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在城市中，树木抗拔倒能力关乎城市安全与环境韧性。研究人员开展 “树木根系架构大变形数值参数分析及抗拔倒评估简化方法开发” 研究。结果表明不同根系失效模式有 “笼效应” ，并提出简化评估法。这为城市树木抗拔倒评估提供新途径。
在全球气候变化的大背景下，极端天气愈发频繁。对于众多沿海城市而言，强台风的侵袭成为城市环境面临的重大挑战。就拿香港来说，2018 年超强台风 “山竹” 来袭，超过 60000 棵树木被吹倒，不仅对建筑物造成直接破坏，还严重影响了城市的交通和电力供应系统。这一现象背后，树木的抗拔倒能力至关重要，它与树木根系系统架构（RSA）密切相关。然而，树木的 RSA 复杂多样且深埋地下，难以直接观测。传统的数值模拟方法虽然能在一定程度上研究根系与土壤的相互作用，但对每一棵城市树木的地下 RSA 进行精确建模，在时间和资源上都难以实现。因此，开发一种高效的树木抗拔倒能力评估方法迫在眉睫。
来自香港城市大学和香港科技大学的研究人员针对这一问题展开研究。他们通过一系列研究，揭示了不同类型 RSA 的根系锚固机制，并提出了一种简化方法来高效评估树木的抗拔倒能力。该研究成果发表在《Plant and Soil》上，为城市树木稳定性评估提供了重要的理论支持和实践指导。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是采用经验证的桁架嵌入材料点模型（MPM） ，该模型结合了 MPM 模拟土壤行为和桁架单元模拟根系的优势，能够有效模拟不同 RSA 的大变形拔起过程；二是进行数值参数研究，通过生成 90 个具有不同根系结构参数的 RSA，探索 RSA 与抗拔倒阻力之间的统计关系。
下面来看具体的研究结果：
- 不同类型 RSA 的抗拔倒阻力：研究人员利用混合 MPM 模型模拟了四种复杂多阶根系（分别代表四种 RSA 类型）的拔起过程。结果显示，心形根系提供的抗拔倒阻力最大（8.38 kN），板状根系最小（3.41 kN），锥形根系（3.98 kN）介于两者之间且略大于板状根系，沉水根系能提供 5.73 kN 的抗拔倒阻力，排名第二。
- 不同类型 RSA 的拔起失效模式：模拟结果表明，四种根系在拔起过程中都呈现出明显的 “笼效应”，即根系与土壤的混合物整体从地面被拔起，而不是根系单独拔出。这意味着根系与周围土壤之间存在高度的嵌固作用，失效面位于 RSA 的外围包络面，而非单个根系与土壤的界面。
- 根系锚固机制：基于观察到的失效模式，研究发现树木的抗拔倒阻力通常来源于两个方面：一是被拔起根系包络面处调动的土壤强度，二是 “根笼” 捕获的土壤重量。不同 RSA 的抗拔倒阻力可以通过这两个因素来解释。例如，心形和沉水根系在拔起时能产生较大的土壤剪切带面积，同时携带大量土壤，因此抗拔倒阻力较大；锥形根系虽然携带的土壤较少，但因其扎根深，能调动深层较高剪切强度的土壤；板状根系虽位于浅层土壤，土壤剪切强度小，但能携带大量土壤，从而也具有一定的抗拔倒能力。此外，研究还发现高阶细根对 “笼效应” 贡献显著，在数值模拟中不能被忽视。
- RSA 包络面在评估树木抗拔倒阻力中的作用：研究表明，由于 “笼效应” 的存在，RSA 包络面在确定树木抗拔倒阻力方面比精确描述复杂的 RSA 更为重要。通过 RSA 包络面的特征（如表面积、高度和体积）可以大致判断树木的抗拔倒阻力。例如，心形和沉水根系的包络面具有较大的体积和表面积，因此抗拔倒阻力较大；锥形根系包络面细长，其抗拔倒阻力主要来自深层土壤的强度；板状根系包络面矮胖，抗拔倒阻力主要归因于浅层被拔起的根土重量。
- 简化评估树木抗拔倒阻力的方法：研究人员通过对 90 个不同 RSA 的模拟，揭示了 RSA 包络面与抗拔倒阻力之间的定量关系，并提出了一个公式。当已知根系属性、土壤属性和 RSA 包络面的尺寸时，可利用该公式快速评估树木的抗拔倒阻力，而无需进行复杂的 MPM 模拟。此外，研究还引入了 “笼效应指数（Ic）” 来量化 “笼效应”，并发现根长密度（RLD）可用于估计Ic。通过这种方式，建立了 RLD、Ic和树木抗拔倒阻力之间的关系，简化了评估过程。
研究结论和讨论部分指出，本研究通过数值参数研究，成功开发了一种简化方法来高效评估树木的抗拔倒阻力。不同类型根系在大变形 MPM 模拟中的失效模式都显示出 “笼效应” ，基于此提出的Ic有效量化了 “笼效应”，并用于评估树木抗拔倒阻力。同时，研究发现大量小直径根系对 “根笼” 的形成有重要贡献，因此采用 RLD 来估计Ic ，建立了简化评估方法。该简化方法在与 MPM 模拟结果的对比中展现出良好的有效性，当知道根系、土壤属性以及 RSA 包络面尺寸时，可方便地通过公式计算抗拔倒阻力。
不过，该研究也存在一定的局限性。例如，研究未考虑直径小于 1 - 2 mm 的细根（非结构根）对树木抗拔倒阻力的影响，未来需要进行多尺度建模来综合考虑大直径粗根和小直径细根的双重贡献。此外，本研究仅模拟了树木的垂直拔起，而实际中树木在风力作用下的失效模式是倾覆，其机制更为复杂。虽然垂直抗拔倒阻力可在一定程度上反映树木抗风倒的能力，但直接评估树木的倾覆阻力至关重要。未来研究需要将梁单元集成到 MPM 框架中，以进行树木倾覆的大变形模拟，不过这仍是一个重大挑战。尽管如此，本研究利用 “笼效应” 开发简化方法的思路，有望在未来扩展到树木倾覆的研究中。总体而言，该研究为城市树木抗拔倒能力的评估提供了创新的方法和理论基础，对城市绿化建设和灾害预防具有重要的意义。
