王琳琳，鄭國(guó)華

(福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002)

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福州植物群落對(duì)不同頻率噪音減弱效果研究

王琳琳，鄭國(guó)華

(福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002)

[摘要]為了探求植物群落對(duì)不同頻率噪聲的衰減效果，于福州市市級(jí)公園內(nèi)選取30種人工植物群落，調(diào)查樹(shù)種、群落結(jié)構(gòu)，采用AWA6228型聲級(jí)計(jì)實(shí)地測(cè)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)各群落對(duì)不同頻率噪音的減弱效果。結(jié)果表明：(1)在與聲源點(diǎn)垂直方向長(zhǎng)10m、寬10m的植物群落內(nèi)部，5m處相對(duì)減噪率最高可達(dá)49.42%(群落Q29處，2000Hz時(shí))，最低僅為21.14%(群落Q22處，2000Hz時(shí))，10m處相對(duì)減噪率最高可達(dá)52.8%(群落Q29處，2000Hz時(shí))，最低僅為26.14%(群落Q22處，250Hz時(shí))；(2)植物莖干和地表狀態(tài)對(duì)250Hz和500Hz的噪音減弱效果明顯，植物葉片對(duì)頻率為1000～4000Hz的噪聲有明顯削弱作用；(3)植物群落在5m處和10m處均取得了較好的相對(duì)減噪率，且隨著距離增加相對(duì)減噪率也在不斷提升。在250～2000Hz的中低頻率段，聲波的衰減隨著距離的增大而差值明顯，在4000～8000Hz的高頻率段，距離產(chǎn)生的衰減率有所下降。

[關(guān)鍵詞]噪音衰減；植物群落；頻率；福州

公園是城市之肺，城市公園如同明珠點(diǎn)綴于城市的大街小巷，給人們提供安靜、恬淡的休息之處。目前城市降噪多采用工程技術(shù)措施如隔音板、消音涂料等[1～3]，雖然取得了較好的效果，但也表現(xiàn)出了價(jià)格較高、維護(hù)較為頻繁等缺點(diǎn)。利用植物屏障來(lái)防治噪音不僅可以充分發(fā)揮植物生態(tài)防護(hù)的功能，同時(shí)也豐富了城市的自然景觀，達(dá)到了雙贏的目的[4，5]。植物群落可以減弱噪音，主要是由于植物枝葉對(duì)聲波的散射和反射，早在1967年Back的研究就表明常綠闊葉林可以減弱環(huán)境噪聲[6]。不同的植物對(duì)噪音的減弱效果差異性較大[7～9]，而植物群落對(duì)噪音的減弱效果差異性更為顯著，不僅是植物群落的植物形態(tài)不同會(huì)造成差異，更是由于其復(fù)雜的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的原因[10～12]。近年來(lái)關(guān)于植物的減噪效果引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，但對(duì)于研究的主體多為行道樹(shù)或城市防護(hù)林帶，對(duì)于與城市居民休憩生活息息相關(guān)的城市公園植物群落的減噪效果研究卻相對(duì)較少。城市公園多位于城市中心或人流量較大的地帶，人們更需要城市公園形成一道“綠障”來(lái)隔絕來(lái)自建筑工地、機(jī)動(dòng)車(chē)道的噪音[13]。

研究以福州城區(qū)的市級(jí)城市公園為對(duì)象，對(duì)公園內(nèi)植物群落的減噪效果進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)分析不同樹(shù)種、不同生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的植物群落對(duì)不同頻率噪音的消減作用，探討利用植物群落減噪效果的差異性，為更充分發(fā)揮園林植物的生態(tài)效益提供參考。

1研究區(qū)自然概況

福州市位于我國(guó)的東南沿海，閩江下游，介于北緯25°15′～26°39′，東經(jīng)118°08′～120°31′，為福建省省會(huì)，全市總面積12154km2，其中市區(qū)總面積1786km2。福州市區(qū)所在地屬于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻嶺所環(huán)抱，其海拔多在600～1000m之間，故常出現(xiàn)城市熱島效應(yīng)。福州為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長(zhǎng)冬短，無(wú)霜期為328d，霜期集中在1～2月間。市區(qū)年平均氣溫為16～20℃，最冷月(1～2月)平均氣溫為7～13℃，極端最低氣溫為-2.5℃；最熱月(7～8月)平均氣溫達(dá)24～29℃，極端最高氣溫為42.3℃，年平均降水量900～2100mm，多集中于春夏季，秋冬較少。平均相對(duì)濕度75%，平均日照時(shí)數(shù)1700～1980h。福州地跨2個(gè)植被帶，即南亞熱帶季雨林帶和中亞熱帶常綠闊葉林帶，植物資源豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)共有3門(mén)160科1136種[14]。

