李冬林，張文豹，金雅琴，周軍

(1.江蘇省林業(yè)科學研究院，211153，南京;2.南京濱江公園管理有限公司，210019，南京;3.金陵科技學院園藝學院，210038，南京)

京杭運河淮安段天然蘆葦群落的消風減噪效應

李冬林1，張文豹2，金雅琴3，周軍3

(1.江蘇省林業(yè)科學研究院，211153，南京;2.南京濱江公園管理有限公司，210019，南京;3.金陵科技學院園藝學院，210038，南京)

植物群落是河岸帶濕地的重要組成部分，對河流護坡生態(tài)系統(tǒng)的改善發(fā)揮著重要作用。通過實地調查和測定研究京杭運河淮安段天然蘆葦群落對風速、噪音的影響。結果表明:與無植物對照地相比，有蘆葦分布的背風面風速變小，噪音降低，其日變化也呈現一定變異。不同蘆葦群落由于寬度及密度等結構特征的差異其作用強度明顯不同。密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的消風減噪效應明顯好于稀疏蘆葦群落，日平均消風率分別為63.95%和66.25%;日平均減噪率分別為9.81%和6.13%。氣流與聲波穿越葦群后，在葦群內部形成明顯的低風弱噪區(qū)，但越過葦群后二者呈現不同的變化曲線。通過葦群的風速變化擬合方程為:y1=－0.0005x3+0.0336x2－0.5428x+2.741 6(R2=0.821 6);通過葦群聲級變化的擬合方程為:y2=－0.001 2x3+0.080 6x2－1.536 2x+65.09(R2=0.845 2)。蘆葦群落對航道行船具有明顯的抵風消浪與消音降噪功能，是一種值得保護和應用的河岸帶生態(tài)護坡模式。

河岸帶;蘆葦群落;消風減噪效應;京杭運河

河岸帶是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的活動邊界，是環(huán)境活力和變化的敏感標志［1］。河岸植物群落還是河岸帶自然景觀的核心組成部分，具有較高的生產力和生物量，為許多動物提供棲息地，并為許多動物和植物的遷徙提供廊道，對維持區(qū)域生物多樣性及河流護坡生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用［2］。長期以來，人類往往忽視河岸帶及其植被存在的必要性和重要性，更沒有把河岸作為一個生態(tài)系統(tǒng)來對待。河岸帶及其植被遭到人類活動的強烈干擾，河岸防洪能力減弱，水質下降，生境破壞，給河系生態(tài)環(huán)境和行船安全帶來嚴重威脅［3－4］。

京杭運河是中國“一縱三橫”水運主通道中唯一的縱向通道，既是我國南北貨運的“黃金水道”，又是南水北調、引江灌溉、防洪排澇的“生命線”，肩負著航運、水利、生態(tài)等多種功能［5－6］，航道的生態(tài)整治與環(huán)境美化也成為近年來水上交通部門的工作重點。京杭運河兩淮段自清安化工廠至黃碼大橋，航道兩岸生長有成片的天然蘆葦(Phragmites australis)，群落保存良好，長勢旺盛，而且與近年開展的護坡綠化工程匹配益彰，具有明顯的減風消噪和美化功能。目前，有關蘆葦群落的消風減噪效應尚少見報道。筆者通過實地調查和測定，對京杭運河天然蘆葦群落的消風減噪效應進行研究，分析不同結構群落在功能上的差異，為河岸帶植物護坡的設計與管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 自然概況

研究區(qū)域位于京杭運河淮安段，地理坐標為E118°59＇36″，N33°36＇52″。該處屬黃泛沖積平原，地形平緩，地面高程8.5～12.0 m，兩岸河堤高程12.3～14.0 m。氣候屬溫帶季風氣候，氣候宜人，四季分明。年平均氣溫14.0℃，無霜期210～230 d;年平均日照時間2 250～2 350 h，年平均降水量958.8 mm;年平均風速3.5 m/s。土壤為灰黃、黃色粉質黏土、黏土及粉土，pH值7.0～8.0。

