冷寒冰，胡永紅，周鑫，劉蔚巍，孫嬋娟，連之偉

(1.上海植物園 上海城市植物資源開發(fā)應用工程技術研究中心，上海，200231；2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海，200240；3.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

城市生態(tài)問題日益突出，熱島效應愈發(fā)明顯，如何營造一個舒適健康的城市環(huán)境成為社會關注的熱點問題。植物能改善局部微氣候[1-2]，改善空氣品質，影響人體對環(huán)境的滿意度及舒適感[3-5]，是城鎮(zhèn)居住區(qū)景觀綠化與熱島效應改善研究中不可忽視的重要組成部分。植物對人體心理及生理的影響作用是多方面的，而且不同種類、不同配置的植物具有不同的改善功能[6-8]。如何營造植物環(huán)境，使人體具有最佳的舒適感和滿意度，以及植物的何種屬性能最大程度影響人的舒適度及環(huán)境滿意度是研究中面臨的主要問題?，F有的研究中理論分析和數值模擬較多[9-11]，采用基于物理參數(溫、濕度及風速)的人體舒適研究較多[12-14]。這些方法主要通過監(jiān)測客觀環(huán)境參數判斷當前環(huán)境下人體的舒適度，而基于真實人體的實驗研究少，較少涉及人體的主觀差異性，沒有植物環(huán)境導致人體生理反應相關方面的研究，缺乏說服力。但是，在真實環(huán)境中，人體的舒適感受多種主客觀因素的共同影響，即使在相同的環(huán)境下人體的舒適程度也會有較大的差別[15-16]。通過生理參數(如心電，腦電和呼吸率等)的測試能更加深入地反映人體的舒適機理[17-19]，從而得出人體當前的舒適狀態(tài)。本研究采用主觀評價結合客觀生理參數測量與分析的方法，通過現場實驗的方式，測試人體的各種生理參數，直接得到不同室外植物環(huán)境對人體的舒適程度的影響，確定植物屬性對人體對環(huán)境的接受程度及滿意度的影響，為基于人體滿意度的植物環(huán)境的營造及室外人體舒適度評價提供理論支持。

1 研究方法

研究樣地所在的上海市( 31°14″N, 121°29″E)地處北亞熱帶北緣，屬北亞熱帶季風性氣候，氣候溫和濕潤，春秋較短，冬夏較長，冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，日照較多。全年平均氣溫15.8 ℃，1月最冷為3.6 ℃，7月最熱為27.8 ℃，年日照時間約2 000 h。上海市城區(qū)面積大、人口密集，其氣候具有明顯的城市熱島效應[13]。

研究樣點位于上海植物園。該園坐落在上海市徐匯區(qū)，占地面積81.86 km2，全園種植喬灌木8.87萬株，園內有草坪8.27×104m2，花壇1 117 m2，其中櫻花區(qū)是上海櫻花種植最為集中的區(qū)域。實驗的時間為2011-04-04—2011-04-06，大部分植物處于正常生長期，實驗期間上海植物園正在舉行春季花展活動，花展內容包括郁金香、櫻花等多種花卉植物。

在上海植物園中選取4個有代表性的地點開展實驗，分別為：郁金香花展區(qū)、綠色草坪、櫻花林以及對比工況(無植物)。另外，還在竹林及喬木林區(qū)域進行單獨的問卷調查，測試及調查地點的各項屬性如表1所示。研究樣地的選取既考慮到現實狀況(如綠草坪，喬木林和竹林等)，又考慮具有某種突出屬性的植物，如具有多種色彩的郁金香及只有花朵的櫻花林等，總體上選取植物時考慮顏色、氣味、大小的差異性，植物配置上高低有致，研究樣地具有較好的現實意義和應用價值。

表1 測試及調查樣地的植物分布Table1 Distribution of vegetation in experiment places

通過參與式主觀問卷調查結合客觀生理參數的方式進行研究。主觀問卷中包含的內容有基本熱環(huán)境調查、植物環(huán)境滿意度及期望調查、植物配置及特性偏好調查。其中，基本熱環(huán)境調查主要調查人們對當前環(huán)境的溫度、濕度及風速的感覺，通過對植物環(huán)境滿意度及期望的調查，得出植物的各種屬性如顏色、氣味、數量、大小等對整體環(huán)境滿意度的影響程度。通過植物配置及特性偏好調查，得出不同植物配置的受歡迎程度，以及植物的各種特性與人體愉悅感的關系等內容。實驗中選取3項生理參數即腦電波，心電及血氧飽和度進行測量，通過生理參數的變化分析從側面反映人體的舒適狀態(tài)。

