京杭運(yùn)河淮安段天然蘆葦群落的消風(fēng)減噪效應(yīng)

李冬林，張文豹，金雅琴，周軍

(1.江蘇省林業(yè)科學(xué)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(xué)院園藝學(xué)院，210038，南京)

京杭運(yùn)河淮安段天然蘆葦群落的消風(fēng)減噪效應(yīng)

李冬林1，張文豹2，金雅琴3，周軍3

(1.江蘇省林業(yè)科學(xué)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(xué)院園藝學(xué)院，210038，南京)

植物群落是河岸帶濕地的重要組成部分，對(duì)河流護(hù)坡生態(tài)系統(tǒng)的改善發(fā)揮著重要作用。通過(guò)實(shí)地調(diào)查和測(cè)定研究京杭運(yùn)河淮安段天然蘆葦群落對(duì)風(fēng)速、噪音的影響。結(jié)果表明:與無(wú)植物對(duì)照地相比，有蘆葦分布的背風(fēng)面風(fēng)速變小，噪音降低，其日變化也呈現(xiàn)一定變異。不同蘆葦群落由于寬度及密度等結(jié)構(gòu)特征的差異其作用強(qiáng)度明顯不同。密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的消風(fēng)減噪效應(yīng)明顯好于稀疏蘆葦群落，日平均消風(fēng)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(nèi)部形成明顯的低風(fēng)弱噪?yún)^(qū)，但越過(guò)葦群后二者呈現(xiàn)不同的變化曲線。通過(guò)葦群的風(fēng)速變化擬合方程為:y1=－0.0005x3+0.0336x2－0.5428x+2.741 6(R2=0.821 6);通過(guò)葦群聲級(jí)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(duì)航道行船具有明顯的抵風(fēng)消浪與消音降噪功能，是一種值得保護(hù)和應(yīng)用的河岸帶生態(tài)護(hù)坡模式。

河岸帶;蘆葦群落;消風(fēng)減噪效應(yīng);京杭運(yùn)河

河岸帶是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的活動(dòng)邊界，是環(huán)境活力和變化的敏感標(biāo)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(chǎn)力和生物量，為許多動(dòng)物提供棲息地，并為許多動(dòng)物和植物的遷徙提供廊道，對(duì)維持區(qū)域生物多樣性及河流護(hù)坡生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用［2］。長(zhǎng)期以來(lái)，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(méi)有把河岸作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)對(duì)待。河岸帶及其植被遭到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，河岸防洪能力減弱，水質(zhì)下降，生境破壞，給河系生態(tài)環(huán)境和行船安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅［3－4］。

京杭運(yùn)河是中國(guó)“一縱三橫”水運(yùn)主通道中唯一的縱向通道，既是我國(guó)南北貨運(yùn)的“黃金水道”，又是南水北調(diào)、引江灌溉、防洪排澇的“生命線”，肩負(fù)著航運(yùn)、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(lái)水上交通部門的工作重點(diǎn)。京杭運(yùn)河兩淮段自清安化工廠至黃碼大橋，航道兩岸生長(zhǎng)有成片的天然蘆葦(Phragmites australis)，群落保存良好，長(zhǎng)勢(shì)旺盛，而且與近年開(kāi)展的護(hù)坡綠化工程匹配益彰，具有明顯的減風(fēng)消噪和美化功能。目前，有關(guān)蘆葦群落的消風(fēng)減噪效應(yīng)尚少見(jiàn)報(bào)道。筆者通過(guò)實(shí)地調(diào)查和測(cè)定，對(duì)京杭運(yùn)河天然蘆葦群落的消風(fēng)減噪效應(yīng)進(jìn)行研究，分析不同結(jié)構(gòu)群落在功能上的差異，為河岸帶植物護(hù)坡的設(shè)計(jì)與管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然概況

