城市景观林带噪音消减效果研究进展

石 媚，曹 灿，潘新宇，陈文轩，4，李茜,3,4*，曹 兵

(1.宁夏大学 农学院；2.宁夏大学地理科学与规划学院；3.教育部中阿旱区特色资源环境治理国际合作联合实验室；4宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川 750021)

伴随着我国城镇化发展和交通条件改善，人均汽车保有量大幅增加，城市道路也承受着越来越严重的交通压力，伴之的交通噪声污染也严重影响民众身心健康。城市交通噪声并不仅限于汽车鸣笛，还受到汽车发动机的声音、车身前进过程中与空气的摩擦、汽车轮胎与路面的摩擦以及车流量大小和车速高低等影响[1]。长期生活在噪声污染下的人不但会听力下降，视力的稳定性、清晰度等也会受到不良影响，更严重者还会发生中枢神经功能性障碍，并由此引发大脑皮层兴奋和抑制平衡失调，产生情绪激动、心情暴躁[2]等情况，进而导致严重心理问题。

目前，实现降低城市交通噪音的途径主要有增加缓冲区、设立隔离带、建立声屏障[3-5]，而这些方式的不足之处在于需要投入较多人力及物力，占用相当大的土地空间。大量调查发现，绿化带植被在足够宽度和密度支持下，具有美化环境、释氧滞尘的效用，还可以降低10～15 dB的城市交通噪音，是一种环境友好型的隔音屏障[6]。Lai[7]认为自然屏障比人工屏障更可取，不仅因为天然绿色屏障能够达到或高于人工屏障对噪音的屏蔽效果，还因为人们对绿色屏障外观降噪效果的心理感知[7]。为建立科学合理的天然绿色屏障，有必要对其降噪原理及其影响因素进行分析总结。

1 植被降噪机理

植被是一种绿色消音器，能够吸附、阻滞噪音，植物叶片绒毛和气孔对噪声有很好的吸附作用[8]。20世纪后叶，国外就有学者提出绿化带降噪可分为正常衰减和附加衰减两部分，正常衰减是指声源以不平行于地面的声波在球面扩散传播时，与散播在空气中的尘埃等粒子摩擦引起衰减；附加衰减是指声源与接收体之间存在的干扰物质对平行于地面的声波产生吸收、反射等作用，引起衰减[9]。

多孔状的结构是一种良好的吸声结构，当声波进入孔隙中会引起空气振动，由于摩擦和空气粘滞性产生粘滞阻力，使得振动空气中的一部分动能转化为热能，加之孔隙中的空气与孔壁、纤维之间的热传导导致热能散失，从而衰减声能[10-11]。植物茎的木质部中密集排列的导管不仅具有运输植物生长所需的水分和无机盐的作用，还具有微穿孔板谐振腔吸声结构特征；植物叶片的细胞间隙类似于多个近似平行的毛细管，声波在毛细管中摩擦振动引起噪音传播的声能转化为热能散失[12]。植被降噪机理，大家普遍接受美国Martens教授提出的观点，即当声能到达植物叶片时，一部分引起叶片小速率振动而被消耗及被叶肉组织吸收转化为热能，一部分在树叶周围发生反射和衍射[13]。Reethof认为乔木和灌木都是潜在的噪音消减者，当声波由垂直方向经过树木近似圆柱体的枝干时，会受到反射和衍射干扰，引发能量分散和障碍，从而使噪音衰减；某些沟壑纵横的厚树皮和浓密的树叶具有吸收特性，能大大增加声波散射波路径长度[14]，有效吸收噪音。Alyor通过测量玉米叶宽与降噪效应之间的关系，得出声能衰减主要通过植物叶片，主要包括叶宽、冠层叶面积而发生反射和散射，且叶面积密度与声波衰减量呈正相关[15]。噪声衰减可以归因于地基效应(如软质和多孔地基)，同时植被的枝干大小对噪声有抑制作用，植被减低交通噪声的效果与软土地基的降噪效果最为匹配，且随着与公路距离的增加，软土地基的衰减效果更明显[7]。

植被降噪效应研究大多基于声学和植物生理学等学科，实质就是公路交通噪音在传播中遇到不同形式的介质而产生的反应机制，其原因大体上可归纳为三个，一是开放空间下，无指向性的点声源在长距离传播时发生球面扩散，与散布的空气粒子产生摩擦引起衰减；二是植物枝叶等组织器官在声波传播中产生阻尼振动和屏障效应，发生吸收、反射、散射等作用，使声能散失为其他形式的能量；三是松软地面及草地等地基含有丰富腐殖质和大量孔状结构，有效引起噪音消减。已有文献资料报道，植物不同组织器官的结构特征存在较大差别，植被降噪受绿化带群落结构特征等影响，目前绿化带降噪机理尚有诸多争论，缺乏完整性、系统性的理论成果。

