冷寒冰，胡永红，周鑫，刘蔚巍，孙婵娟，连之伟

(1.上海植物园 上海城市植物资源开发应用工程技术研究中心，上海，200231；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海，200240；3.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

城市生态问题日益突出，热岛效应愈发明显，如何营造一个舒适健康的城市环境成为社会关注的热点问题。植物能改善局部微气候[1-2]，改善空气品质，影响人体对环境的满意度及舒适感[3-5]，是城镇居住区景观绿化与热岛效应改善研究中不可忽视的重要组成部分。植物对人体心理及生理的影响作用是多方面的，而且不同种类、不同配置的植物具有不同的改善功能[6-8]。如何营造植物环境，使人体具有最佳的舒适感和满意度，以及植物的何种属性能最大程度影响人的舒适度及环境满意度是研究中面临的主要问题。现有的研究中理论分析和数值模拟较多[9-11]，采用基于物理参数(温、湿度及风速)的人体舒适研究较多[12-14]。这些方法主要通过监测客观环境参数判断当前环境下人体的舒适度，而基于真实人体的实验研究少，较少涉及人体的主观差异性，没有植物环境导致人体生理反应相关方面的研究，缺乏说服力。但是，在真实环境中，人体的舒适感受多种主客观因素的共同影响，即使在相同的环境下人体的舒适程度也会有较大的差别[15-16]。通过生理参数(如心电，脑电和呼吸率等)的测试能更加深入地反映人体的舒适机理[17-19]，从而得出人体当前的舒适状态。本研究采用主观评价结合客观生理参数测量与分析的方法，通过现场实验的方式，测试人体的各种生理参数，直接得到不同室外植物环境对人体的舒适程度的影响，确定植物属性对人体对环境的接受程度及满意度的影响，为基于人体满意度的植物环境的营造及室外人体舒适度评价提供理论支持。

1 研究方法

研究样地所在的上海市( 31°14″N, 121°29″E)地处北亚热带北缘，属北亚热带季风性气候，气候温和湿润，春秋较短，冬夏较长，冬冷夏热，四季分明，降水充沛，日照较多。全年平均气温15.8 ℃，1月最冷为3.6 ℃，7月最热为27.8 ℃，年日照时间约2 000 h。上海市城区面积大、人口密集，其气候具有明显的城市热岛效应[13]。

研究样点位于上海植物园。该园坐落在上海市徐汇区，占地面积81.86 km2，全园种植乔灌木8.87万株，园内有草坪8.27×104m2，花坛1 117 m2，其中樱花区是上海樱花种植最为集中的区域。实验的时间为2011-04-04—2011-04-06，大部分植物处于正常生长期，实验期间上海植物园正在举行春季花展活动，花展内容包括郁金香、樱花等多种花卉植物。

在上海植物园中选取4个有代表性的地点开展实验，分别为：郁金香花展区、绿色草坪、樱花林以及对比工况(无植物)。另外，还在竹林及乔木林区域进行单独的问卷调查，测试及调查地点的各项属性如表1所示。研究样地的选取既考虑到现实状况(如绿草坪，乔木林和竹林等)，又考虑具有某种突出属性的植物，如具有多种色彩的郁金香及只有花朵的樱花林等，总体上选取植物时考虑颜色、气味、大小的差异性，植物配置上高低有致，研究样地具有较好的现实意义和应用价值。

表1 测试及调查样地的植物分布Table1 Distribution of vegetation in experiment places

通过参与式主观问卷调查结合客观生理参数的方式进行研究。主观问卷中包含的内容有基本热环境调查、植物环境满意度及期望调查、植物配置及特性偏好调查。其中，基本热环境调查主要调查人们对当前环境的温度、湿度及风速的感觉，通过对植物环境满意度及期望的调查，得出植物的各种属性如颜色、气味、数量、大小等对整体环境满意度的影响程度。通过植物配置及特性偏好调查，得出不同植物配置的受欢迎程度，以及植物的各种特性与人体愉悦感的关系等内容。实验中选取3项生理参数即脑电波，心电及血氧饱和度进行测量，通过生理参数的变化分析从侧面反映人体的舒适状态。

