城市綠地暴露與人群健康效應研究

吝 濤,曾志偉, 姚 霞, 耿紅凱,余兆武,王 蘭,林美霞,張浚茂,鄭毅誠

1 中國科學院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021

2 中國科學院大學, 北京 100049

3 復旦大學環(huán)境科學與工程系, 上海 200438

4 同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院, 上海 200092

5 寧波諾丁漢大學,寧波 315199

6 廈門市城市環(huán)境智慧管理重點實驗室, 廈門 361021

健康是人類最基本的福祉和需求。影響人類健康的因素有很多,占比各有不同;世界衛(wèi)生組織(WHO)研究發(fā)現,個人行為與生活方式因素對健康的影響達到60%[1]。因此健康人居環(huán)境營造是實現區(qū)域/城市可持續(xù)發(fā)展目標的重要內容和前沿研究領域。聯(lián)合國2015年發(fā)布的可持續(xù)發(fā)展目標(SDGs)第三項就是確保健康的生活方式、促進各年齡段人群的福祉[2],該目標要求不僅要關注個體或者單一群體,還要考慮不同人群。此外,健康的內涵也在不斷擴展,1948年WHO成立伊始就提出了綜合的健康概念:健康不僅為疾病或虛弱之消除,而是體格,精神與社會之完全健康狀態(tài)[3]。完整意義上的健康研究應不僅要考慮生理健康,還要考慮心理和社會健康。因此,城市人群健康研究不僅要考慮人本身的健康,還要考慮人所處的環(huán)境是否有利于促進和保障人群健康。

城市作為人類高密度棲息和活動的主要場所,是實現健康可持續(xù)發(fā)展目標的主要區(qū)域單元,健康城市建設是實現可持續(xù)發(fā)展“良好健康與福祉”目標的重要途徑,然而城市也面臨著來自社會、建筑和自然生態(tài)系統(tǒng)的多重挑戰(zhàn)[4—6]。綠色基礎設施(GI)被認為是一種有效且可持續(xù)的解決城市可持續(xù)發(fā)展問題的新興手段[7—9]。通常,綠色基礎設施被認為是多尺度、多功能生態(tài)要素構成的網絡體系[10],近年來在城市規(guī)劃和建設中得到越來越多的關注[11]。自然解決方案(NbSs)是近年來生態(tài)學應用研究的熱點[12—14],它綜合考慮經濟、環(huán)境和社會效益,引入自然生態(tài)系統(tǒng)服務功能用來修復、恢復甚至提升城市綠色基礎設施水平,進而解決城市面臨的可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)[15]。盡管在概念和應用層面雖然存在一些分歧,但GI 和NbSs其本質都是充分挖掘并利用生態(tài)系統(tǒng)的服務功能,滿足人類福祉和健康需求;兩者在城市依托的主要載體都是城市綠地(空間),或稱為藍綠空間,生態(tài)空間等,即開放的具有自然植被的非人工建筑空間,廣義上包括所有城市內的所有生態(tài)元素:森林、灌木、水體、濕地、草地等[8,16—17]。

綠地作為城市綠色基礎設施和自然解決途徑的主體,在城市為人群提供了多種生態(tài)系統(tǒng)服務,例如,降低環(huán)境溫度[18]、調節(jié)局地氣候[19—20]、減輕空氣污染[21—22]、維持生物多樣性[23—24]等。相較于綠地為城市居民提供的生態(tài)系統(tǒng)服務類型,綠地對于人群生理、心理、社會健康的影響或綠地健康效應近年來受到國內外城市環(huán)境健康、城市規(guī)劃和城市可持續(xù)領域研究的關注。從生理健康層面來看,綠地能夠減少心血管疾病、心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病[25—26]以及肥胖、糖尿病等慢性代謝疾病的風險[27];從心理健康層面來看,綠地能夠改善周邊居民的睡眠質量[28]、緩解壓力[29],降低心理疾病的風險[30]等;從社會健康層面來看,綠地能夠促進城市人群和鄰里的社會聯(lián)系[31],提升居民社會凝聚力[32],重組社會關系[33]等。因此,城市綠地在健康城市和健康社區(qū)營造研究與實踐中正越來越受到重視[34—37]。

