張志永，李全明，南海龍，楊曉暉*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091； 2.北京市大興區(qū)林業(yè)工作站，北京 102600； 3.北京市園林綠化國際合作項(xiàng)目管理辦公室，北京 100013)

北京平原地區(qū)公路典型綠化帶降噪功能初探

張志永1，李全明2，南海龍3，楊曉暉1*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091； 2.北京市大興區(qū)林業(yè)工作站，北京 102600； 3.北京市園林綠化國際合作項(xiàng)目管理辦公室，北京 100013)

高速公路；綠化帶；降噪功能

城市間的路網(wǎng)系統(tǒng)是推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐體系。隨著城市化進(jìn)程的深入發(fā)展，高速公路作為連接不同區(qū)域間的快速通道，正承擔(dān)著越來越大的交通壓力，由此所產(chǎn)生的交通噪聲已成為影響周邊居民健康狀況的重要因素之一。綠化帶是城市中重要的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，在減輕綠地系統(tǒng)破碎化、提供動物棲息地和遷徙通道等方面發(fā)揮著重要的生態(tài)功能[1]。在城市環(huán)境問題日益凸出的背景下，自20世紀(jì)90年代，綠化帶獨(dú)特的功能效益成為人們研究的前言和熱點(diǎn)[2]。據(jù)媒體報(bào)道，截止2015年底，北京市機(jī)動車總量已達(dá)561萬輛。交通噪聲已成為北京市環(huán)境噪聲的重要來源。目前，衰減噪聲的措施主要包括聲源控制、受聲點(diǎn)防護(hù)和切斷傳播途徑3個(gè)方面[3]，其中，利用綠化帶切斷噪聲的傳播途徑已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)研究證實(shí)，綠化帶對交通噪聲具有顯著的衰減效果[4-5]，同時(shí)，綠化帶還具有其他降噪途徑所無法比擬的優(yōu)勢，例如從心理上降低噪聲對人們的影響[6]。國內(nèi)對交通噪聲的研究多集中在防治措施[7-8]、預(yù)測模擬[9-10]、危害程度[11]等方面；然而，綜合分析綠化帶的林帶類型、寬度、群落結(jié)構(gòu)等因子對噪聲衰減影響的研究還較少。本研究選取京開高速(北京—開封高速公路)綠化帶為研究對象，在連續(xù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，定量分析交通噪聲在水平空間上的衰減規(guī)律，同時(shí)探討綠化帶的寬度、群落結(jié)構(gòu)對交通噪聲衰減的影響，以便為相似地區(qū)高速公路綠化帶的寬度設(shè)計(jì)、樹種選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及修剪管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

2 研究方法

2.1 典型林帶類型的選定和群落調(diào)查

2.2 監(jiān)測方法

2.3 噪聲衰減計(jì)算

綠化帶對交通噪聲的衰減主要有2部分構(gòu)成：一是由距離引起的衰減，稱為距離衰減，二是由綠化帶樹木引起的衰減，稱為綠化衰減[14-15]。同時(shí)，可將交通噪聲看作是由多個(gè)運(yùn)動的點(diǎn)聲源組成的聲源流，參照文獻(xiàn)[16-17]，根據(jù)公式(1)進(jìn)行噪聲衰減值的計(jì)算：

(1)

由公式(1)推導(dǎo)出綠化帶衰減系數(shù)計(jì)算公式：

(2)

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0軟件的單因素方差分析(ANOVA)分析不同林帶類型、不同寬度梯度之間噪聲值的差異性，并利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析綠化帶結(jié)構(gòu)指標(biāo)和綠化衰減系數(shù)之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型綠化帶的群落結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)群落調(diào)查的內(nèi)容，對3種類型綠化帶的群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對各林帶類型之間進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表1)表明：3種類型綠化帶的群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)均在0.05水平上存在差異。毛白楊純林的胸徑、樹高、冠幅、干高等結(jié)構(gòu)指標(biāo)均顯著大于雪松純林和針闊混交林。在林分密度方面，針闊混交林顯著大于雪松純林和毛白楊純林，雪松純林大于毛白楊純林，但二者之間的差異不顯著。地被植物均為野生草本，可以忽略地表狀況對噪聲衰減的影響。

表1 不同類型綠化帶的群落結(jié)構(gòu)組成

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Different small letters in the same column indicate the significant difference amongdifferent treatment groups(P<0.05).The same below.

