不同森林環(huán)境對(duì)人體身心健康影響的研究

張嘉琦

龔夢(mèng)柯

吳建平

南海龍

董 麗*

在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化不斷發(fā)展、生態(tài)環(huán)境和生活方式不斷變化的進(jìn)程中，健康管理始終是國(guó)家和個(gè)人最為關(guān)切的話題之一?！丁敖】抵袊?guó)2030”規(guī)劃綱要》要求重點(diǎn)“建設(shè)健康環(huán)境、發(fā)展健康產(chǎn)業(yè)”；《林業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》將加快構(gòu)建生態(tài)公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)作為一大戰(zhàn)略任務(wù)，明確提出開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)健康養(yǎng)生養(yǎng)老等生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品；北京市“十三五”規(guī)劃建議提出推進(jìn)大尺度城市森林、健康綠道、公共綠地等的建設(shè)管理等。探索森林環(huán)境在生態(tài)效益與社會(huì)效益中的平衡點(diǎn)，契合民眾更高層次的物質(zhì)與精神需求。

基于國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)于森林環(huán)境的生理、心理效應(yīng)研究成果及評(píng)價(jià)方法[1-6]，本研究進(jìn)一步探索不同森林環(huán)境的人體健康效益，對(duì)活動(dòng)的主體(人體)和客體(森林環(huán)境)雙方均需開(kāi)展實(shí)地研究，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的相關(guān)性分析。

1 研究方法

1.1 樣地選擇和設(shè)置

本研究在北京奧林匹克森林公園選擇毛白楊林、在松山自然保護(hù)區(qū)低山部位選擇有相似性的山楊林，作為落葉闊葉樹(shù)的典型森林環(huán)境；在北京奧林匹克森林公園和松山自然保護(hù)區(qū)選擇油松林，作為常綠針葉樹(shù)的典型森林環(huán)境，場(chǎng)地環(huán)境便于人員進(jìn)入、停留，并盡量遠(yuǎn)離主要游線的干擾；對(duì)照點(diǎn)設(shè)置在五道口商業(yè)廣場(chǎng)(代碼WDK)。在這5個(gè)場(chǎng)地中，進(jìn)行人群生理及心理指標(biāo)的測(cè)量。

在對(duì)以上場(chǎng)地進(jìn)行環(huán)境綜合分析時(shí)，為提高精確度并增加研究結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在奧林匹克森林公園內(nèi)增加5個(gè)其他樹(shù)種的森林樣地，并為全部類(lèi)型的樣地增加重復(fù)，最終設(shè)置見(jiàn)表1。在每塊樣地內(nèi)，品字形設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，保證與邊緣有10m以上的距離。

1.2 森林環(huán)境因子的測(cè)量

在2017年夏(6—7月上旬)、秋(9月下旬—10月)兩季的晴朗、微風(fēng)天氣時(shí)觀測(cè)，采集8：00—17：00時(shí)段整點(diǎn)時(shí)刻的環(huán)境數(shù)據(jù)，每類(lèi)樣地和對(duì)照點(diǎn)在每個(gè)季節(jié)至少測(cè)量3d。各指標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量高度距離地面1.2m，儀器穩(wěn)定后迅速連續(xù)讀數(shù)6次。

指標(biāo)包括：

1)氣溫、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速，使用TES-1341熱線式風(fēng)速計(jì)；

2)照度，使用Victor 1010d照度計(jì)；

3)聲壓級(jí)，使用TES-1350R數(shù)字式噪音計(jì)A計(jì)權(quán)檔位；

4)空氣離子濃度，使用Kilter DLY-5G空氣正負(fù)離子濃度測(cè)定儀；

5)冠層外觀，使用Canon EOS 5D MarkⅡ配合EF8-15mmf/4LUSM魚(yú)眼鏡頭拍攝林冠半球影像。拍攝要避免陽(yáng)光直射造成光斑，因此選擇在多云或陰天天氣拍攝。

1.3 人群生理、心理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)