2研究方法

2.1試驗(yàn)樣地的選擇

選擇福州市區(qū)內(nèi)植物群落豐富的南江濱公園、北江濱公園及溫泉公園進(jìn)行調(diào)查。在這些公園中選取寬度超過(guò)10m、地勢(shì)平坦、植物生長(zhǎng)狀態(tài)穩(wěn)定、冠層與其他群落基本不相連接的30種植物群落進(jìn)行調(diào)查分析。根據(jù)植物群落位置劃分10m×10m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，記錄群落樣地中的植物種類(lèi)、數(shù)量、高度、胸徑(離地面1.2m處)、地徑(離地面0.3m處)、枝下高、冠幅等指標(biāo)；測(cè)量植物蓋度、裸地率，并將植被帶的植物群落劃分為常綠落葉闊葉林、常綠闊葉林、常綠針葉林、棕櫚林、竹林、落葉針葉常綠闊葉林以及常綠闊葉林、竹林混交等。30個(gè)試驗(yàn)樣地具體情況詳見(jiàn)表1、表2。

表1　測(cè)定點(diǎn)植物群落配置結(jié)構(gòu)

注：+表示植物群落位于同一層次；-表示植物群落不在同一層次

表2　測(cè)定點(diǎn)植物群落的結(jié)構(gòu)特征

注：1.CV蓋度；BR裸地率；AH高度；ACD冠幅；ABH枝下高；ADBH胸徑；AI間距；2.√群落主要種冠層位置，√√不同種冠層重疊。

2.2試驗(yàn)方法

在城市人們的日常生活中有很大一部分噪音來(lái)自于汽車(chē)噪音，根據(jù)劉朝暉等[6]的研究，汽車(chē)噪聲強(qiáng)度主要由汽車(chē)自身行駛過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲和輪胎與地面摩擦?xí)r產(chǎn)生的噪聲2部分組成。有研究者根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出了各種車(chē)型在一定行駛速度內(nèi)在混凝土路面上行駛時(shí)產(chǎn)生噪聲的頻率范圍，詳見(jiàn)表3。

表3　汽車(chē)噪聲頻率分布

本研究所采用的噪音聲源均由Bee keeper軟件制作，試驗(yàn)選取250、500、1000、2000、4000、6300、8000Hz這7個(gè)倍頻帶中心頻率噪聲做試驗(yàn)噪聲源，包含了交通噪聲的主要頻率。本研究所選用的聲源為標(biāo)準(zhǔn)聲源，輸出聲壓級(jí)標(biāo)準(zhǔn)94dB(A)，輸出噪音為白噪音，近似為點(diǎn)聲源。測(cè)量?jī)x器為杭州愛(ài)華公司生產(chǎn)的愛(ài)華AWA6228型多功能聲級(jí)計(jì)(配置3，精度2級(jí))，時(shí)間計(jì)權(quán)特性設(shè)為F(快特性)，采樣時(shí)間0.125/s。測(cè)量前使用聲校準(zhǔn)器校正，測(cè)量時(shí)聲級(jí)計(jì)加防風(fēng)罩。對(duì)于試驗(yàn)中出現(xiàn)的汽車(chē)聲、人聲、鳥(niǎo)鳴聲等環(huán)境噪音予以舍棄。測(cè)量時(shí)將聲級(jí)計(jì)固定于三腳架之上，人體距離聲級(jí)計(jì)至少50cm以上。其他測(cè)量?jī)x器有浪庭多媒體電腦音響F700、音箱支架、臺(tái)灣生產(chǎn)的TES-1364型溫濕度計(jì)、2m測(cè)樹(shù)圍卷尺、10m的鋼卷尺等。

于2015年6月～2015年8月，選取風(fēng)速小于3m/s、氣溫26～32℃、空氣濕度小于70%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，以求減少氣候因子對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。根據(jù)植物種類(lèi)組成、生態(tài)型、種群數(shù)量特征設(shè)置10m×10m的群落樣方，試驗(yàn)于樣方內(nèi)進(jìn)行，以植物群落樣地邊緣為0m測(cè)量點(diǎn)，固定噪音源，每組植物群落在垂直水平方向分別于0、5、10m處設(shè)3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，設(shè)為點(diǎn)a、點(diǎn)b、點(diǎn)c，測(cè)聲器距離地面1.5m，每次連續(xù)測(cè)量60s，每次測(cè)定重復(fù)3次數(shù)據(jù)取平均值。

