張德順 陳一家 吳 雪 李科科 張百川 姚馳遠(yuǎn)

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

城市綠地作為緊急避險(xiǎn)、 疏散轉(zhuǎn)移或臨時(shí)安置的重要場(chǎng)所, 園林自身的阻火能力已愈加受到重視, 選擇阻火樹(shù)種是提升園林綠化抗火能力的重要措施[1]。 阻火性主要指燃燒難易程度, 是研究火災(zāi)行為的基本組成部分, 對(duì)于識(shí)別潛在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、 降低火災(zāi)危害程度至關(guān)重要[2]。 評(píng)估不同植物可燃性是研究樹(shù)木防火能力的常用方法, 由于實(shí)驗(yàn)規(guī)模尺度與實(shí)驗(yàn)樣品質(zhì)量不同, 可燃性研究指標(biāo)也有所區(qū)別[3]。 諸多評(píng)價(jià)樹(shù)木阻火能力指標(biāo)中影響力較大的是日本學(xué)者巖河信文提出的遮熱率(thermal isolating ratio)[4-6]。 遮熱率與園林樹(shù)木的形態(tài)特征密切相關(guān), 不同樹(shù)種的樹(shù)高、 枝下高、 冠幅、 枝下比、 孔隙率、 葉面積指數(shù)、 樹(shù)冠比、 葉面積等都會(huì)影響其遮熱率[4-6]。 本文以上海常見(jiàn)的32 種園林樹(shù)木的形態(tài)特征為研究對(duì)象, 對(duì)樹(shù)木的遮熱率進(jìn)行測(cè)定, 并將其作為阻火能力的評(píng)價(jià)依據(jù)對(duì)常見(jiàn)樹(shù)種的阻火性能進(jìn)行排序。通過(guò)描述各形態(tài)特征與遮熱率的相關(guān)性, 可以闡明影響樹(shù)木阻火能力的主要形態(tài)指標(biāo), 為優(yōu)化城市綠化成分、 提升綠地響應(yīng)火災(zāi)的韌性提出技術(shù)對(duì)策[7]。

1 研究對(duì)象和研究方法

調(diào)查地點(diǎn)設(shè)置在上海海灣國(guó)家森林公園苗圃基地, 位于上海市奉賢區(qū)海灣鎮(zhèn)五四農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)(北緯N30°51′47.04″, 東經(jīng)E121°41′10.59″), 占地面積10.8 km2, 距離上海市中心60 km。

1.1 研究對(duì)象

本研究選擇32 種上海市常見(jiàn)園林樹(shù)種為研究對(duì)象(表1), 其中落葉樹(shù)種20 種、 常綠樹(shù)種12種, 包括喬木、 灌木, 有針葉樹(shù)、 闊葉樹(shù)以及不同觀賞類型的樹(shù)木, 涵蓋了目前上海市風(fēng)景園林中主要應(yīng)用的基調(diào)樹(shù)種和骨干樹(shù)種, 體現(xiàn)了不同的生活型和觀賞特征。

表1 阻火實(shí)驗(yàn)測(cè)定樹(shù)種名錄

1.2 研究方法

調(diào)查時(shí)間為2018 年7 月17—21 日, 平均氣溫26 ℃～32 ℃, 天氣狀況晴朗, 風(fēng)力為東南風(fēng)3～4 級(jí)。 分別測(cè)算胸徑、 冠幅、 遮熱率等6 項(xiàng)指標(biāo)。

1) 胸徑(DBH) 取樹(shù)木主干距離地面1.3 m處, 用胸徑尺繞樹(shù)干一周測(cè)量樹(shù)木胸徑, 每株測(cè)量3 次, 取平均值。

2) 樹(shù)高、 枝下高、 冠高(TH, UBH, CH),采用激光測(cè)高儀。

3) 冠幅(CW) ＝ (南北方向冠幅+東西方向冠幅) /2。

4) 葉面積指數(shù)、 孔隙率(LAI, P), 其群落光環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理采用英國(guó)開(kāi)發(fā)的Hemiview林地冠層數(shù)字分析儀測(cè)定。

