李冬林，张文豹，金雅琴，周军

(1.江苏省林业科学研究院，211153，南京;2.南京滨江公园管理有限公司，210019，南京;3.金陵科技学院园艺学院，210038，南京)

京杭运河淮安段天然芦苇群落的消风减噪效应

李冬林1，张文豹2，金雅琴3，周军3

(1.江苏省林业科学研究院，211153，南京;2.南京滨江公园管理有限公司，210019，南京;3.金陵科技学院园艺学院，210038，南京)

植物群落是河岸带湿地的重要组成部分，对河流护坡生态系统的改善发挥着重要作用。通过实地调查和测定研究京杭运河淮安段天然芦苇群落对风速、噪音的影响。结果表明:与无植物对照地相比，有芦苇分布的背风面风速变小，噪音降低，其日变化也呈现一定变异。不同芦苇群落由于宽度及密度等结构特征的差异其作用强度明显不同。密集芦苇群落和中密芦苇群落的消风减噪效应明显好于稀疏芦苇群落，日平均消风率分别为63.95%和66.25%;日平均减噪率分别为9.81%和6.13%。气流与声波穿越苇群后，在苇群内部形成明显的低风弱噪区，但越过苇群后二者呈现不同的变化曲线。通过苇群的风速变化拟合方程为:y1=－0.0005x3+0.0336x2－0.5428x+2.741 6(R2=0.821 6);通过苇群声级变化的拟合方程为:y2=－0.001 2x3+0.080 6x2－1.536 2x+65.09(R2=0.845 2)。芦苇群落对航道行船具有明显的抵风消浪与消音降噪功能，是一种值得保护和应用的河岸带生态护坡模式。

河岸带;芦苇群落;消风减噪效应;京杭运河

河岸带是陆地和水生生态系统的活动边界，是环境活力和变化的敏感标志［1］。河岸植物群落还是河岸带自然景观的核心组成部分，具有较高的生产力和生物量，为许多动物提供栖息地，并为许多动物和植物的迁徙提供廊道，对维持区域生物多样性及河流护坡生态系统的稳定具有重要作用［2］。长期以来，人类往往忽视河岸带及其植被存在的必要性和重要性，更没有把河岸作为一个生态系统来对待。河岸带及其植被遭到人类活动的强烈干扰，河岸防洪能力减弱，水质下降，生境破坏，给河系生态环境和行船安全带来严重威胁［3－4］。

京杭运河是中国“一纵三横”水运主通道中唯一的纵向通道，既是我国南北货运的“黄金水道”，又是南水北调、引江灌溉、防洪排涝的“生命线”，肩负着航运、水利、生态等多种功能［5－6］，航道的生态整治与环境美化也成为近年来水上交通部门的工作重点。京杭运河两淮段自清安化工厂至黄码大桥，航道两岸生长有成片的天然芦苇(Phragmites australis)，群落保存良好，长势旺盛，而且与近年开展的护坡绿化工程匹配益彰，具有明显的减风消噪和美化功能。目前，有关芦苇群落的消风减噪效应尚少见报道。笔者通过实地调查和测定，对京杭运河天然芦苇群落的消风减噪效应进行研究，分析不同结构群落在功能上的差异，为河岸带植物护坡的设计与管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 自然概况

研究区域位于京杭运河淮安段，地理坐标为E118°59＇36″，N33°36＇52″。该处属黄泛冲积平原，地形平缓，地面高程8.5～12.0 m，两岸河堤高程12.3～14.0 m。气候属温带季风气候，气候宜人，四季分明。年平均气温14.0℃，无霜期210～230 d;年平均日照时间2 250～2 350 h，年平均降水量958.8 mm;年平均风速3.5 m/s。土壤为灰黄、黄色粉质黏土、黏土及粉土，pH值7.0～8.0。

