福州植物群落對不同頻率噪音減弱效果研究

王琳琳，鄭國華

(福建農林大學園藝學院，福建 福州 350002)

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福州植物群落對不同頻率噪音減弱效果研究

王琳琳，鄭國華

(福建農林大學園藝學院，福建 福州 350002)

[摘要]為了探求植物群落對不同頻率噪聲的衰減效果，于福州市市級公園內選取30種人工植物群落，調查樹種、群落結構，采用AWA6228型聲級計實地測量，并通過數據分析統計各群落對不同頻率噪音的減弱效果。結果表明：(1)在與聲源點垂直方向長10m、寬10m的植物群落內部，5m處相對減噪率最高可達49.42%(群落Q29處，2000Hz時)，最低僅為21.14%(群落Q22處，2000Hz時)，10m處相對減噪率最高可達52.8%(群落Q29處，2000Hz時)，最低僅為26.14%(群落Q22處，250Hz時)；(2)植物莖干和地表狀態對250Hz和500Hz的噪音減弱效果明顯，植物葉片對頻率為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減噪率，且隨著距離增加相對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，距離產生的衰減率有所下降。

[關鍵詞]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，但也表現出了價格較高、維護較為頻繁等缺點。利用植物屏障來防治噪音不僅可以充分發揮植物生態防護的功能，同時也豐富了城市的自然景觀，達到了雙贏的目的[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境噪聲[6]。不同的植物對噪音的減弱效果差異性較大[7～9]，而植物群落對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不同會造成差異，更是由于其復雜的內部組成結構的原因[10～12]。近年來關于植物的減噪效果引起了眾多學者的關注，但對于研究的主體多為行道樹或城市防護林帶，對于與城市居民休憩生活息息相關的城市公園植物群落的減噪效果研究卻相對較少。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”來隔絕來自建筑工地、機動車道的噪音[13]。

研究以福州城區的市級城市公園為對象，對公園內植物群落的減噪效果進行測定，通過分析不同樹種、不同生長結構的植物群落對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，為更充分發揮園林植物的生態效益提供參考。

1研究區自然概況

福州市位于我國的東南沿海，閩江下游，介于北緯25°15′～26°39′，東經118°08′～120°31′，為福建省省會，全市總面積12154km2，其中市區總面積1786km2。福州市區所在地屬于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻嶺所環抱，其海拔多在600～1000m之間，故常出現城市熱島效應。福州為典型的亞熱帶季風氣候，夏長冬短，無霜期為328d，霜期集中在1～2月間。市區年平均氣溫為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。平均相對濕度75%，平均日照時數1700～1980h。福州地跨2個植被帶，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，據不完全統計共有3門160科1136種[14]。

2研究方法

2.1試驗樣地的選擇

選擇福州市區內植物群落豐富的南江濱公園、北江濱公園及溫泉公園進行調查。在這些公園中選取寬度超過10m、地勢平坦、植物生長狀態穩定、冠層與其他群落基本不相連接的30種植物群落進行調查分析。根據植物群落位置劃分10m×10m的標準樣地，記錄群落樣地中的植物種類、數量、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；測量植物蓋度、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個試驗樣地具體情況詳見表1、表2。

表1　測定點植物群落配置結構

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　測定點植物群落的結構特征

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試驗方法

在城市人們的日常生活中有很大一部分噪音來自于汽車噪音，根據劉朝暉等[6]的研究，汽車噪聲強度主要由汽車自身行駛過程中產生的噪聲和輪胎與地面摩擦時產生的噪聲2部分組成。有研究者根據實驗得出了各種車型在一定行駛速度內在混凝土路面上行駛時產生噪聲的頻率范圍，詳見表3。

表3　汽車噪聲頻率分布

本研究所采用的噪音聲源均由Bee keeper軟件制作，試驗選取250、500、1000、2000、4000、6300、8000Hz這7個倍頻帶中心頻率噪聲做試驗噪聲源，包含了交通噪聲的主要頻率。本研究所選用的聲源為標準聲源，輸出聲壓級標準94dB(A)，輸出噪音為白噪音，近似為點聲源。測量儀器為杭州愛華公司生產的愛華AWA6228型多功能聲級計(配置3，精度2級)，時間計權特性設為F(快特性)，采樣時間0.125/s。測量前使用聲校準器校正，測量時聲級計加防風罩。對于試驗中出現的汽車聲、人聲、鳥鳴聲等環境噪音予以舍棄。測量時將聲級計固定于三腳架之上，人體距離聲級計至少50cm以上。其他測量儀器有浪庭多媒體電腦音響F700、音箱支架、臺灣生產的TES-1364型溫濕度計、2m測樹圍卷尺、10m的鋼卷尺等。

