研究进展 | 量化典型城市景观中绿地暴露的生理健康效率和效益阈值

虽然绿地暴露对生理健康有益，但在典型城市景观中，健康效益的阈值效应研究尚不充分。本研究选取了厦门市15个城市公园中的五种典型城市景观（开敞空间、半开敞空间、闭合空间、蓝色空间、灰色空间），并应用生理健康阈值模型，通过连续监测两项生理指标——脑电图（EEG）和心率（HR）的变化，计算绿地暴露的效率阈值和效益阈值。(1) EEG阈值结果显示，与绿地暴露相比，蓝色空间暴露更快达到生理健康效率阈值（4-5分钟），但在效益阈值方面并不占优。开敞空间越大，达到效率阈值的时间越快（5-6分钟），但树冠密度越高的闭合空间，达到效率阈值的时间越短（8-9分钟）。(2) HR阈值结果显示，蓝色空间和开敞空间最快达到效率阈值（1分钟），其余绿地暴露后6-7分钟达到效率阈值。效益阈值在蓝色空间中较绿地更早达到（11分钟 vs 18-21分钟），而绿地的开放程度对效益阈值的速度影响不显著。(3) 综合EEG和HR阈值结果显示，蓝色空间在缓解压力方面效果更佳，而开敞空间能更快达到效率阈值。本研究验证了生理健康阈值模型，为城市绿地规划提供了提升居民压力管理和健康的参考依据。

城市化对城市环境和居民健康的显著影响，特别关注了绿地对居民健康的积极作用。虽然已有研究证实了自然环境有助于改善心理和生理健康，但对不同类型绿地（如城市公园内的植物景观元素）的研究仍然不足，特别是在分类标准和恢复效果方面。此外，采用剂量反应模型的研究表明，自然暴露时间与健康效益之间存在潜在的阈值效应。然而，现有研究在绿地类型区分和产生生理健康的效应上存在局限性。因此，本研究旨在通过生理健康阈值模型，量化比较不同城市景观类型的健康效益，并探讨其效率和效益阈值。

脑电图（EEG）提供了一种非侵入性且直接的方法来测量神经活动，从而提供了关于绿地暴露立即生理反应的有价值信息。在压力状态下，脑波可以显著反映个体的心理压力水平。EEG测量使用的是非侵入性Emotiv EPOC+ EEG头戴设备（美国EMOTIV公司），记录的数据通过无线方式传输到计算机。受试者被要求保持静止，不允许交谈，也不允许使用电子设备，以尽量减少外部影响。在本研究中，基于案例研究和不同EEG波段的特性，我们选择了三个常用的EEG指标：(1) 相对α波；(2) 相对β波；(3) β/α比率。其中，较高的α波与放松相关，而较高的β波与警觉性相关，较低的β/α比率表明受试者处于更放松和冷静的状态。

除了EEG，我们还选择了心率（HR）作为一个高度连续的人体生理信号。HR是每分钟心跳的次数，而压力通常指的是人感受到的心理或身体紧张感。研究已证明，急性心理压力会导致HR和焦虑的增加。我们使用Polar运动手表记录每秒一次的HR值，进行实时监测。由于HR值对每个人的个体差异较大，我们将HR值转换为自然对数（ln）值，以标准化参与者的HR值。

在本研究中，我们选择了重复测量方差分析法来分析五种典型绿地暴露对HR恢复的影响。在分析中，空间类型作为因素变量，HR在三个时间点（T1=压力测试阶段结束时，T2=绿地暴露阶段开始时，T3=绿地暴露阶段结束时）作为受试者内变量。结果表明，在实验中五个空间内的三个时间点的HR存在显著差异（p<0.001）；五个空间类型之间也存在显著差异（p<0.001）（表3）。总体而言，这表明在不同景观空间内进行的绿地暴露实验中，压力测试前后HR变化存在显著差异。

