不同森林环境对人体身心健康影响的研究

2020-04-03张嘉琦

中国园林 2020年2期

关键词：心率森林因子

张嘉琦

龚梦柯

吴建平

南海龙

董丽*

在城镇化和工业化不断发展、生态环境和生活方式不断变化的进程中，健康管理始终是国家和个人最为关切的话题之一。《“健康中国2030”规划纲要》要求重点“建设健康环境、发展健康产业”；《林业发展“十三五”规划》将加快构建生态公共服务网络作为一大战略任务，明确提出开发优质健康养生养老等生态服务产品；北京市“十三五”规划建议提出推进大尺度城市森林、健康绿道、公共绿地等的建设管理等。探索森林环境在生态效益与社会效益中的平衡点，契合民众更高层次的物质与精神需求。

基于国际国内对于森林环境的生理、心理效应研究成果及评价方法[1-6]，本研究进一步探索不同森林环境的人体健康效益，对活动的主体(人体)和客体(森林环境)双方均需开展实地研究，实现科学合理的相关性分析。

1 研究方法

1.1 样地选择和设置

本研究在北京奥林匹克森林公园选择毛白杨林、在松山自然保护区低山部位选择有相似性的山杨林，作为落叶阔叶树的典型森林环境；在北京奥林匹克森林公园和松山自然保护区选择油松林，作为常绿针叶树的典型森林环境，场地环境便于人员进入、停留，并尽量远离主要游线的干扰；对照点设置在五道口商业广场(代码WDK)。在这5个场地中，进行人群生理及心理指标的测量。

在对以上场地进行环境综合分析时，为提高精确度并增加研究结果的实际应用价值，在奥林匹克森林公园内增加5个其他树种的森林样地，并为全部类型的样地增加重复，最终设置见表1。在每块样地内，品字形设置3个测点，保证与边缘有10m以上的距离。

1.2 森林环境因子的测量

在2017年夏(6—7月上旬)、秋(9月下旬—10月)两季的晴朗、微风天气时观测，采集8：00—17：00时段整点时刻的环境数据，每类样地和对照点在每个季节至少测量3d。各指标数据测量高度距离地面1.2m，仪器稳定后迅速连续读数6次。

指标包括：

1)气温、空气相对湿度、风速，使用TES-1341热线式风速计；

2)照度，使用Victor 1010d照度计；

3)声压级，使用TES-1350R数字式噪音计A计权档位；

4)空气离子浓度，使用Kilter DLY-5G空气正负离子浓度测定仪；

5)冠层外观，使用Canon EOS 5D MarkⅡ配合EF8-15mmf/4LUSM鱼眼镜头拍摄林冠半球影像。拍摄要避免阳光直射造成光斑，因此选择在多云或阴天天气拍摄。

1.3 人群生理、心理指标的监测

在2017年6和10月选择天气较好的3d连续实验，提前招募志愿者。被试均为大学生，通过限制年龄初步控制个体差异。在夏、秋两季各筛选18～20人，随机分为2组，对应落叶阔叶林和常绿针叶林场地。第一天在五道口商业广场进行对照实验，第二、三天分别在奥林匹克森林公园、松山进行。人员于每天10：00到达实验场地，平复5min后开始静坐、观察和体验环境，持续20min，期间不允许使用电子产品、谈话、睡觉等。

测量的指标及操作时刻为以下几项。

1)心率(HR)和心率变异性(HRV)。志愿者全程佩带Polar心率带，自动存储心率和rMMSD、SD1、SD2等各项数据。

2)血压。使用Omron电子血压仪测量收缩压和舒张压，其差值为脉压值；静坐开始前、后各测一次。

3)血氧指标。使用Masimo Pronto-7无创血红蛋白测试仪同时测得总血红蛋白含量(SpHb)、血氧饱和度(SpO2)和血流灌注指数(PI)，由于所需时间较长，仅静坐后测一次。

表1 各类型样地信息

表2 情绪量表(POMS)

心率、心率变异性和血压能反映肌体调控心血管功能的水平，与维持人体安静时生理需要的副交感神经系统活性关系紧密，这在一些心理干预实验、长期的运动体能提升实验甚至疾病康复过程中已经得到印证[7-8]。血红蛋白和血氧含量反映人体运输氧气的能力，对人体健康程度也有重要参考价值[9]。血流灌注量则能衡量微血管的循环功能[10]。

4)正性情绪和负性情绪。使用POMS量表进行测试(表2)，含负面的“愤怒(A)”“紧张(T)”“疲劳(F)”“困惑和抑郁(C+D)”及正面的“活力(V)”5个维度[11]，采取0～4五级打分制。各题目得分进行加和(V值负向积分)得到情绪紊乱总值(Total Mood Disorder，TMD)。夏季在第一天实验开始前填写一次量表作为日常基线值，秋季改为在招募阶段采集基线值。两季均在静坐结束后在实验场地即时再次填写。

