园林植物防火性研究现状与展望

李泓岍 张德顺

同济大学建筑与城市规划学院 上海 200092

火灾是城市的主要灾害之一。全球变暖、降水不均与干旱灾害频繁发生[1-2],导致火灾发生次数变多、发生间距缩短、强度增加等后果[3-5]。2019—2020年澳大利亚山火季持续了11个多月,受灾面积超1 863万hm2,约有30亿只动物受影响,造成经济损失高达143亿澳元,并向空气中排放二氧化碳约7.1亿t。作为社会要素高度聚集的城市,一旦发生火灾,造成的破坏将难以估量,因此有必要研究城市绿地防火减灾能力,加强城市应对气候变化的韧性,巩固城市绿化的生态安全格局。

园林植物的防火能力主要包括物理阻隔和抑制燃烧两方面。物理阻隔指具有浓密林冠的园林植物阻断热辐射、热气流和飞散火球的传播,同时降低风速,减少由火焰倾斜交叠引发的危险[6-7]。抑制燃烧指具有抑燃性的园林植物的枝叶干等器官含水率高,不易被点燃,能减少火灾发生几率和延缓火灾扩散速度[6-7]。

国外园林植物防火性研究较早,开始于20世纪50年代[8]。研究多集中于测定不同园林植物的防火性能[9],形成众多防火植物名录和防火性植物配置指导手册[10-11]。国内王丽俊等[12]于1988年开始对城市绿化树种抗火性进行初步研究,指出园林防火植物与森林防火植物不同,其还需兼具观赏特性、防护作用等。近年来,徐家琛[13]对呼和浩特21种园林树种进行了抑燃性综合分析及排序,结果发现理化特性对树种抑燃性影响较大,其中枸杞(Lycium chinense)、灰枸子(Cotoneaster acutifolius)等抑燃性强。张德顺等[14]对上海26种园林树种的燃烧性进行了综合评价及排序,结果表明含水率、比叶面积对树种燃烧性影响较大,按其燃烧特征可分为防火能力强、中、差3类,其中喜树(Camptotheca acuminata)、落羽杉(Taxodium distichum)等防火能力较强。

目前,国内外植物防火性研究主要集中在森林植物方面,并且从耐火性、抗火性2个方面展开[15]。而关于园林植物的防火性研究较少,研究内容主要分为园林植物遮热性、园林植物抗火性,以及防火性园林植物配置3个方面。

1 园林植物的遮热性

园林植物遮热性研究始于日本,齐藤庸平和岩河信文[16-17]于1983年提出遮蔽率的概念,以量化植物对热量的遮挡能力。国内李树华等[6-7]于2008年引入遮蔽率等相关概念,指出园林植物在火灾中起到遮蔽物或遮断壁的作用。

1.1 园林植物遮热性评价方法

评价园林植物遮热性的方法包括发热实验法和形态调研法。

发热实验法是指通过还原火灾热环境,对热量进行监测,分析植物遮蔽对热量的影响(图1)。这种方法可较为准确地反映植物实际遮热能力,但操作较复杂且危险。国外林寿则等[18]利用燃料模拟火灾环境,结果发现树冠遮蔽率增至66.9%,树后热辐射可减少97.8%。林寿则等[19]通过使用送风机探究有风环境下植物的遮热效果,结果发现风对植物的防火能力影响较大。目前,国内关于园林植物遮热能力的研究较少。

图1 发热实验法

形态调研法是指通过实地调研植物的形态特性,计算遮蔽率以表征植物的遮热能力(图2)。这种方法测量较为简便,但遮蔽率由理论推导,与实际遮热能力有一定差距。齐藤庸平和岩河信文[16-17]通过对日本东京地区3000株树木进行调研和遮蔽率排序,结果发现树冠间隙率对遮蔽率影响较大,针叶树的遮蔽率可达90%,形状较均匀的常绿阔叶树的遮蔽率可达83～93%。张德顺等[20]通过研究上海地区32种园林植物的形态指标,结果发现植物的枝下高、树冠比对遮蔽率影响较大,其中冬青卫矛(Euonymus japonicus)具有较高的遮蔽率。

图2 树木遮蔽率

1.2 园林植物遮热性评价指标

评价园林植物遮热性的指标包括实验指标和形态指标两类(表1)。实验指标包括放射热受热量减少率,可直观展示植物遮挡热量的比例；形态指标包括树高、冠幅、树冠比等,可计算树木的遮蔽率。

