李思雯

(黑龍江省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院，黑龍江哈爾濱150080)

風(fēng)倒是森林中的常見(jiàn)現(xiàn)象，研究其機(jī)理具有理論和應(yīng)用兩方面的意義。在理論研究上，風(fēng)是一個(gè)生態(tài)因子，風(fēng)倒是林隙的主要成因，林隙對(duì)森林動(dòng)態(tài)有重要的影響［1-4］，研究風(fēng)倒機(jī)理有助于揭示林隙動(dòng)態(tài)規(guī)律及其生態(tài)學(xué)影響［5］。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)倒是森林中多發(fā)的災(zāi)害，會(huì)造成木材產(chǎn)量和質(zhì)量的下降。英、美等國(guó)每次災(zāi)害性風(fēng)倒造成的木材損失都達(dá)數(shù)百萬(wàn)立方米，每年非災(zāi)害性風(fēng)倒造成的木材減產(chǎn)均在15%以上［6］。目前我國(guó)全國(guó)風(fēng)倒造成的損失也很?chē)?yán)重［7-9］，僅1996年“9615”號(hào)臺(tái)風(fēng)給湛江市林業(yè)帶來(lái)的直接損失就達(dá)21．1億元［10］。只有弄清風(fēng)倒機(jī)理，建立相關(guān)模型，建立科學(xué)的風(fēng)倒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系［11］，才能在森林經(jīng)營(yíng)中采取科學(xué)的措施來(lái)減少風(fēng)倒帶來(lái)的損失。該文對(duì)風(fēng)倒機(jī)理的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)的研究提出建議。

1 風(fēng)倒機(jī)理研究現(xiàn)狀

風(fēng)倒包括干折(stem breakage)和根倒(uprooting)2種，主要受林木生物力學(xué)特性、土壤支持力(root anchorage)和風(fēng)的擾動(dòng)3個(gè)因素影響［12］。其中，林木的生物力學(xué)特性與立木年齡、樹(shù)干強(qiáng)度、干型、樹(shù)冠形狀和大小及樹(shù)木健康狀況等因素有關(guān);土壤支持力受土壤剪切強(qiáng)度、含水率、樹(shù)木根系深度、寬度和重量等影響，二者決定了樹(shù)木的總抗風(fēng)性。風(fēng)的擾動(dòng)主要受風(fēng)速、風(fēng)壓、頻率、不同林分密度和復(fù)雜地形下的風(fēng)場(chǎng)分布影響。因此，風(fēng)倒機(jī)理的研究涉及力學(xué)中的固體力學(xué)、流體力學(xué)、土力學(xué)和林學(xué)中的森林生態(tài)學(xué)、森林土壤學(xué)、森林培育學(xué)、森林氣象學(xué)、森林病理學(xué)等多個(gè)學(xué)科，需要這些學(xué)科的交叉與合作。

風(fēng)倒機(jī)理的研究在國(guó)外開(kāi)展較早。英國(guó)、加拿大、美國(guó)等國(guó)家對(duì)樟子松(Pinus sylvestris)、西加云杉(Picea sitchensis)、挪威云杉(Picea abies)、西鐵杉(Tsuga heterophylla)等樹(shù)種的風(fēng)倒機(jī)理進(jìn)行了深入、廣泛的研究。通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)，結(jié)合野外試驗(yàn)中林木和土壤力學(xué)參數(shù)的測(cè)定、地形數(shù)字高程模型和實(shí)物模型風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了復(fù)雜地形下和不同林分密度時(shí)的風(fēng)場(chǎng)分布，建立了一系列力學(xué)方程來(lái)描述林木的抗風(fēng)性［13-15］，對(duì)風(fēng)倒的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了闡述，形成若干林木風(fēng)倒機(jī)理模型，如 MC2［16］、HWIND［17］、FORESTGALES［18］和WINDARC［19］等，它們代表了國(guó)際風(fēng)倒機(jī)理研究的先進(jìn)水平。其中，典型的是Peltola［13］將樟子松簡(jiǎn)化成一個(gè)地上的簡(jiǎn)支梁，分析了樹(shù)木在持續(xù)穩(wěn)定風(fēng)載作用下的穩(wěn)定性，然后計(jì)算能夠?qū)?shù)吹倒的風(fēng)速。Gardiner［18］研究了針葉樹(shù)的樹(shù)干模型，把它等效成一個(gè)逐漸變細(xì)的懸臂梁，在樹(shù)高的70%處加一個(gè)質(zhì)量體，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，獲得系統(tǒng)的自然頻率、平均和波動(dòng)位移。