根據我國最新的《城市綠地分類標準》CJJ/T85—2017,將城市綠地分為公園綠地、防護綠地、廣場用地、附屬綠地和區(qū)域綠地5大類型[38]。可見,我國綠地建設更多的是依附于城市建設用地的社會經濟功能,對綠地本身作為基礎設施和自然解決途徑的功能應用仍較單薄,尤其是在考慮人與綠地作用關系,發(fā)揮綠地的健康效應方面,仍停留在在利用綠地隔離、緩沖和預防環(huán)境污染對城市人群帶來的健康風險,例如工業(yè)和交通綠地隔離帶設置等。目前國內外城市綠地暴露與人群健康研究仍處在興起的初步發(fā)展狀態(tài),缺乏有效和公認的研究范式,包括暴露特征、量化表征和效應機制等方面的研究方法仍在探索階段。本文針對城市綠地、綠地健康效應以及綠地暴露的前沿研究,試從暴露科學的視角,綜述城市綠地暴露及其健康效應的研究現狀與進展,進而提出現有城市綠地暴露及其人群健康效應研究存在的不足并提出未來的研究展望,以期為指導健康導向的可持續(xù)城市/社區(qū)規(guī)劃與建設提供科學依據與理論支撐。

1 城市綠地暴露及其健康效應研究進展簡述

綠地能夠充分地“暴露”于城市居民之中,是其實現健康效益的基本前提和必要途徑。近年來,在研究城市綠地與人群健康效應時越來越多的學者開始引入并利用“暴露科學”原理和方法進行探索[16,39—41]。暴露評價可以追溯到19世紀職業(yè)安全領域的應用,20世紀七八十年代,隨著人們對環(huán)境污染問題的日益關注,暴露評價開始逐漸應用于環(huán)境健康領域,成為環(huán)境健康風險評估的重要組成部分[42]。“暴露”在環(huán)境風險評價中用來表征化學、物理和生物污染物與人體接觸并被吸收的強度、時間和速度等過程[43]。2012年,美國科學院提出“面向21世紀的暴露科學”,將暴露科學定義為研究人與化學性、物理性、生物性污染物的接觸方式和特征的有關理論和方法的學科,包括暴露濃度的測量方法、人群暴露行為模式、暴露劑量評價模型等內容[42]。在綠色基礎設施和NbSs理念的指導下,城市可持續(xù)發(fā)展研究與實踐已經開始關注并進一步促進人群健康暴露的城市綠色基礎設施建設模式,因此,關注人群健康福祉與綠地空間布局之間關系的城市綠地暴露研究成為城市生態(tài)、城市地理、環(huán)境健康、城市規(guī)劃等多學科交叉解決城市可持續(xù)發(fā)展的前沿熱點[16,34,39,44—45]。

為明晰城市綠地暴露及其健康效應的研究進展,本文采用文獻計量法,對Web of Science 核心數據庫和中國科學引文數據庫,以 “exposure*”or “exposing*” or “expose*” or “exposure science*” or “exposomics*” or “exposome*” and “green space*” and “health*” and “urban*” and “city*”為主題進行檢索(檢索時間為2023年2月21日),共得到311篇學術成果,時間跨度從2006年到2023年;進一步運用CitesSpace(v.6.1R6 Advanced)進行研究主題分析。圖1顯示了以暴露、綠地、健康以及城市為主題的研究領域時區(qū)圖, 從圖1中可以看出,該領域關注的熱點研究尺度發(fā)展路徑為:“景觀”→“城市”→ “地區(qū)”→ “建成環(huán)境”;該領域關注的熱點研究對象發(fā)展路徑為:“環(huán)境”→“綠地”→“城市綠地”→“藍色空間”→“空間”;該領域關注的熱點健康內容發(fā)展路徑為:“體力活動”→“恢復”→“空氣污染”→“健康”→“壓力”→“心理健康”→ “影響”→“福祉”→“顆粒物”→“公共健康”; 該領域關注的熱點暴露程度也從“暴露”發(fā)展成“長期暴露”。具體來說,2006年,該領域的研究熱點主要是“體力活動”和“環(huán)境”;2011年,該領域呈現了多元研究熱點爆發(fā)的態(tài)勢,研究熱點主要包括“暴露”“空氣污染”“健康”“城市”“壓力”等;2012年,該領域研究熱點集中于包括“綠地”“城市綠地”“心理健康”;2013年至今,該領域研究關注 “公共健康”“環(huán)境正義”“福祉”“平等”以及“長期暴露”等議題。

