园林树木的形态特征与阻火能力的相关性∗

张德顺 陈一家 吴 雪 李科科 张百川 姚驰远

同济大学建筑与城市规划学院 上海 200092

城市绿地作为紧急避险、 疏散转移或临时安置的重要场所, 园林自身的阻火能力已愈加受到重视, 选择阻火树种是提升园林绿化抗火能力的重要措施[1]。 阻火性主要指燃烧难易程度, 是研究火灾行为的基本组成部分, 对于识别潜在火灾风险、 降低火灾危害程度至关重要[2]。 评估不同植物可燃性是研究树木防火能力的常用方法, 由于实验规模尺度与实验样品质量不同, 可燃性研究指标也有所区别[3]。 诸多评价树木阻火能力指标中影响力较大的是日本学者岩河信文提出的遮热率(thermal isolating ratio)[4-6]。 遮热率与园林树木的形态特征密切相关, 不同树种的树高、 枝下高、 冠幅、 枝下比、 孔隙率、 叶面积指数、 树冠比、 叶面积等都会影响其遮热率[4-6]。 本文以上海常见的32 种园林树木的形态特征为研究对象, 对树木的遮热率进行测定, 并将其作为阻火能力的评价依据对常见树种的阻火性能进行排序。通过描述各形态特征与遮热率的相关性, 可以阐明影响树木阻火能力的主要形态指标, 为优化城市绿化成分、 提升绿地响应火灾的韧性提出技术对策[7]。

1 研究对象和研究方法

调查地点设置在上海海湾国家森林公园苗圃基地, 位于上海市奉贤区海湾镇五四农场境内(北纬N30°51′47.04″, 东经E121°41′10.59″), 占地面积10.8 km2, 距离上海市中心60 km。

1.1 研究对象

本研究选择32 种上海市常见园林树种为研究对象(表1), 其中落叶树种20 种、 常绿树种12种, 包括乔木、 灌木, 有针叶树、 阔叶树以及不同观赏类型的树木, 涵盖了目前上海市风景园林中主要应用的基调树种和骨干树种, 体现了不同的生活型和观赏特征。

表1 阻火实验测定树种名录

1.2 研究方法

调查时间为2018 年7 月17—21 日, 平均气温26 ℃～32 ℃, 天气状况晴朗, 风力为东南风3～4 级。 分别测算胸径、 冠幅、 遮热率等6 项指标。

1) 胸径(DBH) 取树木主干距离地面1.3 m处, 用胸径尺绕树干一周测量树木胸径, 每株测量3 次, 取平均值。

2) 树高、 枝下高、 冠高(TH, UBH, CH),采用激光测高仪。

3) 冠幅(CW) ＝ (南北方向冠幅+东西方向冠幅) /2。

4) 叶面积指数、 孔隙率(LAI, P), 其群落光环境数据采集与处理采用英国开发的Hemiview林地冠层数字分析仪测定。

5) 树冠比(CR)。 使用数码相机对实验树木进行拍照, 拍照者每次站在距离树木6 ～8 m 处以减小不同高度的树木所产生的拍摄角度差异, 从而降低误差。 将实验样本的图片导入AutoCAD 软件中, 计算树冠轮廓的面积及树冠横截面所占的矩形面积, 树冠比的计算公式如下(CH为冠高,TH为树高,LA为树冠在垂直方向上的横截面积,CW为冠幅):

6) 遮热率(TIR) 的计算方法采用1983 年日本学者齐藤庸平提出的计算公式(其中,CR为树冠比,UBH为枝下高,TH为树高,p为孔隙率), 遮热率Tθ公式为:

2 结果与分析

2.1 树木遮热率综合评价分析

遮热率(遮热力) 是由树木遮蔽热量的比例决定的, 根据树木的空隙程度而变化。 单株树木的遮热率由树木的形状决定, 冠大荫浓、 叶面积指数高的树种具有较高的遮热率。 表2 是32 种树种的形态特征和遮热率排序。

