森林公園游憩者環(huán)境偏好與腦電波關(guān)系*

黃雅冰 翁羽西 徐偉振 林歆雅 王敏華 董建文

1 福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院 福州 350001 2 福建工程學(xué)院建筑學(xué)院 福州 350001

快節(jié)奏的城市生活、不斷加劇的競(jìng)爭(zhēng)壓力以及與自然環(huán)境的日益分離，已成為城市居民糖尿病、肥胖、失眠、抑郁癥等慢性病或心理疾病劇增的主要誘因[1-3]。城市快速發(fā)展與健康問(wèn)題的矛盾日益嚴(yán)峻，自新冠疫情暴發(fā)以來(lái)，公眾對(duì)健康及生活環(huán)境質(zhì)量關(guān)注越來(lái)越高[4]。在此背景下，近年來(lái)健康產(chǎn)業(yè)在中國(guó)快速發(fā)展，其中包括在我國(guó)正處于起步階段的森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)，體驗(yàn)森林景觀對(duì)人體健康有何效益成為迫切的議題。

人類對(duì)于環(huán)境的知覺是經(jīng)由環(huán)境刺激所產(chǎn)生的反應(yīng)，在此過(guò)程中涉及人與環(huán)境的互動(dòng)關(guān)系，最后得出環(huán)境的偏好評(píng)價(jià)[5]，以了解景觀特性、公眾喜好，并作為景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)及管理的依據(jù)[6-7]。而相較于人工景觀，公眾更為偏好自然景觀，且對(duì)不同自然景觀類型具有不同偏好程度[8-9]。目前關(guān)于自然環(huán)境效益研究多集中在心理效益基礎(chǔ)上引入生理層面探討，從自我評(píng)估延伸至更為客觀的生理量測(cè)，包括心跳、皮膚溫度、肌肉緊張度等指標(biāo)[10]。此外，也有學(xué)者直接測(cè)量“注意力容量(attentional capacity)”，以此證實(shí)在心理疲勞之后，觀看自然景觀比都市環(huán)境更有助于恢復(fù)注意力[11-12]。上述研究皆初步證實(shí)自然環(huán)境會(huì)帶來(lái)生理、心理上的積極效益，但當(dāng)下對(duì)于公眾在接觸自然過(guò)程中所產(chǎn)生的直接反應(yīng)鮮有更為深入的了解。

研究表明，人們所產(chǎn)生的各種生理、心理反應(yīng)及行為皆與腦部活動(dòng)有關(guān)[13]。人類大腦會(huì)持續(xù)產(chǎn)生自發(fā)性、節(jié)律性及綜合性的生物電活動(dòng)，其信號(hào)非常微弱，需經(jīng)放大器處理才能被清晰地發(fā)現(xiàn)。腦電圖(electroencephalogram，EEG)信號(hào)中包含大量節(jié)律頻段信息[14]，且各頻段節(jié)律活動(dòng)與公眾意識(shí)狀態(tài)有著密切聯(lián)系[15-16]。由于EEG具有良好時(shí)間分辨率，目前已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)一系列外部環(huán)境接觸、內(nèi)部心理刺激或事件等引起的實(shí)時(shí)情緒過(guò)程。雖有研究證實(shí)自然環(huán)境對(duì)腦部發(fā)展具有一定影響力，但目前國(guó)內(nèi)鮮有學(xué)者開展關(guān)于環(huán)境與腦部反應(yīng)連結(jié)的實(shí)證研究，而通過(guò)監(jiān)測(cè)腦電波數(shù)據(jù)有助于探討兩者之間的關(guān)系，了解人們?cè)诮邮艿江h(huán)境刺激后的初級(jí)反應(yīng)及生理狀態(tài)。