圖1 以暴露、綠地、健康以及城市為主題的研究領域時區(qū)圖

2 城市綠地暴露及其健康效應研究熱點領域

2.1 城市綠地暴露過程與特征

暴露科學是環(huán)境健康科學的重要組成部分,是保障公共衛(wèi)生的重要基石,其目的是減少和降低人體與有害物質(環(huán)境)的接觸,例如大氣污染[46],土壤污染[47],甚至氣候變化[48]等;暴露科學研究有三個主要內容[42]:(1)建立暴露與健康影響的關系;(2)確定風險源與暴露的關系;(3)建立減少風險的健康暴露策略。其中暴露特征的量化表征是建立暴露-健康影響關系的重要前提,例如,環(huán)境健康暴露研究的一個關鍵量化指標是確定暴露劑量-影響曲線中的產生毒性的有效劑量[43]。現有暴露科學的理論和方法對于開展綠地暴露研究具有重要的指導和借鑒作用,尤其是在暴露特征以及尋求暴露-健康效應定量化方面。綠地暴露及其健康效應研究從廣義上可以屬于“暴露科學”的分支或者新交叉領域。但綠地暴露研究與現有旨在預防和減少環(huán)境污染暴露風險的傳統(tǒng)環(huán)境健康研究的視角有顯著不同[49],例如,相對于環(huán)境健康暴露提出的暴露限閾值,即危險物質暴露濃度的最高值,綠地健康暴露提出的暴露限閾值應該尋求的是低值,即產生健康效應的最低(少)暴露頻次、時間和周期,以及更好的暴露地點、方式,甚至其潛在的組合。總之,城市綠地暴露研究的目標是充分理解人群的綠地暴露特征及其產生健康效應的機制,鼓勵和提高人群與綠地的有效和有益接觸,服務于城市綠地和健康社區(qū)營造的科學規(guī)劃和決策。

暴露過程和途徑識別是研究城市綠地暴露特征的基礎,傳統(tǒng)環(huán)境健康研究或者暴露科學主要關注污染或者有毒有害物質進入人體的過程,稱為暴露途徑,主要包括四種:吸入(口鼻)、攝入(口)、滲入(皮膚)和注入(皮膚)[42]。相比而言,人群在綠地暴露過程產生效應的媒介或者途徑除了傳統(tǒng)暴露科學關注的包括空氣質量、噪聲、微生物、病原菌等實質性健康媒介外,更多的涉及體育鍛煉、社會活動、主觀感知等非實質性的健康媒介[32,37,50]。國內有學者嘗試從景感生態(tài)學的視角探討城市綠地暴露途徑,例如劉曉芳等對公園環(huán)境影響人群體驗和活動方式的機制進行初探[51]。實際上,各種媒介在綠地暴露中對人體產生健康效應的量化關系通常是混合的,即一個人在綠地會同時暴露在各種健康媒介中,因此現階段難以有效的分割并針對各種媒介開展暴露特征的調查,需要通過更為宏觀的暴露途徑進行歸納,例如將其簡單的可以分為兩類:主動感受綠地的綠地體驗活動途徑[33]和被動處在綠地(自然)環(huán)境的活動途徑,前者可以簡稱主動綠地暴露,后者簡稱被動綠地暴露。根據人群在綠地環(huán)境內具體活動類型可以進一步細分主動和被動暴露的途徑,例如休憩、游戲、運動、談話、餐飲、觀光、攝影等。

