福州植物群落对不同频率噪音减弱效果研究

王琳琳，郑国华

(福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002)



福州植物群落对不同频率噪音减弱效果研究

王琳琳，郑国华

(福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002)

[摘要]为了探求植物群落对不同频率噪声的衰减效果，于福州市市级公园内选取30种人工植物群落，调查树种、群落结构，采用AWA6228型声级计实地测量，并通过数据分析统计各群落对不同频率噪音的减弱效果。结果表明：(1)在与声源点垂直方向长10m、宽10m的植物群落内部，5m处相对减噪率最高可达49.42%(群落Q29处，2000Hz时)，最低仅为21.14%(群落Q22处，2000Hz时)，10m处相对减噪率最高可达52.8%(群落Q29处，2000Hz时)，最低仅为26.14%(群落Q22处，250Hz时)；(2)植物茎干和地表状态对250Hz和500Hz的噪音减弱效果明显，植物叶片对频率为1000～4000Hz的噪声有明显削弱作用；(3)植物群落在5m处和10m处均取得了较好的相对减噪率，且随着距离增加相对减噪率也在不断提升。在250～2000Hz的中低频率段，声波的衰减随着距离的增大而差值明显，在4000～8000Hz的高频率段，距离产生的衰减率有所下降。

[关键词]噪音衰减；植物群落；频率；福州

公园是城市之肺，城市公园如同明珠点缀于城市的大街小巷，给人们提供安静、恬淡的休息之处。目前城市降噪多采用工程技术措施如隔音板、消音涂料等[1～3]，虽然取得了较好的效果，但也表现出了价格较高、维护较为频繁等缺点。利用植物屏障来防治噪音不仅可以充分发挥植物生态防护的功能，同时也丰富了城市的自然景观，达到了双赢的目的[4，5]。植物群落可以减弱噪音，主要是由于植物枝叶对声波的散射和反射，早在1967年Back的研究就表明常绿阔叶林可以减弱环境噪声[6]。不同的植物对噪音的减弱效果差异性较大[7～9]，而植物群落对噪音的减弱效果差异性更为显著，不仅是植物群落的植物形态不同会造成差异，更是由于其复杂的内部组成结构的原因[10～12]。近年来关于植物的减噪效果引起了众多学者的关注，但对于研究的主体多为行道树或城市防护林带，对于与城市居民休憩生活息息相关的城市公园植物群落的减噪效果研究却相对较少。城市公园多位于城市中心或人流量较大的地带，人们更需要城市公园形成一道“绿障”来隔绝来自建筑工地、机动车道的噪音[13]。

研究以福州城区的市级城市公园为对象，对公园内植物群落的减噪效果进行测定，通过分析不同树种、不同生长结构的植物群落对不同频率噪音的消减作用，探讨利用植物群落减噪效果的差异性，为更充分发挥园林植物的生态效益提供参考。

1研究区自然概况

福州市位于我国的东南沿海，闽江下游，介于北纬25°15′～26°39′，东经118°08′～120°31′，为福建省省会，全市总面积12154km2，其中市区总面积1786km2。福州市区所在地属于典型的河口盆地，盆地四周被群山峻岭所环抱，其海拔多在600～1000m之间，故常出现城市热岛效应。福州为典型的亚热带季风气候，夏长冬短，无霜期为328d，霜期集中在1～2月间。市区年平均气温为16～20℃，最冷月(1～2月)平均气温为7～13℃，极端最低气温为-2.5℃；最热月(7～8月)平均气温达24～29℃，极端最高气温为42.3℃，年平均降水量900～2100mm，多集中于春夏季，秋冬较少。平均相对湿度75%，平均日照时数1700～1980h。福州地跨2个植被带，即南亚热带季雨林带和中亚热带常绿阔叶林带，植物资源丰富，据不完全统计共有3门160科1136种[14]。

2研究方法

2.1试验样地的选择

选择福州市区内植物群落丰富的南江滨公园、北江滨公园及温泉公园进行调查。在这些公园中选取宽度超过10m、地势平坦、植物生长状态稳定、冠层与其他群落基本不相连接的30种植物群落进行调查分析。根据植物群落位置划分10m×10m的标准样地，记录群落样地中的植物种类、数量、高度、胸径(离地面1.2m处)、地径(离地面0.3m处)、枝下高、冠幅等指标；测量植物盖度、裸地率，并将植被带的植物群落划分为常绿落叶阔叶林、常绿阔叶林、常绿针叶林、棕榈林、竹林、落叶针叶常绿阔叶林以及常绿阔叶林、竹林混交等。30个试验样地具体情况详见表1、表2。