于2015年6月～2015年8月，選取風速小于3m/s、氣溫26～32℃、空氣濕度小于70%時進行試驗，以求減少氣候因子對測量結果造成的影響。根據植物種類組成、生態型、種群數量特征設置10m×10m的群落樣方，試驗于樣方內進行，以植物群落樣地邊緣為0m測量點，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3個測量點，設為點a、點b、點c，測聲器距離地面1.5m，每次連續測量60s，每次測定重復3次數據取平均值。

2.3數據處理

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

b點減噪率=[(Leqb-Leqa)/Leqa]×100%

c點減噪率=[(Leqc-Leqa)/Leqa]×100%

式中，Leqa、Leqb、Leqc分別為測量點所測得的點a、點b、點c處的連續等效A聲級LeqA。

3結果與分析

3.1b點處植物群落對各頻率噪音的衰減效果

3.1.1b點處常綠落葉闊葉林對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期，枝葉密集且豐富，各個測點相對減噪率的峰谷值各不相同。如Q1，當頻率為500Hz和8000Hz時，相對減噪率達到峰值，當頻率為6300Hz時，相對減噪率達到谷值，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時達到谷值，為28.3%，而在1000Hz時達到峰值39.7%。根據前人的研究可知，莖干的結構及數量對于低頻噪音的減弱效果更加優于對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，無灌木，聲波散射作用較強；Q3為大花紫薇-九里香植物群落，九里香枝葉細密，且位于測量點的前方，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點相對減噪率

圖2　常綠闊葉林b點相對減噪率

3.1.2b點處常綠闊葉林對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減噪率差異顯著，產生差異較大的為1000～4000Hz的中頻段。絕大多數群落在500Hz左右出現最低值，但Q11卻恰恰相反，這是由于Q11為大花紫薇群落，在測量時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林，枝葉密集，根深葉茂；Q14和Q16則由于豐富的中層結構產生了很好的減噪效果；Q9在1000Hz時減噪效果不好，可能是由于過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，發生了衍射現象，使聲波透過小孔繼續傳播致使噪聲沒有減弱。在6300Hz時吸收最差的為Q7和Q5，均為29.75%，Q7由于樹高僅有1.5m左右，使聲波產生了繞射現象；而Q5樹高僅1.2m，同樣產生了繞射現象。有資料表明，植物莖干的數量及構造對500Hz以下的噪聲衰減效果顯著，在500～2000Hz頻率內，聲波的衰減主要與葉片的數量及結構有關，而在高于2000Hz的頻率內則與植物高度及外部形態有關，本研究結果也很好地驗證了這個觀點。

3.1.3b點處棕櫚林對各頻率噪音的衰減效果

由圖3可知，棕櫚林群落對于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，且大王椰子散點植于草坪之上，葉片數量無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尾葵和白蘭，下層為泥地，結構中空，植物莖干更好地吸收了低頻噪音所致。劉佳妮[15]針對不同地表材料噪聲減弱效果的研究也表明，泥地對于125～500Hz低頻率噪音的減弱效果要由于中高頻率，故而Q16的中低頻率相對減噪率要比其他幾個群落穩定。

圖3　棕櫚林b點相對減噪率

3.1.4b點處常綠針葉林對各頻率噪音的衰減效果

圖4　常綠針葉林b點相對減噪率

從圖4可以看出，常綠針葉林群落針對不同頻率的減噪效果差異顯著。本試驗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，這也充分說明葉片數量及構造對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以及低矮的黃金榕綠籬，葉片數量較為稀疏所致。由所得數據可以看出，這4處針葉林帶均沒有顯示出對低頻率噪音更好的減弱效果，這可能是由于試驗地不同所導致的區別。