实验中对64位不同年龄性别的游客生理参数进行测试，共收集有效问卷240份。不论是进行问卷调查的人员(受访者)还是生理参数的测试人员(受试者)，其年龄分布基本符合中国人口年龄分布比例：中青年(15～64岁)的比例约为74%，儿童偏少，老年人略有偏多；男女的比例为1:1左右。问卷调查中受试者的平均居住时间约为20 a，最短居住时间超过0.5 a。由于是初春时节，受试者一般着棉外套和毛衣，平均服装热阻约为0.14 m2·K/W。对于接受测试的游客，要求其心理身体基本健康，无心血管疾病，测试前1 h无剧烈运动。以上数据表明：对调查对象的选取是合理可靠的，具有较强的代表性和参考价值。

为保证测试期间的背景条件保持基本一致，在实验过程中对下列环境参数进行监测：温度、湿度、风速和噪声水平。在实验过程中检测的环境参数(均为天平均值)如表2所示。

表2 测试过程中的环境参数Table2 Environment parameters during the experiment

从表2可知：温度、湿度、风速均在人体舒适范围之内，平均噪声水平基本一致。总体上环境参数的变化不大，对人体热舒适度的影响不明显。

对于环境的满意度采用4级标尺，如图2所示。在满意度调查中采用4级标准对被调查的内容进行评分，依据满意程度的递减其对应的评分为2，1，-1和-2，满意为正值，不满意则为负值。为避免模糊地带问题，不设为得分为0的中间值，最终计算得出各项满意度平均得分。

图1 满意度调查标尺Fig.1 Satisfaction evaluation chart

在进行问卷调查时，为能准确知道植物属性和人体舒适感觉的关系，从以下的一些方面调查受访者的满意度：首先调查对植物环境的总体满意度，其次是对植物的各项属性如颜色、气味、数量及布置进行调查；在受访者对的满意度为负值时，对植物的各项属性的期望进行调查，最后对植物环境配置喜好及愉悦属性进行调查。

2 结果与讨论

2.1 热舒适水平

植物能有效调节室外局部的热湿环境，影响风环境，从而影响人体的热舒适水平及其他的主观感觉。图2所示为人体对植物环境及对比环境的主观热感觉调查结果，其中包括热舒适水平、热感觉、湿度感觉及风速感觉。

图2 人体在不同环境中的主观感觉评价Fig.2 Subjective evaluation of vegetation environment

其中热舒适水平的评分从低到高分为4级，分别为非常不舒适(-2)、不舒适(-1)、舒适(1)及非常舒适(2)。从图2可见：与没有植物的对比环境相比，人体的整体热舒适水平得到显著提高，其中竹林环境下人体的热舒适水平最高。热感觉从冷(-3)到热(3)分为7级，其中当评分为0时，人体感觉温度适中，不冷不热。从图2可见：在室外温度为20 ℃左右、有太阳辐射且服装热阻在0.14 m2·K/W时，受试者普遍感觉偏热。除去樱花林样地由于受人员活动干扰之外，相比对比工况，植物环境下人体的热感觉更偏向适中。湿度的评分从湿(-2)到干(2)共分为5级，评分为0时为人体感觉不干不湿。在植物环境中，人体的湿度评分普遍感觉湿度略微偏大，而在对比环境中感觉皮肤较干。不同植物环境对室外风速场的影响不尽相同，有较大树叶较多的植物如乔木，竹林内能有效减低室外的风速，防止产生吹风感。

2.2 环境满意度

不同测试地点的满意度均值对比如图3所示，无植物环境的满意度得分为0。

与没有植物的环境相比，有植物环境的总体满意度均得到提高，其中人们对郁金香花展的总体满意度是最高的。从不同植物属性的满意度来看，竹林的颜色满意度是最高的，郁金香的气味满意度最高；而对于数量、大小、布置3项来说，人们的满意度普遍不高，除对郁金香的大小满意度较高之外，其余的满意度均值基本上在1以下，表明这3项不满意的人相对较多，是改进植物环境时需要重点关注的部分。综合来看，颜色及气味对总体的贡献率明显比其他3项的高，说明人们对颜色及气味比较敏感，因此，颜色和气味最能有效地提高人们对植物环境的满意度。