在2017年6和10月選擇天氣較好的3d連續(xù)實(shí)驗(yàn)，提前招募志愿者。被試均為大學(xué)生，通過(guò)限制年齡初步控制個(gè)體差異。在夏、秋兩季各篩選18～20人，隨機(jī)分為2組，對(duì)應(yīng)落葉闊葉林和常綠針葉林場(chǎng)地。第一天在五道口商業(yè)廣場(chǎng)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，第二、三天分別在奧林匹克森林公園、松山進(jìn)行。人員于每天10：00到達(dá)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，平復(fù)5min后開(kāi)始靜坐、觀察和體驗(yàn)環(huán)境，持續(xù)20min，期間不允許使用電子產(chǎn)品、談話、睡覺(jué)等。

測(cè)量的指標(biāo)及操作時(shí)刻為以下幾項(xiàng)。

1)心率(HR)和心率變異性(HRV)。志愿者全程佩帶Polar心率帶，自動(dòng)存儲(chǔ)心率和rMMSD、SD1、SD2等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2)血壓。使用Omron電子血壓儀測(cè)量收縮壓和舒張壓，其差值為脈壓值；靜坐開(kāi)始前、后各測(cè)一次。

3)血氧指標(biāo)。使用Masimo Pronto-7無(wú)創(chuàng)血紅蛋白測(cè)試儀同時(shí)測(cè)得總血紅蛋白含量(SpHb)、血氧飽和度(SpO2)和血流灌注指數(shù)(PI)，由于所需時(shí)間較長(zhǎng)，僅靜坐后測(cè)一次。

表1 各類(lèi)型樣地信息

表2 情緒量表(POMS)

心率、心率變異性和血壓能反映肌體調(diào)控心血管功能的水平，與維持人體安靜時(shí)生理需要的副交感神經(jīng)系統(tǒng)活性關(guān)系緊密，這在一些心理干預(yù)實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)體能提升實(shí)驗(yàn)甚至疾病康復(fù)過(guò)程中已經(jīng)得到印證[7-8]。血紅蛋白和血氧含量反映人體運(yùn)輸氧氣的能力，對(duì)人體健康程度也有重要參考價(jià)值[9]。血流灌注量則能衡量微血管的循環(huán)功能[10]。

4)正性情緒和負(fù)性情緒。使用POMS量表進(jìn)行測(cè)試(表2)，含負(fù)面的“憤怒(A)”“緊張(T)”“疲勞(F)”“困惑和抑郁(C+D)”及正面的“活力(V)”5個(gè)維度[11]，采取0～4五級(jí)打分制。各題目得分進(jìn)行加和(V值負(fù)向積分)得到情緒紊亂總值(Total Mood Disorder，TMD)。夏季在第一天實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前填寫(xiě)一次量表作為日?；€值，秋季改為在招募階段采集基線值。兩季均在靜坐結(jié)束后在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地即時(shí)再次填寫(xiě)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1)綜合舒適度。采用陸鼎煌提出的計(jì)算方法[12]：

式中，S為綜合舒適度，T為氣溫(℃)，RH為空氣相對(duì)濕度(%)，V為風(fēng)速(m/s)，數(shù)值越低表示熱環(huán)境越舒適。

2)空氣質(zhì)量指數(shù)。1980年日本學(xué)者提出的空氣離子評(píng)價(jià)指數(shù)CI是較為常見(jiàn)的空氣清潔度評(píng)價(jià)量度[13-14]。出于人們對(duì)森林空氣質(zhì)量的更高要求，石強(qiáng)創(chuàng)建了森林空氣負(fù)離子評(píng)價(jià)模型FCI[15]。計(jì)算方法為：

式中，n-為空氣負(fù)離子濃度(個(gè)/cm3)，q為單極系數(shù)，計(jì)算方法為：

式中，n+為空氣正離子濃度(個(gè)/cm3)；FCI計(jì)算方式為：

其中，空氣負(fù)離子系數(shù)p的計(jì)算方法為：

CI和FCI數(shù)值越高，代表空氣質(zhì)量越好。

3)天空可視因子(SVF)。使用Adobe Photoshop對(duì)林冠半球影像的天空部分去色化處理，導(dǎo)入Rayman 1.2進(jìn)行分析，得出的天空可視因子可直接反映遮陰程度[16]，相比郁閉度測(cè)量更為便捷和精確。

4)對(duì)于人體心率、心率變異性、血壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后變化率的計(jì)算，以消減個(gè)體差異。計(jì)算方法為：

D=(M'-M)/M×100% (6)

