高校綠地景觀自然度對人體生理和心理指標的影響*

高雅玲 黃 河 葉 菁 李治慧 鄭郁善

1 福建農林大學園林學院 福州 350002 2 福建農林大學金山學院 福州 350002

作為國家建設發展的主力軍，大學生是國家的未來和希望，其健康水平是國民健康的重要組成部分[1]。綠色景觀能夠促進人體釋放壓力，恢復注意力[2]，如何營造健康校園環境已成為研究熱點。既有校園景觀相關研究集中在生態環境、美學質量、活動行為和景觀偏好等方面[3-4]，校園健康景觀建設尚未形成完整體系。空間環境的自然程度與人身心健康呈正相關[5]，有學者對教室窗景綠化水平[6-7]、校園綠色空間環境特征[8]對健康影響差異性進行研究，但關于綠地景觀自然度與健康關系則較少。關于研究方法，虛擬現實場景能有效控制研究變量、降低干擾、提供真實的沉浸式環境體驗[9]，而虛擬自然場景對被試者的生理、心理具有積極影響[10]，且影響效果與真實自然環境相近[11]。

因此，本文選取高校綠地景觀作為研究對象，構建不同自然度的虛擬現實場景，旨在探討不同自然度綠地景觀對大學生生理、心理恢復的影響，推動校園恢復性空間的營造與改善。

1 研究設計

試驗于2020年9—10月，在福建農林大學園林學院人因工程實驗室進行。試驗前依據研究目標，使用SketchUp、Enscap等軟件進行場景建模、渲染，并導出可執行文件作為試驗樣本，在試驗中進行播放。通過網絡招募在校大學生參與試驗。試驗使用Ergo LAB可穿戴生理多導儀(北京津發科技儀器有限公司)、HTC Vive虛擬現實頭盔及Ergo LAB人機環境測試云平臺系統搭建虛擬現實試驗平臺。被試者需要按照試驗流程，佩戴VR頭盔和生理指標測量設備進行場景體驗，同時完成相關評價指標的測定等。將收集到的生理、心理指標數據進行分析，研究不同自然度綠地景觀對被試者生理、心理恢復的影響。

1.1 試驗樣本設定

試驗選擇高校教學樓中庭作為虛擬現實場景模型設計藍本，依據綠地景觀造景元素的自然程度，分為非自然元素、仿自然元素、自然元素。應用這些景觀元素進行虛擬現實場景設計，依據場景中造景元素的自然程度及數量衡量場景自然度，即造景元素越自然，且數量越多，則該場景自然度高。本研究設計4個自然度的場景作為試驗樣本，分別為非自然環境(Y1)以及3個親自然環境(Y2、Y3、Y4)(表1)。

表1 虛擬現實場景分類及特征描述

1.2 評價指標

1.2.1 生理指標

試驗測量的生理指標包括心率(Heart Rate，HR)、心 率 變 異 性(Heart Rate Variability，HRV)、皮 膚 導 電 率(Skin Conductance Level，SCL，簡稱皮電)、血壓(Blood Pressure，BP)，其中血壓包括舒張壓(Diastolic Blood Pressure，DBP)和收縮壓(Systolic Blood Pressure，SBP)(表2)。

表2 生理指標基本意義及測量設備

1.2.2 心理指標

使用簡短版的狀態焦慮量表(State-Trait Anxiety Inventory，S-AI)衡量焦慮水平。簡短版S-AI量表由6個問題組成，其中半數為描述正面情緒，半數為描述負面情緒，主要用于評定被試者即刻或最近某一特定時間的體驗或感受(表3)。簡短版S-AI量表通過測試已驗證其跟包括20個問題的完整版S-AI量表具有同樣的效果[12]。S-AI采用4點評分法，即，1＝完全沒有，2＝有些，3＝中等程度，4＝非常明顯，其中3項為反向計分，分值高反映了被試者的焦慮程度高。

表3 簡短版狀態焦慮量表內容

1.3 試驗設計

1)被試者的選擇。被試者要求健康狀況良好，沒有慢性病、無吸煙、近期未服用藥物，在試驗前一天不能飲酒、咖啡等，保證充足的睡眠，對VR體驗無強烈不適感。通過網絡招募145名大學生參與試驗。

2)試驗流程。試驗前告知試驗流程(圖1)，填寫相關信息。在實驗員協助下佩戴設備，被試者有5 min時間熟悉并適應設備，待測試無誤后開始試驗，全程記錄生理數據。被試者靜坐休息3 min，記錄基線生理測量值。在有交通、機器和師生交流等噪音干擾下，完成2項壓力誘導任務，即1 min記憶任務和2 min算術任務[13]，記錄施壓階段生理測量值。被試者完成施壓后進行血壓測量，并填寫S-AI量表，作為施壓后血壓和焦慮度。之后隨機選擇一個場景，進行5 min體驗(相關研究表明5 min體驗足夠產生較完整恢復效應[14-15])，記錄恢復階段生理測量值。VR體驗結束后，再次測量被試者的血壓和填寫S-AI量表，并完成相關訪談，單次試驗時間約29 min。