表1　测定点植物群落配置结构

注：+表示植物群落位于同一层次；-表示植物群落不在同一层次

表2　测定点植物群落的结构特征

注：1.CV盖度；BR裸地率；AH高度；ACD冠幅；ABH枝下高；ADBH胸径；AI间距；2.√群落主要种冠层位置，√√不同种冠层重叠。

2.2试验方法

在城市人们的日常生活中有很大一部分噪音来自于汽车噪音，根据刘朝晖等[6]的研究，汽车噪声强度主要由汽车自身行驶过程中产生的噪声和轮胎与地面摩擦时产生的噪声2部分组成。有研究者根据实验得出了各种车型在一定行驶速度内在混凝土路面上行驶时产生噪声的频率范围，详见表3。

表3　汽车噪声频率分布

本研究所采用的噪音声源均由Bee keeper软件制作，试验选取250、500、1000、2000、4000、6300、8000Hz这7个倍频带中心频率噪声做试验噪声源，包含了交通噪声的主要频率。本研究所选用的声源为标准声源，输出声压级标准94dB(A)，输出噪音为白噪音，近似为点声源。测量仪器为杭州爱华公司生产的爱华AWA6228型多功能声级计(配置3，精度2级)，时间计权特性设为F(快特性)，采样时间0.125/s。测量前使用声校准器校正，测量时声级计加防风罩。对于试验中出现的汽车声、人声、鸟鸣声等环境噪音予以舍弃。测量时将声级计固定于三脚架之上，人体距离声级计至少50cm以上。其他测量仪器有浪庭多媒体电脑音响F700、音箱支架、台湾生产的TES-1364型温湿度计、2m测树围卷尺、10m的钢卷尺等。

于2015年6月～2015年8月，选取风速小于3m/s、气温26～32℃、空气湿度小于70%时进行试验，以求减少气候因子对测量结果造成的影响。根据植物种类组成、生态型、种群数量特征设置10m×10m的群落样方，试验于样方内进行，以植物群落样地边缘为0m测量点，固定噪音源，每组植物群落在垂直水平方向分别于0、5、10m处设3个测量点，设为点a、点b、点c，测声器距离地面1.5m，每次连续测量60s，每次测定重复3次数据取平均值。

2.3数据处理

减噪率(dB(A))为声波经过减噪作用后的衰减值占原值的比例，其计算公式如下：

b点减噪率=[(Leqb-Leqa)/Leqa]×100%

c点减噪率=[(Leqc-Leqa)/Leqa]×100%

式中，Leqa、Leqb、Leqc分别为测量点所测得的点a、点b、点c处的连续等效A声级LeqA。

3结果与分析

3.1b点处植物群落对各频率噪音的衰减效果

3.1.1b点处常绿落叶阔叶林对各频率噪音的衰减效果

由图1可知，由于夏季属于常绿落叶阔叶林的生长期，枝叶密集且丰富，各个测点相对减噪率的峰谷值各不相同。如Q1，当频率为500Hz和8000Hz时，相对减噪率达到峰值，当频率为6300Hz时，相对减噪率达到谷值，仅为26.7%，且可以看出Q1中高频率降噪效果不如低频率的降噪效果。与之相反的是Q2，在500Hz时达到谷值，为28.3%，而在1000Hz时达到峰值39.7%。根据前人的研究可知，茎干的结构及数量对于低频噪音的减弱效果更加优于对高频噪音的减弱效果，由表1可知Q1为黄花槐群落，该群落空旷舒朗，无灌木，声波散射作用较强；Q3为大花紫薇-九里香植物群落，九里香枝叶细密，且位于测量点的前方，形成了很好的声屏障，大花紫薇本身属于小乔木，本身高度虽不足以完全阻碍声波的绕射作用，但仍比Q1和Q2的中高频率减噪效果要好。

