城市行道綠帶減噪植物種類與配置模式篩選

艾錦輝，魏鎮(zhèn)歡，劉文文，廖晨陽,2*，陳 一

(1.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065；2.伊利諾伊大學厄巴納香檳分校，美國 厄巴納 61801)

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快，噪聲污染已成為我國城市主要污染之一。交通噪聲、工地噪聲、社會噪聲等嚴重影響著人的情緒，甚至危害人體健康[1]。植物作為城市中主要的生物設施，發(fā)揮著重要的生態(tài)功能，不僅能美化環(huán)境、吸塵降塵、降溫增濕、固土保水、吸收有害氣體，還具有較強的隔音減噪能力[2～3]。

自20世紀40年代末Eyring開始探究綠植減噪以來，國內(nèi)外學者對植物的減噪機理、影響因素及不同樹種的減噪能力等展開了深入研究[4]。影響因素方面，研究主要集中于林帶平均高度、寬度、葉面積指數(shù)、群落結(jié)構(gòu)樹種組成、發(fā)聲點與受測點之間的距離等因子對林帶減噪功能的影響[5]。近年來也有學者開始關注林帶孔隙度、種植強度等因子，Lai FernOwS.Ghosh[6]等的實驗表明，植被種植強度由最小強度增至中等強度時，交通噪聲降低了50%，而當植被進一步增至密集強度時，減噪效果沒有明顯增強。基于大量實驗，國內(nèi)外學者認為，植物的結(jié)構(gòu)特征會對其減噪效果產(chǎn)生影響，減噪能力主要與莖、干、枝、葉等結(jié)構(gòu)組成有關[7]。其中枝葉主要影響噪音的反射作用[8]，植株莖干半徑、平均高度分別與聲波的散射、繞射作用有關[9]。樹種減噪能力方面，張明麗等[3]發(fā)現(xiàn)與常綠闊葉林、落葉闊葉林、散生竹林、叢生竹林、常綠灌木、落葉灌木相比，針葉林和常綠闊葉林的減噪效果更好。洪昕晨等[10]對群植植物組合的研究結(jié)果表明竹林的減噪效果最佳，其次是喬灌草型、喬草型、灌草型和灌木型，草坪型減噪效果較差。楊莉娟[11]通過對日照市13種彩葉樹種的減噪能力的研究，發(fā)現(xiàn)黃櫨(CotinuscoggygriScop.)的減噪能力最強，其次為紫葉李(PrunuscerasiferaEhrh.)、美國紅櫨(CotinuscoggygriaScop. var.cineraEngl.)等，挪威槭(AcerplatanoidesL.)的減噪能力最弱。

目前相關研究多采用實地測評的方式，即對既定配置的綠化林帶、純林、混交林或更復雜的群落進行現(xiàn)場測定[12]；這樣的實驗數(shù)據(jù)雖然直觀，但測試的平行性較難保證。本研究采用實地測試與模擬實驗相結(jié)合的方法，在平行條件下篩選降噪能力強的園林植物及其配置方式，以獲取更客觀、重復性更好的數(shù)據(jù)。

本研究選取成都市16種常見園林綠植，通過實地測試和對比分析篩選出減噪能力較強的植物，并在此基礎上進行室內(nèi)大苗模擬實驗，探究最佳植物配置模式，并繪制行道綠帶植物規(guī)劃示意圖，以期為城市綠化設計提供具有實踐性、適應性的參考。

1 材料與方法

1.1 實地實驗

1.1.1 實驗地概況

成都市介于東經(jīng)102°54′～104°53′和北緯30°05 ′～31°26′之間，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫16℃左右，年平均降水量900 mm～1 300 mm，自然生態(tài)環(huán)境多樣，生物資源十分豐富。成都市植物園位于市區(qū)北部，設有8個專類植物區(qū)，薈萃全省主要科屬植物 2 000余種和中外珍稀樹種200余種，實驗所需樹種在植物園均有分布，因此實地測試選擇在成都市植物園進行。

1.1.2 實驗對象

選取成都市常見的16種綠化樹種，包括8種喬木：山玉蘭(MagnoliadelavayiFranch.)、銀木(CinnamomumaustrosinenseH.T. Chang.)、雪松(Cedrusdeodara(Roxb. ex D.Don) G. Don.)、銀杏(GinkgobilobaL.)、天竺桂(CinnamomumjaponicumSiebold.)、柳杉(CryptomeriafortuneiOtto & A.Dietr.)、大葉楊(PopuluslasiocarpaOliv.)、杜英(ElaeocarpusdecipiensHemsl.)；8種灌木：木芙蓉(HibiscusmutabilisL.)、金絲桃(HypericummonogynumL.)、海桐(Pittosporumtobira(W.T. Aiton.) Ait..)、四季桂(OsmanthusfragransLour.)、南天竹(NandinadomesticaThunb.)、紅花檵木(LoropetalumchinenseOliv.)、灑金桃葉珊瑚(AucubajaponicaThunb.)、雜交杜鵑(Rhododendroncv.)，進行實驗。

