高校绿地景观自然度对人体生理和心理指标的影响*

高雅玲 黄 河 叶 菁 李治慧 郑郁善

1 福建农林大学园林学院 福州 350002 2 福建农林大学金山学院 福州 350002

作为国家建设发展的主力军，大学生是国家的未来和希望，其健康水平是国民健康的重要组成部分[1]。绿色景观能够促进人体释放压力，恢复注意力[2]，如何营造健康校园环境已成为研究热点。既有校园景观相关研究集中在生态环境、美学质量、活动行为和景观偏好等方面[3-4]，校园健康景观建设尚未形成完整体系。空间环境的自然程度与人身心健康呈正相关[5]，有学者对教室窗景绿化水平[6-7]、校园绿色空间环境特征[8]对健康影响差异性进行研究，但关于绿地景观自然度与健康关系则较少。关于研究方法，虚拟现实场景能有效控制研究变量、降低干扰、提供真实的沉浸式环境体验[9]，而虚拟自然场景对被试者的生理、心理具有积极影响[10]，且影响效果与真实自然环境相近[11]。

因此，本文选取高校绿地景观作为研究对象，构建不同自然度的虚拟现实场景，旨在探讨不同自然度绿地景观对大学生生理、心理恢复的影响，推动校园恢复性空间的营造与改善。

1 研究设计

试验于2020年9—10月，在福建农林大学园林学院人因工程实验室进行。试验前依据研究目标，使用SketchUp、Enscap等软件进行场景建模、渲染，并导出可执行文件作为试验样本，在试验中进行播放。通过网络招募在校大学生参与试验。试验使用Ergo LAB可穿戴生理多导仪(北京津发科技仪器有限公司)、HTC Vive虚拟现实头盔及Ergo LAB人机环境测试云平台系统搭建虚拟现实试验平台。被试者需要按照试验流程，佩戴VR头盔和生理指标测量设备进行场景体验，同时完成相关评价指标的测定等。将收集到的生理、心理指标数据进行分析，研究不同自然度绿地景观对被试者生理、心理恢复的影响。

1.1 试验样本设定

试验选择高校教学楼中庭作为虚拟现实场景模型设计蓝本，依据绿地景观造景元素的自然程度，分为非自然元素、仿自然元素、自然元素。应用这些景观元素进行虚拟现实场景设计，依据场景中造景元素的自然程度及数量衡量场景自然度，即造景元素越自然，且数量越多，则该场景自然度高。本研究设计4个自然度的场景作为试验样本，分别为非自然环境(Y1)以及3个亲自然环境(Y2、Y3、Y4)(表1)。

表1 虚拟现实场景分类及特征描述

1.2 评价指标

1.2.1 生理指标

试验测量的生理指标包括心率(Heart Rate，HR)、心 率 变 异 性(Heart Rate Variability，HRV)、皮 肤 导 电 率(Skin Conductance Level，SCL，简称皮电)、血压(Blood Pressure，BP)，其中血压包括舒张压(Diastolic Blood Pressure，DBP)和收缩压(Systolic Blood Pressure，SBP)(表2)。

表2 生理指标基本意义及测量设备

1.2.2 心理指标

使用简短版的状态焦虑量表(State-Trait Anxiety Inventory，S-AI)衡量焦虑水平。简短版S-AI量表由6个问题组成，其中半数为描述正面情绪，半数为描述负面情绪，主要用于评定被试者即刻或最近某一特定时间的体验或感受(表3)。简短版S-AI量表通过测试已验证其跟包括20个问题的完整版S-AI量表具有同样的效果[12]。S-AI采用4点评分法，即，1＝完全没有，2＝有些，3＝中等程度，4＝非常明显，其中3项为反向计分，分值高反映了被试者的焦虑程度高。

表3 简短版状态焦虑量表内容

1.3 试验设计

1)被试者的选择。被试者要求健康状况良好，没有慢性病、无吸烟、近期未服用药物，在试验前一天不能饮酒、咖啡等，保证充足的睡眠，对VR体验无强烈不适感。通过网络招募145名大学生参与试验。

2)试验流程。试验前告知试验流程(图1)，填写相关信息。在实验员协助下佩戴设备，被试者有5 min时间熟悉并适应设备，待测试无误后开始试验，全程记录生理数据。被试者静坐休息3 min，记录基线生理测量值。在有交通、机器和师生交流等噪音干扰下，完成2项压力诱导任务，即1 min记忆任务和2 min算术任务[13]，记录施压阶段生理测量值。被试者完成施压后进行血压测量，并填写S-AI量表，作为施压后血压和焦虑度。之后随机选择一个场景，进行5 min体验(相关研究表明5 min体验足够产生较完整恢复效应[14-15])，记录恢复阶段生理测量值。VR体验结束后，再次测量被试者的血压和填写S-AI量表，并完成相关访谈，单次试验时间约29 min。