2.2 城市綠地暴露的指標與量化表征

目前綠地暴露特征的量化表征主要關注社區(qū)居民對城市綠地的獲取能力或者一定空間范圍內綠地的供給能力,由此產生了多種綠地暴露評價指標[40,52],見圖2,例如綠地可得性[53]表征居民或者居民點周邊一定緩沖區(qū)內可以獲得的綠地總量,綠地可達性[52,54]表征居民或者居民點到達綠地的距離成本, 綠地可視性[40]表征居民或者居民點周邊可以看到的綠地數量,綠地實現性[55]表征居民或者居民點周邊已經被開發(fā)利用的綠地數量,也有學者根據綠地吸引居民的質量提出綠地需求性[52]。其實,以上幾種綠地暴露評價指標更多的是表征了綠地的供給狀況,并非直接的人群在綠地暴露過程描述,但他們與綠地暴露途徑有密切的聯(lián)系,以最常見的是綠地可得性和可達性指標為例:綠地可得性主要涉及居民日常生活空間的生態(tài)環(huán)境質量狀況[56],與局地微氣候、空氣質量、噪聲等有密切聯(lián)系;而綠地可達性則與綠地訪問的行為方式密切相關,例如步行,騎車,公交和乘私家車可達性等,并且在很大程度上,可達性也決定了人群暴露在綠地的頻率(周期)以及使用方式上的差異[17,57],例如一天當中不同時段,一周當中工作日和周末,以及節(jié)假日外出旅游等綠地訪問頻率及綠地訪問方式。

圖2 城市綠地暴露常用的三種指標:綠地可得性、綠地可達性和綠地可視性(修改自文獻[39])

相比現有針對污染物的環(huán)境暴露特征量化研究,綠地暴露特征的量化研究仍處起步階段,還沒有形成統(tǒng)一綠地暴露途徑分類以及相應的暴露特征變量。暴露科學中對于暴露途徑特征的定量化描述有兩個重要的概念:接觸率和總暴露[42];綠地暴露的接觸率即訪問周期和在綠地環(huán)境中的持續(xù)時間[58],尤其是暴露時間是非常重要的特征值[30,53],現有的綠地暴露評估指標更多的關注空間關系,對暴露動態(tài)過程的考慮較少[59],根據暴露科學原理,對于單個暴露途徑和多個(j)不連續(xù)暴露事件的總暴露可以通過公式表示[42]:

式中,Et表示暴通過某種暴露途徑r的多個(j)不連續(xù)暴露事件的總暴露,它是暴露濃度和暴露時間的乘積;Cr表征暴露途徑r的濃度;dt表征事件j的持續(xù)時間。綠地的總暴露可以理解為一段時間內通過所有暴露途徑產生的綠地暴露總頻次和總持續(xù)時間。現有的綠地暴露評價指標對人群具體暴露在綠地的過程,包括途徑、方式,尤其是具體暴露的時間和頻率,以及綠地本身質量的考慮都比較欠缺[40,60]。未來研究可以借助現有暴露科學的方法體系,關注城市人群在綠地暴露的時空動態(tài)模式,進而參照總暴露數學方程,構建綜合考慮不同途徑、訪問周期、暴露時長等因素的城市綠地暴露的量化表征方程。

2.3 城市綠地暴露的健康效應與機制

盡管綠地暴露給人群心理、生理、和社會健康方面的有益效應得到了廣泛的研究和證實,但現有綠地暴露的健康效應機制研究獲得的通用理論性成果還不多,在研究對象和樣本選取上仍有明顯的破碎化,定量化的機理性研究較少,缺乏針對城市不同人群的大健康(包括生理、心理和社會)的系統(tǒng)化研究。綠地健康效應與人群在綠地當中的暴露特征密切相關,但由于綠地暴露特征及其量化研究的不足,導致綠地健康效應的機制研究也難以進行系統(tǒng)性的歸納。

