。作为案例研究，我们分析了印度尼西亚公共空间中大型古树的动力学特性（安全系数）。我们使用Euler方法和Ylinen弯曲应力方法研究了树木的临界屈曲高度。本研究量化了树木的形态参数（树高、胸径、树冠直径）、稳定性（弹性模量）、临界屈曲高度以及安全系数。研究发现，带有支柱的公共空间中的大型古树比没有支柱的小型树木具有更高的树高和更大的树形尺寸，以及更重的树干和树冠重量。这些树木对外部压力具有很高的稳定性。支柱的存在保护树木免受雨水和风力的影响，使得大型古树（58.9米）和带支柱的古树（58.8米）的临界屈曲高度高于小型树木（33.5米）和无支柱树木（42.6米），安全系数高出68%。我们提出了一些建议，以指导公共空间中树木的选择和管理，从而（i）提升城市规划的福祉和生物多样性，（ii）确保公共安全。
引言
公共安全与保护大型古树之间存在矛盾[1]。城市社区认识到树木在提升居住质量方面的作用，对人们的身体和心理健康有着积极影响[2,3]。实际上，树木提供了多种环境、美学、气候、社会和经济效益。环境效益包括为城市动植物提供栖息地、滞留雨水以及捕获空气中的颗粒物和温室气体[[3], [4], [5]]。植物园是树木的主要景观特征之一[6,7]。在印度尼西亚，植物园对于保护、研究、教育和环境服务至关重要[[8], [9], [10]]。由于每年有数百万人参观植物园，确保这些场所的公共安全至关重要。此外，这些“活实验室”的研究成果可以应用于公园和其他城市绿地。
最近的研究表明，树木倒塌的可能性和影响正在增加。树木倒塌的可能性与多种生物力学和物理因素有关[11]。树木生物力学是一个研究树木物理结构与力学原理之间关系的领域，旨在分析树木的生长[12]。从根本上说，这一领域将树木视为机械结构[13]。人们已经对树木采取了各种处理措施，包括修剪或移除树枝以减少风力损伤[14]。研究人员广泛研究了树木对风力的动态响应[15,16]，以及修剪对风荷载的影响[17,18]。生物力学的一个关键焦点是理解树木倒塌的概率，这对公共安全具有重要意义。树木倒塌的可能性取决于两个因素：（i）作用在树木上的负荷；（ii）树木的承载能力。当负荷超过树木的承载能力时，树木或其部分可能会倒塌[19]。通过研究树木生物力学，可以量化并减轻与树木相关的危险和风险[20]。形态参数，包括树木的大小和物理性能（树高、树干直径和树冠形状）是生物力学分析的重要组成部分[21]。树木的物理健康状况也会影响其整个生命周期内的机械稳定性或抵御风力的能力。
对树木稳定性的视觉评估至关重要。树木内部的稳定性受其形状和木材性质的影响[22]。当树木不稳定时，其树枝或树干会断裂并倒下[23]。因此，测量树木尺寸是否足以承受内部和外部影响所带来的负荷非常重要[24]。研究表明，树木的最大可能高度与其稳定性一致，这可以建模为垂直的树干结构[[25], [26], [27]]。这个最大高度被称为临界屈曲高度，定义为树木在发生屈曲之前的最大高度与实际树高的比值[25,28]。临界屈曲高度可以通过多种方法计算得出，包括Euler方法和Ylinen弯曲应力方法、Greenhill屈曲方法和改进的Greenhill屈曲方法。在这些方法中，Euler方法和Ylinen弯曲应力方法应用于树木时最为可靠。计算结果的最终形式是安全系数（Sf），即实际树高（H）与临界屈曲高度（Hcr）的比值。安全系数分为不安全（Sf < 1.00）、安全（1.00 < Sf < 1.645）和非常安全（1.645 < Sf）[24]。在这里，我们分析了印度尼西亚公共空间中大型古树的动力学特性（即安全系数），以期为热带地区的公共空间树木管理提供参考。
实验设计
研究在印度尼西亚西爪哇省茂物市的茂物植物园（BBG）进行，该植物园位于东经106°47′40″–106°48′18″，南纬6°35′32″–6°36′13″，海拔高度为231–270米（图1）。选择这个地点是因为这里有许多大型古树，每年接待约100万游客。研究时间为2022年1月至2022年10月。数据分析在基础整合实验室完成。
目标树木的形态参数
我们发现目标树木之间存在显著的形态差异（见表2）。带有支柱的大型古树比没有支柱的小型树木具有更高的树高和更大的树形尺寸。最高的 target 树是 Shorea leprosula，高度为52米，树冠直径为36.4米。这棵树已有156年的树龄，其体型对周围生态系统有显著影响，尤其是在光照和水分供应方面[39]。
树冠直径较大的树木可以...
结论
树木的形态和生物力学对其安全性有着深远的影响，这对城市规划和风险管理具有重要意义。带有支柱的大型古树比没有支柱的小型树木具有更高的树高和更大的树形尺寸，以及更重的树干和树冠重量。支柱的存在保护了这些大型古树免受雨水和风力的影响，使得大型古树（58.9米）和带支柱的古树（58.8米）的临界屈曲高度高于小型树木（33.5米）和无支柱树木（42.6米），安全系数高出68%。
作者贡献声明
Arief Noor Rachmadiyanto：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论设计，概念化。
Lina Karlinasari：撰写 – 审稿与编辑，数据调查，概念化。
Dodi Nandika：撰写 – 审稿与编辑，数据验证，方法论设计。
Joko Ridho Witono：撰写 – 审稿与编辑，结果可视化，数据验证。
Iskandar Zulkarnaen Siregar：撰写 – 审稿与编辑，研究监督。
Chris J. Thorogood：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。Rachmadiyanto报告称，研究所需的资金支持、设备、药品或物资由国家研究与创新机构提供。
