園林樹木的形態特征與阻火能力的相關性?

張德順 陳一家 吳 雪 李科科 張百川 姚馳遠

同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

城市綠地作為緊急避險、 疏散轉移或臨時安置的重要場所, 園林自身的阻火能力已愈加受到重視, 選擇阻火樹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, 是研究火災行為的基本組成部分, 對于識別潛在火災風險、 降低火災危害程度至關重要[2]。 評估不同植物可燃性是研究樹木防火能力的常用方法, 由于實驗規模尺度與實驗樣品質量不同, 可燃性研究指標也有所區別[3]。 諸多評價樹木阻火能力指標中影響力較大的是日本學者巖河信文提出的遮熱率(thermal isolating ratio)[4-6]。 遮熱率與園林樹木的形態特征密切相關, 不同樹種的樹高、 枝下高、 冠幅、 枝下比、 孔隙率、 葉面積指數、 樹冠比、 葉面積等都會影響其遮熱率[4-6]。 本文以上海常見的32 種園林樹木的形態特征為研究對象, 對樹木的遮熱率進行測定, 并將其作為阻火能力的評價依據對常見樹種的阻火性能進行排序。通過描述各形態特征與遮熱率的相關性, 可以闡明影響樹木阻火能力的主要形態指標, 為優化城市綠化成分、 提升綠地響應火災的韌性提出技術對策[7]。

1 研究對象和研究方法

調查地點設置在上海海灣國家森林公園苗圃基地, 位于上海市奉賢區海灣鎮五四農場境內(北緯N30°51′47.04″, 東經E121°41′10.59″), 占地面積10.8 km2, 距離上海市中心60 km。

1.1 研究對象

本研究選擇32 種上海市常見園林樹種為研究對象(表1), 其中落葉樹種20 種、 常綠樹種12種, 包括喬木、 灌木, 有針葉樹、 闊葉樹以及不同觀賞類型的樹木, 涵蓋了目前上海市風景園林中主要應用的基調樹種和骨干樹種, 體現了不同的生活型和觀賞特征。

表1 阻火實驗測定樹種名錄

1.2 研究方法

調查時間為2018 年7 月17—21 日, 平均氣溫26 ℃～32 ℃, 天氣狀況晴朗, 風力為東南風3～4 級。 分別測算胸徑、 冠幅、 遮熱率等6 項指標。

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

2) 樹高、 枝下高、 冠高(TH, UBH, CH),采用激光測高儀。

3) 冠幅(CW) ＝ (南北方向冠幅+東西方向冠幅) /2。

4) 葉面積指數、 孔隙率(LAI, P), 其群落光環境數據采集與處理采用英國開發的Hemiview林地冠層數字分析儀測定。

5) 樹冠比(CR)。 使用數碼相機對實驗樹木進行拍照, 拍照者每次站在距離樹木6 ～8 m 處以減小不同高度的樹木所產生的拍攝角度差異, 從而降低誤差。 將實驗樣本的圖片導入AutoCAD 軟件中, 計算樹冠輪廓的面積及樹冠橫截面所占的矩形面積, 樹冠比的計算公式如下(CH為冠高,TH為樹高,LA為樹冠在垂直方向上的橫截面積,CW為冠幅):

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

2 結果與分析

2.1 樹木遮熱率綜合評價分析

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

表2 樹木形態特征與遮熱率

通過遮熱率排序結果看, 冬青衛矛、 海桐、珊瑚樹等具有較高的遮熱率, 說明這些樹種在火災發生時具有較強的防護能力。

為進一步評價不同樹木的防護等級, 將樹木的遮熱率進行系統聚類分析, 結果如下: 第1 類樹木防護性最強, 為珊瑚樹、 石楠、 海桐、 冬青衛矛、 木槿： 第2 類樹木防護性較強, 為黃櫨、紫薇、 落羽杉、 水杉、 鵝掌楸、 白玉蘭、 櫸樹、五角楓、 光皮樹、 梓樹、 雪松： 第3 類樹木防護性較弱, 為香樟、 烏桕、 銀杏、 楓香、 日本冷杉、梧桐、 紫葉李、 廣玉蘭、 無患子： 第4 類樹木的防護性最弱, 為苦楝、 大葉冬青、 樂昌含笑、 喜樹、 龍柏、 女貞、 黃山欒。

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

與喬木相比, 灌木和小喬木的遮熱率普遍較高, 這是因為灌木或小喬木幾乎不存在枝下空間或枝下空間較少。

2.2 不同生物學特性與樹木防護能力對比分析

對表2 的數據進行旋轉后的載荷矩陣, 計算得出函數的系數, 得到樹木形態和遮熱率因子得分, 不同樹木生物學特性如常綠、 落葉, 喬木、灌木之間的樹高、 枝下高、 枝下比、 樹冠比、 孔隙率、 平均指數和遮熱率的因子得分有不同的變化規律。