森林環(huán)境是以自然為主導(dǎo)的空間類型，與公共健康密切相關(guān)[17]。關(guān)于森林環(huán)境與生、心理效益關(guān)系研究已有不少，注意力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的探討也有相關(guān)腦部研究支持[12，18-19]，兩者概念相結(jié)合可更為客觀闡明森林環(huán)境對(duì)人的影響及恢復(fù)的康養(yǎng)效益。因此，本研究以福州國(guó)家森林公園為例，通過(guò)測(cè)量受試者對(duì)于不同森林環(huán)境的環(huán)境偏好與各腦區(qū)的腦電波活動(dòng)差異，總結(jié)游憩者環(huán)境偏好與腦電響應(yīng)的關(guān)系，以了解何種森林景觀對(duì)人們較具恢復(fù)性效益，提取具有代表性的森林景觀類型用于指導(dǎo)保健型森林公園的建設(shè)，為營(yíng)造健康服務(wù)型森林景觀提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

福州國(guó)家森林公園位于福州北郊新店鎮(zhèn)赤橋村，距離福州市中心約7 km，占地約860 hm2，是福建省首個(gè)國(guó)家級(jí)森林公園。園區(qū)三面環(huán)山，一面臨水，園內(nèi)動(dòng)植物種類繁多，木本植物種類達(dá)1700多種。園區(qū)優(yōu)美的自然環(huán)境釋放出大量負(fù)離子，使福州國(guó)家森林公園成為了福州的天然氧吧，被譽(yù)為“福州之肺”。豐富的森林、水體、動(dòng)植物景觀資源有助于監(jiān)測(cè)到游憩者在不同類型森林景觀下腦電響應(yīng)的差異。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

為提高研究的代表性，對(duì)福州國(guó)家森林公園進(jìn)行嚴(yán)格的樣地篩選，選出20處具有代表性的樣地。根據(jù)典型抽樣法[20]，由7名風(fēng)景園林學(xué)專家(男性4名，女性3名)對(duì)20處樣地根據(jù)景觀類型、自然-人工程度、空間圍合度、植被類型、鋪裝類型等指標(biāo)進(jìn)行分類與挑選，最終將樣地分為6類游憩地，每類游憩地選擇一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。這6類游憩地分別為:游憩林地——蔭生植物園(S1)、竹類游憩地——竹類觀賞園(S2)、地標(biāo)性游憩地——千年古榕(S3)、紀(jì)念園游憩地——長(zhǎng)江支隊(duì)紀(jì)念園(S4)、森林步道游憩地——天馬嶺登山道(S5)、水畔游憩地——漫水橋(S6)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2019年10月10—21日上午9∶00—12∶00和下午2∶00—4∶00，受試者均在樹蔭下進(jìn)行觀賞，樣地溫度為22～28℃，試驗(yàn)均選在晴或多云天氣進(jìn)行。研究表明，3～5 min的自然接觸能夠得到可靠性很高的研究結(jié)論[21]，故將每處樣地感知時(shí)間定為(6±1)min。試驗(yàn)流程:1)受試者到達(dá)研究區(qū)域，主試者對(duì)試驗(yàn)?zāi)康摹⒉襟E和儀器使用方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明；2)受試者依次觀察6處樣地指定區(qū)域景觀，過(guò)程中持續(xù)記錄腦電數(shù)據(jù)；3)每處樣地腦電數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，填寫環(huán)境偏好評(píng)價(jià)問(wèn)卷。問(wèn)卷由環(huán)境偏好量表的一致性、易讀性、復(fù)雜性和神秘性4個(gè)維度共14個(gè)題項(xiàng)組成(表1)[9]，采用7分制李克特量表法，選項(xiàng)由1(非常不同意)～7(非常同意)組成。