實驗中對64位不同年齡性別的游客生理參數進行測試，共收集有效問卷240份。不論是進行問卷調查的人員(受訪者)還是生理參數的測試人員(受試者)，其年齡分布基本符合中國人口年齡分布比例：中青年(15～64歲)的比例約為74%，兒童偏少，老年人略有偏多；男女的比例為1:1左右。問卷調查中受試者的平均居住時間約為20 a，最短居住時間超過0.5 a。由于是初春時節(jié)，受試者一般著棉外套和毛衣，平均服裝熱阻約為0.14 m2·K/W。對于接受測試的游客，要求其心理身體基本健康，無心血管疾病，測試前1 h無劇烈運動。以上數據表明：對調查對象的選取是合理可靠的，具有較強的代表性和參考價值。

為保證測試期間的背景條件保持基本一致，在實驗過程中對下列環(huán)境參數進行監(jiān)測：溫度、濕度、風速和噪聲水平。在實驗過程中檢測的環(huán)境參數(均為天平均值)如表2所示。

表2 測試過程中的環(huán)境參數Table2 Environment parameters during the experiment

從表2可知：溫度、濕度、風速均在人體舒適范圍之內，平均噪聲水平基本一致?？傮w上環(huán)境參數的變化不大，對人體熱舒適度的影響不明顯。

對于環(huán)境的滿意度采用4級標尺，如圖2所示。在滿意度調查中采用4級標準對被調查的內容進行評分，依據滿意程度的遞減其對應的評分為2，1，-1和-2，滿意為正值，不滿意則為負值。為避免模糊地帶問題，不設為得分為0的中間值，最終計算得出各項滿意度平均得分。

圖1 滿意度調查標尺Fig.1 Satisfaction evaluation chart

在進行問卷調查時，為能準確知道植物屬性和人體舒適感覺的關系，從以下的一些方面調查受訪者的滿意度：首先調查對植物環(huán)境的總體滿意度，其次是對植物的各項屬性如顏色、氣味、數量及布置進行調查；在受訪者對的滿意度為負值時，對植物的各項屬性的期望進行調查，最后對植物環(huán)境配置喜好及愉悅屬性進行調查。

2 結果與討論

2.1 熱舒適水平

植物能有效調節(jié)室外局部的熱濕環(huán)境，影響風環(huán)境，從而影響人體的熱舒適水平及其他的主觀感覺。圖2所示為人體對植物環(huán)境及對比環(huán)境的主觀熱感覺調查結果，其中包括熱舒適水平、熱感覺、濕度感覺及風速感覺。

圖2 人體在不同環(huán)境中的主觀感覺評價Fig.2 Subjective evaluation of vegetation environment

其中熱舒適水平的評分從低到高分為4級，分別為非常不舒適(-2)、不舒適(-1)、舒適(1)及非常舒適(2)。從圖2可見：與沒有植物的對比環(huán)境相比，人體的整體熱舒適水平得到顯著提高，其中竹林環(huán)境下人體的熱舒適水平最高。熱感覺從冷(-3)到熱(3)分為7級，其中當評分為0時，人體感覺溫度適中，不冷不熱。從圖2可見：在室外溫度為20 ℃左右、有太陽輻射且服裝熱阻在0.14 m2·K/W時，受試者普遍感覺偏熱。除去櫻花林樣地由于受人員活動干擾之外，相比對比工況，植物環(huán)境下人體的熱感覺更偏向適中。濕度的評分從濕(-2)到干(2)共分為5級，評分為0時為人體感覺不干不濕。在植物環(huán)境中，人體的濕度評分普遍感覺濕度略微偏大，而在對比環(huán)境中感覺皮膚較干。不同植物環(huán)境對室外風速場的影響不盡相同，有較大樹葉較多的植物如喬木，竹林內能有效減低室外的風速，防止產生吹風感。

2.2 環(huán)境滿意度

不同測試地點的滿意度均值對比如圖3所示，無植物環(huán)境的滿意度得分為0。

與沒有植物的環(huán)境相比，有植物環(huán)境的總體滿意度均得到提高，其中人們對郁金香花展的總體滿意度是最高的。從不同植物屬性的滿意度來看，竹林的顏色滿意度是最高的，郁金香的氣味滿意度最高；而對于數量、大小、布置3項來說，人們的滿意度普遍不高，除對郁金香的大小滿意度較高之外，其余的滿意度均值基本上在1以下，表明這3項不滿意的人相對較多，是改進植物環(huán)境時需要重點關注的部分。綜合來看，顏色及氣味對總體的貢獻率明顯比其他3項的高，說明人們對顏色及氣味比較敏感，因此，顏色和氣味最能有效地提高人們對植物環(huán)境的滿意度。

