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风倒机理研究进展 摘要 风倒是森林中的常见现象，对森林生态系统具有很大的影响，探讨其机理具有理论和应用两方面的意义。 该文对国内外现有风倒的机理性探讨工作进行了综述，对存在的问题进行了分析。最终提出了将生物学和动力学相结合的生物动力学机理探讨方法，并建议针对不同树种开展相应的探讨，以期更好地揭示风倒的机理，为爱护森林服务。 关键词 风倒；机理；干扰 中图分类号 S750 文献标识码 A 文章编号 0517-661132-279-02 Abstract Windthrow is a common disturbance in forest and can cause great damage to forest ecosystems. It has important implications both for theoretical study and practical application to study the mechanism of windthrow. The current studies of windthrow mechanism were reviewed here， which reveals problems needing further research in the area. A suggestion that uses methods combining biological and dynamics means to explore windthrow mechanism of more tree species was put forward here aiming to better explain the mechanism and to better protect forest. Key words Windthrow； Mechanism； Disturbance 风倒是森林中的常见现象，探讨其机理具有理论和应用两方面的意义。在理论探讨上，风是一个生态因子，风倒是林隙的主要成因，林隙对森林动态有重要的影响1-4，探讨风倒机理有助于揭示林隙动态规律及其生态学影响5。在实际应用中，风倒是森林中多发的灾难，会造成木材产量和质量的下降。英、美等国每次灾难性风倒造成的木材损失都达数一百零一万立方米，每年非灾难性风倒造成的木材减产均在15%以上6。目前我国全国风倒造成的损失也很严峻7-9，仅11016年“9615”号台风给湛江市林业带来的干脆损失就达21.1亿元10。只有弄清风倒机理，建立相关模型，建立科学的风倒风险评估体系11，才能在森林经营中实行科学的措施来削减风倒带来的损失。该文对风倒机理的探讨现状进行综述，并对将来的探讨提出建议。 1 风倒机理探讨现状 风倒包括干折和根倒2种，主要受林木生物力学特性、土壤支持力和风的扰动3个因素影响12。其中，林木的生物力学特性与立木年龄、树干强度、干型、树冠形态和大小及树木健康状况等因素有关；土壤支持力受土壤剪切强度、含水率、树木根系深度、宽度和重量等影响，二者确定了树木的总抗风性。风的扰动主要受风速、风压、频率、不同林分密度和困难地形下的风场分布影响。因此，风倒机理的探讨涉及力学中的固体力学、流体力学、土力学和林学中的森林生态学、森林土壤学、森林培育学、森林气象学、森林病理学等多个学科，须要这些学科的交叉与合作。 风倒机理的探讨在国外开展较早。英国、加拿大、美国等国家对樟子松、西加云杉、挪威云杉、西铁杉等树种的风倒机理进行了深化、广泛的探讨。通过动力学理论推导，结合野外试验中林木和土壤力学参数的测定、地形数字高程模型和实物模型风洞试验，获得了困难地形下和不同林分密度时的风场分布，建立了一系列力学方程来描述林木的抗风性13-15，对风倒的力学机理进行了阐述，形成若干林木风倒机理模型，如MC216、HWIND17 、FORESTGALES18和WINDARC19等，它们代表了国际风倒机理探讨的先进水平。其中，典型的是Peltola13 将樟子松简化成一个地上的简支梁，分析了树木在持续稳定风载作用下的稳定性，然后计算能够将树吹倒的风速。Gardiner18 探讨了针叶树的树干模型，把它等效成一个渐渐变细的悬臂梁，在树高的73%处加一个质量体，对系统进行了动力学分析，获得系统的自然频率、平均和波动位移。 我国目前还没有系统的探讨风倒学机理。在国内涉及风倒的探讨中，李国旗等20依据现有公式对不同风压和高度处树木应力的分布进行了探讨。陈少雄等21-23采纳野外调查和统计方法分别探讨了泡桐、桉树、木麻黄等树种的抗风性与个体特征、林分特征之间的关系。其他基本是从生态学角度动身探讨林隙的24-26。上述探讨涉及风倒机理较少，在2000年以前国内关于风倒机理的专项探讨基本属于空白。之后，开展了较多的探讨，主要是利用国外模型，对国内一些树种，主要是对东北的云杉进行了探讨27-31。其中宋晓鹤等28-30以云杉为探讨对象，从不同角度探讨了树木风倒的力学机理。他主要探讨了云杉的风倒静力学特性，测定了相应的力学性能参数，建立了该树种的风倒静力学模型。王琳29将云杉树干看作横截面随高度呈幂函数的弹性杆，一端固定，一端自由并连有质量团，分析了该弹性杆树干的振动特性。