表1 環(huán)境偏好量表

2.3 試驗(yàn)對(duì)象

使用G*Power 3.1.9.2軟件估計(jì)樣本量大小[22]。將效應(yīng)量設(shè)置為f＝0.25，alpha錯(cuò)誤概率值0.05，統(tǒng)計(jì)功效0.95，估算得出總樣本量至少為22人，最終確定30名試驗(yàn)對(duì)象(男性15名，女性15名)。試驗(yàn)過(guò)程會(huì)確保受試者的生命、健康及個(gè)人隱私的安全性，受試者身心健康(無(wú)聽力、辨色力、視力障礙，無(wú)腦傷病史，無(wú)任何精神疾病史)且未參加過(guò)同類測(cè)試。在采集所有樣本中，共獲得26組腦電波有效樣本，其中男性11名(占總體樣本的42.31%)，女性15名(57.69%)。年齡以18～25歲的青年為主(占總量的92.31%)，受教育程度絕大多數(shù)在本科及專科以上(80.63%)，其中學(xué)生為主要群體(65.38%)。

2.4 腦電信號(hào)收集

觀察大腦活動(dòng)是評(píng)估參與者感知環(huán)境生理影響的有效方法[8]。本研究采用美國(guó)Emotiv公司開發(fā)的便攜式腦電儀Emotiv EPOC Flex，對(duì)32個(gè)電位進(jìn)行腦電信號(hào)采集，采樣率為128 Hz。采集過(guò)程中要求被試者處于安靜放松狀態(tài)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

EEG數(shù)據(jù)采用MATLAB 2013軟件進(jìn)行預(yù)處理，其中包括:設(shè)置帶通濾波；剔除壞段，替換壞 導(dǎo)；獨(dú) 立 成 分 分 析(Identical Component Analysis，ICA)去除偽跡影響；將數(shù)據(jù)截成時(shí)長(zhǎng)為2 s的數(shù)據(jù)段，通過(guò)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT)進(jìn)行頻域分析，提取所有通道不同頻率的功率譜密度計(jì)算。

研究表明，α、β腦電波比較適合用作探究環(huán)境差異性的指標(biāo)[23-24]，且在不同公園環(huán)境中α、β腦電波會(huì)呈現(xiàn)顯著差異[25]。故本研究關(guān)注α、β頻率，分析6個(gè)腦功能區(qū)數(shù)據(jù)(圖1):前額葉腦區(qū)采集電極為FP1、FP2；額葉腦區(qū)采集電極為F7、F3、F4、F8；中央?yún)^(qū)腦區(qū)采集電極為C3、C4；頂葉腦區(qū)采集電極為P3、P4；枕葉腦區(qū)采集電極為O1、O2；顳葉腦區(qū)采集電極為T7、T8。所有問(wèn)卷數(shù)據(jù)與EEG數(shù)據(jù)計(jì)算均通過(guò)SPSS 23.0軟件分析，以“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。單因素方差分析用于探究腦電信號(hào)數(shù)據(jù)的差異性，LSD法用于事后檢驗(yàn)。

圖1 腦區(qū)分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 EEG分析

3.1.1 α波功率譜分析

對(duì)6處樣地不同腦區(qū)的α頻率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果(表2、圖2)發(fā)現(xiàn)，6處樣地的前額葉、額葉、中央?yún)^(qū)、枕葉功率譜密度存在顯著差異，頂葉與顳葉功率譜密度差異不顯著(P＞0.05)。經(jīng)過(guò)LSD事后檢驗(yàn)表明(表3)，各個(gè)腦區(qū)的α頻率在不同樣地均呈顯著差異，其中額葉腦區(qū)S1顯著(P＜0.01)高于S3、S4、S6，中央?yún)^(qū)S1、S2均顯著(P＜0.01)且高于S4。

表3 各組樣地α頻率方差分析事后檢驗(yàn)

圖2 α頻率腦電地形示意(單位:μV2/Hz)

