園林植物防火性研究現(xiàn)狀與展望

李泓岍 張德順

同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 上海 200092

火災(zāi)是城市的主要災(zāi)害之一。全球變暖、降水不均與干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生[1-2],導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生次數(shù)變多、發(fā)生間距縮短、強(qiáng)度增加等后果[3-5]。2019—2020年澳大利亞山火季持續(xù)了11個(gè)多月,受災(zāi)面積超1 863萬hm2,約有30億只動(dòng)物受影響,造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)143億澳元,并向空氣中排放二氧化碳約7.1億t。作為社會(huì)要素高度聚集的城市,一旦發(fā)生火災(zāi),造成的破壞將難以估量,因此有必要研究城市綠地防火減災(zāi)能力,加強(qiáng)城市應(yīng)對氣候變化的韌性,鞏固城市綠化的生態(tài)安全格局。

園林植物的防火能力主要包括物理阻隔和抑制燃燒兩方面。物理阻隔指具有濃密林冠的園林植物阻斷熱輻射、熱氣流和飛散火球的傳播,同時(shí)降低風(fēng)速,減少由火焰傾斜交疊引發(fā)的危險(xiǎn)[6-7]。抑制燃燒指具有抑燃性的園林植物的枝葉干等器官含水率高,不易被點(diǎn)燃,能減少火災(zāi)發(fā)生幾率和延緩火災(zāi)擴(kuò)散速度[6-7]。

國外園林植物防火性研究較早,開始于20世紀(jì)50年代[8]。研究多集中于測定不同園林植物的防火性能[9],形成眾多防火植物名錄和防火性植物配置指導(dǎo)手冊[10-11]。國內(nèi)王麗俊等[12]于1988年開始對城市綠化樹種抗火性進(jìn)行初步研究,指出園林防火植物與森林防火植物不同,其還需兼具觀賞特性、防護(hù)作用等。近年來,徐家琛[13]對呼和浩特21種園林樹種進(jìn)行了抑燃性綜合分析及排序,結(jié)果發(fā)現(xiàn)理化特性對樹種抑燃性影響較大,其中枸杞(Lycium chinense)、灰枸子(Cotoneaster acutifolius)等抑燃性強(qiáng)。張德順等[14]對上海26種園林樹種的燃燒性進(jìn)行了綜合評價(jià)及排序,結(jié)果表明含水率、比葉面積對樹種燃燒性影響較大,按其燃燒特征可分為防火能力強(qiáng)、中、差3類,其中喜樹(Camptotheca acuminata)、落羽杉(Taxodium distichum)等防火能力較強(qiáng)。

目前,國內(nèi)外植物防火性研究主要集中在森林植物方面,并且從耐火性、抗火性2個(gè)方面展開[15]。而關(guān)于園林植物的防火性研究較少,研究內(nèi)容主要分為園林植物遮熱性、園林植物抗火性,以及防火性園林植物配置3個(gè)方面。

1 園林植物的遮熱性

園林植物遮熱性研究始于日本,齊藤庸平和巖河信文[16-17]于1983年提出遮蔽率的概念,以量化植物對熱量的遮擋能力。國內(nèi)李樹華等[6-7]于2008年引入遮蔽率等相關(guān)概念,指出園林植物在火災(zāi)中起到遮蔽物或遮斷壁的作用。

1.1 園林植物遮熱性評價(jià)方法

評價(jià)園林植物遮熱性的方法包括發(fā)熱實(shí)驗(yàn)法和形態(tài)調(diào)研法。

發(fā)熱實(shí)驗(yàn)法是指通過還原火災(zāi)熱環(huán)境,對熱量進(jìn)行監(jiān)測,分析植物遮蔽對熱量的影響(圖1)。這種方法可較為準(zhǔn)確地反映植物實(shí)際遮熱能力,但操作較復(fù)雜且危險(xiǎn)。國外林壽則等[18]利用燃料模擬火災(zāi)環(huán)境,結(jié)果發(fā)現(xiàn)樹冠遮蔽率增至66.9%,樹后熱輻射可減少97.8%。林壽則等[19]通過使用送風(fēng)機(jī)探究有風(fēng)環(huán)境下植物的遮熱效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)對植物的防火能力影響較大。目前,國內(nèi)關(guān)于園林植物遮熱能力的研究較少。

