進藏人員對高原干燥環境的適應性反應特征研究*

孫 欣 王登甲 宋 聰 王瑩瑩 劉艷峰

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學,西安)

0 引言

據統計,2020西藏流動人口數量達到89.22萬人[1],但青藏高原長期低壓干燥,特殊的低濕、低氧、低壓氣候環境給人體的健康、工作、學習和生活帶來了諸多不利影響。

針對濕度對人體舒適的影響問題,Enomoto等人發現低濕環境會降低人體的可感知舒適水平[2]。徐昆侖發現偏熱環境濕度對人體熱舒適影響更為明顯[3]。Lindgren等人調研了機艙內舒適情況,發現鼻子、眼睛、喉嚨和皮膚干燥的癥狀較為明顯[4]。Derby等人認為相對濕度水平與人眼刺激、皮膚中皮質醇的產生有關[5]。周范卓等人發現武漢室內相對濕度對人體熱感覺有顯著性影響[6]。現有相關研究大多是關于室內濕度對人體熱舒適的影響,國內有關相對濕度對人體舒適的研究也主要集中在高熱高濕環境,為高濕地區室內濕度調控提供了參考,但關于低濕對人體影響的研究較少,對低濕環境研究并不充足。

在高原低氣壓環境下,低相對濕度對人體的不良影響更為明顯。劉昊等人發現進藏乘客認為車內空氣太過干燥,且出現口干舌燥,甚至咽喉腫痛、聲音嘶啞和鼻出血等癥狀[7]。楊家駿等人發現低壓干燥環境會導致鼻腔黏膜干燥脫水,缺氧導致局部毛細血管增生、鼻黏膜結痂、糜爛,引起鼻腔出血[8]。Zhou等人發現低氣壓環境通過影響人體散熱特性,進而影響人體熱舒適感覺[9]。現有研究多是以調研的方式開展,關于人體散熱特性的實驗研究則是在低壓氧艙內進行,為改善進藏火車環境及無癥狀高原域內人體舒適性提供了有效指導,但有關更高海拔干燥建筑環境下人體生理及心理反應的全面研究較少,無法為高原舒適的室內濕環境營造提供充足參考。

為掌握高原干燥環境與人體干燥反應的關系,本研究通過在高原地區開展冬夏季人工環境實驗測試,結合生理測試和問卷調查,對比分析高原地區冬夏季不同干燥環境對人體干燥反應的持續性影響,以期得到進藏人員在不同干燥環境下的具體適應性干燥反應特征。本研究拓展了關于高原干燥環境下人體舒適度的認知,可為高原干燥環境的研究提供參考。

1 高原進藏人群干燥度表征指標分析

不同于溫度影響人體熱舒適的明確機制,相對濕度影響人體熱舒適的作用機制仍然不明確。有關研究認為,人體通過表面皮膚的膨脹和皺縮對機械感受器或觸覺感受器的刺激來間接感受濕度[10],眼睛和上呼吸道的感覺刺激閾值是通過三叉神經系統介導[11],這些機制決定了人體在干燥環境下的生理表征。低濕不僅會引起人體主觀不適,還會導致身體疾病。干燥環境加劇了皮膚角質層水分流失,皮膚屏障受損引起皮膚的粗糙、脫屑、干裂等[12]。唇部由于具有角質層纖薄、無毛發、無皮脂腺等特點,比身體其他任何部位的皮膚都更加脆弱[13]。此外,干燥環境還會導致呼吸道黏膜失水,鼻黏膜纖毛活動減少,引起鼻腔黏膜結痂、糜爛出血,甚至引起呼吸道系統疾病;降低眼睛黏膜的活性,導致眼部產生持續刺激感,眨眼頻率增加[14]。

