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城市间的路网系统是推动社会经济发展的重要支撑体系。随着城市化进程的深入发展，高速公路作为连接不同区域间的快速通道，正承担着越来越大的交通压力，由此所产生的交通噪声已成为影响周边居民健康状况的重要因素之一。绿化带是城市中重要的生态基础设施，在减轻绿地系统破碎化、提供动物栖息地和迁徙通道等方面发挥着重要的生态功能[1]。在城市环境问题日益凸出的背景下，自20世纪90年代，绿化带独特的功能效益成为人们研究的前言和热点[2]。据媒体报道，截止2015年底，北京市机动车总量已达561万辆。交通噪声已成为北京市环境噪声的重要来源。目前，衰减噪声的措施主要包括声源控制、受声点防护和切断传播途径3个方面[3]，其中，利用绿化带切断噪声的传播途径已经得到广泛的应用。经研究证实，绿化带对交通噪声具有显著的衰减效果[4-5]，同时，绿化带还具有其他降噪途径所无法比拟的优势，例如从心理上降低噪声对人们的影响[6]。国内对交通噪声的研究多集中在防治措施[7-8]、预测模拟[9-10]、危害程度[11]等方面；然而，综合分析绿化带的林带类型、宽度、群落结构等因子对噪声衰减影响的研究还较少。本研究选取京开高速(北京—开封高速公路)绿化带为研究对象，在连续监测的基础上，定量分析交通噪声在水平空间上的衰减规律，同时探讨绿化带的宽度、群落结构对交通噪声衰减的影响，以便为相似地区高速公路绿化带的宽度设计、树种选择、结构优化以及修剪管理提供参考。
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京开高速起点为北京市南三环玉泉营立交桥，终点为开封市东，途径北京市、河北省、河南省，全长约670 km。本研究样地选择在京开高速的大兴区段，位于北京市五环路和六环路之间。大兴区地处北京市南部(116°13′~116°43′E，39°26′~39°51′N)，全境属永定河冲积平原，地势自西北向东南缓倾。区域内交通发达，京开高速和104国道纵贯南北，五环路和六环路横贯东西[12]。大兴区在京津冀一体化协同发展中占据重要位置。
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研究于2015年4-5月进行，采用典型样地法，在京开高速大兴区段现有的绿化带类型中，选择了毛白杨(Populus tomentosa Carr.)纯林、雪松(Cedrus deodara (Roxb.) G. Don)纯林、针阔(毛白杨+银杏(Ginkgo biloba Linn.)+桧柏(Sabina chinensis (Linn.) Ant.)+国槐(Sophora japonica Linn.))混交林3种典型的林带类型，3种类型的绿化带间隔500~800 m。大兴区段的绿化带是在京开高速附属绿地工程中建植完成，植物长势良好。在各类型的绿化带中，沿垂直于道路的方向上，分别设置3个20 m×60 m的样地，共9个样地，每个样地间隔20 m。群落调查内容包括：植物的种类、树高、胸径(乔木主干离地表面1.3 m处的直径)、冠幅、枝下高(树木第1分支点与地面的距离)以及地被植物。
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噪声监测仪器选用杭州市爱华仪器有限公司生产的AWA5636-0型手持式声级计。仪器测量范围为35~130 dB，频率范围为20 Hz~12.5 kHz。在每个20 m×60 m的样地内按垂直于高速公路的方向设置监测点带，将林带边缘设定为0 m，其他监测点依次为10、20、30、40、50、60 m。由于风力、温度、相对空气湿度等环境因素会影响噪声的传播[13]，因此，选择风速小于2 m·s-1，且无降雨的天气进行监测，同时在监测时，声级计探头安装风罩，各监测点在7:00—19:00同时开展。监测高度为1.3 m，每20 min监测1次，并重复读数2次，连续监测3 d。
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绿化带对交通噪声的衰减主要有2部分构成：一是由距离引起的衰减，称为距离衰减，二是由绿化带树木引起的衰减，称为绿化衰减[14-15]。同时，可将交通噪声看作是由多个运动的点声源组成的声源流，参照文献[16-17]，根据公式(1)进行噪声衰减值的计算：
式中：△L为噪声声压级衰减值，10lg$ \frac{r_{2}}{r_{1}}$为距离衰减值，k(r2-r1)为绿化衰减值，r1为声源距林带前缘的距离，r2为声源距林带后缘的距离，k为林带的衰减系数。
由公式(1)推导出绿化带衰减系数计算公式：
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采用SPSS18.0软件的单因素方差分析(ANOVA)分析不同林带类型、不同宽度梯度之间噪声值的差异性，并利用Pearson相关系数分析绿化带结构指标和绿化衰减系数之间的相关性。
2.1. 典型林带类型的选定和群落调查
2.2. 监测方法
2.3. 噪声衰减计算
2.4. 数据处理
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根据群落调查的内容，对3种类型绿化带的群落结构指标进行统计，并对各林带类型之间进行方差分析，结果(表 1)表明：3种类型绿化带的群落结构指标均在0.05水平上存在差异。毛白杨纯林的胸径、树高、冠幅、干高等结构指标均显著大于雪松纯林和针阔混交林。在林分密度方面，针阔混交林显著大于雪松纯林和毛白杨纯林，雪松纯林大于毛白杨纯林，但二者之间的差异不显著。地被植物均为野生草本，可以忽略地表状况对噪声衰减的影响。