图3 不同地点的平均满意率对比Fig.3 Average satisfaction rate in different places

2.3 环境期望

调查过程中针对于受访者选择不满意的情况进行植物期望调查，即如果受访者不满意当前的植物环境，希望在哪些方面对植物环境进行改善。

在不同的植物环境下，受访者对于植物的期望是不同的。在不同地点均存在20%～30%的受访者希望颜色改变。对于气味的期望普遍偏低，最高的不到20%，由于所选植物的气味均并不显著，均为淡香或者是无香的植物，而且植物的气味受季节的影响，不同季节的不同植物气味浓度不同；另从心理学角度来看，由于对植物的基本认识与了解，如受试者基本接受绿色草坪是没有香味的，容易忽视气味对环境的影响作用，因此，受试者心理上对气味的期望值不高。图4所示为受试者对植物环境期望的调查结果。在郁金香环境中，期望植物数量改变的较多(超过40%)，同样在绿草坪、樱花林和乔木林环境中对植物数量的期望百分比也比较高，人们对于植物数量的期望是需要重点考虑的；在竹林环境中，人们对单株植物覆盖面积的期望较高(近40%)，这是由于单株竹木的覆盖面积没有达到受访者普遍期望造成的。其余调查地点的期望值也在20%～30%之间。综上所述，在大部分调查情况下，受试人员对于数量的期望最为显著，其次是对于单株植物覆盖面积和植物颜色的期望，而对植物气味的期望是其中最不显著的。

图4 植物环境期望调查Fig.4 Expectation of vegetation in different environment

对环境期望的具体分布如表3所示。对于颜色期望来说，在5个调查地点，大部分期望均集中在“更多色彩”，其次是期望植物的颜色变得更绿，说明多数的受访者更加偏向于多色彩和深绿的植物环境。对于气味的期望就比较分散，受访者在这一问题上对于不同期望(气味变浓或变淡)呈现比较均衡的态势。对于气味来说，受试者对气味的期望较为离散化。而对于植物的数量期望，期望数量增加的受访者远远多于希望数量减少的受访者人数；而期望单株植物覆盖面积增加的受访者也明显多于减小的人数，这说明受试者一般期望单株植物面积较大、数量较多的植物环境。

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

2.4 植物配置及愉悦属性

针对不同的植物配置形式进行研究，47%的受访者偏爱花草园的植物配置形式，其次是绿篱草坪和灌木丛，喜欢乔木林的受访者比例最少。在调查植物的哪种属性能让受访者有愉悦感中，58%的受访者选择颜色，其次是层次感，再次是大小，而选择植物数量和气味的受访者不到10%。从主观角度来说，植物的颜色最能引起人体的愉悦感，其次是层次感。

图5 植物配置偏好(a)及愉悦特性分析(b)Fig.5 Evaluation of vegetation configuration (a)and joyful characteristics (b)

2.5 生理参数

在现场实验时测试人体的部分生理参数，其中包括脑电(EEG)、心电(ECG)及血氧饱和度。已有的研究表明：生理参数的变化能反映人体在当前环境的舒适程度以及相应的生理状态[18-19]。其中，脑电波的变化能很灵敏地表现人体的神经活动状态，从而获得人体在当前环境的舒适程度。脑电波依据频率的高低可以分为4个波段：β，α，θ及δ。不同频率的脑电波所占的比例反映人体所处的精神状态。不同环境下人体脑电波中的不同波段的功率比如图6所示。在郁金香工况下，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。这表明在郁金香工况下，人体比较兴奋而且思维比较清晰，说明对当前的环境比较满意，能够带来较强烈的愉悦感。但脑电波的变化受到多种因素的共同影响，周围环境的微小变化或者受试者心理状态的起伏可能造成较大的脑电波动。而在绿草坪和樱花林测试时，由于周围环境人流量较大，对人体脑电产生的影响较多，因此，与对比工况的差别不大。