圖3 不同地點的平均滿意率對比Fig.3 Average satisfaction rate in different places

2.3 環(huán)境期望

調查過程中針對于受訪者選擇不滿意的情況進行植物期望調查，即如果受訪者不滿意當前的植物環(huán)境，希望在哪些方面對植物環(huán)境進行改善。

在不同的植物環(huán)境下，受訪者對于植物的期望是不同的。在不同地點均存在20%～30%的受訪者希望顏色改變。對于氣味的期望普遍偏低，最高的不到20%，由于所選植物的氣味均并不顯著，均為淡香或者是無香的植物，而且植物的氣味受季節(jié)的影響，不同季節(jié)的不同植物氣味濃度不同；另從心理學角度來看，由于對植物的基本認識與了解，如受試者基本接受綠色草坪是沒有香味的，容易忽視氣味對環(huán)境的影響作用，因此，受試者心理上對氣味的期望值不高。圖4所示為受試者對植物環(huán)境期望的調查結果。在郁金香環(huán)境中，期望植物數量改變的較多(超過40%)，同樣在綠草坪、櫻花林和喬木林環(huán)境中對植物數量的期望百分比也比較高，人們對于植物數量的期望是需要重點考慮的；在竹林環(huán)境中，人們對單株植物覆蓋面積的期望較高(近40%)，這是由于單株竹木的覆蓋面積沒有達到受訪者普遍期望造成的。其余調查地點的期望值也在20%～30%之間。綜上所述，在大部分調查情況下，受試人員對于數量的期望最為顯著，其次是對于單株植物覆蓋面積和植物顏色的期望，而對植物氣味的期望是其中最不顯著的。

圖4 植物環(huán)境期望調查Fig.4 Expectation of vegetation in different environment

對環(huán)境期望的具體分布如表3所示。對于顏色期望來說，在5個調查地點，大部分期望均集中在“更多色彩”，其次是期望植物的顏色變得更綠，說明多數的受訪者更加偏向于多色彩和深綠的植物環(huán)境。對于氣味的期望就比較分散，受訪者在這一問題上對于不同期望(氣味變濃或變淡)呈現比較均衡的態(tài)勢。對于氣味來說，受試者對氣味的期望較為離散化。而對于植物的數量期望，期望數量增加的受訪者遠遠多于希望數量減少的受訪者人數；而期望單株植物覆蓋面積增加的受訪者也明顯多于減小的人數，這說明受試者一般期望單株植物面積較大、數量較多的植物環(huán)境。

表3 植物期望分布Table3 Distribution of vegetation expectations %

2.4 植物配置及愉悅屬性

針對不同的植物配置形式進行研究，47%的受訪者偏愛花草園的植物配置形式，其次是綠籬草坪和灌木叢，喜歡喬木林的受訪者比例最少。在調查植物的哪種屬性能讓受訪者有愉悅感中，58%的受訪者選擇顏色，其次是層次感，再次是大小，而選擇植物數量和氣味的受訪者不到10%。從主觀角度來說，植物的顏色最能引起人體的愉悅感，其次是層次感。

圖5 植物配置偏好(a)及愉悅特性分析(b)Fig.5 Evaluation of vegetation configuration (a)and joyful characteristics (b)

2.5 生理參數

在現場實驗時測試人體的部分生理參數，其中包括腦電(EEG)、心電(ECG)及血氧飽和度。已有的研究表明：生理參數的變化能反映人體在當前環(huán)境的舒適程度以及相應的生理狀態(tài)[18-19]。其中，腦電波的變化能很靈敏地表現人體的神經活動狀態(tài)，從而獲得人體在當前環(huán)境的舒適程度。腦電波依據頻率的高低可以分為4個波段：β，α，θ及δ。不同頻率的腦電波所占的比例反映人體所處的精神狀態(tài)。不同環(huán)境下人體腦電波中的不同波段的功率比如圖6所示。在郁金香工況下，β波功率所占比例是最高的，而δ波功率所占比例是最低的。這表明在郁金香工況下，人體比較興奮而且思維比較清晰，說明對當前的環(huán)境比較滿意，能夠帶來較強烈的愉悅感。但腦電波的變化受到多種因素的共同影響，周圍環(huán)境的微小變化或者受試者心理狀態(tài)的起伏可能造成較大的腦電波動。而在綠草坪和櫻花林測試時，由于周圍環(huán)境人流量較大，對人體腦電產生的影響較多，因此，與對比工況的差別不大。