圖1 發(fā)熱實(shí)驗(yàn)法

形態(tài)調(diào)研法是指通過實(shí)地調(diào)研植物的形態(tài)特性,計(jì)算遮蔽率以表征植物的遮熱能力(圖2)。這種方法測量較為簡便,但遮蔽率由理論推導(dǎo),與實(shí)際遮熱能力有一定差距。齊藤庸平和巖河信文[16-17]通過對日本東京地區(qū)3000株樹木進(jìn)行調(diào)研和遮蔽率排序,結(jié)果發(fā)現(xiàn)樹冠間隙率對遮蔽率影響較大,針葉樹的遮蔽率可達(dá)90%,形狀較均勻的常綠闊葉樹的遮蔽率可達(dá)83～93%。張德順等[20]通過研究上海地區(qū)32種園林植物的形態(tài)指標(biāo),結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物的枝下高、樹冠比對遮蔽率影響較大,其中冬青衛(wèi)矛(Euonymus japonicus)具有較高的遮蔽率。

圖2 樹木遮蔽率

1.2 園林植物遮熱性評價(jià)指標(biāo)

評價(jià)園林植物遮熱性的指標(biāo)包括實(shí)驗(yàn)指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)兩類(表1)。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)包括放射熱受熱量減少率,可直觀展示植物遮擋熱量的比例；形態(tài)指標(biāo)包括樹高、冠幅、樹冠比等,可計(jì)算樹木的遮蔽率。

表1 園林植物遮熱性評價(jià)指標(biāo)

2 園林植物的抗火性

抗火性是指不易燃燒,防止火災(zāi)蔓延的能力?？够鹦詮?qiáng)的園林植物通常為常綠闊葉喬木,具有含水量高、燃燒熱值低、燃點(diǎn)高、枯枝落葉易脫落和樹形緊湊等特點(diǎn)[21]。園林植物抗火性的研究起步較早、比較成熟。

2.1 園林植物抗火性評價(jià)方法

園林植物抗火性的評價(jià)方法包括火場植被調(diào)查法、實(shí)驗(yàn)測試法、經(jīng)驗(yàn)分析法和目測判斷法。

2.1.1 火場植被調(diào)查法

火場植被調(diào)查法是指通過在火燒跡地上調(diào)查不同植物的燒傷程度以判斷植物抗火性。災(zāi)后調(diào)研可了解植物實(shí)際抗火能力,但成本較高且樣地?cái)?shù)量有限。日本學(xué)者對二戰(zhàn)期間轟炸后神龕等綠地調(diào)研發(fā)現(xiàn),銀杏(Ginkgo biloba)和香樟(Cinnamomum camphora)是仍然存活的抗火樹種。國內(nèi)學(xué)者劉朗等[22]對城市園林綠地火災(zāi)后被燒木調(diào)查發(fā)現(xiàn),國槐(Styphnolobium japonicum)表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗火性。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)測試法

實(shí)驗(yàn)測試法是指通過采集植物枝葉器官進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)判斷植物抗火性,主要實(shí)驗(yàn)方式包括燃燒實(shí)驗(yàn)、熱重實(shí)驗(yàn)、理化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)可較為科學(xué)地反映植物抗火性,但過程較復(fù)雜且危險(xiǎn)。

燃燒實(shí)驗(yàn)通過觀察樣品在燃燒過程的特性測定植物抗火性。1980年Huggett[23]發(fā)明了錐形量熱儀,使用該儀器測定的植物抗火性結(jié)果與其在實(shí)際火災(zāi)中的表現(xiàn)更接近,因此錐形量熱儀成為研究植物抗火性的主要技術(shù)手段。早期田曉瑞等[24]使用錐形量熱儀對8種常見樹種進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),通過比較失重曲線和熱釋放速率等指標(biāo)篩選抗火性強(qiáng)的樹種。近年的研究豐富了抗火性的相關(guān)指標(biāo),并進(jìn)行了綜合分析,如李克等[25]對5種南京常用樹種進(jìn)行抗火性綜合評價(jià),增加了點(diǎn)燃時(shí)間、熱釋放速率峰值、總熱釋放量等指標(biāo)以分別表征燃料的易燃性、劇烈性、可持續(xù)性等。

熱重實(shí)驗(yàn)是在可燃物的熱解過程中,利用熱重分析建立動(dòng)力學(xué)模型,研究可燃物熱穩(wěn)定性。國外Phipot[26]較早提出采用可燃物熱解時(shí)的TGDTG曲線評估燃燒性能。早期國內(nèi)相關(guān)研究較少,對園林樹種熱解特性了解較淺。近年相關(guān)研究增多,豐富了相關(guān)熱解指標(biāo),如胡海清等[27]對延邊州地區(qū)7種常見喬木樹種進(jìn)行熱重分析,在常用活化能、指前因子等熱解動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,增添不同分解階段的熱解特性指標(biāo),如失重速率、溫度、損耗量等。