圖1 試驗流程

1.4 數據分析

試驗收集生理和心理2部分數據。心率、心率變異性、皮電數據經過Ergo LAB軟件記錄處理后導出表格數據；血壓數據和心理數據(焦慮度)由實驗員錄入表格。對試驗數據(生理、心理)進行整理，剔除異常數據。最終有效樣本為141人(男生63人、女生78人)，每個試驗樣本數據大于30人(生理、心理實驗中30人被認為是大樣本數據)。將每個被試者作為主體和隨機截距，以控制被試者個體的隨機誤差。將各樣本和時間作為自變量，心率、心率變異性、皮膚導電率值作為模型響應變量，構建混合效應模型[16]，分析被試者的心率、心率變異性、皮膚導電率在5 min恢復過程。將血壓、焦慮度作為響應變量，不同樣本為自變量，構建一般線性模型[16]，分析血壓、焦慮度恢復前后分值差異性。

2 結果與分析

2.1 生理指標分析

2.1.1 綠地景觀對生理指標影響

表4和圖2顯示了4個樣本生理指標在基線、施壓、恢復3個階段共11 min的均值和中位數的總體變化情況。從均值和中位數上看，被試者的生理壓力呈現低—高—低的變化，表明被試者在體驗完綠地景觀后壓力得到緩解。

圖2 被試者體驗4個樣本的生理特征

表4 被試者生理指標在基線、施壓、恢復階段的總體測量結果

2.1.2 綠地景觀自然度對生理指標的影響差異性

表5顯示了被試者在4個樣本中各指標恢復均值情況，不同樣本中各指標均有所恢復。利用混合效應模型對被試者的心率、心率變異性、皮膚導電率3個指標恢復值數據進行分析(表5)發現，心率恢復值為1.45～2.45次/min，心率變異性恢復值在2.52～6.91 ms，皮膚導電率恢復值在0.41～1.66 μS。利用一般線性模型對被試者的血壓(收縮壓、舒張壓)恢復值數據進行分析，結果(表5)發現，收縮壓恢復值為1.40～5.66 mmHg，舒張壓恢復值為0.40～5.00 mmHg。

表5 4個樣本環境中被試者在恢復前后的差異估算結果

將樣本Y2，Y3，Y4與Y1進行比較，結果發現(表6):Y2，Y3，Y4環境下的心率恢復值比Y1分別多0.37，0.64，1.00；心率變異性恢復值分別多2.71，2.90，4.39；皮膚導電率恢復值分別多0.36，1.25，1.23；收縮壓值恢復值分別多降低1.63，2.12，4.26；舒張壓值分別多降低0.42，2.18，4.60。Y3，Y4環境相比Y1環境中被試者的心率、心率變異性、皮膚導電率3個指標具有顯著差異，而Y2相比Y1僅在心率變異性上有顯著差異，其他指標上差異并不顯著。

表6 HR、HRV、SCL、SBP、DBP恢復值差異比較結果

將Y2，Y3，Y4進一步兩兩比較，結果發現:3種親自然環境環境中心率差值僅Y2與Y4有顯著差異(P＜0.05)，即Y4比Y2有更好的壓力緩解效果，恢復大小為Y4＞Y3＞Y2＞Y1；3種親自然環境中心率變異性差值Y2，Y3均與Y4有顯著差異，而Y2與Y3之間無顯著差異，即Y4親自然環境比Y2，Y3在心率變異性指標上有顯著的恢復效果，恢復大小為Y4＞Y3＞Y2＞Y1；3種親自然環境中皮膚導電率恢復差值Y2相比Y3與Y4有顯著差異性，但Y3與Y4之間恢復差值不顯著，表明相比于Y2，被試者在Y3和Y4親自然環境中有顯著的恢復效果，恢復大小為Y3＞Y4＞Y2＞Y1。血壓指標中被試者的舒張壓在4種環境中無顯著差異(P＞0.05)，但收縮壓在Y4與Y1環境中的被試者表現具有顯著差異(P＞0.05)，且Y4比Y1的收縮壓下降的更多。進一步兩兩對比發現，Y2，Y3，Y4的恢復差值之間無顯著差異(P＞0.05)。收縮壓、舒張壓在4個環境中具有一致性的差異，表現的均值降低量排序為Y4＞Y3＞Y2＞Y1。

2.2 心理指標分析

2.2.1 綠地景觀對心理指標的影響

表7顯示了4個樣本心理指標在施壓、恢復2個階段的均值和中位數變化情況。從均值和中位數上看，被試者的焦慮度降低，被試者在體驗完景觀后心理壓力得到緩解。

表7 被試者心理指標在施壓、恢復階段的總體測量結果

2.2.2 綠地景觀自然度對心理指標的影響差異

利用一般線性模型對被試者心理恢復值數據進行分析，發現4個樣本環境中被試者恢復前后焦慮度均有所降低，均值降低量從多到少為Y4＞Y3＞Y2＞Y1(表8)。

表8 4個樣本中被試者心理恢復值情況

將Y2，Y3，Y4樣本與對Y1樣本進一步比較，表9顯示了心理恢復值在Y2環境中多降低1.20(95% CI:2.38，0.01)、Y3環境中多降低1.94(95% CI:3.10，0.78)、Y4環境中多降低3.23(95% CI:4.40，2.06)。