图1　常绿落叶阔叶林b点相对减噪率

图2　常绿阔叶林b点相对减噪率

3.1.2b点处常绿阔叶林对各频率噪音的衰减效果

由图2可以看出，同为常绿阔叶林，不同植物之间的相对减噪率差异显著，产生差异较大的为1000～4000Hz的中频段。绝大多数群落在500Hz左右出现最低值，但Q11却恰恰相反，这是由于Q11为大花紫薇群落，在测量时由于茉莉刚种植不久，叶片尚未舒展，茎条很好地吸收了低频噪音。在500～2000Hz中减噪效果最好的为Q8、Q13、Q14，Q8夹竹桃群落为沿江防护林，枝叶密集，根深叶茂；Q14和Q16则由于丰富的中层结构产生了很好的减噪效果；Q9在1000Hz时减噪效果不好，可能是由于过于密集的毛竹使植物枝叶间的某些空隙大大小于1000Hz声波的波长，发生了衍射现象，使声波透过小孔继续传播致使噪声没有减弱。在6300Hz时吸收最差的为Q7和Q5，均为29.75%，Q7由于树高仅有1.5m左右，使声波产生了绕射现象；而Q5树高仅1.2m，同样产生了绕射现象。有资料表明，植物茎干的数量及构造对500Hz以下的噪声衰减效果显著，在500～2000Hz频率内，声波的衰减主要与叶片的数量及结构有关，而在高于2000Hz的频率内则与植物高度及外部形态有关，本研究结果也很好地验证了这个观点。

3.1.3b点处棕榈林对各频率噪音的衰减效果

由图3可知，棕榈林群落对于1000～4000Hz的中频音和6300Hz的高频音减弱效果显著。Q18虽然大王椰子下虽密集种植着条带状的红花檵木，但由于其高度只有1.2m左右，且大王椰子散点植于草坪之上，叶片数量无法满足中高频率的减噪要求，但在5000Hz以上，由于大王椰子高大挺拔，枝条秀逸，对6300Hz的高频噪声减弱效果明显。Q16在500Hz处取得较好的减弱效果，为37.7%，这也同样是由于该群落仅种植鱼尾葵和白兰，下层为泥地，结构中空，植物茎干更好地吸收了低频噪音所致。刘佳妮[15]针对不同地表材料噪声减弱效果的研究也表明，泥地对于125～500Hz低频率噪音的减弱效果要由于中高频率，故而Q16的中低频率相对减噪率要比其他几个群落稳定。

图3　棕榈林b点相对减噪率

3.1.4b点处常绿针叶林对各频率噪音的衰减效果

图4　常绿针叶林b点相对减噪率

从图4可以看出，常绿针叶林群落针对不同频率的减噪效果差异显著。本试验选取的常绿针叶林包括纯林和常绿阔叶灌木混交林。针叶纯林Q21和Q24针对不同频率的减噪效果曲线吻合度高，在500Hz和8000Hz处取得最低值，分别为28.69%和28.05%以及26.86%和28.58%。在常绿阔叶针叶混交林中，Q23在2000～4000Hz处取得较大值，这也充分说明叶片数量及构造对500～2000Hz频率影响较大；Q22则在1000～4000Hz处取得最小值，这可能是由于在南洋杉前种植着桃树以及低矮的黄金榕绿篱，叶片数量较为稀疏所致。由所得数据可以看出，这4处针叶林带均没有显示出对低频率噪音更好的减弱效果，这可能是由于试验地不同所导致的区别。

3.1.5b点处落叶针叶常绿阔叶林、常绿阔叶林、竹林混交及竹林对各频率噪音的衰减效果

如图5所示，Q25和Q26在250Hz和6300Hz时取得最大值，2条曲线拟合度很高，Q25在群落的前5m处为大花紫薇、构树混植，由于大花紫薇树龄较老，树高较高，茎干对低频噪音散射较大，故而在250Hz处减噪值较好，达36.68%，而在6300Hz处取得较大值38.97%，也同样说明了树冠高度和冠幅对高频率噪声衰减效果影响明显。Q28在6300Hz处取得较大值44.30%，而Q27在500Hz处取得较大值42.24%，同样都是常绿阔叶林、竹林混交，但是由于配置结构的不同亦会产生截然相反的结果：Q27是竹林位于群落中央，而Q28为竹林位于群落10m处，故而在配置时应充分考虑群落位置所产生的不同降噪效果。Q29和Q30均为竹林，两者均表现出在500Hz处出现最低值，不同的是两者在5000Hz处出现了完全不同的减噪率对比，出现这一情况的原因可能是由于Q29竹林种植并不如Q30纯竹林密集，5000Hz的高频声波穿过竹林中间的空隙发生了衍射现象所致。