1.2 樣地設計

采取典型樣地取樣法。在京杭運河淮安段依據蘆葦群落生長狀況，選擇群落完整、分布均勻的寬幅群落，設置4種類型的觀測樣地:1)無植物對照地(硬質護坡);2)稀疏蘆葦群落;3)中密蘆葦群落;4)密集蘆葦群落。詳細調查不同樣地的群落結構狀況(表1)，調查因子有平均葦高(H)、平均徑粗(D)、葦群密度(M)和葦群寬度(W)。

表1 不同蘆葦群落的結構狀況Tab．1 Structural condition of different reed communities

1.3 測定方法

在3種蘆葦群落的背風面同步測定胸高1.5 m處的最大風速和最大聲級，同時在無蘆葦對照地同步測定比較。風速測定采用TM856風速儀(單位m/s)，噪音測定使用 TES－1357聲級計(單位 dB)。于2011年8月，選擇晴朗有風的白天，從08:00至18:00，每2 h觀測1次，并重復讀數3次，連續(xù)進行3 d。為確保不同樣地具有大致相同的聲源，選擇大型貨船經過葦群，并垂直于各樣地的瞬間讀取聲級，用以下公式計算消風率(Q)和減噪率(R):

式中:vi、v0分別為第i群落和無植物對照地某時段的風速，m/s;si、s0分別為第i群落和無植物對照地某時段的聲級，dB。

在密集蘆葦群落中，沿垂直河流方向設置3條寬幅葦帶，自河道中央蘆葦群落迎風面至河岸護堤，每隔2 m測定胸高1.5 m處的風速及噪音(重復測定3次)，分析群落內不同距離風速及噪音的水平變化。

2 結果與分析

2.1 不同結構蘆葦群落的消風效應

2.1.1 蘆葦群落結構對葦緣風速的影響 從圖1可以看出，河岸帶蘆葦分布區(qū)與無植物對照地相比，風速明顯不同。盡管隨著時間的變化，風速呈現一定的波動，但蘆葦分布區(qū)邊緣的風速始終小于無植物分布的對照地?？梢姡θ~茂密的蘆葦對風速有顯著的消減作用。

圖1 不同結構蘆葦群落對風速的影響Fig．1 Effects of reed communities with different structures on wind speed

從無植物對照地測定風速的日變化來看，當天風速2個時間點(10:00和16:00)出現了風速峰值，這是瞬間陣風引起;但是在有植物分布的蘆葦區(qū)由于蘆葦的存在，這種變化已受到嚴重干擾，雙峰已不復存在，而趨于單峰變化。稀疏蘆葦群落與密集蘆葦群落均在12:00時出現了風速峰值(分別為5.536和3.865 m/s)，而中密蘆葦群落在14:00出現了風速峰值(3.960 m/s)。

2.1.2 不同結構蘆葦群落的消風率 不同結構蘆葦群落的消風率(Q)見表2。從3種群落對風速的影響效應來看，以稀疏蘆葦群落的消風效果最弱，平均消風率為55.70%;而密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的消風效果顯然好于稀疏蘆葦群落，平均消風率分別為63.95%和66.25%，這顯然與蘆葦群落結構與葦群寬度有關。

表2 不同蘆葦群落的消風率Tab．2 Wind reducing rate of different reed communities %

2.2 不同結構蘆葦群落的減噪效應

2.2.1 蘆葦群落結構對葦緣噪音強度的影響 從圖2可以看出，河岸帶蘆葦分布區(qū)與無植物對照地相比，背風面噪音強度明顯不同。蘆葦分布區(qū)邊緣的噪音強度始終小于無植物分布的對照地。蘆葦憑借其密集的枝葉對聲波具有明顯的吸收、分散和反射作用，從而抑制了噪音的傳播。同時，由于不同群落蘆葦結構的不同，使得不同蘆葦群落對噪音的消減作用強度明顯不同。比較而言，稀疏蘆葦群落的減噪效應略顯不足，以密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的減噪效果最為明顯。

2.2.2 不同結構蘆葦群落的減噪率 計算不同蘆葦群落的減噪率(R)見表3。從3種不同群落在1 d中的減噪效應來看，以稀疏蘆葦群落的平均減噪效果最差，平均減噪率為3.17%，而密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的平均減噪率分別為9.81%和6.13%。