5) 樹(shù)冠比(CR)。 使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)樹(shù)木進(jìn)行拍照, 拍照者每次站在距離樹(shù)木6 ～8 m 處以減小不同高度的樹(shù)木所產(chǎn)生的拍攝角度差異, 從而降低誤差。 將實(shí)驗(yàn)樣本的圖片導(dǎo)入AutoCAD 軟件中, 計(jì)算樹(shù)冠輪廓的面積及樹(shù)冠橫截面所占的矩形面積, 樹(shù)冠比的計(jì)算公式如下(CH為冠高,TH為樹(shù)高,LA為樹(shù)冠在垂直方向上的橫截面積,CW為冠幅):

6) 遮熱率(TIR) 的計(jì)算方法采用1983 年日本學(xué)者齊藤庸平提出的計(jì)算公式(其中,CR為樹(shù)冠比,UBH為枝下高,TH為樹(shù)高,p為孔隙率), 遮熱率Tθ公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)木遮熱率綜合評(píng)價(jià)分析

遮熱率(遮熱力) 是由樹(shù)木遮蔽熱量的比例決定的, 根據(jù)樹(shù)木的空隙程度而變化。 單株樹(shù)木的遮熱率由樹(shù)木的形狀決定, 冠大蔭濃、 葉面積指數(shù)高的樹(shù)種具有較高的遮熱率。 表2 是32 種樹(shù)種的形態(tài)特征和遮熱率排序。

表2 樹(shù)木形態(tài)特征與遮熱率

通過(guò)遮熱率排序結(jié)果看, 冬青衛(wèi)矛、 海桐、珊瑚樹(shù)等具有較高的遮熱率, 說(shuō)明這些樹(shù)種在火災(zāi)發(fā)生時(shí)具有較強(qiáng)的防護(hù)能力。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同樹(shù)木的防護(hù)等級(jí), 將樹(shù)木的遮熱率進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析, 結(jié)果如下: 第1 類樹(shù)木防護(hù)性最強(qiáng), 為珊瑚樹(shù)、 石楠、 海桐、 冬青衛(wèi)矛、 木槿： 第2 類樹(shù)木防護(hù)性較強(qiáng), 為黃櫨、紫薇、 落羽杉、 水杉、 鵝掌楸、 白玉蘭、 櫸樹(shù)、五角楓、 光皮樹(shù)、 梓樹(shù)、 雪松： 第3 類樹(shù)木防護(hù)性較弱, 為香樟、 烏桕、 銀杏、 楓香、 日本冷杉、梧桐、 紫葉李、 廣玉蘭、 無(wú)患子： 第4 類樹(shù)木的防護(hù)性最弱, 為苦楝、 大葉冬青、 樂(lè)昌含笑、 喜樹(shù)、 龍柏、 女貞、 黃山欒。

在常綠樹(shù)種中, 冬青衛(wèi)矛、 海桐、 珊瑚樹(shù)的遮熱率較高： 落葉樹(shù)種中櫸樹(shù)、 白玉蘭、 鵝掌楸、黃櫨的遮熱率較高。 冬青衛(wèi)矛的防護(hù)性最強(qiáng), 其次是海桐、 珊瑚樹(shù)、 石楠、 雪松、 廣玉蘭、 日本冷杉、 香樟、 龍柏、 女貞、 大葉冬青和樂(lè)昌含笑。落葉樹(shù)種中木槿的防護(hù)性最強(qiáng), 其次是白玉蘭、鵝掌楸、 落羽杉、 水杉、 紫薇、 黃櫨、 梓樹(shù)、 五角楓、 光皮樹(shù)、 櫸樹(shù)、 紫葉李、 無(wú)患子、 楓香、梧桐、 烏桕、 銀杏、 黃山欒、 喜樹(shù)、 苦楝。