現有關于人體對室內干燥環境的評價方法大多采用基于熱舒適評價標尺的濕主觀評價標尺,部分研究還會對干燥所引起的局部刺激程度進行調查。但是,區別于濕潤環境下人體以汗液分泌為主要表現的統一性,干燥環境下人體主觀癥狀具有部位多發性、多樣性等特征,同時,由于人體不同部位對干燥環境的感知程度及干燥耐受程度不同,從主觀感受角度不足以全面反映人體具體的干燥感受,直接借鑒熱感覺評價標尺簡單評價,易導致人體干燥度誤判、舒適度預測分歧等問題。因此,本研究采用主觀問卷與癥狀表征相結合的方式來反映人體實際干燥狀況。

綜合以上分析,基于現有低濕環境對人體局部刺激感影響的研究,本研究選擇對干燥環境感知敏感的鼻腔、喉嚨、眼睛、嘴唇和皮膚5個部位作為癥狀學干燥度表征指標。在此基礎上,參考干燥綜合征(Eular Sjogren’s syndrome patient reported index,ESSPRI)指數[15]和韋爾干燥程度分級量表[16]進行標度設置,將以上5個部位按照干燥嚴重程度分為0～10共11個等級,設計局部干燥癥狀調查問卷。

2 實驗研究方法

2.1 受試者

本實驗所選受試者需身體健康,無高原疾病及其他慢性病史,無酗酒、吸煙習慣,此前無高原熱濕環境暴露經歷,充分了解實驗內容并自愿參加。為了確定實驗受試者的具體數量,本研究采用G*power軟件對實驗的樣本量進行分析計算。取檢驗效能(1-β)為0.8,顯著性水平α為0.05,效應值為0.5。夏季實驗設置了3個溫度水平和2個濕度水平,冬季實驗設置3個溫度水平和3個濕度水平。計算得出最少需要受試者人數為6人,考慮到實驗的效果及時間和勞動成本,夏季實驗招募了8名受試者,其中4名男性,4名女性。為了對比冬夏季干燥環境對人體影響,冬季實驗采用同一批受試者,但冬季實驗過程中1名受試者由于身體原因無法繼續實驗,故最終冬季實驗受試者人數為7人。夏季實驗獲取數據96組,冬季實驗獲取數據126組。冬夏季實驗受試者基本信息見表1。

表1 受試者基本信息

由于不同氣候區的相對濕度水平不同,對進藏人員的影響程度也不同,在受試者的篩選過程中,受試者應有相似的長期熱經歷背景且應考慮其短期熱暴露經歷[17],避免給后續分析帶來誤差。因此分析比較了與拉薩市同處于寒冷氣候分區的主要城市冬夏季濕度數據,最終選定了與寒冷地區大多內地城市冬夏季濕度水平接近的西安市(年平均相對濕度為69.6%,平均海拔為397 m)作為典型城市。所有受試者均在西安生活2年以上,適應西安市的氣候環境,具有西安市的長期熱經歷背景。為確保受試者具有相同的短期熱暴露經歷,所有受試者從西安市一同前往高原地區,且在高原停留時間小于1個月,在實驗進行期間并無明顯高原反應現象。受試者完整參加高原各工況實驗,為確保實驗數據的真實可靠性及準確性,所有受試者均在實驗前保持充足的睡眠及健康的身體狀態。

2.2 實驗工況

通過對西藏自治區拉薩市近5年的氣候數據分析,選定于夏季8月初和冬季12月初進行高原實驗。根據當地日間相對濕度范圍選定了高原實驗室內相對濕度參數,并對應設計了偏冷、中性和偏暖3個溫度工況。在進藏第1周,冬季實驗每日工況為環境溫度15 ℃、相對濕度10%,于第2周進行不同工況實驗;夏季第1周進行不同工況的實驗,在第2周進行重復。冬夏季具體實驗工況如表2所示。室內環境控制效果良好,所有實驗參數均在實驗設置范圍內,室內風速小于0.02 m/s。實驗過程中受試者統一服裝,冬季為毛衣、薄外套、長褲、秋褲、薄棉襪、休閑鞋,夏季為短袖、運動長褲、到腳踝襪及運動鞋。全部受試者靜坐(人體代謝強度為58.2 W/m2)參加所有工況測試。