我國(guó)目前還沒(méi)有系統(tǒng)的研究風(fēng)倒學(xué)機(jī)理。在國(guó)內(nèi)涉及風(fēng)倒的研究中，李國(guó)旗等［20］根據(jù)現(xiàn)有公式對(duì)不同風(fēng)壓和高度處樹(shù)木應(yīng)力的分布進(jìn)行了研究。陳少雄等［21-23］采用野外調(diào)查和統(tǒng)計(jì)方法分別研究了泡桐、桉樹(shù)、木麻黃等樹(shù)種的抗風(fēng)性與個(gè)體特征、林分特征之間的關(guān)系。其他基本是從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)研究林隙的［24-26］。上述研究涉及風(fēng)倒機(jī)理較少，在2000年以前國(guó)內(nèi)關(guān)于風(fēng)倒機(jī)理的專項(xiàng)研究基本屬于空白。之后，開(kāi)展了較多的研究，主要是利用國(guó)外模型，對(duì)國(guó)內(nèi)一些樹(shù)種，主要是對(duì)東北的云杉進(jìn)行了研究［27-31］。其中宋曉鶴等［28-30］以云杉為研究對(duì)象，從不同角度研究了樹(shù)木風(fēng)倒的力學(xué)機(jī)理。他主要研究了云杉的風(fēng)倒靜力學(xué)特性，測(cè)定了相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，建立了該樹(shù)種的風(fēng)倒靜力學(xué)模型。王琳［29］將云杉樹(shù)干看作橫截面隨高度呈冪函數(shù)的彈性桿，一端固定，一端自由并連有質(zhì)量團(tuán)，分析了該彈性桿樹(shù)干的振動(dòng)特性。賴秋明［30］基于經(jīng)典梁振動(dòng)理論和Ansys有限元法對(duì)云杉風(fēng)倒動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，得到了云杉模型的固有頻率和各階模態(tài)，分析了影響云杉模型固有頻率的幾個(gè)因子，建立了該樹(shù)種的風(fēng)倒動(dòng)力學(xué)模型。賈杰等［31］在此基礎(chǔ)上，將林木進(jìn)一步簡(jiǎn)化成一根無(wú)質(zhì)量彈性桿連結(jié)，給出林木的動(dòng)態(tài)微分方程以及模型邊界條件，考慮了樹(shù)干底部彎矩和風(fēng)力的關(guān)系，建立了無(wú)阻尼和有阻尼情況下林木風(fēng)倒的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)模型。此外，賈杰等［27］利用Von-Karman風(fēng)譜模型，在頻率域內(nèi)分析了懸鈴木風(fēng)倒的機(jī)理，通過(guò)對(duì)力譜、基礎(chǔ)彎矩譜的理論推導(dǎo)，給出陣風(fēng)頻率的能量分配問(wèn)題，從而獲得相關(guān)的參數(shù)變量，尤其是振動(dòng)彎矩極值，并指出當(dāng)這個(gè)極值超過(guò)莖和根系所能承受的彎矩時(shí)，風(fēng)倒便會(huì)發(fā)生。這些研究對(duì)于森林防風(fēng)具有重要意義。

2 風(fēng)倒機(jī)理研究存在的問(wèn)題

現(xiàn)有的模型正確描述了風(fēng)倒機(jī)理的許多方面，但受研究條件等限制在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，造成模型與實(shí)際情況之間的較大誤差［14］。其中最主要的問(wèn)題是:活立木具有生長(zhǎng)適應(yīng)能力，其生物力學(xué)特性決定了它對(duì)風(fēng)的響應(yīng)。這種生物力學(xué)響應(yīng)既有彈性形變，又不完全等同。在低于臨界風(fēng)速(critical windspeed)的持續(xù)風(fēng)的作用下樹(shù)干(乃至樹(shù)冠)會(huì)發(fā)生形變積累，而不是如現(xiàn)有模型中所描述的重新回到直立平衡位置。活立木在風(fēng)倒時(shí)不僅發(fā)生脆性斷裂，還會(huì)出現(xiàn)塑性形變，而且這2種過(guò)程的比例和作用隨立木年齡變化而變化。以前的一些模型把樹(shù)干作為非生物彈性體、將風(fēng)倒過(guò)程僅按脆性斷裂處理而未考慮活立木的生物力學(xué)特性。因此，它們只能預(yù)測(cè)超過(guò)固定臨界風(fēng)速時(shí)發(fā)生的風(fēng)倒，而不能揭示活立木生物特性對(duì)風(fēng)倒過(guò)程的影響，也無(wú)法解釋樹(shù)木在較低風(fēng)速時(shí)發(fā)生的風(fēng)倒和形變積累對(duì)臨界風(fēng)速的影響。這是現(xiàn)有模型與實(shí)際情況出入最大的地方。國(guó)內(nèi)研究［28-30］對(duì)這方面進(jìn)行了改進(jìn)，將樹(shù)干看作是彈性桿，但其模型過(guò)于簡(jiǎn)化，沒(méi)有考慮樹(shù)冠的形狀對(duì)風(fēng)倒的影響。

