利用地震传感技术无创监测森林树木风致摇摆动力学：从单树生物力学到生态系统韧性评估

《Methods in Ecology and Evolution》：The seismic fingerprint of wind-induced tree sway

本文创新性地将环境地震学方法引入森林生态监测，通过对比树干加速度计与地面地震仪数据，揭示了树木在风荷载下的摇摆动力学特征。研究证实地震传感器可捕获0.2 Hz主导摇摆频率（PSD分析），并基于XGBoost模型实现风速反演（RMSE=1.088）。该技术为规模化监测树木生物力学响应、评估气候胁迫下森林韧性提供了新范式。

　　

地震传感揭示森林树木的摇摆密码

在气候变化加剧的背景下，干旱和风暴等极端天气事件对森林生态系统构成严重威胁。传统监测树木生理应激的方法（如液流计、茎干变化测量仪）存在侵入性强、难以规模化部署的局限。而树木的机械响应——特别是风荷载下的树干摇摆动态，蕴含了丰富的结构信息和健康状态线索。近年来，加速度计已被广泛应用于测量树木摇摆，但其需要直接安装于树干，限制了大规模应用。本研究创新性地提出：埋入地下的地震传感器能否通过记录地面振动，无接触地捕获树木摇摆信号？

研究团队在德国黑森林地区的ECOSENSE观测站展开实验，在400平方米林区内布设6台三分量宽带地震仪（Trillium Compact 120 s），同时选取6棵树木（欧洲山毛榉和花旗松）临时安装加速度计（Episensor）进行同步观测。通过对比分析地震信号与树干加速度数据，探索地面振动是否能够有效反映树木的摇摆动力学。

解码树木摇摆的频谱特征

通过短时傅里叶变换（STFT）和功率谱密度（PSD）分析，研究发现所有传感器均一致检测到树木的主导摇摆频率集中在0.18–0.26 Hz范围内。以一棵花旗松（编号4_62）为例，其0.25 Hz的振动模式在风速增大时显著增强，并且从树干顶部加速度计到底部地震仪均呈现清晰的垂直振幅梯度，符合悬臂梁振动模式。特别值得注意的是，地震仪成功捕获了这一主导频率，证明了树干摇摆与地面振动之间存在强耦合作用。

研究进一步通过奇异值分解（SVD）揭示了摇摆动力学的空间分异：树干高处的加速度计对高阶、更复杂的运动模式（如树枝颤动）更敏感，而地面地震仪则主要捕获树干整体的低频率基阶摇摆。这表明树木的摇摆存在垂直分层结构，结合两种传感器数据能更完整地解析从树冠到根系的运动模式。

物种与结构塑造摇摆“指纹”

分析发现，树木的摇摆特征具有明显的物种特异性。山毛榉表现出更高的摇摆振幅（主峰振幅18,091–74,147）和总PSD功率（269,397–1,199,672 dB），而花旗松的主导频率略高（0.23–0.25 Hz），且峰值幅度分布更集中。这些差异反映了物种间冠层结构、木材刚度及阻尼特性的不同。

研究还验证了树木形态计量学指标与摇摆动力学的关系。树高（H）和胸径（DBH）较大的个体倾向于具有更高的摇摆频率，而几何比例DBH/H²（Moore & Maguire, 2004）与频率呈正相关。例如，DBH/H²较低（0.039–0.044）的树木摇摆频率为0.20–0.23 Hz，暗示其形态更偏柔性；而比值较高（0.047–0.058）的树木频率达0.23–0.25 Hz，表明其结构更刚硬。这为利用摇摆频率评估树木抗风稳定性提供了生物力学依据。

从地震信号反演环境驱动

为验证地震信号对环境强迫的响应能力，团队构建了梯度提升决策树模型（XGBoost），仅使用地震特征（如PSD总功率、峰值频率、谱峰振幅）预测风速。模型在长达9个月的观测中表现优异（测试集RMSE=1.088，相关系数0.79）。SHAP分析显示，PSD总功率（贡献度22.20%）、PSD峰值频率（19.50%）和次级峰振幅（19.50%）是预测风速的关键特征。这表明树木摇摆所产生的地震能量分布可靠地编码了风荷载信息。

技术优势与挑战并存

与传统加速度计相比，地震传感具有无需爬树安装、可长期无人值守、同步监测多棵树木等优势，更适合大尺度森林生态系统监测。然而，该方法也面临挑战：在风速低于2 m/s时，地震信号易被海洋微震噪声（0.16–0.6 Hz）掩盖；此外，3公里外风力发电机产生的1.15 Hz干扰峰提示，在多震源环境中需发展信号分离技术（如波束成形、机器学习分类）以增强特异性。

迈向森林韧性监测的新范式

本研究证实了地震传感作为树木生物力学监测工具的可行性。树木摇摆的地震“指纹”不仅能反映其结构属性，还能敏感响应环境变化。未来研究方向包括：1）建立摇摆特征与生理胁迫（如干旱导致的水分亏缺）的直接联系，探索阻尼比变化等作为早期预警指标；2）将该框架推广至不同森林类型，发展适用于区域尺度的地震监测网络。通过将环境地震学与森林生态学交叉融合，这项技术有望为气候变化下的森林保护提供动态、量化的评估手段。