8種喬木包括常綠闊葉樹、常綠針葉樹及落葉闊葉樹，各喬木生長特征見表1。

表1 8種喬木生長特征表

Tab.1 The characteristic of eight trees

8種灌木包括常綠灌木、半常綠灌木及落葉灌木，各灌木生長特征見表2。

表2 8種灌木生長特征表

Tab.2 The characteristic of eight shrubs

1.1.3 實驗方法

實驗于2017年7—8月進行，選擇風速小于2 m·s-1的中午。測聲儀器為TES-1350A聲級計，聲源分貝值為128.8 dB，頻率為214 Hz～218 Hz。如圖1-A所示，根據(jù)實地情況為每種植物選取3個矩形測試樣地，記錄樣地內(nèi)植物的林帶寬度、高度、冠幅、葉型等特征。樣地一邊中點作為聲源安置點，對側(cè)為測點(a、b、c)，聲源、聲級計置于距植物1.0 m、距地面1.2 m處。保持聲源高度、聲源與測點間距等相同，測試聲源經(jīng)植物帶后的噪聲強度，每個樣地測試3次(每隔10 s測1次)，3個樣地共計9次。在測試區(qū)域周圍無植被、干擾少的空曠地設置空白對照。

1.2 模擬實驗

1.2.1 實驗對象

綜合考慮實地測試各樹種的減噪效果、植物特性、栽種成本等因素，篩選出模擬實驗所用樹種，包括3種喬木(天竺桂、杜英、銀木)、3種灌木(金絲桃、灑金桃葉珊瑚、紅花檵木)，購置上述6種長勢良好、整齊的健壯大苗，栽植于育苗盆中，每盆1株，填實土面與盆口齊平[13]。大苗生長特征見表3。

表3 6種實驗用苗生長特征表

Tab.3 The characteristic of six test seedlings

1.2.2 實驗方法

室內(nèi)模擬減噪實驗是量化測試綠化配置方案的有效途徑，能夠相對準確地評價不同植物配置方式的減噪能力[13]。實驗共設置15個配置方式，包括6個單一樹種和9個喬灌木混合搭配，每一配置均為20株盆栽苗。

實驗開始前，測記大苗的樹高、冠幅、葉型等特征。如圖1-B所示，在空曠的室內(nèi)中劃出1×1 m2的矩形區(qū)域，分為4×5的方格。測試單一喬木或灌木時，按照1株/格安置大苗；測試混合搭配的喬灌木時，在中間一列放置喬木，左右兩側(cè)各放置兩列灌木。矩形一邊中點設聲源安置點，對側(cè)為測點，聲源及測聲儀器與實地實驗相同，聲源置于大苗樹冠處。保持聲源高度、聲源與測點間距等相同，測試聲源經(jīng)植物帶后的噪聲強度，測試3次(每隔10s測1次)?？瞻讓φ赵O置同實地實驗。

圖1 實地試驗及模擬試驗方法示意圖Fig. 1 Field test and simulation test method

1.3 減噪能力評價指標

根據(jù)等效連續(xù)A聲級衰減值、對照空曠距離聲衰減量及植物帶寬可得到3個減噪能力評價指標：總減噪量、相對減噪量及相對A聲級減噪能力。由于不同植物結(jié)構(gòu)差異較大，只用總減噪量或相對減噪量不能科學反映植物的減噪能力，而相對A聲級減噪能力在相對減噪量的基礎上除以林帶帶寬，代表的是單位林帶帶寬的減噪能力，能較好地評價植物減噪能力[5]。本文以相對A聲級減噪能力為評價指標，計算方法如下：

L0=Ns-N

(1)

L1=Ns-N0

(2)

L2=L0-L1

(3)

L=L2/d

(4)