表2 實驗環境設計參數

2.3 實驗流程

受試者在進入西藏后均先進行了48 h的休整,確保所有受試者均無明顯高原反應后,于第3天開始正式實驗。實驗持續120 min。受試者于實驗開始前完成實驗服裝的更換及測量儀器的佩戴。問卷填寫時間間隔為20 min。

為調查受試者在實驗期間的濕感受,問卷參考美國伯克利實驗室的9級分度標尺[18]中有關熱舒適的相關問卷內容進行設計。主觀問卷主要包括熱感覺、熱舒適、整體干燥感、濕舒適及濕期望,各評價標尺見表3。局部干燥癥狀調查問卷見表4。由于所測試環境處于中性偏干狀態,本實驗問卷中整體干燥感和濕期望問卷采取非對稱設計。非對稱標尺的設計參考了Tian等人關于極端高溫環境下人體熱舒適的相關研究[19]中的標尺設計。

表3 主觀問卷標尺

表4 局部干燥癥狀調查問卷

2.4 測量參數及實驗儀器

實驗期間的室內溫度、相對濕度、風速、黑球溫度、大氣壓,以及室外溫度、相對濕度均被記錄,采樣周期均為1 min。風速儀及室內溫濕度自動記錄儀放置在距地面0.1、0.6、1.1 m高度處;黑球溫度儀及氣壓表放置在氣候室座位的中間位置,距地面1.1 m高度處。室外的溫濕度自動記錄儀放置在窗外陰涼處并用錫紙包裹,防止太陽光對溫度塊直接照射。

局部皮膚表面溫度和皮膚表面濕度通過無線溫度記錄儀和濕度記錄儀iButton DS1923進行測量。該儀器具有測試皮膚表面溫度和近皮膚表面處空氣相對濕度的功能,從而用皮膚表面處空氣相對濕度來表征空氣對皮膚干燥度的影響。由于該儀器測量的數據為相對濕度,所以皮膚表面濕度用相對濕度表示。實驗期間各項測量參數及所用儀器的詳細信息見表5。

表5 測量參數及實驗儀器

皮膚表面溫度及相對濕度測量時采用十點法[20],各測量點具體部位見圖1,平均皮膚表面溫濕度計算公式為[20]

圖1 十點法測點詳情

t=0.06ta+0.08tc+0.06tf+0.05tg+

0.12td+0.12tb+0.12te+0.19th+

0.13ti+0.07tj

(1)

φ=0.06φa+0.08φc+0.06φf+0.05φg+

0.12φd+0.12φb+0.12φe+0.19φh+

0.13φi+0.07φj

(2)

式(1)、(2)中t為平均皮膚表面溫度,℃;ta～tj為各測量點處皮膚溫度,℃;φ為平均皮膚表面相對濕度,%;φa～φj為各測量點處皮膚相對濕度,%。

2.5 數據分析方法

通過對所測得數據進行重復測量方差分析,確定受試者在每個工況下主觀投票及生理參數的穩定時間,結果顯示受試者的主觀投票和生理參數在30 min時達到穩定。選取每個工況下實驗開始40 min后受試者投票平均值及生理參數平均值(平均值±標準差)作為該工況下有效數據進行分析。

采用二維組間方差分析方法(two-way ANOVA)分析不同溫濕度環境下各主觀評價差異性,采用單因素方差分析方法(ANOVA)分析相同溫度不同相對濕度下人體的主觀評價差異。所有統計檢驗的顯著性水平均取α≤0.05。