表1 园林植物遮热性评价指标

2 园林植物的抗火性

抗火性是指不易燃烧,防止火灾蔓延的能力。抗火性强的园林植物通常为常绿阔叶乔木,具有含水量高、燃烧热值低、燃点高、枯枝落叶易脱落和树形紧凑等特点[21]。园林植物抗火性的研究起步较早、比较成熟。

2.1 园林植物抗火性评价方法

园林植物抗火性的评价方法包括火场植被调查法、实验测试法、经验分析法和目测判断法。

2.1.1 火场植被调查法

火场植被调查法是指通过在火烧迹地上调查不同植物的烧伤程度以判断植物抗火性。灾后调研可了解植物实际抗火能力,但成本较高且样地数量有限。日本学者对二战期间轰炸后神龛等绿地调研发现,银杏(Ginkgo biloba)和香樟(Cinnamomum camphora)是仍然存活的抗火树种。国内学者刘朗等[22]对城市园林绿地火灾后被烧木调查发现,国槐(Styphnolobium japonicum)表现出较强的抗火性。

2.1.2 实验测试法

实验测试法是指通过采集植物枝叶器官进行相关检验判断植物抗火性,主要实验方式包括燃烧实验、热重实验、理化实验。实验可较为科学地反映植物抗火性,但过程较复杂且危险。

燃烧实验通过观察样品在燃烧过程的特性测定植物抗火性。1980年Huggett[23]发明了锥形量热仪,使用该仪器测定的植物抗火性结果与其在实际火灾中的表现更接近,因此锥形量热仪成为研究植物抗火性的主要技术手段。早期田晓瑞等[24]使用锥形量热仪对8种常见树种进行燃烧实验,通过比较失重曲线和热释放速率等指标筛选抗火性强的树种。近年的研究丰富了抗火性的相关指标,并进行了综合分析,如李克等[25]对5种南京常用树种进行抗火性综合评价,增加了点燃时间、热释放速率峰值、总热释放量等指标以分别表征燃料的易燃性、剧烈性、可持续性等。

热重实验是在可燃物的热解过程中,利用热重分析建立动力学模型,研究可燃物热稳定性。国外Phipot[26]较早提出采用可燃物热解时的TGDTG曲线评估燃烧性能。早期国内相关研究较少,对园林树种热解特性了解较浅。近年相关研究增多,丰富了相关热解指标,如胡海清等[27]对延边州地区7种常见乔木树种进行热重分析,在常用活化能、指前因子等热解动力学指标的基础上,增添不同分解阶段的热解特性指标,如失重速率、温度、损耗量等。

理化实验通过测定植物理化性质判断植物抗火性。早期李小川等[28]对珠江三角洲城市森林52种园林树种进行含水率、粗脂肪、粗灰分3种理化指标测定,筛选出抗火性强的树种。近年来,研究丰富了相关理化指标,同时考虑季节对于植物理化性质与防火能力的影响,如彭徐剑等[29]对3种南方常用树种各季节8种理化指标进行测定,结果表明,在各季节中木荷(Schima superba)的平均抗火性最强,而在火灾高发的秋冬季节,火力楠(Michelia macclurei)的抗火性最强。

2.1.3 经验分析法

经验分析法是指基于对当地实践中常用防火植物的总结,判断植物防火性,其操作较简便,但具有一定主观性。陈存及[30]指出,南方地区木荷、火力楠、红椎(Castanopsis hystrix)等植物具有良好防火性能；张介明[31]总结南方地区风景区常用防火植物有:木荷、冬青(Ilex chinensis)、枸骨(Ilex cornuta)等；郑焕能等[32]总结北方常用防火绿化植物有:水曲柳 (Fraxinus mandshurica)、黄菠箩(Phellodendron amurense)、春榆(Ulmus propinqua)等。

2.1.4 目测判断法

目测判断法是指根据植物是常绿还是落叶、树叶厚薄、树形等,推断植物抗火性,其操作也较简便,但观测过程易产生误差。侯继萍等[33]使用树冠结构、叶片质地等6种可观测的植物性状指标对南京32种树种抗火性进行分类,结果表明香樟、油茶(Camellia oleifera)等抗火性较强。

2.2 园林植物抗火性评价指标

园林植物抗火性包括烧伤程度、燃烧指标、热解指标、理化指标和形态指标5类(表2)。烧伤程度是指火灾后植物器官受害程度；燃烧指标是指植物在火焰下燃烧特性；热解指标是指通过热重分析测定的植物热分解属性；理化指标是指植物本身的物理化学性质,如含水率、粗脂肪等在很大程度上决定植物抗火性；形态指标是指植物的形态特征,如冠层容积密度、叶面积等。