式中 L0——總減噪量(dB)；

L1——距離衰減(dB)；

L2——相對減噪量(dB)；

L——相對A聲級減噪能力(dB/m)；

Ns——聲源的噪聲強度，Ns=128.8 dB；

N——聲源經(jīng)植物帶后的噪聲強度(dB)；

N0——空白對照組經(jīng)距離衰減后的噪聲強度(dB)；

d——聲源與測點的距離(m)(帶寬)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS21.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。經(jīng)Kolmogorov-Smirnow檢驗，實驗數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，對數(shù)據(jù)進行單因素方差(one-way ANOVA)處理，以比較不同樹種間相對A聲級減噪能力的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 實地實驗

2.1.1 喬木實驗結(jié)果分析

如圖2所示，不同喬木的相對A聲級減噪能力有差別，山玉蘭與其他7種喬木有顯著性差異(P<0.05)，相對A聲級減噪能力最強；雪松、柳杉與前5種喬木有顯著性差異(P<0.05)，相對A聲級減噪能力最弱；此外，銀杏(0.460)≈天竺桂(0.388)≈杜英(0.376)，天竺桂(0.388)≈杜英(0.376)≈銀木(0.322)≈大葉楊(0.296)。山玉蘭減噪效果最好，這可能與其葉片面積最大、葉厚革質(zhì)、葉面被卷曲長毛、分枝點低、枝葉稠密且分布均勻等特征有關。雪松、柳杉減噪效果最差，主要因其同屬針葉樹種，葉片為針形、鉆形，面積??；樹冠位置較高，聲源與樹冠并未垂直相對，傾角過大，不利于吸收反射噪聲。

山玉蘭的減噪能力最強，但其生長緩慢、喜生于海拔 1 500 m～2 800 m的涼爽濕潤坡地，種植局限性較強，在成都市區(qū)難以大面積推廣；銀杏作為行道樹存在樹冠成型時間長、投資成本高等問題。因此最終選擇減噪能力較強且適應性好、成本低廉的天竺桂、杜英及銀木用于室內(nèi)模擬實驗。

圖2 8種喬木相對A聲級減噪能力Fig.2 The noise-reduction capability of eight trees on relative sound level A(盒形圖中字母(a、b……g)相同表示植物間減噪能力差異不明顯，字母不同表示差異明顯：*、** 、***分別表示P<0.05、 P<0.01、P<0.001；圖2：F=47.158***，圖3：F=111.536***，圖4：F=17.046***。)

2.1.2 灌木實驗結(jié)果分析

如圖3所示，不同灌木的相對A聲級減噪能力差別較大，金絲桃(3.78)>灑金桃葉珊瑚(1.64)≈紅花檵木(1.47)>南天竹(0.61)≈四季桂(0.43)≈木芙蓉(0.13)≈海桐(0.04)≈杜鵑(-0.01)。金絲桃的相對A聲級減噪能力最強，其葉面積不大，但重疊的分枝和稠密的葉片可以改變噪聲直射的方向，形成亂反射[14]。與金絲桃、灑金桃葉珊瑚等相比，海桐葉片較小且葉片簇生于枝條頂端，冠間中空[15]，杜鵑葉片小且枝葉稀疏，減噪效果都不理想。

基于減噪能力，最終選擇灑金桃葉珊瑚、金絲桃及紅花檵木進行室內(nèi)模擬實驗。

圖3 8種灌木相對A聲級減噪能力Fig. 3 The noise-reduction capability of eight shrubs on relative sound level A

2.2 模擬實驗

如圖4所示，不同配置方式的相對A聲級減噪能力不同，配置1(銀木+灑金桃葉珊瑚)與配置3～15間有顯著性差異(P<0.05)，配置2(天竺桂+紅花檵木)與配置4～15間有顯著性差異(P<0.05)，配置1、2間沒有顯著性差異，可見銀木+灑金桃葉珊瑚和天竺桂+紅花檵木吸聲效果相近且優(yōu)于其他配置。由表3可知，銀木和灑金桃葉珊瑚在喬木與灌木大苗中葉面積均為最大，兩者平均高度分別為1.25 m和0.6 m，灑金桃葉珊瑚可有效填補銀木的枝下空缺。天竺桂和紅花檵木均具有分枝多而密的特點，可形成內(nèi)部均勻緊實的配置實體，有利于反射、吸收噪聲?？傮w而言，葉片寬大、枝葉稠密的配置方式具有良好的減噪效果。

圖4 15種配置方式相對A聲級減噪能力Fig. 4 The noise-reduction capability of fifteen configurations shrubs on relative sound level A