林带类型
Forest types胸径
DHB/cm树高
Height/m冠幅
Crown breadth/m枝下高
Under branch height/m林分密度
Stand density/(tree·m-2)地被植物
Ground cover plant毛白杨纯林Pure forest of Populus tomentosa 24.2±4.5a 13.0±2.4a 4.5±0.9a 5.2±2.1a 0.54±0.12b 野生草本 雪松纯林Pure forest of Cedrus deodara 10.9±3.5b 4.4±1.2c 2.7±0.7b 0.7±0.3c 0.73±0.12b 野生草本 针阔混交林Coniferous and broadleaf mixed forest 9.1±5.9c 6.6±2.6b 2.0±1.0c 1.9±0.8b 2.41±0.24a 野生草本 注：数据为平均值±标准差，同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同。
Note: Different small letters in the same column indicate the significant difference amongdifferent treatment groups(P＜0.05).The same below.Table 1. Community structure of different forest typesin green belt
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根据实测数据计算出3种类型绿化带在不同宽度梯度上噪声的衰减值，并对3种类型绿化带之间噪声的衰减值进行方差分析(表 2)。由于在本研究区域中，京开高速均配备完善的绿化带，难以选择无绿化带的空地作为对照实验。因此，在数据分析时，采用距离衰减作为对照，其衰减值可由公式(1)直接计算得出。
林带类型Forest types Leq10/dB Leq20/dB Leq30/dB Leq40/dB Leq50/dB Leq60/dB 毛白杨纯林Pure forest of Populus tomentosa 7.4±3.8a 9.8±3.8a 11.0±3.8ab 12.2±3.8b 13.1±3.7b 13.8±3.7b 雪松纯林Pure forest of Cedrus deodara 8.0±3.7a 10.1±3.8a 11.6±4.1a 13.2±4.3a 14.5±4.4a 16.0±4.7a 针阔混交林Coniferous and broadleaf mixed forest 6.1±3.5b 8.8±3.6b 10.5±3.7b 11.9±3.7b 13.1±3.6b 14.0±3.6b 对照组Control group 5.1 7.4 8.8 10 10.8 11.6 注：Leq10表示在10 m宽度梯度上噪声的衰减值，依次类推。
Note: Leq10 indicatethe noise attenuation in 10 m width gradient, by such analogy.Table 2. Noise attenuation of different forest types in green belt
通过与对照组进行比较可以看出：3种类型的绿化带均可以对高速公路噪声形成一定的衰减作用，其中，雪松纯林在各个宽度梯度上噪声的衰减值最大，降噪能力最强。进一步对3种类型绿化带对不同梯度上的噪声衰减值之间的差异性进行分析发现：在10、20 m梯度上，雪松纯林的衰减值与毛白杨纯林的差异不显著，二者均与针阔混交林存在显著差异。在30 m梯度上，雪松纯林与毛白杨纯林以及毛白杨纯林与针阔混交林的差异不显著，但雪松纯林与针阔混交林的差异显著。在40、50、60 m梯度上，雪松纯林与毛白杨纯林、针阔混交林间的差异均显著，毛白杨纯林与针阔混交林的差异不显著。通过上述分析说明，相对于降噪能力最强的雪松纯林而言，随着宽度的增加，毛白杨的降噪能力呈现出减弱的趋势，而针阔混交林呈现出增强的趋势。
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在绿化带内以10 m为宽度梯度(0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60 m)计算不同宽度梯度内的噪声衰减值，同时对不同梯度之间的噪声衰减值进行方差分析，结果(表 3)表明：0~10、10~20 m与其他各梯度间均存在显著差异，因此，可以将60 m绿化带分为3个梯度：0~10、10~20、20~60 m。从绿化带前缘至绿化带内10 m是噪声衰减最快的范围，噪声值可以从绿化带前缘的78.1 dB降至10 m处的70.9 dB，平均噪声值降低7.2 dB，占60 m林带降噪值的49%。在10~20 m范围内，噪声衰减的趋势逐渐变缓，噪声值从10 m处的70.7 dB降至20 m处的68.3 dB，平均噪声值降低2.4 dB。在20~60 m内，噪声衰减的趋势更缓，噪声值平均每10 m低1.3 dB。