研究區(qū)域位于京杭運(yùn)河淮安段，地理坐標(biāo)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?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，氣候宜人，四季分明。年平均氣溫14.0℃，無(wú)霜期210～230 d;年平均日照時(shí)間2 250～2 350 h，年平均降水量958.8 mm;年平均風(fēng)速3.5 m/s。土壤為灰黃、黃色粉質(zhì)黏土、黏土及粉土，pH值7.0～8.0。

1.2 樣地設(shè)計(jì)

采取典型樣地取樣法。在京杭運(yùn)河淮安段依據(jù)蘆葦群落生長(zhǎng)狀況，選擇群落完整、分布均勻的寬幅群落，設(shè)置4種類型的觀測(cè)樣地:1)無(wú)植物對(duì)照地(硬質(zhì)護(hù)坡);2)稀疏蘆葦群落;3)中密蘆葦群落;4)密集蘆葦群落。詳細(xì)調(diào)查不同樣地的群落結(jié)構(gòu)狀況(表1)，調(diào)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(jié)構(gòu)狀況Tab．1 Structural condition of different reed communities

1.3 測(cè)定方法

在3種蘆葦群落的背風(fēng)面同步測(cè)定胸高1.5 m處的最大風(fēng)速和最大聲級(jí)，同時(shí)在無(wú)蘆葦對(duì)照地同步測(cè)定比較。風(fēng)速測(cè)定采用TM856風(fēng)速儀(單位m/s)，噪音測(cè)定使用 TES－1357聲級(jí)計(jì)(單位 dB)。于2011年8月，選擇晴朗有風(fēng)的白天，從08:00至18:00，每2 h觀測(cè)1次，并重復(fù)讀數(shù)3次，連續(xù)進(jìn)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(jīng)過(guò)葦群，并垂直于各樣地的瞬間讀取聲級(jí)，用以下公式計(jì)算消風(fēng)率(Q)和減噪率(R):

式中:vi、v0分別為第i群落和無(wú)植物對(duì)照地某時(shí)段的風(fēng)速，m/s;si、s0分別為第i群落和無(wú)植物對(duì)照地某時(shí)段的聲級(jí)，dB。

在密集蘆葦群落中，沿垂直河流方向設(shè)置3條寬幅葦帶，自河道中央蘆葦群落迎風(fēng)面至河岸護(hù)堤，每隔2 m測(cè)定胸高1.5 m處的風(fēng)速及噪音(重復(fù)測(cè)定3次)，分析群落內(nèi)不同距離風(fēng)速及噪音的水平變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)蘆葦群落的消風(fēng)效應(yīng)

2.1.1 蘆葦群落結(jié)構(gòu)對(duì)葦緣風(fēng)速的影響 從圖1可以看出，河岸帶蘆葦分布區(qū)與無(wú)植物對(duì)照地相比，風(fēng)速明顯不同。盡管隨著時(shí)間的變化，風(fēng)速呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，但蘆葦分布區(qū)邊緣的風(fēng)速始終小于無(wú)植物分布的對(duì)照地?？梢?jiàn)，枝葉茂密的蘆葦對(duì)風(fēng)速有顯著的消減作用。

圖1 不同結(jié)構(gòu)蘆葦群落對(duì)風(fēng)速的影響Fig．1 Effects of reed communities with different structures on wind speed

從無(wú)植物對(duì)照地測(cè)定風(fēng)速的日變化來(lái)看，當(dāng)天風(fēng)速2個(gè)時(shí)間點(diǎn)(10:00和16:00)出現(xiàn)了風(fēng)速峰值，這是瞬間陣風(fēng)引起;但是在有植物分布的蘆葦區(qū)由于蘆葦?shù)拇嬖?，這種變化已受到嚴(yán)重干擾，雙峰已不復(fù)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(shí)出現(xiàn)了風(fēng)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(xiàn)了風(fēng)速峰值(3.960 m/s)。

2.1.2 不同結(jié)構(gòu)蘆葦群落的消風(fēng)率 不同結(jié)構(gòu)蘆葦群落的消風(fēng)率(Q)見(jiàn)表2。從3種群落對(duì)風(fēng)速的影響效應(yīng)來(lái)看，以稀疏蘆葦群落的消風(fēng)效果最弱，平均消風(fēng)率為55.70%;而密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的消風(fēng)效果顯然好于稀疏蘆葦群落，平均消風(fēng)率分別為63.95%和66.25%，這顯然與蘆葦群落結(jié)構(gòu)與葦群寬度有關(guān)。