图1 试验流程

1.4 数据分析

试验收集生理和心理2部分数据。心率、心率变异性、皮电数据经过Ergo LAB软件记录处理后导出表格数据；血压数据和心理数据(焦虑度)由实验员录入表格。对试验数据(生理、心理)进行整理，剔除异常数据。最终有效样本为141人(男生63人、女生78人)，每个试验样本数据大于30人(生理、心理实验中30人被认为是大样本数据)。将每个被试者作为主体和随机截距，以控制被试者个体的随机误差。将各样本和时间作为自变量，心率、心率变异性、皮肤导电率值作为模型响应变量，构建混合效应模型[16]，分析被试者的心率、心率变异性、皮肤导电率在5 min恢复过程。将血压、焦虑度作为响应变量，不同样本为自变量，构建一般线性模型[16]，分析血压、焦虑度恢复前后分值差异性。

2 结果与分析

2.1 生理指标分析

2.1.1 绿地景观对生理指标影响

表4和图2显示了4个样本生理指标在基线、施压、恢复3个阶段共11 min的均值和中位数的总体变化情况。从均值和中位数上看，被试者的生理压力呈现低—高—低的变化，表明被试者在体验完绿地景观后压力得到缓解。

图2 被试者体验4个样本的生理特征

表4 被试者生理指标在基线、施压、恢复阶段的总体测量结果

2.1.2 绿地景观自然度对生理指标的影响差异性

表5显示了被试者在4个样本中各指标恢复均值情况，不同样本中各指标均有所恢复。利用混合效应模型对被试者的心率、心率变异性、皮肤导电率3个指标恢复值数据进行分析(表5)发现，心率恢复值为1.45～2.45次/min，心率变异性恢复值在2.52～6.91 ms，皮肤导电率恢复值在0.41～1.66 μS。利用一般线性模型对被试者的血压(收缩压、舒张压)恢复值数据进行分析，结果(表5)发现，收缩压恢复值为1.40～5.66 mmHg，舒张压恢复值为0.40～5.00 mmHg。

表5 4个样本环境中被试者在恢复前后的差异估算结果

将样本Y2，Y3，Y4与Y1进行比较，结果发现(表6):Y2，Y3，Y4环境下的心率恢复值比Y1分别多0.37，0.64，1.00；心率变异性恢复值分别多2.71，2.90，4.39；皮肤导电率恢复值分别多0.36，1.25，1.23；收缩压值恢复值分别多降低1.63，2.12，4.26；舒张压值分别多降低0.42，2.18，4.60。Y3，Y4环境相比Y1环境中被试者的心率、心率变异性、皮肤导电率3个指标具有显著差异，而Y2相比Y1仅在心率变异性上有显著差异，其他指标上差异并不显著。

表6 HR、HRV、SCL、SBP、DBP恢复值差异比较结果

将Y2，Y3，Y4进一步两两比较，结果发现:3种亲自然环境环境中心率差值仅Y2与Y4有显著差异(P＜0.05)，即Y4比Y2有更好的压力缓解效果，恢复大小为Y4＞Y3＞Y2＞Y1；3种亲自然环境中心率变异性差值Y2，Y3均与Y4有显著差异，而Y2与Y3之间无显著差异，即Y4亲自然环境比Y2，Y3在心率变异性指标上有显著的恢复效果，恢复大小为Y4＞Y3＞Y2＞Y1；3种亲自然环境中皮肤导电率恢复差值Y2相比Y3与Y4有显著差异性，但Y3与Y4之间恢复差值不显著，表明相比于Y2，被试者在Y3和Y4亲自然环境中有显著的恢复效果，恢复大小为Y3＞Y4＞Y2＞Y1。血压指标中被试者的舒张压在4种环境中无显著差异(P＞0.05)，但收缩压在Y4与Y1环境中的被试者表现具有显著差异(P＞0.05)，且Y4比Y1的收缩压下降的更多。进一步两两对比发现，Y2，Y3，Y4的恢复差值之间无显著差异(P＞0.05)。收缩压、舒张压在4个环境中具有一致性的差异，表现的均值降低量排序为Y4＞Y3＞Y2＞Y1。

2.2 心理指标分析

2.2.1 绿地景观对心理指标的影响

表7显示了4个样本心理指标在施压、恢复2个阶段的均值和中位数变化情况。从均值和中位数上看，被试者的焦虑度降低，被试者在体验完景观后心理压力得到缓解。

表7 被试者心理指标在施压、恢复阶段的总体测量结果

2.2.2 绿地景观自然度对心理指标的影响差异

利用一般线性模型对被试者心理恢复值数据进行分析，发现4个样本环境中被试者恢复前后焦虑度均有所降低，均值降低量从多到少为Y4＞Y3＞Y2＞Y1(表8)。

表8 4个样本中被试者心理恢复值情况

将Y2，Y3，Y4样本与对Y1样本进一步比较，表9显示了心理恢复值在Y2环境中多降低1.20(95% CI:2.38，0.01)、Y3环境中多降低1.94(95% CI:3.10，0.78)、Y4环境中多降低3.23(95% CI:4.40，2.06)。