1.2 样地设计

采取典型样地取样法。在京杭运河淮安段依据芦苇群落生长状况，选择群落完整、分布均匀的宽幅群落，设置4种类型的观测样地:1)无植物对照地(硬质护坡);2)稀疏芦苇群落;3)中密芦苇群落;4)密集芦苇群落。详细调查不同样地的群落结构状况(表1)，调查因子有平均苇高(H)、平均径粗(D)、苇群密度(M)和苇群宽度(W)。

表1 不同芦苇群落的结构状况Tab．1 Structural condition of different reed communities

1.3 测定方法

在3种芦苇群落的背风面同步测定胸高1.5 m处的最大风速和最大声级，同时在无芦苇对照地同步测定比较。风速测定采用TM856风速仪(单位m/s)，噪音测定使用 TES－1357声级计(单位 dB)。于2011年8月，选择晴朗有风的白天，从08:00至18:00，每2 h观测1次，并重复读数3次，连续进行3 d。为确保不同样地具有大致相同的声源，选择大型货船经过苇群，并垂直于各样地的瞬间读取声级，用以下公式计算消风率(Q)和减噪率(R):

式中:vi、v0分别为第i群落和无植物对照地某时段的风速，m/s;si、s0分别为第i群落和无植物对照地某时段的声级，dB。

在密集芦苇群落中，沿垂直河流方向设置3条宽幅苇带，自河道中央芦苇群落迎风面至河岸护堤，每隔2 m测定胸高1.5 m处的风速及噪音(重复测定3次)，分析群落内不同距离风速及噪音的水平变化。

2 结果与分析

2.1 不同结构芦苇群落的消风效应

2.1.1 芦苇群落结构对苇缘风速的影响 从图1可以看出，河岸带芦苇分布区与无植物对照地相比，风速明显不同。尽管随着时间的变化，风速呈现一定的波动，但芦苇分布区边缘的风速始终小于无植物分布的对照地。可见，枝叶茂密的芦苇对风速有显著的消减作用。

图1 不同结构芦苇群落对风速的影响Fig．1 Effects of reed communities with different structures on wind speed

从无植物对照地测定风速的日变化来看，当天风速2个时间点(10:00和16:00)出现了风速峰值，这是瞬间阵风引起;但是在有植物分布的芦苇区由于芦苇的存在，这种变化已受到严重干扰，双峰已不复存在，而趋于单峰变化。稀疏芦苇群落与密集芦苇群落均在12:00时出现了风速峰值(分别为5.536和3.865 m/s)，而中密芦苇群落在14:00出现了风速峰值(3.960 m/s)。

2.1.2 不同结构芦苇群落的消风率 不同结构芦苇群落的消风率(Q)见表2。从3种群落对风速的影响效应来看，以稀疏芦苇群落的消风效果最弱，平均消风率为55.70%;而密集芦苇群落和中密芦苇群落的消风效果显然好于稀疏芦苇群落，平均消风率分别为63.95%和66.25%，这显然与芦苇群落结构与苇群宽度有关。

表2 不同芦苇群落的消风率Tab．2 Wind reducing rate of different reed communities %

2.2 不同结构芦苇群落的减噪效应

2.2.1 芦苇群落结构对苇缘噪音强度的影响 从图2可以看出，河岸带芦苇分布区与无植物对照地相比，背风面噪音强度明显不同。芦苇分布区边缘的噪音强度始终小于无植物分布的对照地。芦苇凭借其密集的枝叶对声波具有明显的吸收、分散和反射作用，从而抑制了噪音的传播。同时，由于不同群落芦苇结构的不同，使得不同芦苇群落对噪音的消减作用强度明显不同。比较而言，稀疏芦苇群落的减噪效应略显不足，以密集芦苇群落和中密芦苇群落的减噪效果最为明显。

2.2.2 不同结构芦苇群落的减噪率 计算不同芦苇群落的减噪率(R)见表3。从3种不同群落在1 d中的减噪效应来看，以稀疏芦苇群落的平均减噪效果最差，平均减噪率为3.17%，而密集芦苇群落和中密芦苇群落的平均减噪率分别为9.81%和6.13%。

