園林植物防火性研究現狀與展望

李泓岍 張德順

同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

火災是城市的主要災害之一。全球變暖、降水不均與干旱災害頻繁發生[1-2],導致火災發生次數變多、發生間距縮短、強度增加等后果[3-5]。2019—2020年澳大利亞山火季持續了11個多月,受災面積超1 863萬hm2,約有30億只動物受影響,造成經濟損失高達143億澳元,并向空氣中排放二氧化碳約7.1億t。作為社會要素高度聚集的城市,一旦發生火災,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能力,加強城市應對氣候變化的韌性,鞏固城市綠化的生態安全格局。

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,同時降低風速,減少由火焰傾斜交疊引發的危險[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,不易被點燃,能減少火災發生幾率和延緩火災擴散速度[6-7]。

國外園林植物防火性研究較早,開始于20世紀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手冊[10-11]。國內王麗俊等[12]于1988年開始對城市綠化樹種抗火性進行初步研究,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、防護作用等。近年來,徐家琛[13]對呼和浩特21種園林樹種進行了抑燃性綜合分析及排序,結果發現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。張德順等[14]對上海26種園林樹種的燃燒性進行了綜合評價及排序,結果表明含水率、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、中、差3類,其中喜樹(Camptotheca acuminata)、落羽杉(Taxodium distichum)等防火能力較強。

目前,國內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個方面展開[15]。而關于園林植物的防火性研究較少,研究內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。國內李樹華等[6-7]于2008年引入遮蔽率等相關概念,指出園林植物在火災中起到遮蔽物或遮斷壁的作用。

1.1 園林植物遮熱性評價方法

評價園林植物遮熱性的方法包括發熱實驗法和形態調研法。

發熱實驗法是指通過還原火災熱環境,對熱量進行監測,分析植物遮蔽對熱量的影響(圖1)。這種方法可較為準確地反映植物實際遮熱能力,但操作較復雜且危險。國外林壽則等[18]利用燃料模擬火災環境,結果發現樹冠遮蔽率增至66.9%,樹后熱輻射可減少97.8%。林壽則等[19]通過使用送風機探究有風環境下植物的遮熱效果,結果發現風對植物的防火能力影響較大。目前,國內關于園林植物遮熱能力的研究較少。

圖1 發熱實驗法

形態調研法是指通過實地調研植物的形態特性,計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,與實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3000株樹木進行調研和遮蔽率排序,結果發現樹冠間隙率對遮蔽率影響較大,針葉樹的遮蔽率可達90%,形狀較均勻的常綠闊葉樹的遮蔽率可達83～93%。張德順等[20]通過研究上海地區32種園林植物的形態指標,結果發現植物的枝下高、樹冠比對遮蔽率影響較大,其中冬青衛矛(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指標

評價園林植物遮熱性的指標包括實驗指標和形態指標兩類(表1)。實驗指標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；形態指標包括樹高、冠幅、樹冠比等,可計算樹木的遮蔽率。

表1 園林植物遮熱性評價指標

2 園林植物的抗火性

抗火性是指不易燃燒,防止火災蔓延的能力。抗火性強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、燃點高、枯枝落葉易脫落和樹形緊湊等特點[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方法

園林植物抗火性的評價方法包括火場植被調查法、實驗測試法、經驗分析法和目測判斷法。

2.1.1 火場植被調查法

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

2.1.2 實驗測試法

實驗測試法是指通過采集植物枝葉器官進行相關檢驗判斷植物抗火性,主要實驗方式包括燃燒實驗、熱重實驗、理化實驗。實驗可較為科學地反映植物抗火性,但過程較復雜且危險。

燃燒實驗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]發明了錐形量熱儀,使用該儀器測定的植物抗火性結果與其在實際火災中的表現更接近,因此錐形量熱儀成為研究植物抗火性的主要技術手段。早期田曉瑞等[24]使用錐形量熱儀對8種常見樹種進行燃燒實驗,通過比較失重曲線和熱釋放速率等指標篩選抗火性強的樹種。近年的研究豐富了抗火性的相關指標,并進行了綜合分析,如李克等[25]對5種南京常用樹種進行抗火性綜合評價,增加了點燃時間、熱釋放速率峰值、總熱釋放量等指標以分別表征燃料的易燃性、劇烈性、可持續性等。