圖6 不同環(huán)境下腦電波各波段功率比分布Fig.6 Global relative EEG power of different bands under different environments

心電的變化也是反映人體生理狀態(tài)的1個重要參數，心率用心臟的每分鐘跳動次數來衡量。每次心跳周期持續(xù)時間的差別稱為心率變異性。受交感神經和迷走神經共同控制，人在不同的環(huán)境下，心率變異性的值會發(fā)生一定的變化，數據分析時采用心率的低、高頻比(LF/HF)來反映心率變異性的差別。心率及心率變異性平均值的變化如圖7所示。從圖7可見：心率的變化受人體內在和外在因素的多重影響，在櫻花林工況下，人體的心率最高，可能與在櫻花林中人體的活動強度較高有關，與對比工況相比，當人們處于郁金香花叢及綠色草坪環(huán)境下時，人體的心率要略低。

圖7 不同環(huán)境下心率及心率變異性的變化Fig.7 Variation of heart rate variability and heart rate under different vegetation environments

當人體處于較為舒適的狀態(tài)時心率變異性接近于1，人體心臟活動處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)[18]。從圖7可見：與沒有植物的工況相比，有植物的環(huán)境下人體心臟活動較平穩(wěn)，人體處于較舒適放松的狀態(tài)。

對主觀問卷和客觀生理參數之間的相關性進行分析，得出LF/HF與環(huán)境滿意度顯著負相關(p=0.05)；LF/HF越高，對環(huán)境的滿意程度就越低。其他參數的相關性不強。LF/HF與環(huán)境總體滿意度、氣味滿意度及數量滿意度顯著相關，LF/HF的變化能在一定程度上反映環(huán)境滿意度，LF/HF越高，對環(huán)境的滿意度就越低。而植物的氣味和數量是影響LF/HF的重要因素，當人體處于較舒適的狀態(tài)下，人體的LF/HF也較低。在不同的植物環(huán)境工況下，心率變異性較低，說明人處于植物環(huán)境下較舒適和放松，這與植物環(huán)境的滿意度比無植物環(huán)境的滿意度高是一致的。其他生理參數也有一定的參考價值，如在郁金香工況下，受試者主觀的總體滿意度最高?？陀^的腦電波功率比也表明，人的思維處于較為興奮而比較清醒的狀態(tài)，人體心理上較為舒適?？傮w上，郁金香工況下人體的舒適度及滿意度均較高。

環(huán)境滿意度是人體對環(huán)境的心理反映，而生理參數則反映人體為適應環(huán)境在生理上產生的變化。人體在環(huán)境中心理與生理的變化具有一定相關性。但人體生理參數是人體對外界環(huán)境變化的直接反映，相對比較敏感，容易受到其他因素的干擾作用，在研究中應盡量排除干擾因素，并就實際情況進行合理分析和解釋，今后可以作為評估人體在不同環(huán)境下滿意度及舒適感的重要手段。

3 結論

(1)通過問卷調查及生理參數測試，從主觀和客觀的角度分析植物對人體舒適性和環(huán)境滿意度的影響，其中不同植物屬性作用的程度是不同的：植物的顏色和氣味更能影響人體的舒適性和對環(huán)境的滿意度。環(huán)境期望調查表明：多色彩和大數量的植物環(huán)境受歡迎程度較高，受試者對花草園這種植物配置偏愛程度最高，植物的顏色是影響人體舒適性和滿意度的最主要因素。

(2)與沒有植物的環(huán)境相比，受試者對有植物環(huán)境的總體滿意度得到顯著提高，其中顏色和氣味最能有效地提高人們對植物環(huán)境的整體滿意度。人體的整體熱舒適水平得到了顯著提高，其中竹林環(huán)境下人體的熱舒適水平最高，喬木林和竹林的風環(huán)境較為適宜。

(3)不同植物環(huán)境下的受訪者對植物環(huán)境的期望不同。受試者對植物顏色期望大部分集中在“更多色彩”，在實驗中植物氣味濃度不高，因而，大多數受試者對于氣味的期望普遍偏低，期望植物數量增加的人數最多。針對不同的植物配置形式進行研究，47%的受訪者偏愛花草園的植物配置形式，58%的受訪者選擇顏色作為產生環(huán)境愉悅感的第一因素，其次是層次感和單株植物覆蓋面積的大小。

(4)生理參數中心率變異性與環(huán)境滿意度的相關性最強，因此，可考慮作為評價室外植物環(huán)境滿意度的1個參考指標。其他生理參數能從一定程度上反映人體在當前環(huán)境的舒適狀態(tài)，但還存在一定的局限性。

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