基于静态拉拔（static winching）法测定落羽杉（Taxodium distichum）与桂叶栎（Quercus laurifolia）的抗风稳定性

《Canadian Journal of Forest Research》：Measuring stability of baldcypress and laurel oak with static winching

　　

研究人员评估了美国东南部两种沿海树种——落羽杉（Baldcypress, Taxodium distichum (L.) Rich）和桂叶栎（laurel oak, Quercus laurifolia Michx.），在模拟风荷载下的结构响应，这两种树种在飓风中倒伏率（windthrow）存在显著差异。通过静态拉拔研究（static winching study），研究人员对各30株桂叶栎和落羽杉进行试验，量化导致其结构失效所需的临界转动力矩（critical turning moment, Mcrit）。结果显示，落羽杉更易折断（snap）而非连根拔起（uproot），桂叶栎则相反。基于生物量（biomass）比较时落羽杉的Mcrit高于桂叶栎，而以胸径（diameter at breast height, DBH）及其他尺寸替代指标比较时两者相近，Mcrit范围为10.9～43.9 kN·m。纳入树冠尺寸与形状建立的模型表明，较小径级的落羽杉在失效前可承受比桂叶栎更高的风速。与桂叶栎不同，许多小径级落羽杉具有极高柔韧性（flexibility），会弯曲贴地而不发生破坏。考虑到未来飓风风力增强的情景，研究人员认为落羽杉仍将保持较强抗风性，其提供的生态系统服务与功能应得以维持。反之，桂叶栎虽在大径级时与落羽杉稳定性相当，但小径级更易发生风倒，因此其在建成环境中的种植配置需谨慎评估。

本研究发表于《Canadian Journal of Forest Research》。

研究背景与目的

风倒（windthrow，含连根拔起uprooting或树干折断snapping）研究对景观规划及基础设施防护具有重要意义，尤其在飓风频发沿海区域。不同树种对风应力响应各异，已有静态拉拔（winching）研究多用于林业估测木材损失，但树木嵌入城市与湿地生态系统中，明确其抗风稳固性（windfirmness）对减轻极端天气下的财产损失及预测生态系统对未来风暴频次的韧性至关重要。落羽杉（Taxodium distichum）为东南部淡水沼泽优势种，具板根（buttressed bole）、呼吸根（knees）及根系互联特征；桂叶栎（Quercus laurifolia）为常见海岸硬阔叶树且常植于郊野庭院。1989年Hugo飓风后现场调查显示落羽杉倒伏率远低于桂叶栎，提示两物种分处抗飓风谱系两端，但尚无研究对二者行定量静态拉拔测试。为此，研究人员假设落羽杉达到临界转动力矩（critical turning moment, M_crit）所需扭矩大于桂叶栎，通过静态拉拔试验测定M_crit并换算临界风速（critical wind speed, W_crit），建立基于胸径（DBH）的物种特异性回归方程以评估抗风性。

主要技术方法

研究人员于美国南卡罗来纳州乔治敦东侧7个样点选取无显著缺陷的落羽杉与桂叶栎各30株，DBH 10～47.9 cm。采用静态拉拔装置，将牵引带固定于树高约1/3处，通过12000磅机械绞盘施力，以Crosby SP Radiolink Plus测力传感器（load cell）记录最大拉力，树身安装加速度计（accelerometer）测定临界倾角（critical tilt, θ₁），结合锚树与样树间水平距、高差、拉点高度等几何参数计算水平分力与力臂，M_crit=M_applied+M_self（施加转动力矩+自重引力矩）。另采伐部分样本测定干、枝鲜重与体积，建立异速生长方程估算生物量与重心位置。冠表面积按树冠形态以等腰三角形（落羽杉）或双直角三角形（桂叶栎）近似计算，取拖曳系数（drag coefficient, C_D）=0.3、空气密度ρ=1.2 kg/m3，由M_crit/h_adj得等效风荷载F_W，代入风荷载公式反解临界风速W_crit。统计学分析含M_crit及各尺寸替代指标（生物量、树高、DBH、DBH2、DBH3、DBH×树高、lnDBH）的回归比较、失效模式与M_crit关系检验等。

研究结果

Mode of failure（失效模式）

桂叶栎主要失效模式为连根拔起（uproot），仅1株混合失效；落羽杉仅2株连根拔起，53%折断（其中6株为弯折超60°后折断，即bend?snap），40%仅为弯曲至近水平而未破坏（bent）。表明落羽杉根系因板根与呼吸根锚固强，弱点在干基上方折断；桂叶栎根系为薄弱点易整体倾覆。

Critical turning moment（临界转动力矩M_crit）

M_crit随各尺寸指标增大而升高。以生物量为自变量时两物种M_crit?生物量回归斜率（c_reg）不同（落羽杉c_reg=0.1924，桂叶栎c_reg=0.136，p<0.0001），表明同等生物量下落羽杉需更大扭矩才会失效；以DBH及其二次项拟合时两物种无显著种间差异（交互作用p=0.795），M_crit=a+b·DBH+c·DBH2（落羽杉R2=0.918，桂叶栎R2=0.963），M_crit实测值范围10.9～43.9 kN·m。落羽杉中小径级更易表现为弯曲而非破坏，但失效模式不影响M_crit?DBH或M_crit?生物量关系（p>0.05）。

Critical wind speed（临界风速W_crit）

DBH<22 cm时落羽杉W_crit高于桂叶栎（因落羽杉冠窄多孔、受风面积小、质心低且小径级柔韧性高可随风弯曲减荷）；DBH>~22 cm两物种W_crit重叠。W_crit?DBH回归：桂叶栎W_crit=46.4?0.87·DBH+0.028·DBH2（R2=0.51），落羽杉W_crit=91.8?3.39·DBH+0.065·DBH2（R2=0.27），后者呈U形——小径级因高柔韧性与小冠面W_crit高，中径级（≈27 cm DBH）最低，大径级随板根发育再升。桂叶栎冠表面积随DBH增长快于落羽杉，大径级冠面更大但W_crit相当。

讨论与结论总结

两树种M_crit随尺寸增大而增，仅以生物量标准化时落羽杉单位生物量抗力矩显著高于桂叶栎，反映其板根与呼吸根增强锚固。落羽杉M_crit/生物量回归斜率（c_reg=192）居已报树种高位，接近具板根亚马孙树种；桂叶栎c_reg=136与长叶松相当但低于多数具板根阔叶树。失效模式差异印证落羽杉根系稳固而干基易折，桂叶栎根系为薄弱环节。40%落羽杉小径级仅弯曲不断裂，此柔性（flexibility）可耗散风载，是其飓风低损率的力学解释。需注意静态拉拔得W_crit为树身施力点等效风速，气象报道风速通常于10 m高或冠层上测得且受边界层衰减影响，实际致倒报道风速更高；此外树木在动态风中冠层流线化（streamlining）减阻未被模拟。综合结果：落羽杉在未来更强飓风下仍具抗风韧性，作为淡水森林湿地关键种其生态功能可维持；桂叶栎小径级抗风差、易风倒，在城市建成环境种植须审慎考量立地土壤、冠层修整及株距（建议距建构筑物>树高），大径级时与落羽杉抗风相当。本数据可耦合ForestGALES或Hwind等风倒模型提升沿海湿地与城市树种配置的风灾风险评估精度。