城市景觀林帶噪音消減效果研究進(jìn)展

石 媚，曹 燦，潘新宇，陳文軒，4，李茜,3,4*，曹 兵

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院；2.寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院；3.教育部中阿旱區(qū)特色資源環(huán)境治理國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；4寧夏(中阿)旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021)

伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展和交通條件改善，人均汽車(chē)保有量大幅增加，城市道路也承受著越來(lái)越嚴(yán)重的交通壓力，伴之的交通噪聲污染也嚴(yán)重影響民眾身心健康。城市交通噪聲并不僅限于汽車(chē)?guó)Q笛，還受到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音、車(chē)身前進(jìn)過(guò)程中與空氣的摩擦、汽車(chē)輪胎與路面的摩擦以及車(chē)流量大小和車(chē)速高低等影響[1]。長(zhǎng)期生活在噪聲污染下的人不但會(huì)聽(tīng)力下降，視力的穩(wěn)定性、清晰度等也會(huì)受到不良影響，更嚴(yán)重者還會(huì)發(fā)生中樞神經(jīng)功能性障礙，并由此引發(fā)大腦皮層興奮和抑制平衡失調(diào)，產(chǎn)生情緒激動(dòng)、心情暴躁[2]等情況，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重心理問(wèn)題。

目前，實(shí)現(xiàn)降低城市交通噪音的途徑主要有增加緩沖區(qū)、設(shè)立隔離帶、建立聲屏障[3-5]，而這些方式的不足之處在于需要投入較多人力及物力，占用相當(dāng)大的土地空間。大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，綠化帶植被在足夠?qū)挾群兔芏戎С窒?，具有美化環(huán)境、釋氧滯塵的效用，還可以降低10～15 dB的城市交通噪音，是一種環(huán)境友好型的隔音屏障[6]。Lai[7]認(rèn)為自然屏障比人工屏障更可取，不僅因?yàn)樘烊痪G色屏障能夠達(dá)到或高于人工屏障對(duì)噪音的屏蔽效果，還因?yàn)槿藗儗?duì)綠色屏障外觀降噪效果的心理感知[7]。為建立科學(xué)合理的天然綠色屏障，有必要對(duì)其降噪原理及其影響因素進(jìn)行分析總結(jié)。

1 植被降噪機(jī)理

植被是一種綠色消音器，能夠吸附、阻滯噪音，植物葉片絨毛和氣孔對(duì)噪聲有很好的吸附作用[8]。20世紀(jì)后葉，國(guó)外就有學(xué)者提出綠化帶降噪可分為正常衰減和附加衰減兩部分，正常衰減是指聲源以不平行于地面的聲波在球面擴(kuò)散傳播時(shí)，與散播在空氣中的塵埃等粒子摩擦引起衰減；附加衰減是指聲源與接收體之間存在的干擾物質(zhì)對(duì)平行于地面的聲波產(chǎn)生吸收、反射等作用，引起衰減[9]。

多孔狀的結(jié)構(gòu)是一種良好的吸聲結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波進(jìn)入孔隙中會(huì)引起空氣振動(dòng)，由于摩擦和空氣粘滯性產(chǎn)生粘滯阻力，使得振動(dòng)空氣中的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，加之孔隙中的空氣與孔壁、纖維之間的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致熱能散失，從而衰減聲能[10-11]。植物莖的木質(zhì)部中密集排列的導(dǎo)管不僅具有運(yùn)輸植物生長(zhǎng)所需的水分和無(wú)機(jī)鹽的作用，還具有微穿孔板諧振腔吸聲結(jié)構(gòu)特征；植物葉片的細(xì)胞間隙類(lèi)似于多個(gè)近似平行的毛細(xì)管，聲波在毛細(xì)管中摩擦振動(dòng)引起噪音傳播的聲能轉(zhuǎn)化為熱能散失[12]。植被降噪機(jī)理，大家普遍接受美國(guó)Martens教授提出的觀點(diǎn)，即當(dāng)聲能到達(dá)植物葉片時(shí)，一部分引起葉片小速率振動(dòng)而被消耗及被葉肉組織吸收轉(zhuǎn)化為熱能，一部分在樹(shù)葉周?chē)l(fā)生反射和衍射[13]。Reethof認(rèn)為喬木和灌木都是潛在的噪音消減者，當(dāng)聲波由垂直方向經(jīng)過(guò)樹(shù)木近似圓柱體的枝干時(shí)，會(huì)受到反射和衍射干擾，引發(fā)能量分散和障礙，從而使噪音衰減；某些溝壑縱橫的厚樹(shù)皮和濃密的樹(shù)葉具有吸收特性，能大大增加聲波散射波路徑長(zhǎng)度[14]，有效吸收噪音。Alyor通過(guò)測(cè)量玉米葉寬與降噪效應(yīng)之間的關(guān)系，得出聲能衰減主要通過(guò)植物葉片，主要包括葉寬、冠層葉面積而發(fā)生反射和散射，且葉面積密度與聲波衰減量呈正相關(guān)[15]。噪聲衰減可以歸因于地基效應(yīng)(如軟質(zhì)和多孔地基)，同時(shí)植被的枝干大小對(duì)噪聲有抑制作用，植被減低交通噪聲的效果與軟土地基的降噪效果最為匹配，且隨著與公路距離的增加，軟土地基的衰減效果更明顯[7]。