2.3數(shù)據(jù)處理

減噪率(dB(A))為聲波經(jīng)過(guò)減噪作用后的衰減值占原值的比例，其計(jì)算公式如下：

b點(diǎn)減噪率=[(Leqb-Leqa)/Leqa]×100%

c點(diǎn)減噪率=[(Leqc-Leqa)/Leqa]×100%

式中，Leqa、Leqb、Leqc分別為測(cè)量點(diǎn)所測(cè)得的點(diǎn)a、點(diǎn)b、點(diǎn)c處的連續(xù)等效A聲級(jí)LeqA。

3結(jié)果與分析

3.1b點(diǎn)處植物群落對(duì)各頻率噪音的衰減效果

3.1.1b點(diǎn)處常綠落葉闊葉林對(duì)各頻率噪音的衰減效果

由圖1可知，由于夏季屬于常綠落葉闊葉林的生長(zhǎng)期，枝葉密集且豐富，各個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)減噪率的峰谷值各不相同。如Q1，當(dāng)頻率為500Hz和8000Hz時(shí)，相對(duì)減噪率達(dá)到峰值，當(dāng)頻率為6300Hz時(shí)，相對(duì)減噪率達(dá)到谷值，僅為26.7%，且可以看出Q1中高頻率降噪效果不如低頻率的降噪效果。與之相反的是Q2，在500Hz時(shí)達(dá)到谷值，為28.3%，而在1000Hz時(shí)達(dá)到峰值39.7%。根據(jù)前人的研究可知，莖干的結(jié)構(gòu)及數(shù)量對(duì)于低頻噪音的減弱效果更加優(yōu)于對(duì)高頻噪音的減弱效果，由表1可知Q1為黃花槐群落，該群落空曠舒朗，無(wú)灌木，聲波散射作用較強(qiáng)；Q3為大花紫薇-九里香植物群落，九里香枝葉細(xì)密，且位于測(cè)量點(diǎn)的前方，形成了很好的聲屏障，大花紫薇本身屬于小喬木，本身高度雖不足以完全阻礙聲波的繞射作用，但仍比Q1和Q2的中高頻率減噪效果要好。

圖1　常綠落葉闊葉林b點(diǎn)相對(duì)減噪率

圖2　常綠闊葉林b點(diǎn)相對(duì)減噪率

3.1.2b點(diǎn)處常綠闊葉林對(duì)各頻率噪音的衰減效果

由圖2可以看出，同為常綠闊葉林，不同植物之間的相對(duì)減噪率差異顯著，產(chǎn)生差異較大的為1000～4000Hz的中頻段。絕大多數(shù)群落在500Hz左右出現(xiàn)最低值，但Q11卻恰恰相反，這是由于Q11為大花紫薇群落，在測(cè)量時(shí)由于茉莉剛種植不久，葉片尚未舒展，莖條很好地吸收了低頻噪音。在500～2000Hz中減噪效果最好的為Q8、Q13、Q14，Q8夾竹桃群落為沿江防護(hù)林，枝葉密集，根深葉茂；Q14和Q16則由于豐富的中層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很好的減噪效果；Q9在1000Hz時(shí)減噪效果不好，可能是由于過(guò)于密集的毛竹使植物枝葉間的某些空隙大大小于1000Hz聲波的波長(zhǎng)，發(fā)生了衍射現(xiàn)象，使聲波透過(guò)小孔繼續(xù)傳播致使噪聲沒(méi)有減弱。在6300Hz時(shí)吸收最差的為Q7和Q5，均為29.75%，Q7由于樹(shù)高僅有1.5m左右，使聲波產(chǎn)生了繞射現(xiàn)象；而Q5樹(shù)高僅1.2m，同樣產(chǎn)生了繞射現(xiàn)象。有資料表明，植物莖干的數(shù)量及構(gòu)造對(duì)500Hz以下的噪聲衰減效果顯著，在500～2000Hz頻率內(nèi)，聲波的衰減主要與葉片的數(shù)量及結(jié)構(gòu)有關(guān)，而在高于2000Hz的頻率內(nèi)則與植物高度及外部形態(tài)有關(guān)，本研究結(jié)果也很好地驗(yàn)證了這個(gè)觀點(diǎn)。