表9 心理恢復差值比較結果

從表8和表9中可知，被試者的焦慮度在4種環境下有不同程度的降低，且Y2，Y3，Y4比Y1環境中有顯著性降低效果；進一步兩兩對比發現Y2和Y3相比Y4的焦慮恢復值有顯著差異(P＜0.05)，而Y2和Y3之間恢復值無顯著差異。3個量化指標(收縮壓、舒張壓、焦慮度)均表現為恢復后比恢復前(施壓后)有所降低，雖然不同指標不同環境下降低的程度不同，但在各環境中從指標量化均值上看具有一致性，恢復大小(即恢復效果)排序為:Y4＞Y3＞Y2＞Y1。

3 討論

3.1 綠地景觀對生理、心理壓力緩解效益

綠地景觀能夠緩解大學生的生理、心理壓力，促進身心健康，這與前人相關研究結果一致[8，17]。生理指標顯著變化表明被試者在體驗完綠地景觀后，生理壓力得到緩解。圖2中的生理指標心率、心率變異性、皮膚導電率的11 min實驗顯示，在5 min的恢復過程中前3 min(即全過程的第7、8、9 min)壓力水平得到迅速恢復；后2 min較為平穩，甚至在最后1 min個別指標壓力水平回升的跡象，表明在一定即時壓力水平下(即為施壓狀態的壓力特征)恢復需要3～5 min。該結果與Yin等[16]研究較為一致。另外，皮膚導電率水平都未恢復到基線水平，表明在5 min時間內交感神經仍處在活躍水平，可能需要更多的時間來調整交感神經。心理指標變化顯示被試者在體驗完綠地景觀后，焦慮度呈現不同程度的降低。

3.2 不同自然度綠地景觀對生理、心理影響差異

研究發現仿自然、自然、仿自然與自然混合元素組成的3個不同自然度綠地景觀對生理、心理壓力緩解存在差異。仿自然與自然混合元素構成的綠地景觀均優于純自然元素環境和仿自然元素環境，這種情況可能與景觀的一致性、復雜性、吸引性有關[18]。Herzog等[19]研究發現復雜性、一致性、吸引性等指標與環境偏好呈正相關。而人們的環境偏好與其在環境中獲得的心理、生理壓力緩解有直接關系[20-21]。因此，在綠地景觀設計中可以設置仿自然的雕塑小品、仿自然圖案的墻面裝飾等提高景觀的自然度和一致性、復雜性、吸引力，有利于人們的身心健康。純自然環境比仿自然環境有更好的恢復效益，這與仿自然元素的材質、質感、光澤等給人們的視覺和感受有關，另外試驗中仿生材質具有高度的一致性和低復雜度特征，這兩方面容易引起人們的枯燥與乏味。相對地，自然元素環境能更好地符合心境，讓被試者接受和認同，由此中庭純自然元素的環境可能獲得更多的壓力緩解效果。

3.3 虛擬自然景觀對生理、心理反饋的影響

研究進一步證實虛擬自然景觀對生理、心理健康具有促進作用。Yin等[15]研究表明，在虛擬現實場景中，被試者的血壓、心率、皮膚導電率、情緒水平和認知能力同真實場景高度相似。Heydarian等[22]研究顯示被試者在虛擬現實場景中的生理、心理、行為反饋均與真實場景中的反應相近。虛擬自然景觀的療愈效果，也促進了其在療愈領域的推廣應用。本文構建4個自然度的虛擬綠地景觀進行試驗，有效控制了研究變量的梯度變化，并減少了試驗過程中的干擾因素，使研究實驗更為科學合理，現代虛擬現實場景代替傳統真實場景為相關研究提供環境條件。

4 結論

1)綠地景觀有益于大學生生理、心理恢復。親自然的環境對生理、心理恢復作用顯著。相比非自然環境中的各項指標均值，親自然環境指標均值中焦慮平均值要低2.12分，收縮壓平均值低2.67mmHg，舒張壓平均值低2.4 mmHg，心率平均值要低0.67次/min，心率變異性高平均值3.3 ms，皮膚導電率平均值低0.95 μS。

2)綠地景觀的自然度與生理、心理恢復成正相關。3個親自然環境中，各指標對比分析表明，仿自然與自然元素混合的親自然環境恢復性最好，純自然環境比仿自然環境恢復性好。無論從均值變化或差異顯著性上看，在自然元素中加入仿自然元素均能有效促進親自然環境對人的心理、生理恢復作用。

3)虛擬自然景觀對生理、心理健康具有促進作用，且對生理、心理的影響同真實環境一致。