赖秋明30基于经典梁振动理论和Ansys有限元法对云杉风倒动力学问题进行探讨，得到了云杉模型的固有频率和各阶模态，分析了影响云杉模型固有频率的几个因子，建立了该树种的风倒动力学模型。贾杰等31在此基础上，将林木进一步简化成一根无质量弹性杆连结，给出林木的动态微分方程以及模型边界条件，考虑了树干底部弯矩和风力的关系，建立了无阻尼和有阻尼状况下林木风倒的简化动态模型。此外，贾杰等27利用 Von-Karman 风谱模型，在频率域内分析了悬铃木风倒的机理，通过对力谱、基础弯矩谱的理论推导，给出阵风频率的能量安排问题，从而获得相关的参数变量，尤其是振动弯矩极值，并指出当这个极值超过茎和根系所能承受的弯矩时，风倒便会发生。这些探讨对于森林防风具有重要意义。 2 风倒机理探讨存在的问题 现有的模型正确描述了风倒机理的很多方面，但受探讨条件等限制在系统设计时对关键环节进行了简化，造成模型与实际状况之间的较大误差14。其中最主要的问题是：活立木具有生长适应实力，其生物力学特性确定了它对风的响应。这种生物力学响应既有弹性形变，又不完全等同。在低于临界风速的持续风的作用下树干会发生形变积累，而不是如现有模型中所描述的重新回到直立平衡位置。活立木在风倒时不仅发生脆性断裂，还会出现塑性形变，而且这2种过程的比例和作用随立木年龄改变而改变。以前的一些模型把树干作为非生物弹性体、将风倒过程仅按脆性断裂处理而未考虑活立木的生物力学特性。因此，它们只能预料超过固定临界风速时发生的风倒，而不能揭示活立木生物特性对风倒过程的影响，也无法说明树木在较低风速时发生的风倒和形变积累对临界风速的影响。这是现有模型与实际状况出入最大的地方。国内探讨28-30对这方面进行了改进，将树干看作是弹性杆，但其模型过于简化，没有考虑树冠的形态对风倒的影响。 其他存在的问题有：模型将树冠看成具有连续介质的伞盖式形体，把困难的根系简化为规则几何体，未考虑其孔性。模型在计算土壤对林木地上部分的支持时，仅通过林木地上与地下的质量比来估测，并未充分考虑土壤的力学特征。模型虽然考虑了林木个体的固有频率、阻尼系数等动力学量，但未考虑林木间共振对风倒在林分中的传播效应。模型没有考虑动力学以及静力学量在风、林木和土壤等多物理场中的耦合效应。 此外，由于风倒的突发性和危急性，其过程难以记录。很多探讨是在风倒后才进行，往往采集不到所需的数据，这极大限制了对风倒机理的探讨并制约了风倒机理模型在生态学探讨和森林经营中的应用。 3 对将来探讨的建议 在方法上，建议进一步开展多学科的交叉，将动力学原理和林木生物学、生态学特性结合，采纳非线性有限元法，完善树冠、树根的多孔弹性介质三维模型。合理简化树干模型，可以把树干作为生物弹性体处理，模拟自然风对树干造成的弯曲变形累积、确定不同弯曲下的临界风速和年龄对风倒中塑变和脆裂过程的影响。还应当加强与试验资料的结合，利用土力学计算根系中应力与阻力弯矩间的定量关系，通过野外现场力学试验和风洞试验对困难地形下的风场分布和力学方程参数化，最终揭示多物理场耦合的风倒的非线性生物动力学机理。这种思路是一种生物动力学机理思想，可以在现有单纯动力学基础上更好地揭示风倒的机理。 在探讨对象上，建议今后应探讨不同树种的风倒机理。目前国际上对针叶树的风倒探讨较多，这与一些地区针叶树风倒严峻有关。但在一些地方，阔叶树风倒也时有发生，今后应加强阔叶树风倒机理的探讨。 参考文献 1于振良，赵士洞.林隙模型探讨进展J.生态学杂志，11016，16：42-46. 2臧润国，徐化成.林隙干扰探讨进展J.林业科学，19101，34：90-101. 3臧润国.林隙更新动态探讨进展J.生态学杂志，19101，17：50-58. 4SCHAETZL R J，BURN S F，JOHNSON D L，et al.Tree uprooting：Review of impacts on forest ecologyJ.Vegetatio，11019，74：132-145. 5ULANOVA N G.The effects of windthrow on forests at different spatial scales：A reviewJ.Forest ccology and management，2000，135：155-167. 6MOORE J，QUINE C P.A comparison of the relative risk of wind damage to planted forests in Border Forest Park，Great Britain，and Central North Island，New ZealandJ.Forest ecology and management，2000，135：345-353. 7陈少雄，杨民胜，王理平.尾叶桉造林密度与蓄积量、抗风和材性关系探讨J.林业科学探讨，19101，11：435-438. 8王玉岱，朱爱萍，陈建华，等.台风对泰安市绿化树木危害状况调查J.山东林业科技，19101：45-47. 9刘震，刘岩.大兴安岭林区伐区风倒风折缘由探讨J.林业勘察设计，2022：38-40. 10陈绶柱，岑奋， 吴泽鹏.沿海沙岸防风固沙木麻黄试验示范林抗御台风分析J.