2 植被降噪影响因素

国内外已经众多学者进行了植被降噪影响因素研究，且大多从不同树种典型特征，诸如树高、胸径、冠幅、树木枝下高、郁闭度，绿化带长度、宽度[16]，不同植物群落结构等角度来实施，认为这些植被特征是影响植被降噪的重要因子。

2.1 不同结构特性树种的降噪差异

不同群落结构特性的植被降噪效果差别很大，其中对降噪起关键影响的林木特征因子主要包括胸径，枝下高、树高，叶面积指数，冠幅，郁闭度等[17-18]。王玮璐等认为构成绿化带的各种植物的显微结构和枝叶特征亦可大幅减小声能散发，从而降低噪音[12]。刘潇忆在比较了香樟、广玉兰、圆柏等不同绿化树种在不同距离点上噪声值后得出结论：分枝点低、枝叶茂盛繁密的植被对声波的吸收和反射效果好，降噪作用也更好，而质地柔软的叶片对提高植物总吸声量有益[19]。树木在不同生长时期，降噪效果也有差异，林木夏季枝叶繁茂，降噪效果最为明显；萌蘖阶段降噪效果次之，尚未发芽阶段即枯叶期降噪效果显著降低[20-21]。关于阔叶树种和针叶树种的降噪差异，目前还没有普遍认可的结论。有学者认为植物的总吸声量与个体吸声量相关，单位林木的枝叶越茂密，吸声效果越好，阔叶树种吸声效果优于针叶树种[22]。吴淑杰在对比了球形阔叶树、一般阔叶树和针叶树的林冠结构特点与力学性质后提出，针叶树冠叶片分布较密，空气通透性好，孔隙率较大，孔径较小，孔管长度较大[23]，对噪声有较大的阻性吸附且针叶表面有漫反射结构，这些结构特点能大幅增多声波的反射次数和声程，阻隔噪声效果较好[24]。

植物茎叶中多孔状的显微结构特征与噪声消减关系密切。由于季节和植物物候期的更替，绿化带植物绿量变化很大，高大落叶乔木树种夏季生长迅速、枝叶繁茂，具有良好的减噪效果，冬季树叶凋零、枝干稀疏，减噪效果明显降低；常绿乔木树种树冠、叶面积因季节变化幅度不大，减噪效果也变化不明显；相对低矮的灌木树种分支点低、分支数量多、枝干形态变化随季节变化较小，降噪效果变化也较小。根据不同树种结构特征的季节变化，全面分析其降噪优缺点，进行树种间合理搭配，有利于实现多树种协同降噪效应。

2.2 不同绿化模式对减噪效果的影响

不同营造模式的道路景观林带，对交通噪声的降噪效果不同。绿化带结构越复杂、层次越多样化，绿化水平越高，各类植被不同配置组合对声波的反射和吸收作用最大，降噪效果越明显[25]。郑思俊等通过比较不同植物群落的降噪效果发现，高低不同、错落有致的乔灌结合复层群落结构降噪效果好于一般灌木丛，相比没有下层木的乔木林降噪效果还更好[26]。在复层植物群落结构中，植物构成相同、结构相类似，如果乔木层高度越高，其降噪作用越明显。耿博文等研究了北京市入境高速公路两侧绿化带噪音强度变化，发现不同高度、不同层次的植物群落，包括在混交林中增加林下植物覆盖度，在垂直方向形成由低到高冠层结构，以及在水平方向由近及远的连续遮挡[27]，都可降低高速公路两旁的噪音。我国研究者就绿化树种组合及其配置模式对减噪效果的影响分歧较小，普遍认同乔、灌、草相结合的复合型造林模式降噪效果最为明显[28-32]，单一结构的全乔木型和全灌木型植物群落降噪效果相近[17]，绿化树种搭配时，应结合不同树种的结构特征，充分考虑植物群落水平结构和垂直结构的复杂性，形成层次分明、减噪效果突出、兼顾美化效益的配置模式。