表2 树木形态特征与遮热率

通过遮热率排序结果看, 冬青卫矛、 海桐、珊瑚树等具有较高的遮热率, 说明这些树种在火灾发生时具有较强的防护能力。

为进一步评价不同树木的防护等级, 将树木的遮热率进行系统聚类分析, 结果如下: 第1 类树木防护性最强, 为珊瑚树、 石楠、 海桐、 冬青卫矛、 木槿： 第2 类树木防护性较强, 为黄栌、紫薇、 落羽杉、 水杉、 鹅掌楸、 白玉兰、 榉树、五角枫、 光皮树、 梓树、 雪松： 第3 类树木防护性较弱, 为香樟、 乌桕、 银杏、 枫香、 日本冷杉、梧桐、 紫叶李、 广玉兰、 无患子： 第4 类树木的防护性最弱, 为苦楝、 大叶冬青、 乐昌含笑、 喜树、 龙柏、 女贞、 黄山栾。

在常绿树种中, 冬青卫矛、 海桐、 珊瑚树的遮热率较高： 落叶树种中榉树、 白玉兰、 鹅掌楸、黄栌的遮热率较高。 冬青卫矛的防护性最强, 其次是海桐、 珊瑚树、 石楠、 雪松、 广玉兰、 日本冷杉、 香樟、 龙柏、 女贞、 大叶冬青和乐昌含笑。落叶树种中木槿的防护性最强, 其次是白玉兰、鹅掌楸、 落羽杉、 水杉、 紫薇、 黄栌、 梓树、 五角枫、 光皮树、 榉树、 紫叶李、 无患子、 枫香、梧桐、 乌桕、 银杏、 黄山栾、 喜树、 苦楝。

与乔木相比, 灌木和小乔木的遮热率普遍较高, 这是因为灌木或小乔木几乎不存在枝下空间或枝下空间较少。

2.2 不同生物学特性与树木防护能力对比分析

对表2 的数据进行旋转后的载荷矩阵, 计算得出函数的系数, 得到树木形态和遮热率因子得分, 不同树木生物学特性如常绿、 落叶, 乔木、灌木之间的树高、 枝下高、 枝下比、 树冠比、 孔隙率、 平均指数和遮热率的因子得分有不同的变化规律。

通过对不同树木防护能力的评价, 结果发现防护能力较高的树种中, 珊瑚树、 海桐、 冬青卫矛、 石楠皆为常绿灌木。 根据对32 种树木形态特征与防护能力的分析结果(图1), 与落叶树木相比, 常绿树木的平均树高、 枝下高、 树冠比、 冠幅、 叶面积指数高于落叶树种, 其中树高、 枝下高和冠幅的差异性较显著, 落叶树木与常绿树木的枝下比与孔隙率无明显差异。 由此可见, 在树木的枝下比、 孔隙率无明显差异的情况下, 常绿树木的冠幅较大, 树冠的遮蔽作用较强, 导致常绿树木的遮热率和防护能力高于落叶树木。

图1 常绿树木与落叶树木形态特征与遮热率的因子得分

通过对乔木与灌木的形态特征与树木防护能力的对比(图2), 结果发现珊瑚树、 石楠、 冬青卫矛、 海桐以及木槿、 紫薇6 种小乔木的平均树高、 枝下高、 枝下比、 冠幅、 叶面积指数都低于乔木树种, 其中树高、 枝下高、 冠幅的差异性较显著, 枝下比的差异较小, 孔隙率无显著差异。一般情况下, 绿地中的灌木都被修剪成高约1 m的连续绿篱形式, 因此, 灌木的枝叶部分所占的比例(乔木树冠比) 可以看作1, 高于乔木的树冠比值, 说明灌木枝叶的遮蔽作用明显高于乔木的树冠, 且灌木的分支点较低, 几乎无枝下空间,更增加了枝叶所占的空间比例, 因此灌木具备较高的遮热率和较强的防护作用。由此可见, 常绿树木的防护性高于落叶树木, 灌木的防护性高于乔木树种。 因此珊瑚树、 石楠、冬青卫矛、 海桐的防护能力较强, 然而由图1、图2 可以看出, 遮热率与树木的生物学特性(常绿与落叶、 乔木与灌木) 相关性不是很显著, 主要还是与形态特征紧密相关。