1.4 数据处理

1)综合舒适度。采用陆鼎煌提出的计算方法[12]：

式中，S为综合舒适度，T为气温(℃)，RH为空气相对湿度(%)，V为风速(m/s)，数值越低表示热环境越舒适。

2)空气质量指数。1980年日本学者提出的空气离子评价指数CI是较为常见的空气清洁度评价量度[13-14]。出于人们对森林空气质量的更高要求，石强创建了森林空气负离子评价模型FCI[15]。计算方法为：

式中，n-为空气负离子浓度(个/cm3)，q为单极系数，计算方法为：

式中，n+为空气正离子浓度(个/cm3)；FCI计算方式为：

其中，空气负离子系数p的计算方法为：

CI和FCI数值越高，代表空气质量越好。

3)天空可视因子(SVF)。使用Adobe Photoshop对林冠半球影像的天空部分去色化处理，导入Rayman 1.2进行分析，得出的天空可视因子可直接反映遮阴程度[16]，相比郁闭度测量更为便捷和精确。

4)对于人体心率、心率变异性、血压数据，进行实验前后变化率的计算，以消减个体差异。计算方法为：

D=(M'-M)/M×100% (6)

式中，D为指标变化率(%)，M'为后测值，M为前测值。

使用IBM SPSS 20.0对数据进行统计分析。涉及的主要功能包括主成分分析、独立样本Kruskal-Wallis检验、Spearman相关性分析。

图1 森林环境因子主成分荷载

表3 环境因子之间的相关性

2 结果与分析

2.1 不同类型森林环境的综合评价

人群在实地接触森林环境时，受到各环境因子的综合影响。分析使用与开展人群现场实验相对应的9：00—11：00和14：00—16：00各整点数据。各时刻数据中，包含9类样地和1个对照点在多个观测日的天空可视因子指数、综合舒适度、照度、声压级、CI值和FCI值6项指标变量，分别代表森林植被形态特征、热环境、光环境、声环境和空气质量。通过相关性分析发现，大部分指标之间具有显著的相关性(表3)。在此前提下，对各因子进行主成分提取进行综合评价，将6项指标提炼为2个主成分因子，分布如图1。夏季，热、声和负离子浓度可由成分1(荷载系数绝对值大于0.80)反映，光环境可由成分2反映(荷载系数大于0.75)；主成分贡献率为84.45%。根据树脂大小的实际意义以及得分系数正负性，2个因子得分越低，表明环境对于户外活动越舒适、健康。至于秋季如图1-2所示，主成分1同样反映热环境、声环境和负离子浓度(荷载系数绝对值大于0.75)，主成分2反映光环境(荷载系数绝对值大于0.90)，主成分贡献率为82.75%。根据数据大小在秋季的实际意义以及得分系数正负性，且考虑到10月各类森林环境整体热舒适度较差，主成分1因子得分越高，主成分2因子得分越低，表明该环境对于户外活动越舒适、健康。为便于理解和说明，使得分高低与环境优劣相对应，对夏季2个主成分和秋季主成分2因子得分进行正向处理。

夏季各时刻各主成分因子得分平均值见表4。各类森林样地得分均高于对照，上、下午排序变化不大。根据主成分2排序可知，人工林中阔叶树种对于提供舒适的光环境大体上效果较好，北京地区常用园林树种中尤以银杏、栾树和毛白杨为佳；各时段得分标准差也较小，舒适环境在全天的稳定性更强。对于综合反映热、声、空气清洁度多类指标的主成分1，银杏、栾树人工阔叶林表现仍较好，油松人工针叶林排序也较高。天然油松林的表现综合来看好于山杨林；整体上天然林主成分1得分高于人工林。但光环境得分与林冠特征关系密切，较为疏朗的天然山杨林排序较低。

秋季各类样地因子得分如表5，在整体热环境舒适度较差的情况下，空气质量指数的高低对环境综合评价影响较大。根据排序可看出，落叶较晚的阔叶树种银杏、栾树、毛白杨或常绿针叶树油松所形成的森林环境在各方面排序较高。但要注意的是，实际中秋季转冷后，加之一些阔叶树种落叶较早，在较为寒冷的上午，光、热环境的舒适性不再一致，较强的光照反而使得环境较为温暖，人体舒适感提升。而较为温暖的下午，2个因子得分的排序还是具有较为直接的参考价值的。因此应注重综合考虑人群的实际需求和在特定季节、特定时段对森林环境的不同感受。