2.3 绿化带结构特征对降噪效果的影响

噪声在绿化带中的衰减与绿化带的结构特征有关[33]，这些特征主要包括林带长度、宽度、水平能见度等[34-35]，其中绿化带能见度和宽度是影响消减噪音效果的二个最关键因素。为了减少道路噪声在林带内端点绕射和林带外行驶的汽车带来的侧向直达声，林带横向延伸长度应为发声点到林带距离的三倍以上[36]。实际应用中，绿化带在美观的基础上一般都呈现连续状态，其长度极少被研究。能见度是一个物体在绿化带内由清楚变得模糊的距离，文献中密度、疏透度、遮蔽率概念等与其类似。Lai研究了不同种植强度下，道路两侧植物群落对降低道路交通噪音的影响，发现植物群落从最小种植强度增加到中等种植强度时，交通噪声降低了50%，而当植物群落进一步增加种植强度时，降低交通噪声的效果变化不显著[7]。因此绿化带降噪效果与林带的水平能见度呈现负相关关系[37-39]，能见度越低，林带密度越大，林内植株分支点低、枝繁叶茂，发生吸收和散射的效应就越大，降噪效果就越明显。

在绿化带种植密度相同的情况下，随着声源与测点距离的不断增大，即绿化带宽度越大，吸收和反射周围声波的作用越强，减噪效果也就越明显[7,40-42]。彭海燕研究30 m以内的林带与降噪效果之间的关系，发现降噪效果随宽度的增加而增大，且呈极显著线性关系[43]。还有研究人员发现城市绿化对交通噪音的降噪量与林带宽度关系密切，如果林带宽度较大，则靠近声源一侧的前部绿化带降噪作用大，远离声源的后部减噪效果明显变小[7,40,44]。绿化带的降噪效果随林带宽度增加呈现递减趋势，绿化带并不是越宽越好，以增加绿化带宽度来增强降噪效果的盲目行为并不可取，在完成减噪要求的基础上，绿化带宽度以30～40 m最为有效。

2.4 噪声的不同频率对绿化林带降噪效果的影响

Vikrant研究发现绿化带的降噪量一般随着噪音频率的增加而逐渐增大[45]，虽然在整个频谱中存在峰谷现象，但整体仍呈现上升趋势。周敬宣等分析研究噪音频谱发现，林带对高频噪音的降噪效果优于低频,有腐殖质的地面对中低频噪音降噪较好,树木枝叶对高频声波的散射和吸收效果较好[46-47]。袁玲等认为植物体的吸声能力与植物内部结构有关[48]。不同的植物组织和器官对不同频率的噪声有不同的降噪效果，林木枝干的多孔结构对低频声音的吸声效果高于中、高频噪音，植物叶片的胞间间隙与气孔对中高频率噪音具有良好的吸声性能。不同种类的森林降噪值具有不同的频带，其中噪声插入损耗峰值也有所差别，针叶类植物对低频噪声有很好的降噪效果, 阔叶类植物对高频噪声有很好的降噪效果, 叶子中等大小的植物对中频噪声有很好的降噪效果[49-51]。

3 城市景观林带噪音消减效果研究存在问题及发展方向

城市绿化带对道路交通噪音的降噪效果研究虽然已取得了许多重要成果，得到政府相关部门和人众的普遍认可，但仍有空白或缺欠，需进一步试验探究。

目前国内外城市道路绿化带不同植物群落结构特征降噪机理还缺乏大量、系统性研究成果，今后研究中，应运用现代化的科技手段、多学科协作，不断丰富和完善植物降噪机理。

绿化带结构特征对降噪效果至关重要，而大多研究只关注绿化带的长度、宽度和密度，很少顾及植物群落或绿化带的高度。研究者们虽然都在提倡乔、灌、草(花)复合配置模式，但并未明确提出在这种配置模式下哪些树种草种能够实现景观效果与降噪效果统一并最大化。

迄今试验研究都在天气晴朗、风速小于5 m·s-1的理想天气状况下进行，实际中，这种天气出现的几率很少，忽略温度、湿度等气象条件对植物群落降噪效果影响的研究缺乏普适性。区域性气候特征对植物的降噪效果有一定影响，主要表现在改变植物群落结构和空气湿度，影响植物枝叶生长状况以及植物器官的开合，进而影响林带降噪效果，雨季各林带的降噪效应优于旱季[16]，因而研究气候特征间接影响植物降噪效果也非常必要。

建设道路两侧绿化带、降低城市交通噪音是今后提高城市环境质量的重要环节，也是城市森林建设的主要内容之一，给绿化带降噪研究提供了广阔空间，今后应在土地资源日趋稀缺、城市噪音源噪音量都可能增大的情况下，为改善人居环境和交通状况，更多关注和解决如上提出的问题，结合园林景观设计原理，进一步研究适于不同气候、土壤、立地环境的绿化带结构、树种组成及其配置方式，以期实现生态效益、景观效果与经济效益的和谐统一、持续优化。