3 進藏人員對高原環境的適應性干燥反應特征

3.1 高原地區冬夏季實驗環境參數

不參與實驗期間,所有受試者均在室內自然環境中,沒有加濕和溫度調節。夏季高原地區室內自然環境的相對濕度和溫度分別為(35.6±2.7)%和(25.3±0.9) ℃;冬季高原室內自然環境相對濕度為(18.5±6.9)%,溫度為(17.3±1.8) ℃。

實驗期間逐時室外空氣相對濕度數據見圖2。夏季拉薩地區的室外平均相對濕度為61.0%,最低相對濕度約為23.1%,室外空氣相對濕度波動在50.0%以上。冬季拉薩地區室外平均相對濕度為18.4%,最高相對濕度低于30.0%,最低相對濕度接近5.0%。

圖2 拉薩地區冬夏季室外空氣相對濕度

3.2 高原干燥環境下進藏人員干燥主觀評價研究

3.2.1整體干燥感主觀評價

在進入西藏后,連續記錄受試者對不同干燥環境中干燥感的評價。如圖3所示,受試者的干燥感隨進藏時間的延長而加重。在夏季進藏的第6天,人體干燥度達到最高水平,接近干燥狀態,較進藏第1天增加了1個標度。冬季在進藏第7天時干燥感最為強烈,較第1天增加了約0.5個標度。

圖3 冬夏季進藏1周左右人體整體干燥感評價

在進藏第2周時,人體的干燥感隨室內相對濕度的變化而變化,如圖4所示。人體初步適應高原干燥環境后,當室內相對濕度變化時,受試者干燥感略有波動,但夏季干燥感投票均值處在“適中”與“較干”之間,冬季干燥感投票均值處在“干燥”與“非常干燥”之間。由于冬季高原室內相對濕度一直處于20%以下,室內持續干燥,因此冬季進藏人員平均整體干燥程度比夏季高約2個等級。此外,在冬季各相對濕度間人體干燥感無顯著差異,但在20 ℃適中溫度時人體的干燥感較弱。

圖4 冬夏季進藏人員整體干燥感評價

3.2.2濕舒適投票

在進藏1周左右,進藏人員的濕舒適投票見圖5,進藏人員的不舒適程度存在先加重后改善的規律。冬夏兩季濕舒適投票均集中在“輕微不舒適”到“非常不舒適”之間,在進藏第5、6天時不舒適程度最為嚴重,可達到“不舒適且無法容忍”的程度,冬季實驗中人體的不舒適程度較夏季高了約1個標度。

圖5 進藏1周左右冬夏季進藏人員濕舒適評價

通過圖6可看出初步適應后進藏人員濕舒適與室內溫濕度的關系,隨著室內相對濕度的升高,受試者的舒適程度略有好轉。夏季實驗中,受試者的濕舒適投票等級較冬季低了1個標度,即人體感到更為舒適。夏季實驗時在各個實驗工況下,有約70%的受試者認為當前環境濕度“輕微不舒適”,室內相對濕度為40%時,只有約5%的受試者投票達到了“非常不舒適”的程度。冬季實驗中90%以上的受試者認為當前室內濕度不舒適,甚至在各個工況下均有10%以上的受試者認為當前環境“不舒適且無法容忍”。

相對濕度/%溫度/℃工況14020工況24025工況34030工況45220工況55225工況65230相對濕度/%溫度/℃工況11015工況21020工況31025工況41515工況51520工況61525工況72015工況82020工況92025

圖6 冬夏季進藏人員濕舒適評價

3.2.3濕期望投票

通過濕期望投票獲取進藏期間受試者改變當下室內環境濕度的意愿,結果見圖7。在進藏第7天時,強烈希望室內相對濕度升高的意愿較之前有所下降。

圖7 進藏1周左右冬夏季進藏人員濕期望投票

初步適應高原環境后進藏人員濕期望投票見圖8。夏季實驗中,隨著室內相對濕度的升高,希望室內相對濕度升高的投票數略有減少,在室內相對濕度為52%的各個工況下,有15%左右的進藏人員希望室內相對濕度略有降低。而在冬季實驗時,所有工況下希望提高室內相對濕度的投票數達到了100%。在相對濕度10%、環境溫度25 ℃時,希望室內相對濕度“更濕一點”的投票數超過了50%。