图2 乔木树种与灌木树种形态特征与遮热率因子得分

2.3 树木形态特征与遮热率分析

为了探究不同形态特征对树木遮热率的影响,对树木的树高、 冠幅、 枝下高、 枝下比、 树冠比、孔隙率、 叶面积指数、 叶面积8 个形态指标与树木遮热率进行相关性分析。 结果(表3) 显示,树高与遮热率无显著相关性, 虽然部分研究表明树高与防火性有关, 然而就树木的防护性而言,较高的树木对林冠火没有直接作用, 但由于其对地面火的火球火星起到遮挡隔离作用, 所以树高与遮热率的相关性是对不同火灾类型要具体分析。此外, 树木的冠幅、 叶面积、 孔隙率与叶面积指数均与遮热率无显著相关性。 由于树冠比受冠高、冠形与冠幅多重因素的影响, 因此单一的冠幅、叶面积与树木遮热率并无相关性。

表3 树木形态特征与遮热率相关性分析

2.3.1 树冠比对树木防护能力的影响

树冠大小与形态决定了树木的生长发育、 固碳释氧、 遮阳庇荫、 滞尘降噪、 小气候调控的能力[8-9]。 树冠结构与树冠形态影响林下的环境条件、树木的生长以及多数的植物群落功能。 不同的冠层特征与树冠的宏观结构、 空间形态影响树木的遮蔽、 防护以及冠火的燃烧强度与蔓延速率等。 树冠横截面积常用做防火林带的种植设计依据[9], 多种树冠重叠, 树冠的横截面积不断增加, 促进不同形态特征的树冠可塑性, 提升遮蔽性与防护功能的同时, 增加林内的生产率。 冠层密度指数与火灾风险有显著的相关性, 增加冠层密度与枝叶所占的比例对于抑制火势蔓延至关重要[10]。

树冠比与遮热率呈极显著的正相关关系(图3), 树冠比越大, 树木的遮热率也越高, 树木树冠的防护性能较强。 32 种树木中, 珊瑚树、 石楠、 冬青卫矛、 木槿、 海桐、 紫薇6 种树木为灌木(小乔木), 分支点较低, 枝叶部分所占的空间体积较高, 树冠比值较大, 遮热率相对较高：乔木树种中光皮树、 榉树、 广玉兰、 五角枫的树冠比较高, 树冠的遮蔽性较高, 则防护能力强：喜树、 女贞、 苦楝、 龙柏、 乐昌含笑的树冠比较小, 树冠所占的空间较少, 遮热率较小, 树冠对火灾过程中产生的飞散火球、 火星的遮蔽作用以及对热辐射的隔离作用较小。

图3 树木树冠比与遮热率相关性分析

2.3.2 枝下高对树木防护能力的影响

枝条是树冠的组成基础, 直接影响树冠的动态变化, 枝下高是研究树冠特征的主要影响因子[7-8]。 枝下高不仅因树种的遗传特性与生长环境存在差异, 即使同一树种, 枝下高也存在差异,枝下空间的大小直接影响树冠的遮蔽能力与树木的防护作用。

树木的枝下高与树木遮热率呈显著的负相关关系(图4), 枝下高越小, 枝下空间越少, 树木的防护能力越强。 32 种树木中, 冬青卫矛、 海桐、 珊瑚树、 石楠4 种灌木的枝下高为0, 遮热率高, 几乎无枝下空间, 防护性好： 乔木树种中,雪松、 黄栌、 紫叶李的枝下高较小, 枝下空间较少, 可以对火灾过程中产生的危险物起到一定的遮蔽作用： 喜树、 苦楝、 乌桕、 香樟、 无患子等枝下高较高, 遮热率较低, 说明其防护能力较弱。

图4 树木枝下高与树木遮热率相关性分析

2.3.3 枝下比对树木防护能力的影响

在枝下比方面, 树木的遮热率随着枝下比的增加而降低(图5), 枝下比小, 树木的枝下空间小, 枝叶的遮蔽性与遮热率较高, 防护性较强。灌木几乎无枝下空间, 石楠、 珊瑚树、 海桐、 冬青卫矛4 种灌木的枝下比为0, 枝叶所占的空间较多, 防护性较强。