3.1.3b點(diǎn)處棕櫚林對(duì)各頻率噪音的衰減效果

由圖3可知，棕櫚林群落對(duì)于1000～4000Hz的中頻音和6300Hz的高頻音減弱效果顯著。Q18雖然大王椰子下雖密集種植著條帶狀的紅花檵木，但由于其高度只有1.2m左右，且大王椰子散點(diǎn)植于草坪之上，葉片數(shù)量無(wú)法滿足中高頻率的減噪要求，但在5000Hz以上，由于大王椰子高大挺拔，枝條秀逸，對(duì)6300Hz的高頻噪聲減弱效果明顯。Q16在500Hz處取得較好的減弱效果，為37.7%，這也同樣是由于該群落僅種植魚(yú)尾葵和白蘭，下層為泥地，結(jié)構(gòu)中空，植物莖干更好地吸收了低頻噪音所致。劉佳妮[15]針對(duì)不同地表材料噪聲減弱效果的研究也表明，泥地對(duì)于125～500Hz低頻率噪音的減弱效果要由于中高頻率，故而Q16的中低頻率相對(duì)減噪率要比其他幾個(gè)群落穩(wěn)定。

圖3　棕櫚林b點(diǎn)相對(duì)減噪率

3.1.4b點(diǎn)處常綠針葉林對(duì)各頻率噪音的衰減效果

圖4　常綠針葉林b點(diǎn)相對(duì)減噪率

從圖4可以看出，常綠針葉林群落針對(duì)不同頻率的減噪效果差異顯著。本試驗(yàn)選取的常綠針葉林包括純林和常綠闊葉灌木混交林。針葉純林Q21和Q24針對(duì)不同頻率的減噪效果曲線吻合度高，在500Hz和8000Hz處取得最低值，分別為28.69%和28.05%以及26.86%和28.58%。在常綠闊葉針葉混交林中，Q23在2000～4000Hz處取得較大值，這也充分說(shuō)明葉片數(shù)量及構(gòu)造對(duì)500～2000Hz頻率影響較大；Q22則在1000～4000Hz處取得最小值，這可能是由于在南洋杉前種植著桃樹(shù)以及低矮的黃金榕綠籬，葉片數(shù)量較為稀疏所致。由所得數(shù)據(jù)可以看出，這4處針葉林帶均沒(méi)有顯示出對(duì)低頻率噪音更好的減弱效果，這可能是由于試驗(yàn)地不同所導(dǎo)致的區(qū)別。

3.1.5b點(diǎn)處落葉針葉常綠闊葉林、常綠闊葉林、竹林混交及竹林對(duì)各頻率噪音的衰減效果

如圖5所示，Q25和Q26在250Hz和6300Hz時(shí)取得最大值，2條曲線擬合度很高，Q25在群落的前5m處為大花紫薇、構(gòu)樹(shù)混植，由于大花紫薇樹(shù)齡較老，樹(shù)高較高，莖干對(duì)低頻噪音散射較大，故而在250Hz處減噪值較好，達(dá)36.68%，而在6300Hz處取得較大值38.97%，也同樣說(shuō)明了樹(shù)冠高度和冠幅對(duì)高頻率噪聲衰減效果影響明顯。Q28在6300Hz處取得較大值44.30%，而Q27在500Hz處取得較大值42.24%，同樣都是常綠闊葉林、竹林混交，但是由于配置結(jié)構(gòu)的不同亦會(huì)產(chǎn)生截然相反的結(jié)果：Q27是竹林位于群落中央，而Q28為竹林位于群落10m處，故而在配置時(shí)應(yīng)充分考慮群落位置所產(chǎn)生的不同降噪效果。Q29和Q30均為竹林，兩者均表現(xiàn)出在500Hz處出現(xiàn)最低值，不同的是兩者在5000Hz處出現(xiàn)了完全不同的減噪率對(duì)比，出現(xiàn)這一情況的原因可能是由于Q29竹林種植并不如Q30純竹林密集，5000Hz的高頻聲波穿過(guò)竹林中間的空隙發(fā)生了衍射現(xiàn)象所致。