圖8 冬夏季進藏人員濕期望投票

對進藏人員冬夏季干燥環境下的主觀投票進行分析后發現,冬季高原干燥室內環境下進藏人員的不舒適程度更高,容忍度更低。相較于夏季高原室內環境,改善冬季高原干燥環境的需求更加迫切。

3.3 高原干燥環境下進藏人員干燥癥狀研究

3.3.1各部位干燥程度投票

受試者隨進藏時間變化的局部干燥感覺見圖9。進藏1周左右時,人體的局部干燥程度均呈現先升高后下降趨勢,在進藏第6、7天時干燥程度最大,唇部和鼻腔干燥程度每日約升高0.5個標度。

圖9 進藏1周左右冬夏季進藏人員局部干燥程度投票

初步適應后,進藏人員局部干燥程度如圖10所示。夏季時,相同室內溫度下,隨著相對濕度的升高,各部位干燥度呈下降趨勢;但冬季時,相同室內溫度下,室內相對濕度的升高并未緩解唇部和皮膚的干燥程度,反而逐漸加重。不論冬夏季,眼部的干燥程度最為穩定,其干燥程度波動范圍小于0.1個標度。通過比較不同相對濕度下身體各部位的干燥程度,獲得了人體對不同部位干燥程度的敏感度排序,發現唇部對濕度變化最為明顯,鼻腔、喉部、皮膚、眼睛的敏感度依次減弱。

圖10 冬夏季進藏人員局部干燥程度投票

所有受試者對西安地區氣候環境存在適應性,進入高原后,由于高原地區氣候環境干燥,低壓環境導致人體與空氣間的交換動力增加,導致進藏人群干燥程度更高。同時干燥環境引起鼻腔及呼吸道黏膜干燥失水,缺氧環境導致肺通量增加,加劇人體局部干燥癥狀。

3.3.2皮膚表面溫度

進藏1周左右平均皮膚溫度隨室內空氣溫度、相對濕度的變化規律見圖11。由圖11可看出,平均皮膚表面溫度基本不受進藏時間和室內相對濕度的影響,當室內溫度升高時,皮膚表面溫度略有上升。

圖11 進藏1周左右人體皮膚表面溫度

在初步適應后,進藏人員平均皮膚表面溫度隨室內溫濕度變化見圖12,不同室內溫濕度工況下皮膚表面溫度無顯著性差異。相同室內溫度下,夏季平均皮膚表面溫度隨室內相對濕度的升高略有升高;冬季平均皮膚表面溫度基本不受室內相對濕度的影響,僅隨室內溫度的升高而升高。

圖12 冬夏季進藏人員皮膚表面溫度

3.3.3皮膚表面相對濕度

冬夏季進藏人員皮膚表面相對濕度隨室內溫濕度變化情況見圖13。隨著進藏時間的延長,皮膚表面相對濕度逐漸上升。夏季進藏人員平均皮膚表面相對濕度較冬季高約15%。皮膚表面相對濕度在1周左右隨進藏時間的延長每日增加約3%。

圖13 進藏1周左右人體皮膚表面相對濕度

在進藏第2周時,人體初步適應高原干燥環境,對室內相對濕度環境的感知得到改善,適應后的皮膚表面相對濕度見圖14,人體皮膚表面相對濕度變化比第1周更加明顯。室內溫度保持不變,室內相對濕度增加10%時,夏季皮膚表面相對濕度增加約8%,冬季增加6%。在此階段,受試者的生理反應與室內相對濕度變化的隨動性增強。