图2 各组志愿者心率及心率变异性变化率图2-1 夏季图2-2 秋季

图3 各组志愿者血压变化率图3-1 夏季图3-2 秋季

2.2 森林环境对人体身心健康的影响

使用2.1中获得的不同森林样地环境上午的综合评分与各组被试者的生理、心理指标数据进行相关性分析。综合评分的计算方法为：

式中，Ft为综合得分，α1和α2分别为2个主成分因子各自的方差贡献率，α为主成分的总贡献率，F为各因子得分(夏季F1、F2及秋季F2为正向处理后的得分)。

生理指标中，使用心率、心率变异性和血压相关指标变化率以及血氧相关指标数值；心理指标使用TMD分数。

2.2.1 森林环境与人体生理指标的相关性

1)各组被试的HR及HRV变化如图2，环境综合得分与其相关性如表6所示。夏季，森林环境与SD1/SD2的变化率有显著的正相关关系；秋季，森林环境与HR变化率有显著负相关关系，和rMMSD变化率呈现为显著的正相关关系，相关系数的绝对值均在0.35～0.55，相关性中等。即在一定程度上，心率和心率变异性表现出随环境优化的趋势。根据其他指标相关系数的正负性来看，即便相关性不显著，心率和心率变异性也表现出随环境优化的微弱趋势。

2)各组被试的血压变化如图3，环境综合得分与其相关性如表7所示。仅在夏季森林环境与收缩压的变化率上呈现出显著的负相关关系；与其他指标相关性虽不显著，但从相关系数看出环境综合得分的升高对血压各项指标均有着较为微弱的负向影响，产生收缩压、舒张压降低和脉压缩减的趋势。

3)对于血氧相关指标，无论在夏季还是秋季，环境综合得分均与血氧饱和度显著正相关，与血流灌注指数呈现显著负相关(表8)。其中，夏季森林环境与SpO2的相关系数达到0.747，相关程度较为紧密。森林环境与总血红蛋白含量的相关关系虽不显著，但从系数的正负性来看，其数值也在正常范围内呈现微弱的上升趋势。

从心率、血压、血氧各类指标的变化总体来看，随着森林环境质量的提升，人体生理指标的积极变化在一定范围内也是增强的。

2.2.2 森林环境与人体心理指标的相关性

根据各组森林环境综合得分与TMD分数相关性的分析结果(表9)，发现夏、秋季二者之间都有显著的负相关关系，相关系数绝对值在0.4以下，相关关系偏弱。但其趋势仍可表明，在较好的环境中，情绪紊乱值有着向更低变化的倾向。

3 结论与讨论

本研究对不同季节北京地区典型人工林、天然林环境因子以及人群在其中的生理和心理指标变化进行了分析。主要的创新之处在于通过现场实验的模式，对各项因子以及其相互关系进行综合的评价论述，得出主要结论如下。

1)不同树种所形成的森林环境具有一定差异。根据各项可量化的环境因子数据对不同树种森林环境进行综合评价，表现较好的城市人工林树种为银杏、栾树和油松；天然油松林优于山杨林。

在以往研究中，一般基于研究目的选择某类指标进行环境对比或评价[15，17]。在探究森林环境对人体影响的过程中，应结合人群的具体需求，对环境质量进行综合的评判。

2)无论在天然林还是人工林中，森林环境都对人体身心产生了一定的积极影响。

本研究采取静坐休养这一维持安静状态的活动形式，选择与副交感神经活性等有关的指标作为参考，结论与以往研究基本一致[6]。

3)不同森林环境的环境得分与某些生理、心理指标变化具有显著的相关性，在一定程度上证实了在森林环境中开展公众活动时，提升环境质量对于增进身心健康的重要性。

本研究是从热、光、声、空气质量等环境指标的角度，分析其对人体健康的影响，发现自然山林有更佳的健康效应。但一些研究者从景观植物配置的角度出发，认为视线开敞、有稀疏树林的草地景观给人的放松感更明显[18]，结论有所不同。此外，一些学者采用室内闻嗅植物精油等实验探究森林挥发物对人体健康的影响[19]，本研究过程中也开放式采集了空气样本进行植物有机挥发物的测定。但由于样本数量少、测定结果杂质多，难以作为量化指标纳入环境综合评价。在实际操作中，客观的环境因素和人群对环境的主观感受都可能影响健康改善的程度。在进一步探究森林环境对人体健康的影响时，研究对象和内容应更为全面，测量手段需要改进，以形成综合性和科学性更强的研究体系。

由于小样本研究和户外实验的局限性，本研究不足以建立基于人群活动适宜性的森林环境评价体系、确定各项环境因子的临界值。在保护森林环境的前提下，基于研究结论与北京地域特征、资源现状，在后续研究中应继续总结环境要素与森林环境品质之间的关系；根据参与对象有针对性地选择环境条件、合理制定活动方案，在效果验证时精准选择指标，改进监测方法；在森林活动场地的规划发展中区分层次、拓宽思路，充分利用天然林、城市绿地人工林，还可结合城市造林整体规划、健康产业市场调查，进行专项基地建设，增加推广实施的可行性，充分发掘森林环境的公众健康效益，基础理论研究必不可少，更要促进林业、风景园林、医学、心理学等各相关领域的专业知识技能融合，多层次解决实际操作问题，以更好地满足人群的身心健康需求。