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

2.2 不同結(jié)構(gòu)蘆葦群落的減噪效應(yīng)

2.2.1 蘆葦群落結(jié)構(gòu)對(duì)葦緣噪音強(qiáng)度的影響 從圖2可以看出，河岸帶蘆葦分布區(qū)與無(wú)植物對(duì)照地相比，背風(fēng)面噪音強(qiáng)度明顯不同。蘆葦分布區(qū)邊緣的噪音強(qiáng)度始終小于無(wú)植物分布的對(duì)照地。蘆葦憑借其密集的枝葉對(duì)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(shí)，由于不同群落蘆葦結(jié)構(gòu)的不同，使得不同蘆葦群落對(duì)噪音的消減作用強(qiáng)度明顯不同。比較而言，稀疏蘆葦群落的減噪效應(yīng)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(jié)構(gòu)蘆葦群落的減噪率 計(jì)算不同蘆葦群落的減噪率(R)見(jiàn)表3。從3種不同群落在1 d中的減噪效應(yīng)來(lái)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(nèi)不同距離消風(fēng)減噪效應(yīng)的水平變化

圖2 不同結(jié)構(gòu)蘆葦群落對(duì)噪音強(qiáng)度的影響Fig．2 Effects of reed communities with different structure on noise intensity

2.3.1 消風(fēng)效應(yīng)的水平變化 在密集蘆葦群落中，氣流穿過(guò)寬幅葦帶的風(fēng)速變化呈“鉤形”(圖3)?？梢钥闯?，當(dāng)氣流行進(jìn)中遇到蘆葦群落時(shí)，由于受到葦群的阻擋作用，一部分氣流可從葦群個(gè)體間隙通過(guò)，另一部分氣流被抬高從葦群上方越過(guò)，故在葦前0～4 m有一定的風(fēng)速，但風(fēng)速明顯減弱(迎風(fēng)面風(fēng)速的12.91%～22.63%)。穿過(guò)葦后的氣流行進(jìn)中繼續(xù)受到葦竿、葦葉的碰撞、反射，使得葦群內(nèi)風(fēng)速大為降低，10～20 m降低幅度為迎風(fēng)面的13.24% ～25.12%。由于葦群上方的氣流抬升改變了葦群背風(fēng)面動(dòng)能的空間分布，使得低層空氣動(dòng)能減少，加上氣流穿過(guò)葦群時(shí)空氣的黏性消耗部分動(dòng)能，使得背風(fēng)面一定距離內(nèi)風(fēng)速仍呈現(xiàn)一定范圍的弱風(fēng)區(qū)(22 m處風(fēng)速減弱為迎風(fēng)面的32.71%)。離開(kāi)葦群以后，由于上層氣流的不斷下壓，并與穿透氣流匯合，風(fēng)速逐漸提高，同時(shí)由于河岸地勢(shì)(護(hù)堤)逐漸抬高，葦群防風(fēng)作用減弱，風(fēng)速明顯加大(迎風(fēng)面風(fēng)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(yīng)用回歸分析，通過(guò)葦群的風(fēng)速變化可用以下多項(xiàng)式擬合:

2.3.2 減噪效應(yīng)的水平變化 蘆葦群落減噪效應(yīng)的波形變化見(jiàn)圖4。與氣流通過(guò)蘆葦群落的消減變化相似，行船聲波在傳播過(guò)程中遇到蘆葦群落的阻滯和反射作用，葦群內(nèi)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(nèi)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(dá)葦群邊緣時(shí)(16～20 m)，受到河岸的反射作用，噪聲強(qiáng)度有所加大，但與迎風(fēng)面相比，仍有大幅度減弱(葦前聲源的88.08% ～89.64%)。離開(kāi)葦群后，隨著噪聲源的逐漸遠(yuǎn)離，聲級(jí)維持在低水平(葦前聲源的90.16% ～93.78%)傳播，其消音趨勢(shì)與風(fēng)速變化略有不同，聲音傳播受到距離增大與地勢(shì)升高的雙重影響，聲級(jí)變化較為平緩。