表2 园林植物抗火性评价指标

3 园林植物配置的防火性

3.1 垂直结构

一般而言,乔木防火林能阻止树冠火蔓延,灌木防火林能阻止地表火蔓延[21]。垂直结构为复层结构的防火林具有乔木和灌木防火林的双重特点,可以阻止树冠火和地表火的蔓延。实践证明,多层植物配置或乔灌结合,可形成紧密的林带结构,有利于提高林带湿度、降低风速,防火效果好。

3.2 水平结构

交互列植能起到较好的遮热效果,可达56.8%以上的遮蔽率。3列树木的种植能达到较好的遮热效果,可达48.7%以上的遮蔽率,更有助于城市防灾。0～0.5倍树宽间距的种植可形成紧密结构,阻挡热辐射,防火效果好(图3)[17]。

图3 树木排列方式与遮蔽率

3.3 防火种植配置模式

日本的FPS种植模式[6-7](图4)是在具有防灾功能的城市公园中,为保护避难人群免受火灾蔓延危害的种植方法。从火灾现场到树木的耐火界限距离的范围属于火灾危险带(F区),其中距火源5 m以内属于接触火焰危险区,5～10 m范围属于辐射受热危险区,建议保持空旷或者种植产生可燃性气体较少、点火时间长和含水率高的植物；从树木的耐火界限距离到人的耐火界限距离的范围属于防火栽植带(P区),建议有机结合和配植乔木、灌木,选用遮蔽率高、抗火性强的植物；人的耐火界限距离以外是避难广场或树木安全区(S区),应确保紧急车辆的进出畅通,选用形状变化较少的植物。

图4 FPS配置模式

美国的火景花园种植模式 (Firescape Garden)是针对美国郊区中住宅区域的防火种植模式(图5)。Ⅰ区是紧邻房屋的区域,距建筑物0～10 m,宜种植低矮植物,目标是减少燃料。Ⅱ区距房屋10～15 m,宜种植低矮地被植物和耐火多肉植物,如景天科植物,其组织中储存水分能抵抗火灾。Ⅲ区距房屋15～20 m,宜种植耐旱、低维护乡土树种和地中海植物。Ⅳ区距房屋20～30 m或更远,宜种植乡土树种和固土能力强的植物,为陡坡提供土壤稳定性。

图5 火景花园配置模式

在国内,早期李树华等[6-7]全面地总结了防火型园林植物配置基本手法,提出相关要点:避难广场四周需种植树木进行围合；在火灾高发区周边配植高大植被带；配植时需与市街地保持一定距离,防止树冠被火焰破坏；确保植被带通透性等。近年来, 《城市绿地防灾避险设计导则》从防灾避险的角度,细化配置规模和结构相关指标,建议在空旷的篷宿区,乔木应选择分枝点高于2.5 m的高大乔木[51]。防护绿带应选用含水量高、含油脂量低的植物；在结构方面,建议复层种植。长期避险绿地边缘防护绿带宽度应不少于10 m,3排乔灌木交互种植为宜。从目前研究成果来看,国内防火性种植配置研究较少,尚未形成系统,在实际规划设计中恐难以充分发挥参考作用。国外对于防火种植配置方面研究较早,目前形成较为系统化的种植方法,可对国内防火种植配置有一定借鉴意义。

4 研究展望

防火能力由内外多重因素综合决定,须充分考虑园林植物遮热性、抗火性等各项防火指标因子。园林植物选择和应用应基于不同植物防火性能参数与火灾之间的关系来确定。

为增强整个城市生态系统的稳定性,减少火灾带来的破坏与影响,防火园林植物选择和应用建议从以下3方面着手:

1)评价常见园林植物的遮热性。系统梳理植物遮热机制,构建遮热性评价指标。

2)开发简便且易于推广的抗火性测定方法。目前测量植物抗火性常用的实验测试法包括燃烧实验、热重实验等。实验虽然可以模拟真实燃烧环境筛选优良抗火植物,但指标测定和分析过程繁琐,且燃烧过程具有危险性,不便在生产实践中推广应用。已有相关研究[52]提出基于易于观察的植物功能性状评价植物抗火性的方法。因此应结合园林特色,开发基于功能性状或者形态性状的抗火性评价,形成更易推广的方法。

3)优化防火植物群落搭配和种植结构。选择适合城市地区的园林植物,科学搭配防火性植物群落。植物选择上,增加城市绿地中防火性较强树种的比例；结构上,多层植物配置或乔灌结合,形成紧密的林带结构,提高湿度和防火效果。同时,关注植物适应性、稳定性、结构多样性和审美文化等,增强植物群落应对气候变化的能力。