植被降噪效應(yīng)研究大多基于聲學(xué)和植物生理學(xué)等學(xué)科，實(shí)質(zhì)就是公路交通噪音在傳播中遇到不同形式的介質(zhì)而產(chǎn)生的反應(yīng)機(jī)制，其原因大體上可歸納為三個(gè)，一是開(kāi)放空間下，無(wú)指向性的點(diǎn)聲源在長(zhǎng)距離傳播時(shí)發(fā)生球面擴(kuò)散，與散布的空氣粒子產(chǎn)生摩擦引起衰減；二是植物枝葉等組織器官在聲波傳播中產(chǎn)生阻尼振動(dòng)和屏障效應(yīng)，發(fā)生吸收、反射、散射等作用，使聲能散失為其他形式的能量；三是松軟地面及草地等地基含有豐富腐殖質(zhì)和大量孔狀結(jié)構(gòu)，有效引起噪音消減。已有文獻(xiàn)資料報(bào)道，植物不同組織器官的結(jié)構(gòu)特征存在較大差別，植被降噪受綠化帶群落結(jié)構(gòu)特征等影響，目前綠化帶降噪機(jī)理尚有諸多爭(zhēng)論，缺乏完整性、系統(tǒng)性的理論成果。

2 植被降噪影響因素

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)眾多學(xué)者進(jìn)行了植被降噪影響因素研究，且大多從不同樹(shù)種典型特征，諸如樹(shù)高、胸徑、冠幅、樹(shù)木枝下高、郁閉度，綠化帶長(zhǎng)度、寬度[16]，不同植物群落結(jié)構(gòu)等角度來(lái)實(shí)施，認(rèn)為這些植被特征是影響植被降噪的重要因子。

2.1 不同結(jié)構(gòu)特性樹(shù)種的降噪差異

不同群落結(jié)構(gòu)特性的植被降噪效果差別很大，其中對(duì)降噪起關(guān)鍵影響的林木特征因子主要包括胸徑，枝下高、樹(shù)高，葉面積指數(shù)，冠幅，郁閉度等[17-18]。王瑋璐等認(rèn)為構(gòu)成綠化帶的各種植物的顯微結(jié)構(gòu)和枝葉特征亦可大幅減小聲能散發(fā)，從而降低噪音[12]。劉瀟憶在比較了香樟、廣玉蘭、圓柏等不同綠化樹(shù)種在不同距離點(diǎn)上噪聲值后得出結(jié)論：分枝點(diǎn)低、枝葉茂盛繁密的植被對(duì)聲波的吸收和反射效果好，降噪作用也更好，而質(zhì)地柔軟的葉片對(duì)提高植物總吸聲量有益[19]。樹(shù)木在不同生長(zhǎng)時(shí)期，降噪效果也有差異，林木夏季枝葉繁茂，降噪效果最為明顯；萌蘗階段降噪效果次之，尚未發(fā)芽階段即枯葉期降噪效果顯著降低[20-21]。關(guān)于闊葉樹(shù)種和針葉樹(shù)種的降噪差異，目前還沒(méi)有普遍認(rèn)可的結(jié)論。有學(xué)者認(rèn)為植物的總吸聲量與個(gè)體吸聲量相關(guān)，單位林木的枝葉越茂密，吸聲效果越好，闊葉樹(shù)種吸聲效果優(yōu)于針葉樹(shù)種[22]。吳淑杰在對(duì)比了球形闊葉樹(shù)、一般闊葉樹(shù)和針葉樹(shù)的林冠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與力學(xué)性質(zhì)后提出，針葉樹(shù)冠葉片分布較密，空氣通透性好，孔隙率較大，孔徑較小，孔管長(zhǎng)度較大[23]，對(duì)噪聲有較大的阻性吸附且針葉表面有漫反射結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能大幅增多聲波的反射次數(shù)和聲程，阻隔噪聲效果較好[24]。