式中，D為指標(biāo)變化率(%)，M'為后測(cè)值，M為前測(cè)值。

使用IBM SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。涉及的主要功能包括主成分分析、獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis檢驗(yàn)、Spearman相關(guān)性分析。

圖1 森林環(huán)境因子主成分荷載

表3 環(huán)境因子之間的相關(guān)性

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類(lèi)型森林環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)

人群在實(shí)地接觸森林環(huán)境時(shí)，受到各環(huán)境因子的綜合影響。分析使用與開(kāi)展人群現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的9：00—11：00和14：00—16：00各整點(diǎn)數(shù)據(jù)。各時(shí)刻數(shù)據(jù)中，包含9類(lèi)樣地和1個(gè)對(duì)照點(diǎn)在多個(gè)觀測(cè)日的天空可視因子指數(shù)、綜合舒適度、照度、聲壓級(jí)、CI值和FCI值6項(xiàng)指標(biāo)變量，分別代表森林植被形態(tài)特征、熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境和空氣質(zhì)量。通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，大部分指標(biāo)之間具有顯著的相關(guān)性(表3)。在此前提下，對(duì)各因子進(jìn)行主成分提取進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，將6項(xiàng)指標(biāo)提煉為2個(gè)主成分因子，分布如圖1。夏季，熱、聲和負(fù)離子濃度可由成分1(荷載系數(shù)絕對(duì)值大于0.80)反映，光環(huán)境可由成分2反映(荷載系數(shù)大于0.75)；主成分貢獻(xiàn)率為84.45%。根據(jù)樹(shù)脂大小的實(shí)際意義以及得分系數(shù)正負(fù)性，2個(gè)因子得分越低，表明環(huán)境對(duì)于戶外活動(dòng)越舒適、健康。至于秋季如圖1-2所示，主成分1同樣反映熱環(huán)境、聲環(huán)境和負(fù)離子濃度(荷載系數(shù)絕對(duì)值大于0.75)，主成分2反映光環(huán)境(荷載系數(shù)絕對(duì)值大于0.90)，主成分貢獻(xiàn)率為82.75%。根據(jù)數(shù)據(jù)大小在秋季的實(shí)際意義以及得分系數(shù)正負(fù)性，且考慮到10月各類(lèi)森林環(huán)境整體熱舒適度較差，主成分1因子得分越高，主成分2因子得分越低，表明該環(huán)境對(duì)于戶外活動(dòng)越舒適、健康。為便于理解和說(shuō)明，使得分高低與環(huán)境優(yōu)劣相對(duì)應(yīng)，對(duì)夏季2個(gè)主成分和秋季主成分2因子得分進(jìn)行正向處理。

夏季各時(shí)刻各主成分因子得分平均值見(jiàn)表4。各類(lèi)森林樣地得分均高于對(duì)照，上、下午排序變化不大。根據(jù)主成分2排序可知，人工林中闊葉樹(shù)種對(duì)于提供舒適的光環(huán)境大體上效果較好，北京地區(qū)常用園林樹(shù)種中尤以銀杏、欒樹(shù)和毛白楊為佳；各時(shí)段得分標(biāo)準(zhǔn)差也較小，舒適環(huán)境在全天的穩(wěn)定性更強(qiáng)。對(duì)于綜合反映熱、聲、空氣清潔度多類(lèi)指標(biāo)的主成分1，銀杏、欒樹(shù)人工闊葉林表現(xiàn)仍較好，油松人工針葉林排序也較高。天然油松林的表現(xiàn)綜合來(lái)看好于山楊林；整體上天然林主成分1得分高于人工林。但光環(huán)境得分與林冠特征關(guān)系密切，較為疏朗的天然山楊林排序較低。

秋季各類(lèi)樣地因子得分如表5，在整體熱環(huán)境舒適度較差的情況下，空氣質(zhì)量指數(shù)的高低對(duì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)影響較大。根據(jù)排序可看出，落葉較晚的闊葉樹(shù)種銀杏、欒樹(shù)、毛白楊或常綠針葉樹(shù)油松所形成的森林環(huán)境在各方面排序較高。但要注意的是，實(shí)際中秋季轉(zhuǎn)冷后，加之一些闊葉樹(shù)種落葉較早，在較為寒冷的上午，光、熱環(huán)境的舒適性不再一致，較強(qiáng)的光照反而使得環(huán)境較為溫暖，人體舒適感提升。而較為溫暖的下午，2個(gè)因子得分的排序還是具有較為直接的參考價(jià)值的。因此應(yīng)注重綜合考慮人群的實(shí)際需求和在特定季節(jié)、特定時(shí)段對(duì)森林環(huán)境的不同感受。