3.1.5b點處落葉針葉常綠闊葉林、常綠闊葉林、竹林混交及竹林對各頻率噪音的衰減效果

如圖5所示，Q25和Q26在250Hz和6300Hz時取得最大值，2條曲線擬合度很高，Q25在群落的前5m處為大花紫薇、構樹混植，由于大花紫薇樹齡較老，樹高較高，莖干對低頻噪音散射較大，故而在250Hz處減噪值較好，達36.68%，而在6300Hz處取得較大值38.97%，也同樣說明了樹冠高度和冠幅對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，但是由于配置結構的不同亦會產生截然相反的結果：Q27是竹林位于群落中央，而Q28為竹林位于群落10m處，故而在配置時應充分考慮群落位置所產生的不同降噪效果。Q29和Q30均為竹林，兩者均表現出在500Hz處出現最低值，不同的是兩者在5000Hz處出現了完全不同的減噪率對比，出現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的高頻聲波穿過竹林中間的空隙發生了衍射現象所致。

圖5　落葉針葉常綠闊葉林、常綠闊葉林、竹林混交及竹林b點相對減噪率

3.2距噪聲源不同距離對相對減噪率的影響

從圖6～13可以看出，在近似點聲源的情況下，垂直方向不同距離的相對減噪率均呈現出隨著距離的增大逐步增加的趨勢。(1)在250Hz時，Q22相對減噪率差值為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，這正是植物莖干對低頻噪聲減弱效果顯著的有力佐證。(2)在500Hz時，Q11出現了c點減噪率低于b點的現象，與Q22的相似的是，尚未完全長成的低矮茉莉植株枝條對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，葉片數量豐富，反而產生了對低頻噪音減弱不如b點的現象。(3)在500～2000Hz處植物群落隨著距離的增大相對減噪率也隨之提高，兩者之間的平均差值顯著，500Hz時為7.34%，1000Hz時為5.93%，2000Hz時為7.09%，說明距離對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，雖然各個植物群落的減噪效果不一，但2條折線吻合度較高，說明在中高頻率段雖有一定量的距離衰減，但幅度不大，在實際配置過程中應增加綠帶的寬度和高度以求得較好的相對衰減率。

圖6　250Hz時相對減噪率對比

圖7　500Hz時相對減噪率對比

圖8　1000Hz時相對減噪率對比

圖9　2000Hz時相對減噪率對比

圖10　4000Hz時相對減噪率對比

圖11　5000Hz時相對減噪率對比

圖12　6300Hz時相對減噪率對比

圖13　8000Hz時相對減噪率對比

3結論

(1)在與聲源點垂直方向長10m、寬10m的植物群落內部，5m處相對減噪率最高可達49.42%(Q29處，2000Hz時)，最低僅為21.14%(Q22處，2000Hz時)，10m處相對減噪率最高可達52.8%(Q29處，2000Hz時)，最低僅為26.14%(Q22處，250Hz時)。在試驗樣地長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，產生這一差異的原因是由于植物的生理結構以及地表狀態所引起的。植物莖干和地表狀態對250Hz和500Hz的噪音減弱效果明顯，植物葉片對頻率為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減噪率，且隨著距離增加相對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，距離產生的衰減率有所下降，5m處相對減噪率與10m處相對減噪率折線擬合度較高，這說明10m左右的植物群落就可以有效過濾較高頻率段噪音。由于城市建設的原因導致在市政建設中植物群落的寬度和長度被限制，故不必盲目的增加群落的寬度，以免造成資源浪費。

(3)群落之可以產生隔音效果主要是因為植物的莖干、枝條、樹冠能反射、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中空的結構內部，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，由于群落較高區域缺少葉片遮擋，易使聲波產生繞射現象，降噪效果也大打折扣。因此，為了營造一個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，越能過濾掉汽車噪音中中低頻率的聲音。然而也無需使綠地內遍植植物，僅在植物生長的縱向層次上都有茂密的枝葉即可。

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[收稿日期]2015-12-04

[基金項目]國家科技支撐計劃項目(2014BAD15B01)。

[作者簡介]王琳琳(1990-)，女，碩士生，研究方向為花卉與景觀園藝。通信作者：鄭國華， 695957324@qq.com。

[中圖分類號]X593

[文獻標識碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)09-0063-10

[引著格式]王琳琳，鄭國華.福州植物群落對不同頻率噪音減弱效果研究[J].長江大學學報(自科版) ，2016，13(9)：63～72.