图6 不同环境下脑电波各波段功率比分布Fig.6 Global relative EEG power of different bands under different environments

心电的变化也是反映人体生理状态的1个重要参数，心率用心脏的每分钟跳动次数来衡量。每次心跳周期持续时间的差别称为心率变异性。受交感神经和迷走神经共同控制，人在不同的环境下，心率变异性的值会发生一定的变化，数据分析时采用心率的低、高频比(LF/HF)来反映心率变异性的差别。心率及心率变异性平均值的变化如图7所示。从图7可见：心率的变化受人体内在和外在因素的多重影响，在樱花林工况下，人体的心率最高，可能与在樱花林中人体的活动强度较高有关，与对比工况相比，当人们处于郁金香花丛及绿色草坪环境下时，人体的心率要略低。

图7 不同环境下心率及心率变异性的变化Fig.7 Variation of heart rate variability and heart rate under different vegetation environments

当人体处于较为舒适的状态时心率变异性接近于1，人体心脏活动处于较为平稳的状态[18]。从图7可见：与没有植物的工况相比，有植物的环境下人体心脏活动较平稳，人体处于较舒适放松的状态。

对主观问卷和客观生理参数之间的相关性进行分析，得出LF/HF与环境满意度显著负相关(p=0.05)；LF/HF越高，对环境的满意程度就越低。其他参数的相关性不强。LF/HF与环境总体满意度、气味满意度及数量满意度显著相关，LF/HF的变化能在一定程度上反映环境满意度，LF/HF越高，对环境的满意度就越低。而植物的气味和数量是影响LF/HF的重要因素，当人体处于较舒适的状态下，人体的LF/HF也较低。在不同的植物环境工况下，心率变异性较低，说明人处于植物环境下较舒适和放松，这与植物环境的满意度比无植物环境的满意度高是一致的。其他生理参数也有一定的参考价值，如在郁金香工况下，受试者主观的总体满意度最高。客观的脑电波功率比也表明，人的思维处于较为兴奋而比较清醒的状态，人体心理上较为舒适。总体上，郁金香工况下人体的舒适度及满意度均较高。

环境满意度是人体对环境的心理反映，而生理参数则反映人体为适应环境在生理上产生的变化。人体在环境中心理与生理的变化具有一定相关性。但人体生理参数是人体对外界环境变化的直接反映，相对比较敏感，容易受到其他因素的干扰作用，在研究中应尽量排除干扰因素，并就实际情况进行合理分析和解释，今后可以作为评估人体在不同环境下满意度及舒适感的重要手段。

3 结论

(1)通过问卷调查及生理参数测试，从主观和客观的角度分析植物对人体舒适性和环境满意度的影响，其中不同植物属性作用的程度是不同的：植物的颜色和气味更能影响人体的舒适性和对环境的满意度。环境期望调查表明：多色彩和大数量的植物环境受欢迎程度较高，受试者对花草园这种植物配置偏爱程度最高，植物的颜色是影响人体舒适性和满意度的最主要因素。

(2)与没有植物的环境相比，受试者对有植物环境的总体满意度得到显著提高，其中颜色和气味最能有效地提高人们对植物环境的整体满意度。人体的整体热舒适水平得到了显著提高，其中竹林环境下人体的热舒适水平最高，乔木林和竹林的风环境较为适宜。

(3)不同植物环境下的受访者对植物环境的期望不同。受试者对植物颜色期望大部分集中在“更多色彩”，在实验中植物气味浓度不高，因而，大多数受试者对于气味的期望普遍偏低，期望植物数量增加的人数最多。针对不同的植物配置形式进行研究，47%的受访者偏爱花草园的植物配置形式，58%的受访者选择颜色作为产生环境愉悦感的第一因素，其次是层次感和单株植物覆盖面积的大小。

(4)生理参数中心率变异性与环境满意度的相关性最强，因此，可考虑作为评价室外植物环境满意度的1个参考指标。其他生理参数能从一定程度上反映人体在当前环境的舒适状态，但还存在一定的局限性。

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