與喬木相比, 灌木和小喬木的遮熱率普遍較高, 這是因?yàn)楣嗄净蛐棠編缀醪淮嬖谥ο驴臻g或枝下空間較少。

2.2 不同生物學(xué)特性與樹(shù)木防護(hù)能力對(duì)比分析

對(duì)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后的載荷矩陣, 計(jì)算得出函數(shù)的系數(shù), 得到樹(shù)木形態(tài)和遮熱率因子得分, 不同樹(shù)木生物學(xué)特性如常綠、 落葉, 喬木、灌木之間的樹(shù)高、 枝下高、 枝下比、 樹(shù)冠比、 孔隙率、 平均指數(shù)和遮熱率的因子得分有不同的變化規(guī)律。

通過(guò)對(duì)不同樹(shù)木防護(hù)能力的評(píng)價(jià), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)防護(hù)能力較高的樹(shù)種中, 珊瑚樹(shù)、 海桐、 冬青衛(wèi)矛、 石楠皆為常綠灌木。 根據(jù)對(duì)32 種樹(shù)木形態(tài)特征與防護(hù)能力的分析結(jié)果(圖1), 與落葉樹(shù)木相比, 常綠樹(shù)木的平均樹(shù)高、 枝下高、 樹(shù)冠比、 冠幅、 葉面積指數(shù)高于落葉樹(shù)種, 其中樹(shù)高、 枝下高和冠幅的差異性較顯著, 落葉樹(shù)木與常綠樹(shù)木的枝下比與孔隙率無(wú)明顯差異。 由此可見(jiàn), 在樹(shù)木的枝下比、 孔隙率無(wú)明顯差異的情況下, 常綠樹(shù)木的冠幅較大, 樹(shù)冠的遮蔽作用較強(qiáng), 導(dǎo)致常綠樹(shù)木的遮熱率和防護(hù)能力高于落葉樹(shù)木。

圖1 常綠樹(shù)木與落葉樹(shù)木形態(tài)特征與遮熱率的因子得分

通過(guò)對(duì)喬木與灌木的形態(tài)特征與樹(shù)木防護(hù)能力的對(duì)比(圖2), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)珊瑚樹(shù)、 石楠、 冬青衛(wèi)矛、 海桐以及木槿、 紫薇6 種小喬木的平均樹(shù)高、 枝下高、 枝下比、 冠幅、 葉面積指數(shù)都低于喬木樹(shù)種, 其中樹(shù)高、 枝下高、 冠幅的差異性較顯著, 枝下比的差異較小, 孔隙率無(wú)顯著差異。一般情況下, 綠地中的灌木都被修剪成高約1 m的連續(xù)綠籬形式, 因此, 灌木的枝葉部分所占的比例(喬木樹(shù)冠比) 可以看作1, 高于喬木的樹(shù)冠比值, 說(shuō)明灌木枝葉的遮蔽作用明顯高于喬木的樹(shù)冠, 且灌木的分支點(diǎn)較低, 幾乎無(wú)枝下空間,更增加了枝葉所占的空間比例, 因此灌木具備較高的遮熱率和較強(qiáng)的防護(hù)作用。由此可見(jiàn), 常綠樹(shù)木的防護(hù)性高于落葉樹(shù)木, 灌木的防護(hù)性高于喬木樹(shù)種。 因此珊瑚樹(shù)、 石楠、冬青衛(wèi)矛、 海桐的防護(hù)能力較強(qiáng), 然而由圖1、圖2 可以看出, 遮熱率與樹(shù)木的生物學(xué)特性(常綠與落葉、 喬木與灌木) 相關(guān)性不是很顯著, 主要還是與形態(tài)特征緊密相關(guān)。