对空间类型进行两两比较分析显示（表4），开敞空间与蓝色空间之间存在显著影响，封闭空间与蓝色空间之间也存在显著影响，且两者的平均差异为正。蓝色空间与灰色空间之间存在显著差异，而半封闭空间与封闭空间之间的显著差异较小，平均差异为负。

根据相对α波指标的实验结果，在压力阶段（T1）期间，所有空间的相对α波指标持续上升；在初始暴露阶段（T2）期间，所有空间几乎同时达到了效率阈值（5-6分钟）（压力测试时间为5分钟，在计算阈值时扣除）。开敞空间最先达到效益阈值（6分钟），随后是灰色空间（8分钟）。在稳定暴露阶段（T3）期间，半封闭、封闭和蓝色空间在11-13分钟内达到了效益阈值。研究表明，在冥想过程中，慢脑波α波占主导地位，包括内在的深度思考。参与者在压力测试后处于静坐状态，因此相对α波指标在整个实验期间呈现先上升后逐渐稳定的趋势，其阈值效应可能不代表压力后的恢复状态变化。

Belyavin和Wright观察到，随着警觉性降低，β波活动减少。在T1和T2阶段，相对β波指标继续表现出较高水平，表明随着压力的增加，人们的警觉性也在提高。在T3阶段的开始，相对β波指标开始迅速下降，蓝色空间在5分钟后最先达到效率阈值。随后，开敞、封闭和灰色空间在第6分钟（图3f，4h，4j）以及半封闭绿地在第7分钟（图3g）达到了效率阈值。随后，蓝色空间在第7分钟也最先达到了效益阈值，开敞和半封闭绿地在第8分钟，封闭和灰色空间在第9分钟达到了效益阈值。在T3阶段的晚期，所有空间保持在稳定状态，意味着从紧张高度警觉状态恢复到相对放松的稳定状态。相对β波指标显示，整体上蓝色空间具有最快的恢复效益，而封闭和灰色空间表现出较差的恢复效益（表5）。

β/α比率表示β波对α波的相对功率，通常随着疲劳和压力的增加而增加。在T1压力阶段的开始，所有空间均保持在较高的压力水平（图3k-o），然而在此阶段结束时，蓝色空间开始出现恢复迹象。在T2阶段，蓝色空间在第4分钟迅速达到了效率阈值，开敞绿地在第5分钟达到了效率阈值（图3k，4n）。其余空间在T3阶段初期保持在高压力水平，直到半封闭和灰色空间在第6分钟出现了效率阈值，封闭绿地在第8分钟出现了效率阈值（图3l，4m，4o）。随后，半封闭和封闭绿地在第8分钟最先达到了效益阈值，灰色空间在第9分钟达到了效益阈值。在T3阶段的晚期，开敞空间在第15分钟和蓝色空间在第19分钟达到了效益阈值。值得注意的是，在β/α指标下，蓝色空间和开敞绿地最快达到了效率阈值，但达到了效益阈值的时间最慢。半封闭、封闭和灰色空间则表现出相反的情况（表5）。

HR结果显示，在T1阶段的压力状态下，开敞空间和蓝色空间的HR未维持较高水平，并在T1阶段结束后1分钟内达到了效率阈值（图4a, 4d）。半封闭和封闭空间则在T3阶段分别在第6和第7分钟达到了效率阈值（图4b, 4c）。蓝色空间在第11分钟达到了效益阈值，并比开敞空间（第18分钟）更快地稳定HR。半封闭和封闭空间与开敞空间相比，没有显著差异，均在第21分钟达到了效益阈值。封闭空间在T1阶段的压力测试期间维持了较高的HR状态，这与蓝色空间和开敞空间形成对比（图4c, 4a, 4d）。这表明暴露于封闭空间的受试者感受到的压力更为明显，恢复速度较慢，这与EEG阈值结果一致。灰色空间在T1压力测试阶段末期HR保持在高压状态（图4e）。在T3稳定暴露阶段才开始显示下降趋势，但实验在达到阈值点和达到稳态之前就终止了。最终，HR曲线继续呈现持续下降的趋势，表明灰色空间的HR恢复最慢。