理化實(shí)驗(yàn)通過測定植物理化性質(zhì)判斷植物抗火性。早期李小川等[28]對珠江三角洲城市森林52種園林樹種進(jìn)行含水率、粗脂肪、粗灰分3種理化指標(biāo)測定,篩選出抗火性強(qiáng)的樹種。近年來,研究豐富了相關(guān)理化指標(biāo),同時(shí)考慮季節(jié)對于植物理化性質(zhì)與防火能力的影響,如彭徐劍等[29]對3種南方常用樹種各季節(jié)8種理化指標(biāo)進(jìn)行測定,結(jié)果表明,在各季節(jié)中木荷(Schima superba)的平均抗火性最強(qiáng),而在火災(zāi)高發(fā)的秋冬季節(jié),火力楠(Michelia macclurei)的抗火性最強(qiáng)。

2.1.3 經(jīng)驗(yàn)分析法

經(jīng)驗(yàn)分析法是指基于對當(dāng)?shù)貙?shí)踐中常用防火植物的總結(jié),判斷植物防火性,其操作較簡便,但具有一定主觀性。陳存及[30]指出,南方地區(qū)木荷、火力楠、紅椎(Castanopsis hystrix)等植物具有良好防火性能；張介明[31]總結(jié)南方地區(qū)風(fēng)景區(qū)常用防火植物有:木荷、冬青(Ilex chinensis)、枸骨(Ilex cornuta)等；鄭煥能等[32]總結(jié)北方常用防火綠化植物有:水曲柳 (Fraxinus mandshurica)、黃菠籮(Phellodendron amurense)、春榆(Ulmus propinqua)等。

2.1.4 目測判斷法

目測判斷法是指根據(jù)植物是常綠還是落葉、樹葉厚薄、樹形等,推斷植物抗火性,其操作也較簡便,但觀測過程易產(chǎn)生誤差。侯繼萍等[33]使用樹冠結(jié)構(gòu)、葉片質(zhì)地等6種可觀測的植物性狀指標(biāo)對南京32種樹種抗火性進(jìn)行分類,結(jié)果表明香樟、油茶(Camellia oleifera)等抗火性較強(qiáng)。

2.2 園林植物抗火性評價(jià)指標(biāo)

園林植物抗火性包括燒傷程度、燃燒指標(biāo)、熱解指標(biāo)、理化指標(biāo)和形態(tài)指標(biāo)5類(表2)。燒傷程度是指火災(zāi)后植物器官受害程度；燃燒指標(biāo)是指植物在火焰下燃燒特性；熱解指標(biāo)是指通過熱重分析測定的植物熱分解屬性；理化指標(biāo)是指植物本身的物理化學(xué)性質(zhì),如含水率、粗脂肪等在很大程度上決定植物抗火性；形態(tài)指標(biāo)是指植物的形態(tài)特征,如冠層容積密度、葉面積等。

表2 園林植物抗火性評價(jià)指標(biāo)

3 園林植物配置的防火性

3.1 垂直結(jié)構(gòu)

一般而言,喬木防火林能阻止樹冠火蔓延,灌木防火林能阻止地表火蔓延[21]。垂直結(jié)構(gòu)為復(fù)層結(jié)構(gòu)的防火林具有喬木和灌木防火林的雙重特點(diǎn),可以阻止樹冠火和地表火的蔓延。實(shí)踐證明,多層植物配置或喬灌結(jié)合,可形成緊密的林帶結(jié)構(gòu),有利于提高林帶濕度、降低風(fēng)速,防火效果好。

3.2 水平結(jié)構(gòu)

交互列植能起到較好的遮熱效果,可達(dá)56.8%以上的遮蔽率。3列樹木的種植能達(dá)到較好的遮熱效果,可達(dá)48.7%以上的遮蔽率,更有助于城市防災(zāi)。0～0.5倍樹寬間距的種植可形成緊密結(jié)構(gòu),阻擋熱輻射,防火效果好(圖3)[17]。

圖3 樹木排列方式與遮蔽率

3.3 防火種植配置模式

日本的FPS種植模式[6-7](圖4)是在具有防災(zāi)功能的城市公園中,為保護(hù)避難人群免受火災(zāi)蔓延危害的種植方法。從火災(zāi)現(xiàn)場到樹木的耐火界限距離的范圍屬于火災(zāi)危險(xiǎn)帶(F區(qū)),其中距火源5 m以內(nèi)屬于接觸火焰危險(xiǎn)區(qū),5～10 m范圍屬于輻射受熱危險(xiǎn)區(qū),建議保持空曠或者種植產(chǎn)生可燃性氣體較少、點(diǎn)火時(shí)間長和含水率高的植物；從樹木的耐火界限距離到人的耐火界限距離的范圍屬于防火栽植帶(P區(qū)),建議有機(jī)結(jié)合和配植喬木、灌木,選用遮蔽率高、抗火性強(qiáng)的植物；人的耐火界限距離以外是避難廣場或樹木安全區(qū)(S區(qū)),應(yīng)確保緊急車輛的進(jìn)出暢通,選用形狀變化較少的植物。