林带类型Forest types Leq0~10/dB Leq10~20/dB Leq20~30/dB Leq30~40/dB Leq40~50/dB Leq50~60/dB 毛白杨纯林Pure forest of Populus tomentosa 7.4±3.8a 2.4±2.0b 1.2±1.0c 1.2±0.9c 0.9±0.7cd 0.8±0.6d 雪松纯林Pure forest of Cedrus deodara 8.0±3.7a 2.0±1.7b 1.5±1.3c 1.6±1.5c 1.3±1.0c 1.5±1.4c 针阔混交林Coniferous and broadleaf mixed forest 6.1±3.5a 2.6±1.8b 1.7±1.4c 1.4±1.1cd 1.1±1.0de 1.0±0.7e 注：数据为平均值±标准差，同行不同小写字母表示0.05水平上差异显著。Leq0~10表示在0~10 m宽度梯度内噪声的衰减值，依次类推。
Note: Leq0~10 indicatethe noise attenuation in 0~10 m width gradient, by such analogy.Table 3. Noise attenuation of different width ranges in green belt
以不同宽度梯度的噪音值为因变量，距离为自变量，对3种类型绿化带噪声的梯度衰减水平进行曲线拟合，结果(表 4)显示：均以3次多项式的拟合度最高。毛白杨纯林和针阔混交林的拟合优度R2较高，均在0.8以上，雪松纯林的拟合优度R2也达到了0.723。
林带类型Forest types 拟合参数Fitting parameter b0 b1 b2 b3 R2 F Sig. 毛白杨纯林Pure forest of Populus tomentosa 78.361 -0.805 0.019 -1.59E-04 0.818 2 384.408 0 雪松纯林Pure forest of Cedrus deodara 76.474 -0.846 0.020 -1.79E-04 0.723 1 348.218 0 针阔混交林Coniferous and broadleaf mixed forest 77.858 -0.672 0.014 -1.09E-04 0.848 2 883.419 0 Table 4. Fitting parameters of different forest types in green belt
根据《声环境质量标准》(GB3096-2008)的规定，“在白天，交通干线道路两侧的环境噪声限值为70 dB；居住、商业等需要维护安静区域的环境噪声限值为60 dB”[18]。根据该标准，将70、60 dB代入表 4中的拟合方程，得出毛白杨纯林满足该标准的宽度分别为15.1、71.1 m，雪松纯林分别为9.7、57.0 m，针阔混交林分别为16.8、75.7 m。雪松纯林满足标准所需的宽度最小，也验证了雪松纯林的降噪效果最好。
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由公式(2)可知绿化衰减系数由绿化衰减与距离计算得出，可以很好地反映绿化带在不同宽度梯度上的降噪功能，其数值越大，降噪能力越强。对绿化衰减系数与群落结构的各项指标做相关性分析，结果(表 5)表明：胸径、树高、冠幅、枝下高多项指标与绿化衰减系数的相关关系均不显著，仅有林分密度分别与宽度10、20 m的绿化衰减系数在0.05水平上呈显著的负相关关系。
结构指标Structure indicator 衰减系数Attenuation coefficient k10m k20m k30m k40m k50m k60m 胸径DHB 0.439 0.521 0.318 0.073 -0.111 -0.279 树高Height 0.103 0.245 0.086 -0.125 -0.309 -0.517 冠幅Crown breadth 0.576 0.650 0.467 0.226 0.048 -0.111 枝下高Under branch height 0.020 0.187 0.015 -0.153 -0.329 -0.538 林分密度Stand density -0.787* -0.789* -0.584 -0.475 -0.407 -0.376 注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。k10m表示在10 m宽度梯度上的林带衰减系数，依次类推。
Note: * indicates significant correlation at P＜0.05. k10m indicatethe ttenuation coefficientin 10 m width gradient, by such analogy.Table 5. Correlation of Community structuralindexes and noise attenuation
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本研究建立了2个综合指标，探讨绿化带群落结构对交通噪声衰减的影响。首先是立体绿量，即指群落内所有生长植物茎叶所占据的空间体积，是反映群落结构空间分布的综合性因子。具体计算步骤参照文献[25-27]，树木单株的立体绿量为树冠和冠下绿量之和(表 6)，累计样地内单株三维绿量获得整个样地三维绿量(表 7)；其次是监测点1.3 m处树木的水平断面积，计算方法是枝下高小于1.3 m的树利用1.3 m处的冠幅计算水平断面积(A＜1.3)，计算公式为：
树种Species 树冠形状
Crown shape树冠绿量公式
Green biomass equation with crown冠下绿量公式
Green biomass equationn under crown毛白杨Populus tomentosa 卵形 m=πx2y/6 m1=πd2h/4 雪松Cedrus deodara 圆锥形 s=πx2y/12 不计冠下绿量 银杏Ginkgo biloba 圆锥形 n=πx2y/12 n1=πd2h/4 国槐Sophora japonica 卵形 g=πx2y/6 g1=πd2h/4 桧柏Sabina chinensis 圆柱形 u=πx2y/4 不计冠下绿量 注：x为冠幅，y为冠高，d为胸径，h为枝下高