其他存在的問(wèn)題有:①模型將樹(shù)冠看成具有連續(xù)介質(zhì)的傘蓋式形體，把復(fù)雜的根系簡(jiǎn)化為規(guī)則幾何體，未考慮其孔性。②模型在計(jì)算土壤對(duì)林木地上部分的支持時(shí)，僅通過(guò)林木地上與地下的質(zhì)量比來(lái)估測(cè)，并未充分考慮土壤的力學(xué)特征。③模型雖然考慮了林木個(gè)體的固有頻率、阻尼系數(shù)等動(dòng)力學(xué)量，但未考慮林木間共振對(duì)風(fēng)倒在林分中的傳播效應(yīng)。④模型沒(méi)有考慮動(dòng)力學(xué)以及靜力學(xué)量在風(fēng)(流場(chǎng))、林木和土壤(固場(chǎng))等多物理場(chǎng)中的耦合效應(yīng)。此外，由于風(fēng)倒的突發(fā)性和危險(xiǎn)性，其過(guò)程難以記錄。許多研究是在風(fēng)倒后才進(jìn)行，往往采集不到所需的數(shù)據(jù)，這極大限制了對(duì)風(fēng)倒機(jī)理的研究并制約了風(fēng)倒機(jī)理模型在生態(tài)學(xué)研究和森林經(jīng)營(yíng)中的應(yīng)用。

3 對(duì)未來(lái)研究的建議

在方法上，建議進(jìn)一步開(kāi)展多學(xué)科的交叉，將動(dòng)力學(xué)原理和林木生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性結(jié)合，采用非線性有限元法，完善樹(shù)冠、樹(shù)根的多孔彈性介質(zhì)三維模型。合理簡(jiǎn)化樹(shù)干模型，可以把樹(shù)干作為生物彈性體處理，模擬自然風(fēng)對(duì)樹(shù)干造成的彎曲變形累積、確定不同彎曲下的臨界風(fēng)速和年齡對(duì)風(fēng)倒中塑變和脆裂過(guò)程的影響。還應(yīng)該加強(qiáng)與試驗(yàn)資料的結(jié)合，利用土力學(xué)計(jì)算根系中應(yīng)力與阻力彎矩間的定量關(guān)系，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)復(fù)雜地形下的風(fēng)場(chǎng)分布和力學(xué)方程參數(shù)化，最終揭示多物理場(chǎng)耦合的風(fēng)倒的非線性生物動(dòng)力學(xué)機(jī)理。這種思路是一種生物動(dòng)力學(xué)機(jī)理思想，可以在現(xiàn)有單純動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上更好地揭示風(fēng)倒的機(jī)理。

在研究對(duì)象上，建議今后應(yīng)研究不同樹(shù)種的風(fēng)倒機(jī)理。目前國(guó)際上對(duì)針葉樹(shù)的風(fēng)倒研究較多，這與一些地區(qū)針葉樹(shù)風(fēng)倒嚴(yán)重有關(guān)。但在一些地方，闊葉樹(shù)風(fēng)倒也時(shí)有發(fā)生，今后應(yīng)加強(qiáng)闊葉樹(shù)風(fēng)倒機(jī)理的研究。

［1］于振良，趙士洞．林隙(Gap)模型研究進(jìn)展［J］．生態(tài)學(xué)雜志，1996，16(2):42-46．

［2］臧潤(rùn)國(guó)，徐化成．林隙干擾研究進(jìn)展［J］．林業(yè)科學(xué)，1998，34(1):90-98．

［3］臧潤(rùn)國(guó)．林隙更新動(dòng)態(tài)研究進(jìn)展［J］．生態(tài)學(xué)雜志，1998，17(2):50-58．

［4］SCHAETZL R J，BURN SF，JOHNSON D L，et al．Tree uprooting:Review of impacts on forest ecology［J］．Vegetatio，1989，74:132-145．

［5］ULANOVA N G．The effects of windthrow on forests at different spatial scales:A review［J］．Forest ccology and management，2000，135:155-167．

［6］MOORE J，QUINE CP．A comparison of the relative risk of wind damage to planted forests in Border Forest Park，Great Britain，and Central North Island，New Zealand［J］．Forest ecology and management，2000，135:345-353．