2.3 芦苇群落内不同距离消风减噪效应的水平变化

图2 不同结构芦苇群落对噪音强度的影响Fig．2 Effects of reed communities with different structure on noise intensity

2.3.1 消风效应的水平变化 在密集芦苇群落中，气流穿过宽幅苇带的风速变化呈“钩形”(图3)。可以看出，当气流行进中遇到芦苇群落时，由于受到苇群的阻挡作用，一部分气流可从苇群个体间隙通过，另一部分气流被抬高从苇群上方越过，故在苇前0～4 m有一定的风速，但风速明显减弱(迎风面风速的12.91%～22.63%)。穿过苇后的气流行进中继续受到苇竿、苇叶的碰撞、反射，使得苇群内风速大为降低，10～20 m降低幅度为迎风面的13.24% ～25.12%。由于苇群上方的气流抬升改变了苇群背风面动能的空间分布，使得低层空气动能减少，加上气流穿过苇群时空气的黏性消耗部分动能，使得背风面一定距离内风速仍呈现一定范围的弱风区(22 m处风速减弱为迎风面的32.71%)。离开苇群以后，由于上层气流的不断下压，并与穿透气流汇合，风速逐渐提高，同时由于河岸地势(护堤)逐渐抬高，苇群防风作用减弱，风速明显加大(迎风面风速的97.12% ～120.54%)。

表3 不同芦苇群落的减噪率Tab．3 Noise reducing rate of different reed communities %

应用回归分析，通过苇群的风速变化可用以下多项式拟合:

2.3.2 减噪效应的水平变化 芦苇群落减噪效应的波形变化见图4。与气流通过芦苇群落的消减变化相似，行船声波在传播过程中遇到芦苇群落的阻滞和反射作用，苇群内噪声大为降低，并随着距离加大，降低幅度越大。因此，在苇群内4～16 m形成低声区(苇前声源的84.97% ～93.26%);声波穿越苇群后的到达苇群边缘时(16～20 m)，受到河岸的反射作用，噪声强度有所加大，但与迎风面相比，仍有大幅度减弱(苇前声源的88.08% ～89.64%)。离开苇群后，随着噪声源的逐渐远离，声级维持在低水平(苇前声源的90.16% ～93.78%)传播，其消音趋势与风速变化略有不同，声音传播受到距离增大与地势升高的双重影响，声级变化较为平缓。

应用回归分析，通过苇群的声级变化拟合方程为

图3 芦苇群落不同距离的风速变化Fig．3 Change of wind speed at different distance to reed communities

图4 芦苇群落不同距离的的声级变化Fig．4 Change of noise at different distance to reed communities

3 结论与讨论

1)芦苇是生长在江、湖、河岸的常见挺水植物，占据着其他植物不宜生长的地段，是十分重要的水生植物，具有维持水生态系统生物多样性的重要功能［7］;但是，长期以来，由于受传统工程理念的影响，有关航道护波的整治更多地关注护坡的防护性与坚固性，往往忽视水岸带及其水生植被存在的必要性和重要性，具有重要生态功能的天然芦苇群落保存很少。发达国家对这一问题认识较早，认为传统的混凝土护岸会对环境带来不良影响，从而引起植被减少和生态退化［8－10］。本研究通过实际测定，表明具有重要护坡功能的芦苇通过发达的茎杆和叶片，对航运造成的噪音和自然风具有明显的削减缓冲作用，这与我国公路防护林以及沿海防护林对风速和噪音的影响研究结果［11－12］具有一定相似性，应该引起高度重视和保护。在河(航)道整治工程设计中，有意识地重视芦苇等自然生长的挺水植物的利用，溶入具有鲜明生命特征的生态工程思想，符合现代河流生态系统保护的主流，也有利于水岸带生态功能的发挥。