植物莖葉中多孔狀的顯微結(jié)構(gòu)特征與噪聲消減關(guān)系密切。由于季節(jié)和植物物候期的更替，綠化帶植物綠量變化很大，高大落葉喬木樹(shù)種夏季生長(zhǎng)迅速、枝葉繁茂，具有良好的減噪效果，冬季樹(shù)葉凋零、枝干稀疏，減噪效果明顯降低；常綠喬木樹(shù)種樹(shù)冠、葉面積因季節(jié)變化幅度不大，減噪效果也變化不明顯；相對(duì)低矮的灌木樹(shù)種分支點(diǎn)低、分支數(shù)量多、枝干形態(tài)變化隨季節(jié)變化較小，降噪效果變化也較小。根據(jù)不同樹(shù)種結(jié)構(gòu)特征的季節(jié)變化，全面分析其降噪優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行樹(shù)種間合理搭配，有利于實(shí)現(xiàn)多樹(shù)種協(xié)同降噪效應(yīng)。

2.2 不同綠化模式對(duì)減噪效果的影響

不同營(yíng)造模式的道路景觀林帶，對(duì)交通噪聲的降噪效果不同。綠化帶結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、層次越多樣化，綠化水平越高，各類(lèi)植被不同配置組合對(duì)聲波的反射和吸收作用最大，降噪效果越明顯[25]。鄭思俊等通過(guò)比較不同植物群落的降噪效果發(fā)現(xiàn)，高低不同、錯(cuò)落有致的喬灌結(jié)合復(fù)層群落結(jié)構(gòu)降噪效果好于一般灌木叢，相比沒(méi)有下層木的喬木林降噪效果還更好[26]。在復(fù)層植物群落結(jié)構(gòu)中，植物構(gòu)成相同、結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，如果喬木層高度越高，其降噪作用越明顯。耿博文等研究了北京市入境高速公路兩側(cè)綠化帶噪音強(qiáng)度變化，發(fā)現(xiàn)不同高度、不同層次的植物群落，包括在混交林中增加林下植物覆蓋度，在垂直方向形成由低到高冠層結(jié)構(gòu)，以及在水平方向由近及遠(yuǎn)的連續(xù)遮擋[27]，都可降低高速公路兩旁的噪音。我國(guó)研究者就綠化樹(shù)種組合及其配置模式對(duì)減噪效果的影響分歧較小，普遍認(rèn)同喬、灌、草相結(jié)合的復(fù)合型造林模式降噪效果最為明顯[28-32]，單一結(jié)構(gòu)的全喬木型和全灌木型植物群落降噪效果相近[17]，綠化樹(shù)種搭配時(shí)，應(yīng)結(jié)合不同樹(shù)種的結(jié)構(gòu)特征，充分考慮植物群落水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，形成層次分明、減噪效果突出、兼顧美化效益的配置模式。

2.3 綠化帶結(jié)構(gòu)特征對(duì)降噪效果的影響

噪聲在綠化帶中的衰減與綠化帶的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)[33]，這些特征主要包括林帶長(zhǎng)度、寬度、水平能見(jiàn)度等[34-35]，其中綠化帶能見(jiàn)度和寬度是影響消減噪音效果的二個(gè)最關(guān)鍵因素。為了減少道路噪聲在林帶內(nèi)端點(diǎn)繞射和林帶外行駛的汽車(chē)帶來(lái)的側(cè)向直達(dá)聲，林帶橫向延伸長(zhǎng)度應(yīng)為發(fā)聲點(diǎn)到林帶距離的三倍以上[36]。實(shí)際應(yīng)用中，綠化帶在美觀的基礎(chǔ)上一般都呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)，其長(zhǎng)度極少被研究。能見(jiàn)度是一個(gè)物體在綠化帶內(nèi)由清楚變得模糊的距離，文獻(xiàn)中密度、疏透度、遮蔽率概念等與其類(lèi)似。Lai研究了不同種植強(qiáng)度下，道路兩側(cè)植物群落對(duì)降低道路交通噪音的影響，發(fā)現(xiàn)植物群落從最小種植強(qiáng)度增加到中等種植強(qiáng)度時(shí)，交通噪聲降低了50%，而當(dāng)植物群落進(jìn)一步增加種植強(qiáng)度時(shí)，降低交通噪聲的效果變化不顯著[7]。因此綠化帶降噪效果與林帶的水平能見(jiàn)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[37-39]，能見(jiàn)度越低，林帶密度越大，林內(nèi)植株分支點(diǎn)低、枝繁葉茂，發(fā)生吸收和散射的效應(yīng)就越大，降噪效果就越明顯。