首先,不同綠地健康效應研究采用的暴露特征指標不同,例如在綠地與生理健康影響研究方面目前主要依托綠地可得性指標,將住區(qū)或周邊一定緩沖區(qū)范圍內的可獲得的綠地數量[61]或比例[62]作為全部或者目標人群健康效應的解釋變量。而綠地的心理健康研究則更多依托人群在綠地中的活動方式,例如活動時長[30]和訪問周期[58]。越來越多的學者認為,現有僅關注空間位置的暴露特征指標缺乏對活動行為模式及其動態(tài)變化的有效表征[58],理想的綠地暴露健康效應研究需要融入對暴露時長、訪問周期與綠地暴露方式的綜合考慮[40,45,63—64],探討人群的綠地暴露特征與各種健康效應之間的作用機制。

第二,綠地暴露特征影響人群健康存在顯著的尺度性,Labib等[40]將其總結為三種:個人尺度、鄰里(社區(qū))尺度、城市/地區(qū)尺度;個人尺度的綠地暴露健康效應研究通常基于感知和行為模式,例如綠地可視性,強調個人綠地體驗產生的健康效果;而鄰里尺度和更大的城市尺度則更關注區(qū)域內綠地的綠地供給現狀對區(qū)域內群體產生的健康效應。此外,現有綠地健康效應研究雖然涉及了多種尺度的綠地暴露特征,但大多關注在城市和社區(qū)鄰里等片區(qū)綠地供給情況,對個人、家庭等內在因素以及不同人群具體綠地暴露模式的考量較少,未來需要把多尺度的多種綠地暴露特征指標進行綜合考慮,系統(tǒng)闡釋綠地健康效應[40,65]。

第三,綠地暴露健康效應研究采用的調查方法不同,目前大多數綠地與生理疾病相關性的研究基本參照環(huán)境健康暴露研究模式,利用大樣本的統(tǒng)計數據,例如區(qū)域內流行病或者慢性病統(tǒng)計調查數據[62],通過統(tǒng)計學或者地統(tǒng)計學方法進行相關性分析[25]。大尺度樣本統(tǒng)計通常忽視人群活動模式與行為方式的差異,因此通過設計個人健康自評、綠地訪問地點、駐留時間以及活動方式的綠地暴露專業(yè)樣本問卷調查[60,64,66]越來越受到歡迎。近年來新興的大數據和物聯(lián)網(傳感器)為精確的獲取人類活動及其行為方式信息提供了有力支持[45,67],并可以用來獲取綠地環(huán)境質量的實時狀況[68—70]。未來可以結合不同暴露路徑與多尺度暴露特征指標,將大樣本統(tǒng)計、針對性問卷調查和基于物聯(lián)網的個人行為軌跡調查進行綜合應用,并交叉驗證,以獲取更為科學的結論。

最后,從產生健康效應的綠地暴露特征來看,還需要進一步挖掘和拓展,例如城市綠地供給的公平性問題,由于城市地理環(huán)境和社會經濟發(fā)展的差異,不同城市/區(qū)域綠地分布類型、格局和質量以及不同人群的需求和可達性程度都存在顯著差異[17,57,71];而城市內部由于功能分區(qū)和城鎮(zhèn)化梯度的原因,綠地分布也存在顯著空間異質性[7],導致不同城市人群在享受綠地提供的健康福利方面存在著顯著的差異[71]。另一方面,未來研究需要明確綠地暴露健康效應的標準響應指標,現有綠地暴露產生的生理、心理和社會健康效應涉及的要素眾多,但作為與綠地暴露特征相對應的關鍵量化效應指標仍缺乏深入的研究,需要進一步開展人與綠地交互作用的生態(tài)學研究。

3 總結與展望

開展城市環(huán)境健康研究是落實我國“面向人民健康”的科技創(chuàng)新戰(zhàn)略以及聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標的重大需求。生態(tài)學的發(fā)展需要更多的關注并解決人類生存和發(fā)展面臨的實際問題,我國將生態(tài)文明建設作為國家戰(zhàn)略,并探索人與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。綠地作為城市綠色基礎設施和基于自然解決途徑的主要載體,其對城市人群健康的促進作用已經獲得廣泛的證實,成為城市地理、城市生態(tài)、環(huán)境健康、城市規(guī)劃等多學科交叉解決城市可持續(xù)發(fā)展問題的前沿熱點。本文首先探討了城市綠地、綠地健康效應以及綠地暴露的基本概念及其聯(lián)系,然后嘗試通過暴露科學的視角,綜述城市綠地暴露及其健康效應的研究現狀與進展,并指出其發(fā)展中存在的不足。