3.1.2 β波功率譜分析

對(duì)6處樣地不同腦區(qū)的β頻率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果(表2、圖3)發(fā)現(xiàn)，6處樣地的額葉、中央?yún)^(qū)、枕葉功率譜密度存在顯著差異，前額葉、頂葉、顳葉組間差異不顯著(P＞0.05)。LSD事后檢驗(yàn)表明(表4)，β頻率各個(gè)腦區(qū)在不同樣地的表現(xiàn)均有差異，前額葉腦區(qū)S1顯著(P＜0.01)高于S3，額葉腦區(qū)S1、S2、S5均顯著(P＜0.01)高于S3，中央?yún)^(qū)S1、S2均顯著(P＜0.01)高于S4。

表4 各組樣地β頻率方差分析事后檢驗(yàn)

圖3 β頻率腦電地形示意(單位:μV2/Hz)

表2 受試者在6處樣地中α、β頻率不同腦區(qū)差異比較

3.2 環(huán)境偏好與EEG的相關(guān)性分析

將6處樣地受試者的環(huán)境偏好與α波、β波的活動(dòng)分別進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。為達(dá)到精簡(jiǎn)原則，將環(huán)境偏好4個(gè)維度所有題項(xiàng)分別求取算數(shù)平均數(shù)作為各維度的分?jǐn)?shù)，α波與β波取32個(gè)電位平均值。結(jié)果(表5)表明:S1樣地中，神秘性與β波活動(dòng)呈顯著負(fù)相關(guān)；S3樣地中，復(fù)雜性與α波活動(dòng)呈顯著正相關(guān)；S6樣地中，易讀性與β波活動(dòng)呈顯著負(fù)相關(guān)；S2、S4、S5樣地中，環(huán)境偏好各項(xiàng)維度與α波、β波的活動(dòng)均無(wú)顯著相關(guān)性。

表5 環(huán)境偏好與α波、β波的相關(guān)性分析

表5 (續(xù))

4 討論

4.1 不同腦區(qū)活動(dòng)呈現(xiàn)不同差異性

本研究中6處樣地α波與β波的前額葉、額葉、中央?yún)^(qū)、枕葉功率譜密度存在顯著差異，其中前額葉、額葉、中央?yún)^(qū)在游憩林地S1、竹類游憩地S2的大腦活動(dòng)顯著高于地標(biāo)性游憩地S3、紀(jì)念園游憩地S4。這是因?yàn)橛雾值豐1與竹類游憩地S2的自然程度較高，為封閉與半封閉空間，反之地標(biāo)性游憩地S3與紀(jì)念園游憩地S4的人工程度較高，為開敞空間，有大面積的人工草坪和大理石鋪裝。可以推測(cè)不同腦區(qū)的腦電波活動(dòng)在不同森林環(huán)境會(huì)呈現(xiàn)各類差異性，前額葉、額葉、中央?yún)^(qū)的α波與β波活動(dòng)可作為應(yīng)對(duì)不同自然-人工程度和空間圍合度森林環(huán)境的差異性指標(biāo)，印證了Chang等[24]將額葉腦區(qū)的活動(dòng)解釋為放松的結(jié)論。

4.2 不同森林環(huán)境顯著影響大腦活動(dòng)

本研究不同類型森林環(huán)境中，游憩者各腦區(qū)α波、β波頻帶功率譜密度存在顯著差異，表明不同類型森林環(huán)境能夠誘發(fā)大腦活動(dòng)發(fā)生改變。α波主要與放松的心理狀態(tài)有關(guān)，相關(guān)研究顯示，心情越是愉快，α波會(huì)越活躍[23]。同時(shí)，游憩林地S1、竹類游憩地S2的α節(jié)律顯著高于地標(biāo)性游憩地S3和紀(jì)念園游憩地S4，且在額葉腦區(qū)與中央?yún)^(qū)的表現(xiàn)最為顯著，這與Chang等[24]的結(jié)論也一致。Deng等[26]證實(shí)了受試者在山地景觀體驗(yàn)中大腦θ、α節(jié)律顯著高于草坪和湖景，本研究表明游憩林地S1的額葉腦區(qū)α波活動(dòng)顯著高于地標(biāo)性游憩地S3與水畔游憩地S6，也與Deng的結(jié)論相契合。