2)群落结构特征是群落生态水平的独特而可测定的生物学特征，对反映群落的外部特征和生态功能预测具有重要意义［13］。对京杭运河淮安段芦苇群落的调查表明，不同芦苇群落结构的消风减噪效应存在一定差异，表现为芦苇宽度和密度对苇缘风速及噪音强度有显著影响。而密集芦苇群落和中密芦苇群落的消风减噪效果明显然好于稀疏芦苇群落，所以在航道整治工程中，在野生资源丰富、河道宽广、远离码头的河段，可尝试采用宽幅密植的方法营造芦苇群落，以达到减风消浪的效果，同时也有利于群落减噪功能的发挥。

3)本研究表明，气流与声波穿越苇群后，由于受到芦苇个体强烈的阻滞、吸收和反射作用，在苇群内部形成明显的低风弱噪区，并且越过苇缘后，这种低风弱噪区仍然延续一定的范围和距离(2～10 m)，这为河岸带建立休闲游憩区成为可能;因此，在城市河流滨水绿地园林设计中应考虑芦苇等水生植物对这些微环境因素带来的影响，既要考虑人们对河岸带打建美观空间的主观愿望，又要考虑河岸带在自然环境因子作用下各种微气候特征的变化，从而最大限度地服务于人们亲近自然与健康游赏的实际需求。

4)芦苇是一种习见的草本植物，繁殖容易，培育简单，生命力强［14］。通过对京杭运河淮安段芦苇群落的调查表明，芦苇对航道行船具有明显的减风消音功能，进而对船舶航行起到消浪防护与护堤防蚀功能。在航道护坡工程中，充分利用芦苇的这些生物学特点，建造生态功能多样的水生植物群落，这不仅有利于保存自然景观和河岸带生态功能的发挥，而且建造成本低廉，是一种值得尝试推广的河岸带生态护坡模式。

4 参考文献

［1］张建春，彭补拙.河岸带研究及其退化生态系统的恢复与重建［J］.生态学报，2003，23(1):56－63

［2］Naiman R J，Decamps H，Pollock M.The role of riparian corridors in maintaining regional biodiversity［J］.Ecol App1，1993，3(2):209－212

［3］邓红兵，王青春，王庆礼.河岸植被缓冲带与河岸带管理［J］.应用生态学报，2001，12(6):951－954

［4］岳隽，王仰麟.国内外河岸带研究的进展与展望地理科学进展［J］.2005，24(5):33－41

［5］陈述.杭州运河历史研究［M］.杭州:杭州出版社，2006

［6］胡晓聪，邹志荣.找寻逝去的足迹，还原两岸的风景:京杭大运河杭州主城区段沿线环造设计［J］.中国园林，2005(12):43－48

［7］崔保山，赵欣胜，杨志峰，等.黄河三角洲芦苇种群特征对水深环境梯度的响应［J］.生态学报，2006，26(5):1533－1541

［8］张凤凤，李土生，卢剑波.河岸带净化水质及其生态功能与恢复研究进展［J］.农业环境科学学报，2007，26(增刊):459－464

［9］汪洋，周明耀，赵瑞龙，等.城镇河道生态护坡技术的研究现状与展望［J］.中国水土保持科学，2005，3(1):88－92

［10］董哲仁.河流治理生态工程学的发展沿革与趋势［J］.水利水电技术，2004，35(1):39－41

［11］叶功富，王小云，卢昌义，等.福建东山木麻黄基干林内的风速变化规律［J］.海峡科学，2008(10):71－73

［12］王宗星，虞木奎，成向荣，等.上海市郊沿海防护林防护效应的研究［J］.植物资源与环境学报，2010，19(3):85－88

［13］王伯逊.植物群落学［M］.北京:高等教育出版社，1987

［14］杨允菲，李建东.松嫩平原不同生境芦苇种群分株的生物量分配与生长分析［J］.应用生态学报，2003，14(1):30－34

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

江苏省自然科学基金重点项目“京杭运河江苏段生态型护坡构建技术研究与示范”(BK2010094)

李冬林(1969—)，男，博士，副研究员。主要研究方向:植物生态学。E－mail:lidonglin126@126.com

(责任编辑:程 云)