2.3 蘆葦群落內不同距離消風減噪效應的水平變化

圖2 不同結構蘆葦群落對噪音強度的影響Fig．2 Effects of reed communities with different structure on noise intensity

2.3.1 消風效應的水平變化 在密集蘆葦群落中，氣流穿過寬幅葦帶的風速變化呈“鉤形”(圖3)?？梢钥闯?，當氣流行進中遇到蘆葦群落時，由于受到葦群的阻擋作用，一部分氣流可從葦群個體間隙通過，另一部分氣流被抬高從葦群上方越過，故在葦前0～4 m有一定的風速，但風速明顯減弱(迎風面風速的12.91%～22.63%)。穿過葦后的氣流行進中繼續(xù)受到葦竿、葦葉的碰撞、反射，使得葦群內風速大為降低，10～20 m降低幅度為迎風面的13.24% ～25.12%。由于葦群上方的氣流抬升改變了葦群背風面動能的空間分布，使得低層空氣動能減少，加上氣流穿過葦群時空氣的黏性消耗部分動能，使得背風面一定距離內風速仍呈現一定范圍的弱風區(qū)(22 m處風速減弱為迎風面的32.71%)。離開葦群以后，由于上層氣流的不斷下壓，并與穿透氣流匯合，風速逐漸提高，同時由于河岸地勢(護堤)逐漸抬高，葦群防風作用減弱，風速明顯加大(迎風面風速的97.12% ～120.54%)。

表3 不同蘆葦群落的減噪率Tab．3 Noise reducing rate of different reed communities %

應用回歸分析，通過葦群的風速變化可用以下多項式擬合:

2.3.2 減噪效應的水平變化 蘆葦群落減噪效應的波形變化見圖4。與氣流通過蘆葦群落的消減變化相似，行船聲波在傳播過程中遇到蘆葦群落的阻滯和反射作用，葦群內噪聲大為降低，并隨著距離加大，降低幅度越大。因此，在葦群內4～16 m形成低聲區(qū)(葦前聲源的84.97% ～93.26%);聲波穿越葦群后的到達葦群邊緣時(16～20 m)，受到河岸的反射作用，噪聲強度有所加大，但與迎風面相比，仍有大幅度減弱(葦前聲源的88.08% ～89.64%)。離開葦群后，隨著噪聲源的逐漸遠離，聲級維持在低水平(葦前聲源的90.16% ～93.78%)傳播，其消音趨勢與風速變化略有不同，聲音傳播受到距離增大與地勢升高的雙重影響，聲級變化較為平緩。

應用回歸分析，通過葦群的聲級變化擬合方程為

圖3 蘆葦群落不同距離的風速變化Fig．3 Change of wind speed at different distance to reed communities

圖4 蘆葦群落不同距離的的聲級變化Fig．4 Change of noise at different distance to reed communities

3 結論與討論

1)蘆葦是生長在江、湖、河岸的常見挺水植物，占據著其他植物不宜生長的地段，是十分重要的水生植物，具有維持水生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的重要功能［7］;但是，長期以來，由于受傳統(tǒng)工程理念的影響，有關航道護波的整治更多地關注護坡的防護性與堅固性，往往忽視水岸帶及其水生植被存在的必要性和重要性，具有重要生態(tài)功能的天然蘆葦群落保存很少。發(fā)達國家對這一問題認識較早，認為傳統(tǒng)的混凝土護岸會對環(huán)境帶來不良影響，從而引起植被減少和生態(tài)退化［8－10］。本研究通過實際測定，表明具有重要護坡功能的蘆葦通過發(fā)達的莖桿和葉片，對航運造成的噪音和自然風具有明顯的削減緩沖作用，這與我國公路防護林以及沿海防護林對風速和噪音的影響研究結果［11－12］具有一定相似性，應該引起高度重視和保護。在河(航)道整治工程設計中，有意識地重視蘆葦等自然生長的挺水植物的利用，溶入具有鮮明生命特征的生態(tài)工程思想，符合現代河流生態(tài)系統(tǒng)保護的主流，也有利于水岸帶生態(tài)功能的發(fā)揮。