首先,暴露科學是環(huán)境健康科學的重要組成部分,其目的是減少和降低人體與有害物質(環(huán)境)的接觸,是保障公共衛(wèi)生的重要基石。但是暴露科學目前在生態(tài)學研究領域的交叉仍比較有限,尤其是定量化分析暴露特征和機制的研究。一方面是生態(tài)學以往對人群的關注較少,雖然有城市生態(tài)學、人類生態(tài)學等分支學科,但總體我國生態(tài)學仍以自然生態(tài)系統(tǒng)研究為主;另一方面,伴隨可持續(xù)科學和全球生態(tài)學研究的發(fā)展,人作為全球生態(tài)環(huán)境變化的主要驅動力和風險受體,越來越受到科研和決策層的關注,綠地暴露及其生態(tài)效應成為城市生態(tài)學研究的一個前沿領域。

第二,綠地暴露與傳統(tǒng)暴露科學對環(huán)境污染物暴露研究的目標不同,充分理解人群的綠地暴露特征及其產生健康效應的機制是為了鼓勵和提高人群與綠地的有效接觸,服務于城市綠地和健康社區(qū)營造的科學規(guī)劃和決策。目前暴露科學的已有理論是對風險暴露過程的總結和量化,但是目前綠地暴露或者生態(tài)暴露的很多原理和機制仍存在空白,城市綠地的人群暴露產生的健康效應,尤其是有益效應雖然有很多研究證實,但健康效應產生的過程和機理仍不清楚,有賴于生態(tài)學理論和方法的支撐。暴露科學理論與方法對于開展綠地暴露及其健康效應研究具有重要的指導和借鑒作用,尤其是在暴露特征以及尋求暴露-健康效應定量化方面。

第三,城市綠地暴露及其人群健康效應研究仍處在發(fā)展的初期,還沒有形成統(tǒng)一綠地暴露途徑分類以及相應的暴露特征變量,尤其是可定量的暴露指標和健康效應表征。現有的綠地暴露量化評價指標雖然與綠地暴露途徑有密切的聯(lián)系,但其更多的是表征了綠地的供給狀況,并非直接對人群綠地暴露過程的特征描述。為了更好的融入城市規(guī)劃與建設的決策過程,城市綠地的暴露特征和健康效應必須采用能夠被多學科以及廣大城市普通居民理解的方式來表征,未來需要基于不同城市人群的在綠地暴露的時空動態(tài)模式,參照總暴露數學方程,綜合考慮不同途徑、訪問周期、暴露時長等因素,構建的城市綠地暴露的量化方程特征變量。

最后,綠地暴露的健康效應研究在研究對象和樣本選取上仍有明顯的差異和破碎化,缺乏統(tǒng)一和公認的采樣和調查方法。這進一步影響了現有綠地健康效應機制研究中對于綠地暴露量化表征的應用,以及已有研究之間相互的比較和驗證。沒有統(tǒng)一的綠地暴露特征量化指標,缺乏對多尺度影響因素的綜合,以及采用的調查分析方法缺乏系統(tǒng)性等成為綠地暴露及其健康效應研究的最直接、最急迫的挑戰(zhàn)。未來需要基于人群在綠地暴露的時空模式,綜合考慮多尺度、多種綠地暴露特征指標,提出綠地暴露標準化指標及其采樣、分析模式,形成對城市綠地暴露及其健康效應機制研究的基礎方法體系。

總之,綠地在城市規(guī)劃和建設中的作用尤其突出,但綠地的人群健康促進功能在我國城市規(guī)劃和建設中還鮮有應用,基于暴露科學視角研究城市綠地暴露特征及人群健康效應,可為健康導向的可持續(xù)城市/社區(qū)規(guī)劃與建設提供科學依據與理論支撐,這既是未來暴露科學領域的關鍵應用,也是新的學術增長點。