Note: x indicatecrown breadth, y indicatecrown height, dindicate DHB, h indicateunder branch height.Table 6. Tridimensional green biomass calculation formula
林带类型
Forest types立体绿量
Tridimensional green biomass/m3水平断面积
Sectional area in horizontal direction/m2毛白杨纯林Pure forest of Populus tomentosa 5 359.2±428.8a 21.8±2.7b 雪松纯林Pure forest of Cedrus deodara 729.2±63.1c 494.8±111.2a 针阔混交林Coniferous
and broadleaf mixed forest3 399.7±301.6b 70.5±11.1b Table 7. Tridimensional green biomass and horizontal sectional area of different forest types
式中：C1.3为1.3 m处的冠幅；枝下高大于1.3 m的树利用胸径(d)计算水平断面积(A＞1.3)，计算公式为：
累计样地内单株的水平断面积获得整个样地的水平断面积，结果见表 7。
将绿化衰减系数分别与立体绿量和水平断面积2个综合指标进行相关性分析。结果(表 8)表明：立体绿量与宽度为60 m的绿化衰减系数呈显著负相关关系。水平断面积与宽度为50 m的绿化衰减系数呈显著正相关关系，与宽度为60 m的绿化衰减系数呈极显著正相关关系。该结果说明水平断面积越大，绿化带的降噪能力越强。
结构指标Structure indicator 衰减系数Attenuation coefficient k10m k20m k30m k40m k50m k60m 立体绿量Tridimensional green biomass -0.138 0.021 -0.068 -0.289 -0.480 -0.675* 水平断面积Sectional area in horizontal direction 0.449 0.312 0.388 0.612 0.754* 0.848** 注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关，*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。
Note: ** indicates significant correlation at P＜0.01, * indicates significant correlation at P＜0.05.Table 8. Correlation of compositeindexes and noise attenuation
3.1. 不同类型绿化带的群落结构组成
3.2. 不同类型绿化带的降噪能力
3.3. 不同宽度梯度绿化带的降噪功能
3.4. 群落结构各项指标与降噪功能的相关性
3.5. 群落结构综合指标与降噪功能的相关性
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位于高速公路两侧的绿化带可以起到良好的降低噪声的功能，该结论与文献[19~21]的研究结果一致。本文研究的3种类型的绿化带均体现出较好的降噪功能，而且雪松纯林的降噪能力最强。针叶树具有分支点低，分支多，枝叶细密等特点，可以通过枝叶振动消耗噪声传播的能力，从而起到良好的降噪功能[22-23]。通过不同宽度梯度的噪声值与距离之间的曲线模拟所得出的结论也支持了上述观点。本研究选取的林带类型中，绿化带在0~10 m内降噪能力最强(占60 m林带降噪值的49%)，随着宽度的增加，绿化带的降噪能力逐渐减弱，而且仅依靠绿化带降低噪声需要极大的宽度(57.0~75.7 m)。在绿地空间不足的情况下，为使噪声降低到影响居民健康的限值以下，还需要辅助于其他工程措施[5, 19]。
前人的多数研究认为绿化带的林分密度越大，其降噪能力越强[20, 24]，但是，本研究结果与此相反，说明仅用某一结构指标并不能表征整个群落的降噪能力，绿化带的降噪能力应当是多个指标协同作用的结果。
通过对2个综合指标的分析证实，在高度为1.3 m的水平布点监测中，绿化带在同一高度水平上的断面积是影响其降噪能力的一个重要指标，但是，还需增加更多的监测研究验证其合理性；同时，如何选择恰当的结构指标、合适的研究方法来系统地描述绿化带降噪功能的影响因子也将是未来研究的重点。
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高速公路绿化带可以起到良好的降噪功能，不同林带类型的绿化带具有大小不一的降噪能力。在建植时，应优先选分支点低、分支多、枝叶细密的植物。在城市绿地空间不足的情况下，还应辅助于其他技术措施，才能完全消除交通噪声对居民生活的影响。绿化带的降噪能力是由多个林分结构指标协同作用的结果，并不能仅用某一结构指标表征整个群落的降噪能力，研究证实绿化带在同一高度水平上的断面积是影响其降噪能力的一个重要综合指标。
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