圖14 冬夏季進藏人員皮膚表面相對濕度

結合3.2、3.3節研究發現,進藏人員的干燥反應受到適應水平和室內環境參數的共同影響。在進藏初期,受試者的干燥反應主要受到停留時間的影響,即使是在溫濕度相同的室內環境下,人體的干燥感仍持續上升。進藏1周后,受試者對室內相對濕度變化的感知更加強烈,主要受到室內溫濕度環境的影響,此時認為受試者初步適應高原干燥環境。進藏人員干燥反應的適應趨勢、適應周期與人體對熱環境和氧環境的習服趨勢[21]相一致。

3.4 高原干燥環境對進藏人員熱舒適影響

3.4.1熱感覺投票

進藏第2周平均整體熱感覺投票值隨空氣溫度、相對濕度的變化見圖15。從圖15中可以看出,不同溫度工況下,相對濕度對平均熱感覺的影響規律不同。在中性溫度時,熱感覺基本不受相對濕度的影響;偏冷和較暖工況時,熱感覺隨相對濕度的升高而增加,其中室內溫度較高時,相對濕度升高10%,平均熱感覺投票升高約1個標度。相同溫度時,相對濕度的升高降低了人體的蒸發散熱量,因而人體的熱感覺隨相對濕度的升高而升高[22]。冬夏季偏暖工況下不同相對濕度間的熱感覺投票具有顯著性差異,說明偏暖環境下,相對濕度的變化對人體熱感覺的作用更為明顯。

圖15 冬夏季進藏人員熱感覺投票

3.4.2熱舒適投票

初步適應后,人體熱舒適隨室內溫濕度變化情況見圖16。從圖16中可以看出,在冬季各溫度工況下,相對濕度的升高對人體熱舒適的影響較小,無顯著性差異。夏季中性溫度時,各相對濕度工況下的平均熱舒適投票基本保持不變,且較冬季低了1個標度;當環境溫度為偏冷和偏暖工況時,隨著相對濕度的升高,熱舒適投票值隨之降低,即感到更舒適。室內溫度不變時,相對濕度升高10%,平均熱舒適投票降低約0.4個標度。

圖16 冬夏季進藏人員熱舒適投票

本節對高原干燥環境下進藏人員熱舒適的研究表明,在夏季高原干燥室內進行環境調控時,可以考慮溫度與相對濕度組合調控,在室內偏冷及偏暖環境下,可以考慮適當增加室內環境相對濕度以改善人體的不舒適程度。

4 結論

本研究拓展了關于高原干燥環境下人體舒適度的認知,可為高原干燥環境的研究提供參考。具體得出的結論如下:

1) 不同的身體部位對高原干燥環境表現出不同的敏感性:唇部對相對濕度變化最為敏感,其次是鼻腔、喉部、皮膚和眼睛。人體在進藏第6、7天時各部位干燥程度最大,唇部和鼻腔干燥程度每天升高0.5個標度。進藏第2周,室內相對濕度變化時,眼部的干燥程度最為穩定,變化范圍均小于0.1個標度。

2) 高原干燥環境對人體皮膚溫度影響較弱,但對人體皮膚表面相對濕度具有顯著影響。皮膚表面相對濕度在第1周隨進藏時間的延長每日增加約3%,適應后皮膚表面相對濕度隨室內相對濕度變化明顯,室內溫度保持不變、室內相對濕度增加10%時,皮膚表面相對濕度在夏季增加8%,冬季增加6%。這表明皮膚表面相對濕度除了受室內相對濕度影響外,還受到人體對高原干燥環境適應階段的影響,適應后人體生理反應與室內相對濕度變化的隨動性增強。

3) 高原低濕環境對人體熱舒適產生影響。接近熱中性環境下,相對濕度對人體熱感覺和熱舒適的影響很小,但在偏暖的高原建筑環境中,人體熱感覺隨相對濕度的升高而增加。室內溫度不變時,相對濕度升高10%,熱感覺偏暖約1個標度;夏季偏冷和偏暖環境下相對濕度升高10%,熱舒適度提升約0.4個標度。