通過對不同樹木防護能力的評價, 結果發現防護能力較高的樹種中, 珊瑚樹、 海桐、 冬青衛矛、 石楠皆為常綠灌木。 根據對32 種樹木形態特征與防護能力的分析結果(圖1), 與落葉樹木相比, 常綠樹木的平均樹高、 枝下高、 樹冠比、 冠幅、 葉面積指數高于落葉樹種, 其中樹高、 枝下高和冠幅的差異性較顯著, 落葉樹木與常綠樹木的枝下比與孔隙率無明顯差異。 由此可見, 在樹木的枝下比、 孔隙率無明顯差異的情況下, 常綠樹木的冠幅較大, 樹冠的遮蔽作用較強, 導致常綠樹木的遮熱率和防護能力高于落葉樹木。

圖1 常綠樹木與落葉樹木形態特征與遮熱率的因子得分

通過對喬木與灌木的形態特征與樹木防護能力的對比(圖2), 結果發現珊瑚樹、 石楠、 冬青衛矛、 海桐以及木槿、 紫薇6 種小喬木的平均樹高、 枝下高、 枝下比、 冠幅、 葉面積指數都低于喬木樹種, 其中樹高、 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的連續綠籬形式, 因此, 灌木的枝葉部分所占的比例(喬木樹冠比) 可以看作1, 高于喬木的樹冠比值, 說明灌木枝葉的遮蔽作用明顯高于喬木的樹冠, 且灌木的分支點較低, 幾乎無枝下空間,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的防護作用。由此可見, 常綠樹木的防護性高于落葉樹木, 灌木的防護性高于喬木樹種。 因此珊瑚樹、 石楠、冬青衛矛、 海桐的防護能力較強, 然而由圖1、圖2 可以看出, 遮熱率與樹木的生物學特性(常綠與落葉、 喬木與灌木) 相關性不是很顯著, 主要還是與形態特征緊密相關。

圖2 喬木樹種與灌木樹種形態特征與遮熱率因子得分

2.3 樹木形態特征與遮熱率分析

為了探究不同形態特征對樹木遮熱率的影響,對樹木的樹高、 冠幅、 枝下高、 枝下比、 樹冠比、孔隙率、 葉面積指數、 葉面積8 個形態指標與樹木遮熱率進行相關性分析。 結果(表3) 顯示,樹高與遮熱率無顯著相關性, 雖然部分研究表明樹高與防火性有關, 然而就樹木的防護性而言,較高的樹木對林冠火沒有直接作用, 但由于其對地面火的火球火星起到遮擋隔離作用, 所以樹高與遮熱率的相關性是對不同火災類型要具體分析。此外, 樹木的冠幅、 葉面積、 孔隙率與葉面積指數均與遮熱率無顯著相關性。 由于樹冠比受冠高、冠形與冠幅多重因素的影響, 因此單一的冠幅、葉面積與樹木遮熱率并無相關性。

表3 樹木形態特征與遮熱率相關性分析

2.3.1 樹冠比對樹木防護能力的影響

樹冠大小與形態決定了樹木的生長發育、 固碳釋氧、 遮陽庇蔭、 滯塵降噪、 小氣候調控的能力[8-9]。 樹冠結構與樹冠形態影響林下的環境條件、樹木的生長以及多數的植物群落功能。 不同的冠層特征與樹冠的宏觀結構、 空間形態影響樹木的遮蔽、 防護以及冠火的燃燒強度與蔓延速率等。 樹冠橫截面積常用做防火林帶的種植設計依據[9], 多種樹冠重疊, 樹冠的橫截面積不斷增加, 促進不同形態特征的樹冠可塑性, 提升遮蔽性與防護功能的同時, 增加林內的生產率。 冠層密度指數與火災風險有顯著的相關性, 增加冠層密度與枝葉所占的比例對于抑制火勢蔓延至關重要[10]。

樹冠比與遮熱率呈極顯著的正相關關系(圖3), 樹冠比越大, 樹木的遮熱率也越高, 樹木樹冠的防護性能較強。 32 種樹木中, 珊瑚樹、 石楠、 冬青衛矛、 木槿、 海桐、 紫薇6 種樹木為灌木(小喬木), 分支點較低, 枝葉部分所占的空間體積較高, 樹冠比值較大, 遮熱率相對較高：喬木樹種中光皮樹、 櫸樹、 廣玉蘭、 五角楓的樹冠比較高, 樹冠的遮蔽性較高, 則防護能力強：喜樹、 女貞、 苦楝、 龍柏、 樂昌含笑的樹冠比較小, 樹冠所占的空間較少, 遮熱率較小, 樹冠對火災過程中產生的飛散火球、 火星的遮蔽作用以及對熱輻射的隔離作用較小。

圖3 樹木樹冠比與遮熱率相關性分析

2.3.2 枝下高對樹木防護能力的影響

枝條是樹冠的組成基礎, 直接影響樹冠的動態變化, 枝下高是研究樹冠特征的主要影響因子[7-8]。 枝下高不僅因樹種的遺傳特性與生長環境存在差異, 即使同一樹種, 枝下高也存在差異,枝下空間的大小直接影響樹冠的遮蔽能力與樹木的防護作用。