β波與運(yùn)動(dòng)行為高度相關(guān)，常出現(xiàn)在積極運(yùn)動(dòng)中，如專注于外部世界、積極思考、積極關(guān)注，或解決具體問(wèn)題[23，27]，而β波能量降低與注意力集中程度下降有關(guān)。本研究闡釋了游憩林地S1、竹類游憩地S2、森林步道游憩地S5的β節(jié)律顯著高于地標(biāo)性游憩地S3和紀(jì)念園游憩地S4，且在前額葉、額葉與中央?yún)^(qū)的表現(xiàn)最為顯著。目前關(guān)于β波在各個(gè)腦區(qū)的功能作用尚不十分明確，但可以推測(cè)，相較于人工式森林環(huán)境，自然度較高的森林環(huán)境更易激起前額葉、額葉、中央?yún)^(qū)的β波活動(dòng)，進(jìn)而吸引游憩者積極關(guān)注景觀并達(dá)到自我反省的目的。

4.3 環(huán)境偏好顯著影響大腦活動(dòng)

游憩林地S1中，神秘性與β波活動(dòng)呈顯著負(fù)相關(guān)；地標(biāo)性游憩地S3中，復(fù)雜性與α波活動(dòng)呈顯著正相關(guān)；水畔游憩地S6中，易讀性與β波活動(dòng)呈顯著負(fù)相關(guān)。地標(biāo)性游憩地S3屬于具有空曠草坪的人工式森林環(huán)境，通過(guò)結(jié)果可推測(cè)，增加這類景觀的復(fù)雜性，有助于游憩者進(jìn)入放松式的清醒狀態(tài)中。王兆源等[28]研究顯示，β波下降反映了緊張感降低，本研究通過(guò)游憩林地S1與水畔游憩地S6的結(jié)果可推測(cè)，增加山地景觀的神秘性和水景的易讀性，有助于游憩者降低緊張感，趨于放松狀態(tài)。

本研究將腦電信號(hào)采集技術(shù)引入到森林景觀評(píng)價(jià)分析中，并多維度探究森林景觀特征對(duì)游憩者的影響。但在試驗(yàn)操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)腦電波數(shù)值變化可能受測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)短及測(cè)試時(shí)段的影響，建議可進(jìn)一步探討反應(yīng)歷程及時(shí)間的相關(guān)意義；另外，亦可加入不同頻段腦電波和其他生理監(jiān)測(cè)方式，以更準(zhǔn)確評(píng)估受試者生理反應(yīng)情況。

5 結(jié)論

1)不同腦區(qū)腦電波活動(dòng)在不同森林環(huán)境中均呈現(xiàn)不同差異性。前中腦部的前額葉、額葉、中央?yún)^(qū)腦區(qū)α波與β波活動(dòng)可作為應(yīng)對(duì)不同自然-人工程度和空間圍合度森林環(huán)境的差異性指標(biāo)。

2)不同森林環(huán)境顯著影響大腦活動(dòng)。在自然度較高的森林公園環(huán)境中，額葉腦區(qū)與中央?yún)^(qū)的α波較高，能使游憩者感到輕松和心情愉悅，且山地景觀中額葉腦區(qū)α節(jié)律會(huì)顯著高于草坪和湖景。

3)環(huán)境偏好顯著影響大腦活動(dòng)。增加人工式森林環(huán)境景觀效果的復(fù)雜性可以提高游憩者α波的活動(dòng)，有助于游憩者進(jìn)入放松式的清醒狀態(tài)中；增加山地景觀的神秘性和水景的易讀性可以降低游憩者的β波活動(dòng)，從而降低游憩者的緊張感，使游憩者更易趨于放松狀態(tài)。