3.2 不同類型綠化帶的降噪能力

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出3種類型綠化帶在不同寬度梯度上噪聲的衰減值，并對3種類型綠化帶之間噪聲的衰減值進(jìn)行方差分析(表2)。由于在本研究區(qū)域中，京開高速均配備完善的綠化帶，難以選擇無綠化帶的空地作為對照實(shí)驗(yàn)。因此，在數(shù)據(jù)分析時(shí)，采用距離衰減作為對照，其衰減值可由公式(1)直接計(jì)算得出。

表2 不同類型綠化帶的噪聲衰減值

Table 2 Noise attenuation of different forest types in green belt

林帶類型ForesttypesLeq10/dBLeq20/dBLeq30/dBLeq40/dBLeq50/dBLeq60/dB毛白楊純林PureforestofPopulustomentosa7．4±3．8a9．8±3．8a11．0±3．8ab12．2±3．8b13．1±3．7b13．8±3．7b雪松純林PureforestofCedrusdeodara8．0±3．7a10．1±3．8a11．6±4．1a13．2±4．3a14．5±4．4a16．0±4．7a針闊混交林Coniferousandbroadleafmixedforest6．1±3．5b8．8±3．6b10．5±3．7b11．9±3．7b13．1±3．6b14．0±3．6b對照組Controlgroup5．17．48．81010．811．6

注：Leq10表示在10 m寬度梯度上噪聲的衰減值，依次類推。

Note:Leq10indicatethe noise attenuation in 10 m width gradient, by such analogy.

通過與對照組進(jìn)行比較可以看出：3種類型的綠化帶均可以對高速公路噪聲形成一定的衰減作用，其中，雪松純林在各個(gè)寬度梯度上噪聲的衰減值最大，降噪能力最強(qiáng)。進(jìn)一步對3種類型綠化帶對不同梯度上的噪聲衰減值之間的差異性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在10、20 m梯度上，雪松純林的衰減值與毛白楊純林的差異不顯著，二者均與針闊混交林存在顯著差異。在30 m梯度上，雪松純林與毛白楊純林以及毛白楊純林與針闊混交林的差異不顯著，但雪松純林與針闊混交林的差異顯著。在40、50、60 m梯度上，雪松純林與毛白楊純林、針闊混交林間的差異均顯著，毛白楊純林與針闊混交林的差異不顯著。通過上述分析說明，相對于降噪能力最強(qiáng)的雪松純林而言，隨著寬度的增加，毛白楊的降噪能力呈現(xiàn)出減弱的趨勢，而針闊混交林呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢。

3.3 不同寬度梯度綠化帶的降噪功能

以不同寬度梯度的噪音值為因變量，距離為自變量，對3種類型綠化帶噪聲的梯度衰減水平進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果(表4)顯示：均以3次多項(xiàng)式的擬合度最高。毛白楊純林和針闊混交林的擬合優(yōu)度R2較高，均在0.8以上，雪松純林的擬合優(yōu)度R2也達(dá)到了0.723。

表3 不同寬度梯度下綠化帶的噪聲衰減

根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-2008)的規(guī)定，“在白天，交通干線道路兩側(cè)的環(huán)境噪聲限值為70 dB；居住、商業(yè)等需要維護(hù)安靜區(qū)域的環(huán)境噪聲限值為60 dB”[18]。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，將70、60 dB代入表4中的擬合方程，得出毛白楊純林滿足該標(biāo)準(zhǔn)的寬度分別為15.1、71.1 m，雪松純林分別為9.7、57.0 m，針闊混交林分別為16.8、75.7 m。雪松純林滿足標(biāo)準(zhǔn)所需的寬度最小，也驗(yàn)證了雪松純林的降噪效果最好。

3.4 群落結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)與降噪功能的相關(guān)性

由公式(2)可知綠化衰減系數(shù)由綠化衰減與距離計(jì)算得出，可以很好地反映綠化帶在不同寬度梯度上的降噪功能，其數(shù)值越大，降噪能力越強(qiáng)。對綠化衰減系數(shù)與群落結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)做相關(guān)性分析，結(jié)果(表5)表明：胸徑、樹高、冠幅、枝下高多項(xiàng)指標(biāo)與綠化衰減系數(shù)的相關(guān)關(guān)系均不顯著，僅有林分密度分別與寬度10、20 m的綠化衰減系數(shù)在0.05水平上呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.5 群落結(jié)構(gòu)綜合指標(biāo)與降噪功能的相關(guān)性

本研究建立了2個(gè)綜合指標(biāo)，探討綠化帶群落結(jié)構(gòu)對交通噪聲衰減的影響。首先是立體綠量，即指群落內(nèi)所有生長植物莖葉所占據(jù)的空間體積，是反映群落結(jié)構(gòu)空間分布的綜合性因子。具體計(jì)算步驟參照文獻(xiàn)[25-27]，樹木單株的立體綠量為樹冠和冠下綠量之和(表6)，累計(jì)樣地內(nèi)單株三維綠量獲得整個(gè)樣地三維綠量(表7)；其次是監(jiān)測點(diǎn)1.3 m處樹木的水平斷面積，計(jì)算方法是枝下高小于1.3 m的樹利用1.3 m處的冠幅計(jì)算水平斷面積(A<1.3)，計(jì)算公式為：