圖2 喬木樹(shù)種與灌木樹(shù)種形態(tài)特征與遮熱率因子得分

2.3 樹(shù)木形態(tài)特征與遮熱率分析

為了探究不同形態(tài)特征對(duì)樹(shù)木遮熱率的影響,對(duì)樹(shù)木的樹(shù)高、 冠幅、 枝下高、 枝下比、 樹(shù)冠比、孔隙率、 葉面積指數(shù)、 葉面積8 個(gè)形態(tài)指標(biāo)與樹(shù)木遮熱率進(jìn)行相關(guān)性分析。 結(jié)果(表3) 顯示,樹(shù)高與遮熱率無(wú)顯著相關(guān)性, 雖然部分研究表明樹(shù)高與防火性有關(guān), 然而就樹(shù)木的防護(hù)性而言,較高的樹(shù)木對(duì)林冠火沒(méi)有直接作用, 但由于其對(duì)地面火的火球火星起到遮擋隔離作用, 所以樹(shù)高與遮熱率的相關(guān)性是對(duì)不同火災(zāi)類型要具體分析。此外, 樹(shù)木的冠幅、 葉面積、 孔隙率與葉面積指數(shù)均與遮熱率無(wú)顯著相關(guān)性。 由于樹(shù)冠比受冠高、冠形與冠幅多重因素的影響, 因此單一的冠幅、葉面積與樹(shù)木遮熱率并無(wú)相關(guān)性。

表3 樹(shù)木形態(tài)特征與遮熱率相關(guān)性分析

2.3.1 樹(shù)冠比對(duì)樹(shù)木防護(hù)能力的影響

樹(shù)冠大小與形態(tài)決定了樹(shù)木的生長(zhǎng)發(fā)育、 固碳釋氧、 遮陽(yáng)庇蔭、 滯塵降噪、 小氣候調(diào)控的能力[8-9]。 樹(shù)冠結(jié)構(gòu)與樹(shù)冠形態(tài)影響林下的環(huán)境條件、樹(shù)木的生長(zhǎng)以及多數(shù)的植物群落功能。 不同的冠層特征與樹(shù)冠的宏觀結(jié)構(gòu)、 空間形態(tài)影響樹(shù)木的遮蔽、 防護(hù)以及冠火的燃燒強(qiáng)度與蔓延速率等。 樹(shù)冠橫截面積常用做防火林帶的種植設(shè)計(jì)依據(jù)[9], 多種樹(shù)冠重疊, 樹(shù)冠的橫截面積不斷增加, 促進(jìn)不同形態(tài)特征的樹(shù)冠可塑性, 提升遮蔽性與防護(hù)功能的同時(shí), 增加林內(nèi)的生產(chǎn)率。 冠層密度指數(shù)與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)有顯著的相關(guān)性, 增加冠層密度與枝葉所占的比例對(duì)于抑制火勢(shì)蔓延至關(guān)重要[10]。

樹(shù)冠比與遮熱率呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖3), 樹(shù)冠比越大, 樹(shù)木的遮熱率也越高, 樹(shù)木樹(shù)冠的防護(hù)性能較強(qiáng)。 32 種樹(shù)木中, 珊瑚樹(shù)、 石楠、 冬青衛(wèi)矛、 木槿、 海桐、 紫薇6 種樹(shù)木為灌木(小喬木), 分支點(diǎn)較低, 枝葉部分所占的空間體積較高, 樹(shù)冠比值較大, 遮熱率相對(duì)較高：?jiǎn)棠緲?shù)種中光皮樹(shù)、 櫸樹(shù)、 廣玉蘭、 五角楓的樹(shù)冠比較高, 樹(shù)冠的遮蔽性較高, 則防護(hù)能力強(qiáng)：喜樹(shù)、 女貞、 苦楝、 龍柏、 樂(lè)昌含笑的樹(shù)冠比較小, 樹(shù)冠所占的空間較少, 遮熱率較小, 樹(shù)冠對(duì)火災(zāi)過(guò)程中產(chǎn)生的飛散火球、 火星的遮蔽作用以及對(duì)熱輻射的隔離作用較小。

