北京平原地區(qū)公路典型綠化帶降噪功能初探

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)濟發(fā)展的重要支撐體系。隨著城市化進程的深入發(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，綠化帶獨特的功能效益成為人們研究的前言和熱點[2]。據(jù)媒體報道，截止2015年底，北京市機動車總量已達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、受聲點防護和切斷傳播途徑3個方面[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，綠化帶對交通噪聲具有顯著的衰減效果[4-5]，同時，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、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，可將交通噪聲看作是由多個運動的點聲源組成的聲源流，參照文獻[16-17]，根據(jù)公式(1)進行噪聲衰減值的計算：

(1)

由公式(1)推導(dǎo)出綠化帶衰減系數(shù)計算公式：

(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)進行統(tǒng)計，并對各林帶類型之間進行方差分析，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)實測數(shù)據(jù)計算出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驗。因此，在數(shù)據(jù)分析時，采用距離衰減作為對照，其衰減值可由公式(1)直接計算得出。

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，雪松純林在各個寬度梯度上噪聲的衰減值最大，降噪能力最強。進一步對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行曲線擬合，結(jié)果(表4)顯示：均以3次多項式的擬合度最高。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，也驗證了雪松純林的降噪效果最好。

3.4 群落結(jié)構(gòu)各項指標(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。對綠化衰減系數(shù)與群落結(jié)構(gòu)的各項指標(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。具體計算步驟參照文獻[25-27]，樹木單株的立體綠量為樹冠和冠下綠量之和(表6)，累計樣地內(nèi)單株三維綠量獲得整個樣地三維綠量(表7)；其次是監(jiān)測點1.3 m處樹木的水平斷面積，計算方法是枝下高小于1.3 m的樹利用1.3 m處的冠幅計算水平斷面積(A<1.3)，計算公式為：

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)計算水平斷面積(A>1.3)，計算公式為：

A>1.3=πd2/4

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

表6 立體綠量計算公式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個綜合指標(biāo)進行相關(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。

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[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)并不能表征整個群落的降噪能力，綠化帶的降噪能力應(yīng)當(dāng)是多個指標(biāo)協(xié)同作用的結(jié)果。

通過對2個綜合指標(biāo)的分析證實，在高度為1.3 m的水平布點監(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重要指標(biāo)，但是，還需增加更多的監(jiān)測研究驗證其合理性；同時，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。

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，應(yīng)優(yōu)先選分支點低、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)表征整個群落的降噪能力，研究證實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重要綜合指標(biāo)。

[1] 喻本德, 葉有華, 吳國昭, 等. 綠道網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與管理進展分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2013, 22(8): 1444-1450.

[2] 周年興, 俞孔堅, 黃震方. 綠道及其研究進展[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2006, 26(9): 3108-3116.

[3] Bucur V. Urban forest acoustics[M]. Berlin: Springer verlag, 2007: 13.

[4] van Renterghem T, Attenborough K, Maennel M,etal. Measured light vehicle noise reduction by hedges[J]. Applied Acoustics, 2014, 78: 19-27.

[5] 王 慧, 郭晉平, 張蕓香, 等. 公路綠化帶降噪效應(yīng)及其影響因素研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2010, 19(6) :1403-1408.

[6] Yang F, Bao Z Y, Zhu Z J. An assessment of psychological noise reduction by landscape plants[J]. International journal of environmental research and public health, 2011, 8(4): 1032-1048.

[7] 張守斌, 魏峻山, 胡世祥, 等. 中國環(huán)境噪聲污染防治現(xiàn)狀及建議[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2015, 31(3): 24-26.

[8] 王克琴, 李海波, 劉 琳, 等. 城市道路交通建設(shè)噪聲影響分析及治理措施探討[J]. 湖北大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2015, 37(1): 55-60.

[9] 羅 鵬, 蔡 銘, 馬俠霖. 城市道路交通噪聲分布模擬研究[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2013, 29(5): 176-179.

[10] 丁真真, 趙劍強, 陳 瑩, 等. 公路交通噪聲源強預(yù)測模型研究進展[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2014, 14(4): 280-284.

[11] 鄒競芳, 蔡 銘. 廣州市晝夜道路交通噪聲的監(jiān)測與分析[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2013, 29(4): 157-161.

[12] 劉巧芹, 秦 嶺, 吳克寧, 等. 大城市郊區(qū)農(nóng)村土地利用格局及整治方向分析—以北京大興區(qū)為例[J]. 土壤, 2014, 46(2): 379-385.

[13] Eyring C F. Jungle acoustics[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1946, 18(2): 257-270.

[14] Fang C F, Ling D L. Investigation of the noise reduction provided by tree belts[J]. Landscape and Urban Planning, 2003, 63(4): 187-195.

[15] 張萬旗, 劉俊偉, 胡宏友, 等. 廈門市交通主干道綠化帶結(jié)構(gòu)及其減噪效果研究[J]. 亞熱帶植物科學(xué), 2009, 38(4): 74-78.

[16] 杜振宇, 邢尚軍, 宋玉民, 等. 高速公路綠化帶對交通噪聲的衰減效果研究[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2007, 16(1): 31-35.

[17] 扈 軍, 葛 堅. 城市綠化帶對交通噪聲衰減效果與模擬分析[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài), 2013, 26(5): 33-36.

[18] GB 3096-2008. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[19] 孫 偉, 王瑋璐, 郭小平, 等. 不同類型綠化帶對交通噪聲的衰減效果比較[J]. 植物資源與環(huán)境學(xué)報, 2014,23 (2): 87-93.

[20] 郭小平, 彭海燕, 王 亮. 綠化林帶對交通噪聲的衰減效果[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2009, 29 (12): 2567-2571.

[21] 周敬宣, 丁亞超, 李 恒, 等. 林帶對交通噪聲衰減的效果研究及公路防噪林帶設(shè)計[J]. 環(huán)境工程, 2005, 23(2): 48-51.

[22] 張明麗, 胡永紅, 秦 俊. 城市植物群落的減噪效果分析[J]. 植物資源與環(huán)境學(xué)報, 2006, 15(2): 25-28.

[23] 張慶費, 鄭思俊, 夏 檑, 等. 上海城市綠地植物群落降噪功能及其影響因子[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2007, 18(10): 2295-2300.

[24] 丁亞超, 周敬宣, 李 恒. 綠化帶對公路交通噪聲衰減的效果研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 2005, 26(6): 479-479.

[25] 周堅華, 孫天縱. 三維綠色生物量的遙感模式研究與綠化環(huán)境效益估算[J]. 環(huán)境遙感, 1995, 10(3): 162-174.

[26] 劉常富, 何興元, 陳 瑋, 等. 沈陽城市森林三維綠量測算[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006, 28(3): 32-37.

[27] 孫曉梅, 勾 萍, 黃彥青, 等. 大連市建成區(qū)城市森林三維綠化結(jié)構(gòu)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2014, 37(6): 440-443.

(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 基金項目： 北京市科技計劃項目(z141100006014031)；國家國際科技合作專項資助(2015DFR31130)；國家自然科學(xué)基金項目(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