應(yīng)用回歸分析，通過(guò)葦群的聲級(jí)變化擬合方程為

圖3 蘆葦群落不同距離的風(fēng)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(jí)變化Fig．4 Change of noise at different distance to reed communities

3 結(jié)論與討論

1)蘆葦是生長(zhǎng)在江、湖、河岸的常見(jiàn)挺水植物，占據(jù)著其他植物不宜生長(zhǎng)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(zhǎng)期以來(lái)，由于受傳統(tǒng)工程理念的影響，有關(guān)航道護(hù)波的整治更多地關(guān)注護(hù)坡的防護(hù)性與堅(jiān)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(dá)國(guó)家對(duì)這一問(wèn)題認(rèn)識(shí)較早，認(rèn)為傳統(tǒng)的混凝土護(hù)岸會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)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(guò)實(shí)際測(cè)定，表明具有重要護(hù)坡功能的蘆葦通過(guò)發(fā)達(dá)的莖桿和葉片，對(duì)航運(yùn)造成的噪音和自然風(fēng)具有明顯的削減緩沖作用，這與我國(guó)公路防護(hù)林以及沿海防護(hù)林對(duì)風(fēng)速和噪音的影響研究結(jié)果［11－12］具有一定相似性，應(yīng)該引起高度重視和保護(hù)。在河(航)道整治工程設(shè)計(jì)中，有意識(shí)地重視蘆葦?shù)茸匀簧L(zhǎng)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(xiàn)代河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的主流，也有利于水岸帶生態(tài)功能的發(fā)揮。

2)群落結(jié)構(gòu)特征是群落生態(tài)水平的獨(dú)特而可測(cè)定的生物學(xué)特征，對(duì)反映群落的外部特征和生態(tài)功能預(yù)測(cè)具有重要意義［13］。對(duì)京杭運(yùn)河淮安段蘆葦群落的調(diào)查表明，不同蘆葦群落結(jié)構(gòu)的消風(fēng)減噪效應(yīng)存在一定差異，表現(xiàn)為蘆葦寬度和密度對(duì)葦緣風(fēng)速及噪音強(qiáng)度有顯著影響。而密集蘆葦群落和中密蘆葦群落的消風(fēng)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(yuǎn)離碼頭的河段，可嘗試采用寬幅密植的方法營(yíng)造蘆葦群落，以達(dá)到減風(fēng)消浪的效果，同時(shí)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(gè)體強(qiáng)烈的阻滯、吸收和反射作用，在葦群內(nèi)部形成明顯的低風(fēng)弱噪?yún)^(qū)，并且越過(guò)葦緣后，這種低風(fēng)弱噪?yún)^(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(shè)計(jì)中應(yīng)考慮蘆葦?shù)人参飳?duì)這些微環(huán)境因素帶來(lái)的影響，既要考慮人們對(duì)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(wù)于人們親近自然與健康游賞的實(shí)際需求。

4)蘆葦是一種習(xí)見(jiàn)的草本植物，繁殖容易，培育簡(jiǎn)單，生命力強(qiáng)［14］。通過(guò)對(duì)京杭運(yùn)河淮安段蘆葦群落的調(diào)查表明，蘆葦對(duì)航道行船具有明顯的減風(fēng)消音功能，進(jìn)而對(duì)船舶航行起到消浪防護(hù)與護(hù)堤防蝕功能。在航道護(hù)坡工程中，充分利用蘆葦?shù)倪@些生物學(xué)特點(diǎn)，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(hù)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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“京杭運(yùn)河江蘇段生態(tài)型護(hù)坡構(gòu)建技術(shù)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(xué)。E－mail:lidonglin126@126.com

(責(zé)任編輯:程 云)