2)群落結構特征是群落生態(tài)水平的獨特而可測定的生物學特征，對反映群落的外部特征和生態(tài)功能預測具有重要意義［13］。對京杭運河淮安段蘆葦群落的調查表明，不同蘆葦群落結構的消風減噪效應存在一定差異，表現為蘆葦寬度和密度對葦緣風速及噪音強度有顯著影響。而密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的消風減噪效果明顯然好于稀疏蘆葦群落，所以在航道整治工程中，在野生資源豐富、河道寬廣、遠離碼頭的河段，可嘗試采用寬幅密植的方法營造蘆葦群落，以達到減風消浪的效果，同時也有利于群落減噪功能的發(fā)揮。

3)本研究表明，氣流與聲波穿越葦群后，由于受到蘆葦個體強烈的阻滯、吸收和反射作用，在葦群內部形成明顯的低風弱噪區(qū)，并且越過葦緣后，這種低風弱噪區(qū)仍然延續(xù)一定的范圍和距離(2～10 m)，這為河岸帶建立休閑游憩區(qū)成為可能;因此，在城市河流濱水綠地園林設計中應考慮蘆葦等水生植物對這些微環(huán)境因素帶來的影響，既要考慮人們對河岸帶打建美觀空間的主觀愿望，又要考慮河岸帶在自然環(huán)境因子作用下各種微氣候特征的變化，從而最大限度地服務于人們親近自然與健康游賞的實際需求。

4)蘆葦是一種習見的草本植物，繁殖容易，培育簡單，生命力強［14］。通過對京杭運河淮安段蘆葦群落的調查表明，蘆葦對航道行船具有明顯的減風消音功能，進而對船舶航行起到消浪防護與護堤防蝕功能。在航道護坡工程中，充分利用蘆葦的這些生物學特點，建造生態(tài)功能多樣的水生植物群落，這不僅有利于保存自然景觀和河岸帶生態(tài)功能的發(fā)揮，而且建造成本低廉，是一種值得嘗試推廣的河岸帶生態(tài)護坡模式。

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Wind and noise reduction effects of natural reed communities along the Beijing-Hangzhou Grand in Huai'an

Li Donglin1，Zhang Wenbao2，Jin Yaqin3，Zhou Jun3

(1.Forestry Academy of Jiangsu，211153，Nanjing;2.Nanjing Binjiang Park Manage Limited Company，210019，Nanjing;3.Department of Horticulture Jinling Institute of Technology，210038，Nanjing:China)

As an important part of swamp along riparian zone，reed communities play the vital role in improving slope ecological environment.By Actual investigation and measurement，effects of natural reed communities on wind and noise along the Beijing－Hangzhou Grand in Huai＇an were studied.The results showed that wind speed at the lee of communities reduced，noise level decreased evidently in comparison with the control(no reed)，the change of wind and noise in one day had some difference too.The effects differed between different reed communities types due to their diversity in density and width.Effects of dense and mid－dense communities on wind were superior to sparse communities，average wind reduction rates of dense and mid－dense communities in one day were 63.95%and 66.25%respectively;and their average noise reduction rates in one day were 9.81%and 6.13%respectively.When air flow and sound wave went through reed communities，an evident weak area of wind and noise were formed among communities，but they showed different change curves after them passed through the communities.The change of wind speed went through reed communities could be described:y=－0.000 5x3+0.033 6x2－0.542 8x+2.741 6(R2=0.821 6);and the change of sound level went through that could be simulated with equation:y= －0.001 2x3+0.080 6x2－1.536 2x+65.09(R2=0.845 2).The reed communities had obvious reducing effects on wind and noise，which was helpful to sailing，so it is a kind of ecological slope mode which is worth protecting and applying along riparian zone.

riparian zone;reed communities;reducing wind and noise;the Beijing－Hangzhou Grand

2011－11－29

2012－05－16

江蘇省自然科學基金重點項目“京杭運河江蘇段生態(tài)型護坡構建技術研究與示范”(BK2010094)

李冬林(1969—)，男，博士，副研究員。主要研究方向:植物生態(tài)學。E－mail:lidonglin126@126.com

(責任編輯:程 云)