樹木的枝下高與樹木遮熱率呈顯著的負相關關系(圖4), 枝下高越小, 枝下空間越少, 樹木的防護能力越強。 32 種樹木中, 冬青衛矛、 海桐、 珊瑚樹、 石楠4 種灌木的枝下高為0, 遮熱率高, 幾乎無枝下空間, 防護性好： 喬木樹種中,雪松、 黃櫨、 紫葉李的枝下高較小, 枝下空間較少, 可以對火災過程中產生的危險物起到一定的遮蔽作用： 喜樹、 苦楝、 烏桕、 香樟、 無患子等枝下高較高, 遮熱率較低, 說明其防護能力較弱。

圖4 樹木枝下高與樹木遮熱率相關性分析

2.3.3 枝下比對樹木防護能力的影響

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

圖5 樹木枝下比與遮熱率相關性分析

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較多, 樹木的防護性較強： 苦楝、 女貞、龍柏、 黃山欒、 香樟的枝下比值較大, 防護性較弱： 白玉蘭、 鵝掌楸、 水杉、 櫸樹等枝下比中等,盡管遮熱率較高, 其防火能力因立地環境、 配置方式不同也有一定的不確定性。

除冬青衛矛等6 種灌木(小喬木) 外, 與常綠樹木相比, 多數落葉樹木的枝下比較小, 樹冠所占的空間比例較大, 遮蔽程度較高, 防護性相對較強。

依據遮熱率的計算公式, 遮熱率是由孔隙率、枝下比和樹冠比計算而來, 而相關性分析顯示, 無論是葉面積指數還是孔隙率均與其無相關性。 導致這一現象的原因是不同實驗樹種的葉面積指數與孔隙率的差異性較小或者趨同, 與枝下高、 枝下比、樹冠比3 個形態指標相比, 樹木的孔隙率主要集中在0.1～0.2, 而葉面積指數主要集中在1.0 ～2.0,差異性較小, 為了進一步探究其差異性是否顯著,對二者分別進行獨立樣本T 檢驗。 其中將孔隙率的分割點設為0.18 (均值), 顯著性為0.439 (＞0.05), 即無論是大于0.18 還是小于0.18, 其遮熱率無顯著差異。 將葉面積指數的分割點設為1.7(均值), 顯著性P 值為0.345 (＞0.05), 說明不同水平的葉面積指數的遮熱率無明顯差異, 即32 種受試樹種孔隙率、 葉面積指數種間差異性較小, 導致二者與遮熱率無明顯相關性。

3 結論與討論

樹木防護能力受不同形態指標的影響。 通過各形態指標與遮熱率的分析, 結果發現不同樹木的遮熱率具有明顯的種間差異性。 枝下高、 枝下比、 樹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相關： 樹冠比與遮熱率呈顯著正相關關系, 具備較強的指示性, 可以作為初步判斷樹木防護能力的形態指標, 便于樹種選擇與規劃過程中的使用。

樹冠是影響樹木防護能力的主要因素。 無論是以樹冠比還是以枝下比為依據, 主要目的都在于減少枝下空間以提高樹冠(枝葉) 所占的空間比例, 樹冠是樹木防護性評價的主要影響因素。因此, 在防火型防護綠地的樹種選擇與種植設計中, 可以選擇不同樹種, 通過多種樹冠的重疊,增大樹冠的橫截面積以提高樹冠比, 從而在一定程度上強化植物群落的防護能力。

樹木的防火能力與燃燒特征兩種評價方式的評價結果存在一定差異性。 只有個別樹種同時滿足防火與防護兩方面的需求, 其中珊瑚樹和落羽杉具備較強的防火能力與防護能力, 是城市綠地中較理想的防火樹種。

樹木的防火性評價需要綜合考慮不同的評價指標[11], 火災發生過程中, 既需要大量的防火性較強的樹木組成的防火群落來滿足控制火勢蔓延的需求, 又要考慮周邊居民的防護需求： 提升樹木自身的防火能力, 既要提升形態防火能力, 還要充分考慮其生態習性和生物學特性, 綜合考慮樹體組織的有機物成分含量、 含水率、 纖維素含量、 灰分含量等, 以及群落的樹種構成、 垂直結構、 樹齡等組合因子, 這是提升綠地減災避險能力的系統思維[12]。 例如, 針對防護林選擇燃燒性較差, 防火性較強的樹木以控制火勢蔓延速率[13], 而針對人流量較高的隔離帶或者防災避險公園中的區域, 則可以選擇基于樹木遮熱率的防護能力較強的樹木, 并在此基礎上進行種植設計以滿足城市的景觀需要與居民的防護需求[14]。 因此, 無論是樹木的燃燒特征還是樹木的形態特征,單一的評價體系都無法全面地評價樹木的防火能力, 應從不同的角度出發, 結合實際情況對城市綠地進行樹種規劃與種植設計才能最大程度地降低火災風險、 促進城市生態安全與綠地健康[15]。