喬灌木組合的減噪能力優(yōu)于單一樹種配置，這是因為單一樹種組成的林帶，其林冠層以下結(jié)構(gòu)單調(diào)，以樹干為主，實際減噪效應并不因綠地的寬度大而加大[16]，將喬木與灌木進行搭配后，灌木填充了喬木的枝下與株間的空隙[17]，直接影響了聲波的水平傳播，擴大了垂直方向上樹體與噪聲的接觸面積。此外，灌木矮小靠近地面，能夠有效地減少地面的噪聲反射，使減噪效果更佳。

2.3 行道綠帶規(guī)劃示意圖

結(jié)合研究結(jié)果及成都市城市道路綠化建設導則[18]，繪制銀木+灑金桃葉珊瑚、天竺桂+紅花檵木兩種配置方式的50 m行道綠帶規(guī)劃示意圖(見圖5)。配置圖中喬木胸徑8 cm～13 cm，冠幅3 m～5 m,株距5 m；灌木帶寬度1.5 m，高度1.2 m，種植密度5株·m-2～7株·m-2。

圖5 行道綠帶規(guī)劃示意圖Fig. 5 Road green belts plan

3 結(jié)論與討論

(1)實地實驗表明，山玉蘭、銀杏、天竺桂、金絲桃、灑金桃葉珊瑚及紅花檵木的減噪能力較強；植株減噪能力與樹種特性關系密切，葉片寬大質(zhì)厚、枝下高低、枝葉繁密且分布均勻的樹種減噪能力佳。模擬實驗結(jié)果顯示，葉片寬大、枝葉稠密的配置方式具有良好的減噪效果，銀木+灑金桃葉珊瑚，天竺桂+紅花檵木的配置減噪效果最佳。

(2)實驗所選樹種不僅是成都市綠化常見綠植，在西南地區(qū)亦廣泛種植。模擬實驗選用了6種成都市常用園林綠化植物的15種配置方式作為測試對象，具有一定代表性，可以作為我國西南地區(qū)綠化方案選擇的重要參考。根據(jù)研究結(jié)果和物種特性，建議在噪聲污染嚴重的街道、商業(yè)區(qū)、工礦區(qū)等以闊葉樹種為綠化主體，采用天竺桂、杜英、銀木等喬木與金絲桃、灑金桃葉珊瑚、紅花檵木等灌木相互搭配，減噪效果好的同時兼?zhèn)淞己玫木坝^效果和污染防治能力。天竺桂、銀木、杜英為常綠闊葉喬木，長勢強、樹冠擴展快、耐修剪、病蟲害少。天竺桂對二氧化硫抗性強；銀木有很強的吸煙滯塵、吸收多種有毒氣體及固土防沙的能力；金絲桃花色金黃，可供觀賞且管理方便；灑金桃葉珊瑚是良好的觀葉植物，且對煙塵和大氣污染抗性強；紅花檵木萌芽力強、耐修剪、耐瘠薄，葉片呈紫紅色，可與常綠喬木相互襯托。此外，考慮到地區(qū)差異和氣候條件，今后的研究可根據(jù)綠化樹種和配置方案的實際需要進行擴大實驗，因地制宜地探究適宜的植物減噪配置模式，為各地城鎮(zhèn)綠化設計提供更廣泛的樹種選擇參考。

(3)本實驗針對單一頻率(214 Hz～218 Hz)噪聲下的植物減噪效應研究，實際情況下，單一噪聲源的情況較少，更常見的是具有多聲頻譜段的混合噪聲，各種植物對不同噪聲的減噪效果也千差萬別，因此探究植物對不同類型噪聲的減噪能力對營建各類降噪綠地尤為重要。后期實驗中可進一步研究這些植物對多種頻率噪聲的減噪效應，以研究多樣化的植物配置方式應對不同聲頻譜段的混合型噪聲。

(4)實驗選用了6種成都市常用園林綠化植物的15種配置方式作為測試對象，但成都市常用木本園林植物多達五六十種，可能存在其他減噪效果更好的樹種，故將在以后的研究中逐步擴大研究樣本，對更多樹種和更復雜的植物組合方式進行探究。

(5)室內(nèi)模擬植物配置方式固定,測試條件可比性強、重復性高；且植物減噪能力的主導影響因子為其莖、葉、枝、干組成的實體結(jié)構(gòu)，大苗與成年樹種的實體結(jié)構(gòu)相似，大苗配置下的減噪效果結(jié)論一定程度上可代表成年樹種配置下的結(jié)論；此外，孫翠玲[13]通過室內(nèi)大苗配置實驗，指出結(jié)合大苗模擬實驗可提高植物配置減噪能力綜合評定的可靠性。所以，大苗模擬實驗作為實際樹種配置減噪效果比較的依據(jù)具有一定合理性。