圖4 FPS配置模式

美國的火景花園種植模式 (Firescape Garden)是針對美國郊區(qū)中住宅區(qū)域的防火種植模式(圖5)。Ⅰ區(qū)是緊鄰房屋的區(qū)域,距建筑物0～10 m,宜種植低矮植物,目標(biāo)是減少燃料。Ⅱ區(qū)距房屋10～15 m,宜種植低矮地被植物和耐火多肉植物,如景天科植物,其組織中儲(chǔ)存水分能抵抗火災(zāi)。Ⅲ區(qū)距房屋15～20 m,宜種植耐旱、低維護(hù)鄉(xiāng)土樹種和地中海植物。Ⅳ區(qū)距房屋20～30 m或更遠(yuǎn),宜種植鄉(xiāng)土樹種和固土能力強(qiáng)的植物,為陡坡提供土壤穩(wěn)定性。

圖5 火景花園配置模式

在國內(nèi),早期李樹華等[6-7]全面地總結(jié)了防火型園林植物配置基本手法,提出相關(guān)要點(diǎn):避難廣場四周需種植樹木進(jìn)行圍合；在火災(zāi)高發(fā)區(qū)周邊配植高大植被帶；配植時(shí)需與市街地保持一定距離,防止樹冠被火焰破壞；確保植被帶通透性等。近年來, 《城市綠地防災(zāi)避險(xiǎn)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》從防災(zāi)避險(xiǎn)的角度,細(xì)化配置規(guī)模和結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo),建議在空曠的篷宿區(qū),喬木應(yīng)選擇分枝點(diǎn)高于2.5 m的高大喬木[51]。防護(hù)綠帶應(yīng)選用含水量高、含油脂量低的植物；在結(jié)構(gòu)方面,建議復(fù)層種植。長期避險(xiǎn)綠地邊緣防護(hù)綠帶寬度應(yīng)不少于10 m,3排喬灌木交互種植為宜。從目前研究成果來看,國內(nèi)防火性種植配置研究較少,尚未形成系統(tǒng),在實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)中恐難以充分發(fā)揮參考作用。國外對于防火種植配置方面研究較早,目前形成較為系統(tǒng)化的種植方法,可對國內(nèi)防火種植配置有一定借鑒意義。

4 研究展望

防火能力由內(nèi)外多重因素綜合決定,須充分考慮園林植物遮熱性、抗火性等各項(xiàng)防火指標(biāo)因子。園林植物選擇和應(yīng)用應(yīng)基于不同植物防火性能參數(shù)與火災(zāi)之間的關(guān)系來確定。

為增強(qiáng)整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少火災(zāi)帶來的破壞與影響,防火園林植物選擇和應(yīng)用建議從以下3方面著手:

1)評價(jià)常見園林植物的遮熱性。系統(tǒng)梳理植物遮熱機(jī)制,構(gòu)建遮熱性評價(jià)指標(biāo)。

2)開發(fā)簡便且易于推廣的抗火性測定方法。目前測量植物抗火性常用的實(shí)驗(yàn)測試法包括燃燒實(shí)驗(yàn)、熱重實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)雖然可以模擬真實(shí)燃燒環(huán)境篩選優(yōu)良抗火植物,但指標(biāo)測定和分析過程繁瑣,且燃燒過程具有危險(xiǎn)性,不便在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。已有相關(guān)研究[52]提出基于易于觀察的植物功能性狀評價(jià)植物抗火性的方法。因此應(yīng)結(jié)合園林特色,開發(fā)基于功能性狀或者形態(tài)性狀的抗火性評價(jià),形成更易推廣的方法。

3)優(yōu)化防火植物群落搭配和種植結(jié)構(gòu)。選擇適合城市地區(qū)的園林植物,科學(xué)搭配防火性植物群落。植物選擇上,增加城市綠地中防火性較強(qiáng)樹種的比例；結(jié)構(gòu)上,多層植物配置或喬灌結(jié)合,形成緊密的林帶結(jié)構(gòu),提高濕度和防火效果。同時(shí),關(guān)注植物適應(yīng)性、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)多樣性和審美文化等,增強(qiáng)植物群落應(yīng)對氣候變化的能力。