表9 心理恢复差值比较结果

从表8和表9中可知，被试者的焦虑度在4种环境下有不同程度的降低，且Y2，Y3，Y4比Y1环境中有显著性降低效果；进一步两两对比发现Y2和Y3相比Y4的焦虑恢复值有显著差异(P＜0.05)，而Y2和Y3之间恢复值无显著差异。3个量化指标(收缩压、舒张压、焦虑度)均表现为恢复后比恢复前(施压后)有所降低，虽然不同指标不同环境下降低的程度不同，但在各环境中从指标量化均值上看具有一致性，恢复大小(即恢复效果)排序为:Y4＞Y3＞Y2＞Y1。

3 讨论

3.1 绿地景观对生理、心理压力缓解效益

绿地景观能够缓解大学生的生理、心理压力，促进身心健康，这与前人相关研究结果一致[8，17]。生理指标显著变化表明被试者在体验完绿地景观后，生理压力得到缓解。图2中的生理指标心率、心率变异性、皮肤导电率的11 min实验显示，在5 min的恢复过程中前3 min(即全过程的第7、8、9 min)压力水平得到迅速恢复；后2 min较为平稳，甚至在最后1 min个别指标压力水平回升的迹象，表明在一定即时压力水平下(即为施压状态的压力特征)恢复需要3～5 min。该结果与Yin等[16]研究较为一致。另外，皮肤导电率水平都未恢复到基线水平，表明在5 min时间内交感神经仍处在活跃水平，可能需要更多的时间来调整交感神经。心理指标变化显示被试者在体验完绿地景观后，焦虑度呈现不同程度的降低。

3.2 不同自然度绿地景观对生理、心理影响差异

研究发现仿自然、自然、仿自然与自然混合元素组成的3个不同自然度绿地景观对生理、心理压力缓解存在差异。仿自然与自然混合元素构成的绿地景观均优于纯自然元素环境和仿自然元素环境，这种情况可能与景观的一致性、复杂性、吸引性有关[18]。Herzog等[19]研究发现复杂性、一致性、吸引性等指标与环境偏好呈正相关。而人们的环境偏好与其在环境中获得的心理、生理压力缓解有直接关系[20-21]。因此，在绿地景观设计中可以设置仿自然的雕塑小品、仿自然图案的墙面装饰等提高景观的自然度和一致性、复杂性、吸引力，有利于人们的身心健康。纯自然环境比仿自然环境有更好的恢复效益，这与仿自然元素的材质、质感、光泽等给人们的视觉和感受有关，另外试验中仿生材质具有高度的一致性和低复杂度特征，这两方面容易引起人们的枯燥与乏味。相对地，自然元素环境能更好地符合心境，让被试者接受和认同，由此中庭纯自然元素的环境可能获得更多的压力缓解效果。

3.3 虚拟自然景观对生理、心理反馈的影响

研究进一步证实虚拟自然景观对生理、心理健康具有促进作用。Yin等[15]研究表明，在虚拟现实场景中，被试者的血压、心率、皮肤导电率、情绪水平和认知能力同真实场景高度相似。Heydarian等[22]研究显示被试者在虚拟现实场景中的生理、心理、行为反馈均与真实场景中的反应相近。虚拟自然景观的疗愈效果，也促进了其在疗愈领域的推广应用。本文构建4个自然度的虚拟绿地景观进行试验，有效控制了研究变量的梯度变化，并减少了试验过程中的干扰因素，使研究实验更为科学合理，现代虚拟现实场景代替传统真实场景为相关研究提供环境条件。

4 结论

1)绿地景观有益于大学生生理、心理恢复。亲自然的环境对生理、心理恢复作用显著。相比非自然环境中的各项指标均值，亲自然环境指标均值中焦虑平均值要低2.12分，收缩压平均值低2.67mmHg，舒张压平均值低2.4 mmHg，心率平均值要低0.67次/min，心率变异性高平均值3.3 ms，皮肤导电率平均值低0.95 μS。

2)绿地景观的自然度与生理、心理恢复成正相关。3个亲自然环境中，各指标对比分析表明，仿自然与自然元素混合的亲自然环境恢复性最好，纯自然环境比仿自然环境恢复性好。无论从均值变化或差异显著性上看，在自然元素中加入仿自然元素均能有效促进亲自然环境对人的心理、生理恢复作用。

3)虚拟自然景观对生理、心理健康具有促进作用，且对生理、心理的影响同真实环境一致。