风倒机理研究进展

李思雯

(黑龙江省林业监测规划院，黑龙江哈尔滨150080)

风倒是森林中的常见现象，研究其机理具有理论和应用两方面的意义。在理论研究上，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］，研究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害，会造成木材产量和质量的下降。英、美等国每次灾害性风倒造成的木材损失都达数百万立方米，每年非灾害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重［7-9］，仅1996年“9615”号台风给湛江市林业带来的直接损失就达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］，才能在森林经营中采取科学的措施来减少风倒带来的损失。该文对风倒机理的研究现状进行综述，并对未来的研究提出建议。

1 风倒机理研究现状

风倒包括干折(stem breakage)和根倒(uprooting)2种，主要受林木生物力学特性、土壤支持力(root anchorage)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、树冠形状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，二者决定了树木的总抗风性。风的扰动主要受风速、风压、频率、不同林分密度和复杂地形下的风场分布影响。因此，风倒机理的研究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，需要这些学科的交叉与合作。

风倒机理的研究在国外开展较早。英国、加拿大、美国等国家对樟子松(Pinus sylvestris)、西加云杉(Picea sitchensis)、挪威云杉(Picea abies)、西铁杉(Tsuga heterophylla)等树种的风倒机理进行了深入、广泛的研究。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，获得了复杂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 MC2［16］、HWIND［17］、FORESTGALES［18］和WINDARC［19］等，它们代表了国际风倒机理研究的先进水平。其中，典型的是Peltola［13］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。Gardiner［18］研究了针叶树的树干模型，把它等效成一个逐渐变细的悬臂梁，在树高的70%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研究风倒学机理。在国内涉及风倒的研究中，李国旗等［20］根据现有公式对不同风压和高度处树木应力的分布进行了研究。陈少雄等［21-23］采用野外调查和统计方法分别研究了泡桐、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出发研究林隙的［24-26］。上述研究涉及风倒机理较少，在2000年以前国内关于风倒机理的专项研究基本属于空白。之后，开展了较多的研究，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研究［27-31］。其中宋晓鹤等［28-30］以云杉为研究对象，从不同角度研究了树木风倒的力学机理。他主要研究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研究，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情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分配问题，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。这些研究对于森林防风具有重要意义。

2 风倒机理研究存在的问题

现有的模型正确描述了风倒机理的许多方面，但受研究条件等限制在系统设计时对关键环节进行了简化，造成模型与实际情况之间的较大误差［14］。其中最主要的问题是:活立木具有生长适应能力，其生物力学特性决定了它对风的响应。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(critical windspeed)的持续风的作用下树干(乃至树冠)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变化而变化。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，它们只能预测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，也无法解释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情况出入最大的地方。国内研究［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，没有考虑树冠的形状对风倒的影响。

其他存在的问题有:①模型将树冠看成具有连续介质的伞盖式形体，把复杂的根系简化为规则几何体，未考虑其孔性。②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。③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。④模型没有考虑动力学以及静力学量在风(流场)、林木和土壤(固场)等多物理场中的耦合效应。此外，由于风倒的突发性和危险性，其过程难以记录。许多研究是在风倒后才进行，往往采集不到所需的数据，这极大限制了对风倒机理的研究并制约了风倒机理模型在生态学研究和森林经营中的应用。

3 对未来研究的建议

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，采用非线性有限元法，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。还应该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复杂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。

在研究对象上，建议今后应研究不同树种的风倒机理。目前国际上对针叶树的风倒研究较多，这与一些地区针叶树风倒严重有关。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研究。

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