图5 树木枝下比与遮热率相关性分析

其余的乔木中, 木槿、 紫薇、 雪松、 黄栌的枝下比值较小, 枝下空间少, 枝叶所占的空间比例相对较多, 树木的防护性较强： 苦楝、 女贞、龙柏、 黄山栾、 香樟的枝下比值较大, 防护性较弱： 白玉兰、 鹅掌楸、 水杉、 榉树等枝下比中等,尽管遮热率较高, 其防火能力因立地环境、 配置方式不同也有一定的不确定性。

除冬青卫矛等6 种灌木(小乔木) 外, 与常绿树木相比, 多数落叶树木的枝下比较小, 树冠所占的空间比例较大, 遮蔽程度较高, 防护性相对较强。

依据遮热率的计算公式, 遮热率是由孔隙率、枝下比和树冠比计算而来, 而相关性分析显示, 无论是叶面积指数还是孔隙率均与其无相关性。 导致这一现象的原因是不同实验树种的叶面积指数与孔隙率的差异性较小或者趋同, 与枝下高、 枝下比、树冠比3 个形态指标相比, 树木的孔隙率主要集中在0.1～0.2, 而叶面积指数主要集中在1.0 ～2.0,差异性较小, 为了进一步探究其差异性是否显著,对二者分别进行独立样本T 检验。 其中将孔隙率的分割点设为0.18 (均值), 显著性为0.439 (＞0.05), 即无论是大于0.18 还是小于0.18, 其遮热率无显著差异。 将叶面积指数的分割点设为1.7(均值), 显著性P 值为0.345 (＞0.05), 说明不同水平的叶面积指数的遮热率无明显差异, 即32 种受试树种孔隙率、 叶面积指数种间差异性较小, 导致二者与遮热率无明显相关性。

3 结论与讨论

树木防护能力受不同形态指标的影响。 通过各形态指标与遮热率的分析, 结果发现不同树木的遮热率具有明显的种间差异性。 枝下高、 枝下比、 树冠比与遮热率的影响较为显著。 枝下高、枝下比与遮热率呈显著负相关： 树冠比与遮热率呈显著正相关关系, 具备较强的指示性, 可以作为初步判断树木防护能力的形态指标, 便于树种选择与规划过程中的使用。

树冠是影响树木防护能力的主要因素。 无论是以树冠比还是以枝下比为依据, 主要目的都在于减少枝下空间以提高树冠(枝叶) 所占的空间比例, 树冠是树木防护性评价的主要影响因素。因此, 在防火型防护绿地的树种选择与种植设计中, 可以选择不同树种, 通过多种树冠的重叠,增大树冠的横截面积以提高树冠比, 从而在一定程度上强化植物群落的防护能力。

树木的防火能力与燃烧特征两种评价方式的评价结果存在一定差异性。 只有个别树种同时满足防火与防护两方面的需求, 其中珊瑚树和落羽杉具备较强的防火能力与防护能力, 是城市绿地中较理想的防火树种。

树木的防火性评价需要综合考虑不同的评价指标[11], 火灾发生过程中, 既需要大量的防火性较强的树木组成的防火群落来满足控制火势蔓延的需求, 又要考虑周边居民的防护需求： 提升树木自身的防火能力, 既要提升形态防火能力, 还要充分考虑其生态习性和生物学特性, 综合考虑树体组织的有机物成分含量、 含水率、 纤维素含量、 灰分含量等, 以及群落的树种构成、 垂直结构、 树龄等组合因子, 这是提升绿地减灾避险能力的系统思维[12]。 例如, 针对防护林选择燃烧性较差, 防火性较强的树木以控制火势蔓延速率[13], 而针对人流量较高的隔离带或者防灾避险公园中的区域, 则可以选择基于树木遮热率的防护能力较强的树木, 并在此基础上进行种植设计以满足城市的景观需要与居民的防护需求[14]。 因此, 无论是树木的燃烧特征还是树木的形态特征,单一的评价体系都无法全面地评价树木的防火能力, 应从不同的角度出发, 结合实际情况对城市绿地进行树种规划与种植设计才能最大程度地降低火灾风险、 促进城市生态安全与绿地健康[15]。