圖2 各組志愿者心率及心率變異性變化率圖2-1 夏季圖2-2 秋季

圖3 各組志愿者血壓變化率圖3-1 夏季圖3-2 秋季

2.2 森林環(huán)境對(duì)人體身心健康的影響

使用2.1中獲得的不同森林樣地環(huán)境上午的綜合評(píng)分與各組被試者的生理、心理指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。綜合評(píng)分的計(jì)算方法為：

式中，F(xiàn)t為綜合得分，α1和α2分別為2個(gè)主成分因子各自的方差貢獻(xiàn)率，α為主成分的總貢獻(xiàn)率，F(xiàn)為各因子得分(夏季F1、F2及秋季F2為正向處理后的得分)。

生理指標(biāo)中，使用心率、心率變異性和血壓相關(guān)指標(biāo)變化率以及血氧相關(guān)指標(biāo)數(shù)值；心理指標(biāo)使用TMD分?jǐn)?shù)。

2.2.1 森林環(huán)境與人體生理指標(biāo)的相關(guān)性

1)各組被試的HR及HRV變化如圖2，環(huán)境綜合得分與其相關(guān)性如表6所示。夏季，森林環(huán)境與SD1/SD2的變化率有顯著的正相關(guān)關(guān)系；秋季，森林環(huán)境與HR變化率有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，和rMMSD變化率呈現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均在0.35～0.55，相關(guān)性中等。即在一定程度上，心率和心率變異性表現(xiàn)出隨環(huán)境優(yōu)化的趨勢(shì)。根據(jù)其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的正負(fù)性來(lái)看，即便相關(guān)性不顯著，心率和心率變異性也表現(xiàn)出隨環(huán)境優(yōu)化的微弱趨勢(shì)。

2)各組被試的血壓變化如圖3，環(huán)境綜合得分與其相關(guān)性如表7所示。僅在夏季森林環(huán)境與收縮壓的變化率上呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；與其他指標(biāo)相關(guān)性雖不顯著，但從相關(guān)系數(shù)看出環(huán)境綜合得分的升高對(duì)血壓各項(xiàng)指標(biāo)均有著較為微弱的負(fù)向影響，產(chǎn)生收縮壓、舒張壓降低和脈壓縮減的趨勢(shì)。

3)對(duì)于血氧相關(guān)指標(biāo)，無(wú)論在夏季還是秋季，環(huán)境綜合得分均與血氧飽和度顯著正相關(guān)，與血流灌注指數(shù)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(表8)。其中，夏季森林環(huán)境與SpO2的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.747，相關(guān)程度較為緊密。森林環(huán)境與總血紅蛋白含量的相關(guān)關(guān)系雖不顯著，但從系數(shù)的正負(fù)性來(lái)看，其數(shù)值也在正常范圍內(nèi)呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)。

從心率、血壓、血氧各類(lèi)指標(biāo)的變化總體來(lái)看，隨著森林環(huán)境質(zhì)量的提升，人體生理指標(biāo)的積極變化在一定范圍內(nèi)也是增強(qiáng)的。

2.2.2 森林環(huán)境與人體心理指標(biāo)的相關(guān)性

根據(jù)各組森林環(huán)境綜合得分與TMD分?jǐn)?shù)相關(guān)性的分析結(jié)果(表9)，發(fā)現(xiàn)夏、秋季二者之間都有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.4以下，相關(guān)關(guān)系偏弱。但其趨勢(shì)仍可表明，在較好的環(huán)境中，情緒紊亂值有著向更低變化的傾向。

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)不同季節(jié)北京地區(qū)典型人工林、天然林環(huán)境因子以及人群在其中的生理和心理指標(biāo)變化進(jìn)行了分析。主要的創(chuàng)新之處在于通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的模式，對(duì)各項(xiàng)因子以及其相互關(guān)系進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)論述，得出主要結(jié)論如下。

1)不同樹(shù)種所形成的森林環(huán)境具有一定差異。根據(jù)各項(xiàng)可量化的環(huán)境因子數(shù)據(jù)對(duì)不同樹(shù)種森林環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，表現(xiàn)較好的城市人工林樹(shù)種為銀杏、欒樹(shù)和油松；天然油松林優(yōu)于山楊林。