圖3 樹(shù)木樹(shù)冠比與遮熱率相關(guān)性分析

2.3.2 枝下高對(duì)樹(shù)木防護(hù)能力的影響

枝條是樹(shù)冠的組成基礎(chǔ), 直接影響樹(shù)冠的動(dòng)態(tài)變化, 枝下高是研究樹(shù)冠特征的主要影響因子[7-8]。 枝下高不僅因樹(shù)種的遺傳特性與生長(zhǎng)環(huán)境存在差異, 即使同一樹(shù)種, 枝下高也存在差異,枝下空間的大小直接影響樹(shù)冠的遮蔽能力與樹(shù)木的防護(hù)作用。

樹(shù)木的枝下高與樹(shù)木遮熱率呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4), 枝下高越小, 枝下空間越少, 樹(shù)木的防護(hù)能力越強(qiáng)。 32 種樹(shù)木中, 冬青衛(wèi)矛、 海桐、 珊瑚樹(shù)、 石楠4 種灌木的枝下高為0, 遮熱率高, 幾乎無(wú)枝下空間, 防護(hù)性好： 喬木樹(shù)種中,雪松、 黃櫨、 紫葉李的枝下高較小, 枝下空間較少, 可以對(duì)火災(zāi)過(guò)程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)物起到一定的遮蔽作用： 喜樹(shù)、 苦楝、 烏桕、 香樟、 無(wú)患子等枝下高較高, 遮熱率較低, 說(shuō)明其防護(hù)能力較弱。

圖4 樹(shù)木枝下高與樹(shù)木遮熱率相關(guān)性分析

2.3.3 枝下比對(duì)樹(shù)木防護(hù)能力的影響

在枝下比方面, 樹(shù)木的遮熱率隨著枝下比的增加而降低(圖5), 枝下比小, 樹(shù)木的枝下空間小, 枝葉的遮蔽性與遮熱率較高, 防護(hù)性較強(qiáng)。灌木幾乎無(wú)枝下空間, 石楠、 珊瑚樹(shù)、 海桐、 冬青衛(wèi)矛4 種灌木的枝下比為0, 枝葉所占的空間較多, 防護(hù)性較強(qiáng)。

圖5 樹(shù)木枝下比與遮熱率相關(guān)性分析

其余的喬木中, 木槿、 紫薇、 雪松、 黃櫨的枝下比值較小, 枝下空間少, 枝葉所占的空間比例相對(duì)較多, 樹(shù)木的防護(hù)性較強(qiáng)： 苦楝、 女貞、龍柏、 黃山欒、 香樟的枝下比值較大, 防護(hù)性較弱： 白玉蘭、 鵝掌楸、 水杉、 櫸樹(shù)等枝下比中等,盡管遮熱率較高, 其防火能力因立地環(huán)境、 配置方式不同也有一定的不確定性。

除冬青衛(wèi)矛等6 種灌木(小喬木) 外, 與常綠樹(shù)木相比, 多數(shù)落葉樹(shù)木的枝下比較小, 樹(shù)冠所占的空間比例較大, 遮蔽程度較高, 防護(hù)性相對(duì)較強(qiáng)。

依據(jù)遮熱率的計(jì)算公式, 遮熱率是由孔隙率、枝下比和樹(shù)冠比計(jì)算而來(lái), 而相關(guān)性分析顯示, 無(wú)論是葉面積指數(shù)還是孔隙率均與其無(wú)相關(guān)性。 導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是不同實(shí)驗(yàn)樹(shù)種的葉面積指數(shù)與孔隙率的差異性較小或者趨同, 與枝下高、 枝下比、樹(shù)冠比3 個(gè)形態(tài)指標(biāo)相比, 樹(shù)木的孔隙率主要集中在0.1～0.2, 而葉面積指數(shù)主要集中在1.0 ～2.0,差異性較小, 為了進(jìn)一步探究其差異性是否顯著,對(duì)二者分別進(jìn)行獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)。 其中將孔隙率的分割點(diǎn)設(shè)為0.18 (均值), 顯著性為0.439 (＞0.05), 即無(wú)論是大于0.18 還是小于0.18, 其遮熱率無(wú)顯著差異。 將葉面積指數(shù)的分割點(diǎn)設(shè)為1.7(均值), 顯著性P 值為0.345 (＞0.05), 說(shuō)明不同水平的葉面積指數(shù)的遮熱率無(wú)明顯差異, 即32 種受試樹(shù)種孔隙率、 葉面積指數(shù)種間差異性較小, 導(dǎo)致二者與遮熱率無(wú)明顯相關(guān)性。