图5　落叶针叶常绿阔叶林、常绿阔叶林、竹林混交及竹林b点相对减噪率

3.2距噪声源不同距离对相对减噪率的影响

从图6～13可以看出，在近似点声源的情况下，垂直方向不同距离的相对减噪率均呈现出随着距离的增大逐步增加的趋势。(1)在250Hz时，Q22相对减噪率差值为18.17%，这是由于该群落前方种植有较低矮的桃树及黄金榕，而在群落样方5～10m处则是茂密的南洋杉，这正是植物茎干对低频噪声减弱效果显著的有力佐证。(2)在500Hz时，Q11出现了c点减噪率低于b点的现象，与Q22的相似的是，尚未完全长成的低矮茉莉植株枝条对于低频噪声减弱效果显著，但是植物群落后方为茂密的木槿的红桑，叶片数量丰富，反而产生了对低频噪音减弱不如b点的现象。(3)在500～2000Hz处植物群落随着距离的增大相对减噪率也随之提高，两者之间的平均差值显著，500Hz时为7.34%，1000Hz时为5.93%，2000Hz时为7.09%，说明距离对中低频率的减弱效果要由于高频率噪音。(4)在4000～8000Hz的高频声波段，虽然各个植物群落的减噪效果不一，但2条折线吻合度较高，说明在中高频率段虽有一定量的距离衰减，但幅度不大，在实际配置过程中应增加绿带的宽度和高度以求得较好的相对衰减率。

图6　250Hz时相对减噪率对比

图7　500Hz时相对减噪率对比

图8　1000Hz时相对减噪率对比

图9　2000Hz时相对减噪率对比

图10　4000Hz时相对减噪率对比

图11　5000Hz时相对减噪率对比

图12　6300Hz时相对减噪率对比

图13　8000Hz时相对减噪率对比

3结论

(1)在与声源点垂直方向长10m、宽10m的植物群落内部，5m处相对减噪率最高可达49.42%(Q29处，2000Hz时)，最低仅为21.14%(Q22处，2000Hz时)，10m处相对减噪率最高可达52.8%(Q29处，2000Hz时)，最低仅为26.14%(Q22处，250Hz时)。在试验样地长度和宽度相同的条件下，不同植物组成、排列方式的绿地群落降噪效果差别巨大，产生这一差异的原因是由于植物的生理结构以及地表状态所引起的。植物茎干和地表状态对250Hz和500Hz的噪音减弱效果明显，植物叶片对频率为1000～4000Hz的噪声有明显削弱作用，在6300Hz以上的高频率噪音减弱幅度则主要由植物群落中主要植株的高度及冠层位置所决定。

(2)植物群落在5m处和10m处均取得了较好的相对减噪率，且随着距离增加相对减噪率也在不断提升。在250～2000Hz的中低频率段，声波的衰减随着距离的增大而差值明显，在4000～8000Hz的高频率段，距离产生的衰减率有所下降，5m处相对减噪率与10m处相对减噪率折线拟合度较高，这说明10m左右的植物群落就可以有效过滤较高频率段噪音。由于城市建设的原因导致在市政建设中植物群落的宽度和长度被限制，故不必盲目的增加群落的宽度，以免造成资源浪费。

(3)群落之可以产生隔音效果主要是因为植物的茎干、枝条、树冠能反射、散射和衍射噪声。单纯由乔木组成的群落，由于枝下高较高以及在冠层以下缺少叶片的遮挡，高频声波易直接穿过中空的结构内部，隔声效果自然较差；同样，单纯由灌木、绿篱和地被植物组成的群落，由于群落较高区域缺少叶片遮挡，易使声波产生绕射现象，降噪效果也大打折扣。因此，为了营造一个降噪效果明显的城市绿地，配置宜采用包含大乔木、小乔木、灌木及地被等多种样式的植物组合，提升群落的郁闭度，特别是在绿地外围，由于枝干的影响，距离噪声源越近，越能过滤掉汽车噪音中中低频率的声音。然而也无需使绿地内遍植植物，仅在植物生长的纵向层次上都有茂密的枝叶即可。

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[收稿日期]2015-12-04

[基金项目]国家科技支撑计划项目(2014BAD15B01)。

[作者简介]王琳琳(1990-)，女，硕士生，研究方向为花卉与景观园艺。通信作者：郑国华， 695957324@qq.com。

[中图分类号]X593

[文献标识码]A

[文章编号]1673-1409(2016)09-0063-10

[引著格式]王琳琳，郑国华.福州植物群落对不同频率噪音减弱效果研究[J].长江大学学报(自科版) ，2016，13(9)：63～72.