［7］陳少雄，楊民勝，王理平．尾葉桉造林密度與蓄積量、抗風(fēng)和材性關(guān)系研究［J］．林業(yè)科學(xué)研究，1998，11(4):435-438．

［8］王玉岱，朱愛(ài)萍，陳建華，等．臺(tái)風(fēng)對(duì)泰安市綠化樹(shù)木危害情況調(diào)查［J］．山東林業(yè)科技，1998(3):45-47．

［9］劉震，劉巖．大興安嶺林區(qū)伐區(qū)風(fēng)倒風(fēng)折原因探討［J］．林業(yè)勘察設(shè)計(jì)，2007(3):38-40．

［10］陳綬柱，岑奮，吳澤鵬．沿海沙岸防風(fēng)固沙木麻黃試驗(yàn)示范林抗御臺(tái)風(fēng)分析［J］．廣東林業(yè)科技，1999，15(1):26-30．

［11］GARDINER BA，QUINE CP．Management of forests to reduce the risk of abiotic damage-a review with particular reference to the effects of strong winds［J］．Forest Ecology and management，2000，135:261-277．

［12］SCHAETZL R J，JOHNSON D L，BURNSSF，et al．Tree uprooting:Review of terminology，process，and environmental implications［J］．Canadian journal of forest research，1989，19:1-11．

［13］ PELTOLA H，KELLOMAKI S．A mechanistic model fore calculating windthrow and stem breakage at stand edge［J］．Silva Fenn，1993，27(2):99-111．

［14］RUEL 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 study［J］．Forestry，1997，70(3):254-266．

［15］ENGLANDA H，BAKERDJ，SAUNDERSONST．A dynamic analysis of windthrow of trees［J］．Forestry，2000，73(3):225-237．

［16］BENOIT R，BESGAGNé M，PELLERIN P，et al．The Canadian MC2:A semi-Lagrangian，semi-implicit wide-band atmospheric model suited for fine-scale process studies and simulation［J］．Mon Wea Rev，1997，125:2382-2415．

［17］PELTOLA H，KELLOMAKIH，IKONENV P．A mechanistic model for assessing the risk of wind and snow damage to single trees and stands of Scots pine，Norway spruce，and birch［J］．Canadian journal of forest research，1999，29:647-661．

［18］GARDINER B A，PELTOLA H，KELLOMAKI S．The development and testing of models for predicting the critical wind speed to damage trees［J］．Ecological modeling，1999，119:110-123．

［19］LEKESV，DANDUL I．Using airflow modeling and spatial analysis for defining winddamage risk classification(WINDARC)［J］．Forest ecology and management，2000，135:331-344．

［20］李國(guó)旗，安樹(shù)青，張紀(jì)林，等．海岸帶防護(hù)林4種樹(shù)木的風(fēng)壓應(yīng)力分析［J］．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23(4):76-80．

［21］陳少雄，王觀明，羅建中．桉樹(shù)幼苗不同株行距配置抗臺(tái)風(fēng)效果的研究［J］．林業(yè)科學(xué)研究，1995，8(5):582-585．

［22］施士爭(zhēng)，倪善慶，周友仁，等．泡桐樹(shù)冠結(jié)構(gòu)與抗風(fēng)性研究［J］．江蘇林業(yè)科技，1996，23(2):6-9，18．

［23］陳士銀．木麻黃不同株行距配置抗臺(tái)風(fēng)效果［J］．廣東林業(yè)科技，1997，13(2):44-46．

［24］國(guó)慶喜，葛劍平，馬承慧，等．長(zhǎng)白山紅松混交林林隙狀況與更新研究［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26(1):4-7．

［25］臧潤(rùn)國(guó)，徐化成，高文韜．紅松闊葉林主要樹(shù)種對(duì)林隙大小及其發(fā)育階段更新反應(yīng)規(guī)律的研究［J］．林業(yè)科學(xué)，1999，35(3):2-9．

［26］代力民，徐振邦，楊麗韞．紅松闊葉林倒木貯量動(dòng)態(tài)的研究［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1999(10):513-517．

［27］賈杰，李洪峰，李靜輝．基于Von-Karman譜的獨(dú)立林木風(fēng)倒機(jī)理的頻率域分析［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(8):165-169．

［28］宋曉鶴．云杉風(fēng)倒靜力學(xué)模型的建立及其分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006．

［29］王琳．云杉風(fēng)倒動(dòng)力學(xué)模型的建立與分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006．

［30］賴秋明．云杉風(fēng)倒動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008．

［31］賈杰，李靜輝．林木風(fēng)倒動(dòng)態(tài)模型的建立與分析［J］．森林工程，2013 29(4):63-67．