A<1.3=πC1.32/4

表5 群落結(jié)構(gòu)與降噪功能的相關(guān)分析

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。k10m表示在10 m寬度梯度上的林帶衰減系數(shù)，依次類推。

Note: * indicates significant correlation atP<0.05.k10mindicatethe ttenuation coefficientin 10 m width gradient, by such analogy.

式中：C1.3為1.3 m處的冠幅；枝下高大于1.3 m的樹利用胸徑(d)計(jì)算水平斷面積(A>1.3)，計(jì)算公式為：

A>1.3=πd2/4

累計(jì)樣地內(nèi)單株的水平斷面積獲得整個(gè)樣地的水平斷面積，結(jié)果見表7。

表6 立體綠量計(jì)算公式Table 6 Tridimensional green biomass calculation formula

注：x為冠幅，y為冠高，d為胸徑，h為枝下高

Note:xindicatecrownbreadth, yindicatecrownheight,dindicateDHB, hindicateunderbranchheight.

表7 不同類型綠化帶的立體綠量和水平斷面積

將綠化衰減系數(shù)分別與立體綠量和水平斷面積2個(gè)綜合指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(表8)表明：立體綠量與寬度為60 m的綠化衰減系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。水平斷面積與寬度為50 m的綠化衰減系數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與寬度為60 m的綠化衰減系數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。該結(jié)果說明水平斷面積越大，綠化帶的降噪能力越強(qiáng)。

表8 綜合指標(biāo)與降噪功能的相關(guān)分析

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: ** indicates significant correlation atP<0.01, * indicates significant correlation atP<0.05.

4 討論

前人的多數(shù)研究認(rèn)為綠化帶的林分密度越大，其降噪能力越強(qiáng)[20,24]，但是，本研究結(jié)果與此相反，說明僅用某一結(jié)構(gòu)指標(biāo)并不能表征整個(gè)群落的降噪能力，綠化帶的降噪能力應(yīng)當(dāng)是多個(gè)指標(biāo)協(xié)同作用的結(jié)果。

通過對2個(gè)綜合指標(biāo)的分析證實(shí)，在高度為1.3 m的水平布點(diǎn)監(jiān)測中，綠化帶在同一高度水平上的斷面積是影響其降噪能力的一個(gè)重要指標(biāo)，但是，還需增加更多的監(jiān)測研究驗(yàn)證其合理性；同時(shí)，如何選擇恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)指標(biāo)、合適的研究方法來系統(tǒng)地描述綠化帶降噪功能的影響因子也將是未來研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

高速公路綠化帶可以起到良好的降噪功能，不同林帶類型的綠化帶具有大小不一的降噪能力。在建植時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選分支點(diǎn)低、分支多、枝葉細(xì)密的植物。在城市綠地空間不足的情況下，還應(yīng)輔助于其他技術(shù)措施，才能完全消除交通噪聲對居民生活的影響。綠化帶的降噪能力是由多個(gè)林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)協(xié)同作用的結(jié)果，并不能僅用某一結(jié)構(gòu)指標(biāo)表征整個(gè)群落的降噪能力，研究證實(shí)綠化帶在同一高度水平上的斷面積是影響其降噪能力的一個(gè)重要綜合指標(biāo)。

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(責(zé)任編輯：詹春梅)

Study on Noise Attenuation of Green Belts in Plain Area

ZHANGZhi-yong1,LIQuan-ming2,NANHai-long3,YANGXiao-hui1

(1.Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2.Beijing Daxing District Forestry Station, Beijing 102600, China; 3.Beijing Forestry and Parks Department of International Cooperation, Beijing 100013,China)

highway; green belts; noise attenuation

2015-09-28 基金項(xiàng)目： 北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(z141100006014031)；國家國際科技合作專項(xiàng)資助(2015DFR31130)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31670715; 41271033; 41471029) 作者簡介： 張志永，博士研究生.主要研究方向：恢復(fù)生態(tài)學(xué)和生態(tài)管理.E-mail: zzy100083@163.com * 通訊作者：楊曉暉，博士，研究員.主要研究方向：恢復(fù)生態(tài)學(xué)和荒漠化防治.E-mail: yangxh@caf.ac.cn

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.02.020

S731.8

A

1001-1498(2017)02-0329-06