在以往研究中，一般基于研究目的選擇某類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境對(duì)比或評(píng)價(jià)[15，17]。在探究森林環(huán)境對(duì)人體影響的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合人群的具體需求，對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合的評(píng)判。

2)無(wú)論在天然林還是人工林中，森林環(huán)境都對(duì)人體身心產(chǎn)生了一定的積極影響。

本研究采取靜坐休養(yǎng)這一維持安靜狀態(tài)的活動(dòng)形式，選擇與副交感神經(jīng)活性等有關(guān)的指標(biāo)作為參考，結(jié)論與以往研究基本一致[6]。

3)不同森林環(huán)境的環(huán)境得分與某些生理、心理指標(biāo)變化具有顯著的相關(guān)性，在一定程度上證實(shí)了在森林環(huán)境中開(kāi)展公眾活動(dòng)時(shí)，提升環(huán)境質(zhì)量對(duì)于增進(jìn)身心健康的重要性。

本研究是從熱、光、聲、空氣質(zhì)量等環(huán)境指標(biāo)的角度，分析其對(duì)人體健康的影響，發(fā)現(xiàn)自然山林有更佳的健康效應(yīng)。但一些研究者從景觀植物配置的角度出發(fā)，認(rèn)為視線開(kāi)敞、有稀疏樹(shù)林的草地景觀給人的放松感更明顯[18]，結(jié)論有所不同。此外，一些學(xué)者采用室內(nèi)聞嗅植物精油等實(shí)驗(yàn)探究森林揮發(fā)物對(duì)人體健康的影響[19]，本研究過(guò)程中也開(kāi)放式采集了空氣樣本進(jìn)行植物有機(jī)揮發(fā)物的測(cè)定。但由于樣本數(shù)量少、測(cè)定結(jié)果雜質(zhì)多，難以作為量化指標(biāo)納入環(huán)境綜合評(píng)價(jià)。在實(shí)際操作中，客觀的環(huán)境因素和人群對(duì)環(huán)境的主觀感受都可能影響健康改善的程度。在進(jìn)一步探究森林環(huán)境對(duì)人體健康的影響時(shí)，研究對(duì)象和內(nèi)容應(yīng)更為全面，測(cè)量手段需要改進(jìn)，以形成綜合性和科學(xué)性更強(qiáng)的研究體系。

由于小樣本研究和戶外實(shí)驗(yàn)的局限性，本研究不足以建立基于人群活動(dòng)適宜性的森林環(huán)境評(píng)價(jià)體系、確定各項(xiàng)環(huán)境因子的臨界值。在保護(hù)森林環(huán)境的前提下，基于研究結(jié)論與北京地域特征、資源現(xiàn)狀，在后續(xù)研究中應(yīng)繼續(xù)總結(jié)環(huán)境要素與森林環(huán)境品質(zhì)之間的關(guān)系；根據(jù)參與對(duì)象有針對(duì)性地選擇環(huán)境條件、合理制定活動(dòng)方案，在效果驗(yàn)證時(shí)精準(zhǔn)選擇指標(biāo)，改進(jìn)監(jiān)測(cè)方法；在森林活動(dòng)場(chǎng)地的規(guī)劃發(fā)展中區(qū)分層次、拓寬思路，充分利用天然林、城市綠地人工林，還可結(jié)合城市造林整體規(guī)劃、健康產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)調(diào)查，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)基地建設(shè)，增加推廣實(shí)施的可行性，充分發(fā)掘森林環(huán)境的公眾健康效益，基礎(chǔ)理論研究必不可少，更要促進(jìn)林業(yè)、風(fēng)景園林、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)等各相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能融合，多層次解決實(shí)際操作問(wèn)題，以更好地滿足人群的身心健康需求。

表4 夏季不同類(lèi)型森林環(huán)境主成分因子得分

表5 秋季不同類(lèi)型森林環(huán)境主成分因子得分

表6 環(huán)境得分與心率及心率變異性變化率的相關(guān)性

表8 環(huán)境得分與血氧指標(biāo)的相關(guān)性

表9 環(huán)境得分與TMD的相關(guān)性

注：文中圖片均由作者繪制。