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

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

2.1.3 經驗分析法

經驗分析法是指基于對當地實踐中常用防火植物的總結,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]總結南方地區風景區常用防火植物有: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,但觀測過程易產生誤差。侯繼萍等[33]使用樹冠結構、葉片質地等6種可觀測的植物性狀指標對南京32種樹種抗火性進行分類,結果表明香樟、油茶(Camellia oleifera)等抗火性較強。

2.2 園林植物抗火性評價指標

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

表2 園林植物抗火性評價指標

3 園林植物配置的防火性

3.1 垂直結構

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]。垂直結構為復層結構的防火林具有喬木和灌木防火林的雙重特點,可以阻止樹冠火和地表火的蔓延。實踐證明,多層植物配置或喬灌結合,可形成緊密的林帶結構,有利于提高林帶濕度、降低風速,防火效果好。

3.2 水平結構

交互列植能起到較好的遮熱效果,可達56.8%以上的遮蔽率。3列樹木的種植能達到較好的遮熱效果,可達48.7%以上的遮蔽率,更有助于城市防災。0～0.5倍樹寬間距的種植可形成緊密結構,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)是在具有防災功能的城市公園中,為保護避難人群免受火災蔓延危害的種植方法。從火災現場到樹木的耐火界限距離的范圍屬于火災危險帶(F區),其中距火源5 m以內屬于接觸火焰危險區,5～10 m范圍屬于輻射受熱危險區,建議保持空曠或者種植產生可燃性氣體較少、點火時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),建議有機結合和配植喬木、灌木,選用遮蔽率高、抗火性強的植物；人的耐火界限距離以外是避難廣場或樹木安全區(S區),應確保緊急車輛的進出暢通,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)是針對美國郊區中住宅區域的防火種植模式(圖5)。Ⅰ區是緊鄰房屋的區域,距建筑物0～10 m,宜種植低矮植物,目標是減少燃料。Ⅱ區距房屋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,其組織中儲存水分能抵抗火災。Ⅲ區距房屋15～20 m,宜種植耐旱、低維護鄉土樹種和地中海植物。Ⅳ區距房屋20～30 m或更遠,宜種植鄉土樹種和固土能力強的植物,為陡坡提供土壤穩定性。

圖5 火景花園配置模式

在國內,早期李樹華等[6-7]全面地總結了防火型園林植物配置基本手法,提出相關要點:避難廣場四周需種植樹木進行圍合；在火災高發區周邊配植高大植被帶；配植時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, 《城市綠地防災避險設計導則》從防災避險的角度,細化配置規模和結構相關指標,建議在空曠的篷宿區,喬木應選擇分枝點高于2.5 m的高大喬木[51]。防護綠帶應選用含水量高、含油脂量低的植物；在結構方面,建議復層種植。長期避險綠地邊緣防護綠帶寬度應不少于10 m,3排喬灌木交互種植為宜。從目前研究成果來看,國內防火性種植配置研究較少,尚未形成系統,在實際規劃設計中恐難以充分發揮參考作用。國外對于防火種植配置方面研究較早,目前形成較為系統化的種植方法,可對國內防火種植配置有一定借鑒意義。

4 研究展望

防火能力由內外多重因素綜合決定,須充分考慮園林植物遮熱性、抗火性等各項防火指標因子。園林植物選擇和應用應基于不同植物防火性能參數與火災之間的關系來確定。

為增強整個城市生態系統的穩定性,減少火災帶來的破壞與影響,防火園林植物選擇和應用建議從以下3方面著手:

1)評價常見園林植物的遮熱性。系統梳理植物遮熱機制,構建遮熱性評價指標。

2)開發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驗測試法包括燃燒實驗、熱重實驗等。實驗雖然可以模擬真實燃燒環境篩選優良抗火植物,但指標測定和分析過程繁瑣,且燃燒過程具有危險性,不便在生產實踐中推廣應用。已有相關研究[52]提出基于易于觀察的植物功能性狀評價植物抗火性的方法。因此應結合園林特色,開發基于功能性狀或者形態性狀的抗火性評價,形成更易推廣的方法。

3)優化防火植物群落搭配和種植結構。選擇適合城市地區的園林植物,科學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樹種的比例；結構上,多層植物配置或喬灌結合,形成緊密的林帶結構,提高濕度和防火效果。同時,關注植物適應性、穩定性、結構多樣性和審美文化等,增強植物群落應對氣候變化的能力。