广东林业科技，11019，15：26-30. 11GARDINER B A，QUINE C P.Management of forests to reduce the risk of abiotic damagea review with particular reference to the effects of strong windsJ.Forest Ecology and management，2000，135：261-277. 12SCHAETZL R J，JOHNSON D L，BURNS S F，et al.Tree uprooting：Review of terminology，process，and environmental implicationsJ.Canadian journal of forest research，11019，19：1-11. 13PELTOLA H，KELLOMAKI S.A mechanistic model fore calculating windthrow and stem breakage at stand edgeJ.Silva Fenn，11013，27：101-111. 14RUEL J C，PIN D，SPACE L，et al.The estimation of wind exposure for windthrow hazard rating：Comparison between Strongblow，MC2，Topex and a wind tunnel studyJ.Forestry，19101，73：254-266. 15ENGLAND A H，BAKER D J，SAUNDERSON S T.A dynamic analysis of windthrow of treesJ.Forestry，2000，73：225-237. 16BENOIT R，BESGAGN M，PELLERIN P，et al.The Canadian MC2：A semiLagrangian，semiimplicit wideband atmospheric model suited for finescale process studies and simulationJ.Mon Wea Rev，19101，125：2382-2415. 17PELTOLA H，KELLOMAKI H，IKONEN V P.A mechanistic model for assessing the risk of wind and snow damage to single trees and stands of Scots pine，Norway spruce，and birchJ.Canadian journal of forest research，11019，29：647-661. 18GARDINER B A，PELTOLA H，KELLOMAKI S.The development and testing of models for predicting the critical wind speed to damage treesJ.Ecological modeling，11019，119：110-123. 19LEKES V，DANDUL I.Using airflow modeling and spatial analysis for defining winddamage risk classificationJ.Forest ecology and management，2000，135：331-344. 20李国旗，安树青，张纪林，等.海岸带防护林4种树木的风压应力分析J.南京林业高校学报，11019，23：76-80. 21陈少雄，王观明，罗建中.桉树幼苗不同株行距配置抗台风效果的探讨J.林业科学探讨，11015，8：582-585. 22施士争，倪善庆，周友仁，等.泡桐树冠结构与抗风性探讨J.江苏林业科技，11016，23：6-9，18. 23陈士银.木麻黄不同株行距配置抗台风效果J.广东林业科技，19101，13：44-46. 24国庆喜，葛剑平，马承慧，等.长白山红松混交林林隙状况与更新探讨J.东北林业高校学报，19101，26：4-7. 25臧润国，徐化成，高文韬.红松阔叶林主要树种对林隙大小及其发育阶段更新反应规律的探讨J.林业科学，11019，35：2-9. 26代力民，徐振邦，杨丽韫.红松阔叶林倒木贮量动态的探讨J.应用生态学报，11019：513-517. 27贾杰，李洪峰，李静辉.基于VonKarman谱的独立林木风倒机理的频率域分析J.东北林业高校学报，2022，41：165-169. 28宋晓鹤.云杉风倒静力学模型的建立及其分析D.哈尔滨：哈尔滨工业高校，2022. 29王琳.云杉风倒动力学模型的建立与分析D.哈尔滨：哈尔滨工业高校，2022. 30赖秋明.云杉风倒动力学问题的探讨D.哈尔滨：哈尔滨工业高校，2022. 31贾杰，李静辉.林木风倒动态模型的建立与分析J.森林工程，2022 29：63-67. 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页