通过分析本实验中的典型景观的阈值效应，发现所有景观在压力测试结束后7分钟内均达到了效率阈值。这一发现表明，暴露的早期阶段恢复率明显高于后期阶段。我们发现效益阈值在压力测试结束后15分钟内（结合EEG和HR结果的平均值）达到了，并保持稳定，这表明绿地暴露带来的健康效益有限，在15分钟后几乎不再提供恢复效益。这表明绿地与健康效益之间的联系可能是暂时的。短时间的绿地暴露可能会迅速改善心理健康，但健康效益可能会随着时间的推移而达到平台期或下降。因此，我们建议15分钟的绿地暴露比20分钟的公园效应更为合理。

其次，蓝色空间整体恢复效果最为显著，EEG（4分钟）和HR（1分钟）的效率阈值最快，HR的效益阈值（11分钟）最快。其作用机制可能在于蓝色空间富含负氧离子。许多研究证明，负氧离子可以调节人体疲劳状态，直接改善人体生理健康。其次，水体可以调节降温和湿润，创造舒适的小气候。

这项研究的结果可以为城市规划和决策提供更清晰的证据和指导，并在城市设计中更多地考虑不同典型绿地景观的分布和可达性，以最大限度地发挥绿地的健康效益，使市民能够在最短的时间内享受绿地带来的压力恢复效益。(1) 蓝色空间作为本实验中最佳的恢复景观，应首先考虑增加蓝色空间的暴露。这可以通过保护本地湖泊和河流并提升水体的环境质量来实现。同时，在湖边安装步道可以扩展蓝色空间的可达性和可用性。 (2) 在城市规划中，合理安排具有不同开放度的绿色景观至关重要。城市绿地不应局限于单一类型，如草坪或绿化带。相反，它们应根据城市功能区域的不同特点进行定制，结合不同类型和开放度的绿化景观。例如，在商业区周围的公园，目前采用更多封闭的林地或绿色小景以增强隐蔽性和建立安全环境。然而，鉴于人们在商业区周围的绿地停留时间较短，更高的封闭性导致效率阈值达到速度较慢。因此，可能更有益的是在这些区域引入更多的开敞草坪，使附近的员工能够在短暂的工作间隙中进入绿地，迅速从压力中恢复，并最大化绿地的健康效益。(3) 位于居民区附近的社区公园可以增加林地和灌木景观，减少建筑物和硬铺装的数量。居民通常在社区公园中停留较长时间，有助于达到恢复的效益阈值，释放压力，达到稳定状态，并最大化绿地的恢复效益。

此外，理论上，这项研究为暴露生态学领域，特别是在其“主客体现实”领域作出了贡献。该研究聚焦于现实世界中存在的城市自然生态系统，定量评估了城市居民（受试者）的生理健康影响，从而深入探讨了人类健康与城市自然生态系统之间相互作用的复杂动态。这些关于城市环境中压力恢复的见解进一步丰富了城市规划对公共健康的贡献，通过强调城市生态环境中的预防性措施，呼应了上游干预方法，并强调了健康管理中主动策略的重要性。

我们发现，在典型城市景观暴露下，HR和EEG的生理健康效益存在阈值效应，并且在应对压力恢复方面存在显著差异。结合这两种生理测量结果，我们观察到蓝色空间在减轻压力方面具有明显优势，能够快速且持续地从压力中恢复，而开敞绿地排名第二。当暴露于绿地时，开敞绿地的HR减少速度更快，达到效率阈值的时间更短，但达到效益阈值的时间相似。此外，树冠密度较高的（封闭）绿地达到效率阈值的时间更短。未来的研究可能会探索不同的行为模式下的绿地暴露，以识别最具恢复性的暴露方式。

本文编辑 | 胡瑾瑜 复旦大学环境科学与工程系

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