在綠化帶種植密度相同的情況下，隨著聲源與測(cè)點(diǎn)距離的不斷增大，即綠化帶寬度越大，吸收和反射周?chē)暡ǖ淖饔迷綇?qiáng)，減噪效果也就越明顯[7,40-42]。彭海燕研究30 m以?xún)?nèi)的林帶與降噪效果之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)降噪效果隨寬度的增加而增大，且呈極顯著線(xiàn)性關(guān)系[43]。還有研究人員發(fā)現(xiàn)城市綠化對(duì)交通噪音的降噪量與林帶寬度關(guān)系密切，如果林帶寬度較大，則靠近聲源一側(cè)的前部綠化帶降噪作用大，遠(yuǎn)離聲源的后部減噪效果明顯變小[7,40,44]。綠化帶的降噪效果隨林帶寬度增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，綠化帶并不是越寬越好，以增加綠化帶寬度來(lái)增強(qiáng)降噪效果的盲目行為并不可取，在完成減噪要求的基礎(chǔ)上，綠化帶寬度以30～40 m最為有效。

2.4 噪聲的不同頻率對(duì)綠化林帶降噪效果的影響

Vikrant研究發(fā)現(xiàn)綠化帶的降噪量一般隨著噪音頻率的增加而逐漸增大[45]，雖然在整個(gè)頻譜中存在峰谷現(xiàn)象，但整體仍呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。周敬宣等分析研究噪音頻譜發(fā)現(xiàn)，林帶對(duì)高頻噪音的降噪效果優(yōu)于低頻,有腐殖質(zhì)的地面對(duì)中低頻噪音降噪較好,樹(shù)木枝葉對(duì)高頻聲波的散射和吸收效果較好[46-47]。袁玲等認(rèn)為植物體的吸聲能力與植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)[48]。不同的植物組織和器官對(duì)不同頻率的噪聲有不同的降噪效果，林木枝干的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)低頻聲音的吸聲效果高于中、高頻噪音，植物葉片的胞間間隙與氣孔對(duì)中高頻率噪音具有良好的吸聲性能。不同種類(lèi)的森林降噪值具有不同的頻帶，其中噪聲插入損耗峰值也有所差別，針葉類(lèi)植物對(duì)低頻噪聲有很好的降噪效果, 闊葉類(lèi)植物對(duì)高頻噪聲有很好的降噪效果, 葉子中等大小的植物對(duì)中頻噪聲有很好的降噪效果[49-51]。

3 城市景觀林帶噪音消減效果研究存在問(wèn)題及發(fā)展方向

城市綠化帶對(duì)道路交通噪音的降噪效果研究雖然已取得了許多重要成果，得到政府相關(guān)部門(mén)和人眾的普遍認(rèn)可，但仍有空白或缺欠，需進(jìn)一步試驗(yàn)探究。

目前國(guó)內(nèi)外城市道路綠化帶不同植物群落結(jié)構(gòu)特征降噪機(jī)理還缺乏大量、系統(tǒng)性研究成果，今后研究中，應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)代化的科技手段、多學(xué)科協(xié)作，不斷豐富和完善植物降噪機(jī)理。

綠化帶結(jié)構(gòu)特征對(duì)降噪效果至關(guān)重要，而大多研究只關(guān)注綠化帶的長(zhǎng)度、寬度和密度，很少顧及植物群落或綠化帶的高度。研究者們雖然都在提倡喬、灌、草(花)復(fù)合配置模式，但并未明確提出在這種配置模式下哪些樹(shù)種草種能夠?qū)崿F(xiàn)景觀效果與降噪效果統(tǒng)一并最大化。

迄今試驗(yàn)研究都在天氣晴朗、風(fēng)速小于5 m·s-1的理想天氣狀況下進(jìn)行，實(shí)際中，這種天氣出現(xiàn)的幾率很少，忽略溫度、濕度等氣象條件對(duì)植物群落降噪效果影響的研究缺乏普適性。區(qū)域性氣候特征對(duì)植物的降噪效果有一定影響，主要表現(xiàn)在改變植物群落結(jié)構(gòu)和空氣濕度，影響植物枝葉生長(zhǎng)狀況以及植物器官的開(kāi)合，進(jìn)而影響林帶降噪效果，雨季各林帶的降噪效應(yīng)優(yōu)于旱季[16]，因而研究氣候特征間接影響植物降噪效果也非常必要。

建設(shè)道路兩側(cè)綠化帶、降低城市交通噪音是今后提高城市環(huán)境質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是城市森林建設(shè)的主要內(nèi)容之一，給綠化帶降噪研究提供了廣闊空間，今后應(yīng)在土地資源日趨稀缺、城市噪音源噪音量都可能增大的情況下，為改善人居環(huán)境和交通狀況，更多關(guān)注和解決如上提出的問(wèn)題，結(jié)合園林景觀設(shè)計(jì)原理，進(jìn)一步研究適于不同氣候、土壤、立地環(huán)境的綠化帶結(jié)構(gòu)、樹(shù)種組成及其配置方式，以期實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、景觀效果與經(jīng)濟(jì)效益的和諧統(tǒng)一、持續(xù)優(yōu)化。