3 結(jié)論與討論

樹(shù)木防護(hù)能力受不同形態(tài)指標(biāo)的影響。 通過(guò)各形態(tài)指標(biāo)與遮熱率的分析, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同樹(shù)木的遮熱率具有明顯的種間差異性。 枝下高、 枝下比、 樹(shù)冠比與遮熱率的影響較為顯著。 枝下高、枝下比與遮熱率呈顯著負(fù)相關(guān)： 樹(shù)冠比與遮熱率呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 具備較強(qiáng)的指示性, 可以作為初步判斷樹(shù)木防護(hù)能力的形態(tài)指標(biāo), 便于樹(shù)種選擇與規(guī)劃過(guò)程中的使用。

樹(shù)冠是影響樹(shù)木防護(hù)能力的主要因素。 無(wú)論是以樹(shù)冠比還是以枝下比為依據(jù), 主要目的都在于減少枝下空間以提高樹(shù)冠(枝葉) 所占的空間比例, 樹(shù)冠是樹(shù)木防護(hù)性評(píng)價(jià)的主要影響因素。因此, 在防火型防護(hù)綠地的樹(shù)種選擇與種植設(shè)計(jì)中, 可以選擇不同樹(shù)種, 通過(guò)多種樹(shù)冠的重疊,增大樹(shù)冠的橫截面積以提高樹(shù)冠比, 從而在一定程度上強(qiáng)化植物群落的防護(hù)能力。

樹(shù)木的防火能力與燃燒特征兩種評(píng)價(jià)方式的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異性。 只有個(gè)別樹(shù)種同時(shí)滿足防火與防護(hù)兩方面的需求, 其中珊瑚樹(shù)和落羽杉具備較強(qiáng)的防火能力與防護(hù)能力, 是城市綠地中較理想的防火樹(shù)種。

樹(shù)木的防火性評(píng)價(jià)需要綜合考慮不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11], 火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中, 既需要大量的防火性較強(qiáng)的樹(shù)木組成的防火群落來(lái)滿足控制火勢(shì)蔓延的需求, 又要考慮周邊居民的防護(hù)需求： 提升樹(shù)木自身的防火能力, 既要提升形態(tài)防火能力, 還要充分考慮其生態(tài)習(xí)性和生物學(xué)特性, 綜合考慮樹(shù)體組織的有機(jī)物成分含量、 含水率、 纖維素含量、 灰分含量等, 以及群落的樹(shù)種構(gòu)成、 垂直結(jié)構(gòu)、 樹(shù)齡等組合因子, 這是提升綠地減災(zāi)避險(xiǎn)能力的系統(tǒng)思維[12]。 例如, 針對(duì)防護(hù)林選擇燃燒性較差, 防火性較強(qiáng)的樹(shù)木以控制火勢(shì)蔓延速率[13], 而針對(duì)人流量較高的隔離帶或者防災(zāi)避險(xiǎn)公園中的區(qū)域, 則可以選擇基于樹(shù)木遮熱率的防護(hù)能力較強(qiáng)的樹(shù)木, 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行種植設(shè)計(jì)以滿足城市的景觀需要與居民的防護(hù)需求[14]。 因此, 無(wú)論是樹(shù)木的燃燒特征還是樹(shù)木的形態(tài)特征,單一的評(píng)價(jià)體系都無(wú)法全面地評(píng)價(jià)樹(shù)木的防火能力, 應(yīng)從不同的角度出發(fā), 結(jié)合實(shí)際情況對(duì)城市綠地進(jìn)行樹(shù)種規(guī)劃與種植設(shè)計(jì)才能最大程度地降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、 促進(jìn)城市生態(tài)安全與綠地健康[15]。