圖5　落葉針葉常綠闊葉林、常綠闊葉林、竹林混交及竹林b點(diǎn)相對(duì)減噪率

3.2距噪聲源不同距離對(duì)相對(duì)減噪率的影響

從圖6～13可以看出，在近似點(diǎn)聲源的情況下，垂直方向不同距離的相對(duì)減噪率均呈現(xiàn)出隨著距離的增大逐步增加的趨勢(shì)。(1)在250Hz時(shí)，Q22相對(duì)減噪率差值為18.17%，這是由于該群落前方種植有較低矮的桃樹(shù)及黃金榕，而在群落樣方5～10m處則是茂密的南洋杉，這正是植物莖干對(duì)低頻噪聲減弱效果顯著的有力佐證。(2)在500Hz時(shí)，Q11出現(xiàn)了c點(diǎn)減噪率低于b點(diǎn)的現(xiàn)象，與Q22的相似的是，尚未完全長(zhǎng)成的低矮茉莉植株枝條對(duì)于低頻噪聲減弱效果顯著，但是植物群落后方為茂密的木槿的紅桑，葉片數(shù)量豐富，反而產(chǎn)生了對(duì)低頻噪音減弱不如b點(diǎn)的現(xiàn)象。(3)在500～2000Hz處植物群落隨著距離的增大相對(duì)減噪率也隨之提高，兩者之間的平均差值顯著，500Hz時(shí)為7.34%，1000Hz時(shí)為5.93%，2000Hz時(shí)為7.09%，說(shuō)明距離對(duì)中低頻率的減弱效果要由于高頻率噪音。(4)在4000～8000Hz的高頻聲波段，雖然各個(gè)植物群落的減噪效果不一，但2條折線吻合度較高，說(shuō)明在中高頻率段雖有一定量的距離衰減，但幅度不大，在實(shí)際配置過(guò)程中應(yīng)增加綠帶的寬度和高度以求得較好的相對(duì)衰減率。

圖6　250Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

圖7　500Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

圖8　1000Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

圖9　2000Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

圖10　4000Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

圖11　5000Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

圖12　6300Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

圖13　8000Hz時(shí)相對(duì)減噪率對(duì)比

3結(jié)論

(1)在與聲源點(diǎn)垂直方向長(zhǎng)10m、寬10m的植物群落內(nèi)部，5m處相對(duì)減噪率最高可達(dá)49.42%(Q29處，2000Hz時(shí))，最低僅為21.14%(Q22處，2000Hz時(shí))，10m處相對(duì)減噪率最高可達(dá)52.8%(Q29處，2000Hz時(shí))，最低僅為26.14%(Q22處，250Hz時(shí))。在試驗(yàn)樣地長(zhǎng)度和寬度相同的條件下，不同植物組成、排列方式的綠地群落降噪效果差別巨大，產(chǎn)生這一差異的原因是由于植物的生理結(jié)構(gòu)以及地表狀態(tài)所引起的。植物莖干和地表狀態(tài)對(duì)250Hz和500Hz的噪音減弱效果明顯，植物葉片對(duì)頻率為1000～4000Hz的噪聲有明顯削弱作用，在6300Hz以上的高頻率噪音減弱幅度則主要由植物群落中主要植株的高度及冠層位置所決定。

(2)植物群落在5m處和10m處均取得了較好的相對(duì)減噪率，且隨著距離增加相對(duì)減噪率也在不斷提升。在250～2000Hz的中低頻率段，聲波的衰減隨著距離的增大而差值明顯，在4000～8000Hz的高頻率段，距離產(chǎn)生的衰減率有所下降，5m處相對(duì)減噪率與10m處相對(duì)減噪率折線擬合度較高，這說(shuō)明10m左右的植物群落就可以有效過(guò)濾較高頻率段噪音。由于城市建設(shè)的原因?qū)е略谑姓ㄔO(shè)中植物群落的寬度和長(zhǎng)度被限制，故不必盲目的增加群落的寬度，以免造成資源浪費(fèi)。

(3)群落之可以產(chǎn)生隔音效果主要是因?yàn)橹参锏那o干、枝條、樹(shù)冠能反射、散射和衍射噪聲。單純由喬木組成的群落，由于枝下高較高以及在冠層以下缺少葉片的遮擋，高頻聲波易直接穿過(guò)中空的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，隔聲效果自然較差；同樣，單純由灌木、綠籬和地被植物組成的群落，由于群落較高區(qū)域缺少葉片遮擋，易使聲波產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，降噪效果也大打折扣。因此，為了營(yíng)造一個(gè)降噪效果明顯的城市綠地，配置宜采用包含大喬木、小喬木、灌木及地被等多種樣式的植物組合，提升群落的郁閉度，特別是在綠地外圍，由于枝干的影響，距離噪聲源越近，越能過(guò)濾掉汽車(chē)噪音中中低頻率的聲音。然而也無(wú)需使綠地內(nèi)遍植植物，僅在植物生長(zhǎng)的縱向?qū)哟紊隙加忻艿闹θ~即可。

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[收稿日期]2015-12-04

[基金項(xiàng)目]國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD15B01)。

[作者簡(jiǎn)介]王琳琳(1990-)，女，碩士生，研究方向?yàn)榛ɑ芘c景觀園藝。通信作者：鄭國(guó)華， 695957324@qq.com。

[中圖分類(lèi)號(hào)]X593

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)09-0063-10

[引著格式]王琳琳，鄭國(guó)華.福州植物群落對(duì)不同頻率噪音減弱效果研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) ，2016，13(9)：63～72.