城市健康步道规划的人体运动生理指标探索

徐清浩，崔泽语

（山西大学）

1 引言

热舒适是指“对热环境感到满意的意识状态”。现阶段国内外关于热舒适的研究多集中于室内环境，包括建筑内自然通风、人体热适应性及热环境评价指标开发等方面。室外空间环境的非稳态性而导致针对室外空间开展的热舒适研究相对较少。然而，室外空间却在人们的日常生活中占有不容小觑的重要地位。研究指出身体活动不足是全球十大死亡危险因素之一，而影响居民室外活动时长的主导因素是温度等气候条件。城市室外开放空间作为居民户外活动的主要场所，良好的空间环境，尤其是热环境，室外环境由于在时间和空间上均具有动态性而有别于室内环境，因此关于室外热环境的研究不同于室内热环境研究，且研究难度远高于对室内热环境的研究，导致长期以来关于室外热环境及热舒适的研究一直很少。目前与热舒适相关的研究大多数还是以办公类场所为研究对象。在此类场所，绝大多数的人均处于活动水平较低（静坐）的状态，但实际情况下人们在室内并不总处于静止状态，也不仅仅局限于静坐这样的轻度活动，有些人的活动水平达到了中等强度甚至高强度水平。所以在进行热舒适研究时，如果人的活动水平并非一直保持恒定，就不能照搬前人在安静状态或者进行较低活动水平的研究时所得出的结论，也不能忽视活动水平的不同对热环境以及人体热舒适性的影响。然而，如何将上述的两个状态结合起来，也就是说，研究在室外环境中人体进行活动时的热感（热舒适度）及相关生理指标变化规律，甚至可以利用数学算法对两个方面的数学模型进行推导，从而预测热感觉，这便显得十分有意义了。

2 研究方法

2.1 热环境下运动中人体热感觉产生的生理机制

如图1 所示，在运动情境下，热环境、服装和运动的共同作用首先引起了人体皮肤温度和核心温度的变化。人体的皮肤层和内脏器官中的游离神经末梢存在着对温度变化敏感的温度感受器，因此可以感觉到皮肤温度和核心温度的变化。Strughold 等的研究表明人体冷热感受器的分布位置不同，且冷点数目明显多于热点，这导致了人体对冷感觉的反应更敏感。

2.2 热环境下运动中人体的热生理反应

在运动情境下，当人体产生的热量通过蒸发、辐射、对流、做功等方式还不足以散失出体外时，就会产生热负荷。Fanger 认为，正是由于人体内热负荷的存在导致了热感觉的产生，运动情境下热负荷通常大于0，即人体产热量大于散热量，此时人体会感到偏热。这也说明，运动中热感觉是衡量人体热生理状态，预防运动中出现热生理不良反应的有效指标[7]。当人体热负荷大于0 时，人体会相应产生一系列生理和病理反应，如图2 所示。

图1 热环境下运动中人体热感觉产生的生理机制

2.3 热环境下运动中与人体热感觉相关的生理指标

在新陈代谢率较低时，热感觉主要与平均皮肤温度（Tsk）、人体核心温度以及排汗率这 3 个生理指标具有较强的相关性。因此，在新陈代谢率较高的运动中，热感觉与这3 个生理指标的相关性值得重点关注。

2.3.1 热环境下运动中皮肤温度、核心温度与热感觉的相关性

要了解运动中皮肤温度与热感觉的相关性首先要弄清运动中皮肤温度的变化规律。杨海兰对运动过程中皮肤温度的变化进行了较为详细的研究。结果表明各点之间在运动中皮肤温度的变化趋势存在很大差异，高低强度运动之间也显著不同[8]。

2.3.2 热环境下运动中人体排汗率与热感觉的相关性

Nielsen 对人体在运动中的出汗率进行了深入的研究，他发现当固定环境温度在不同的运动强度下（540kpm/min-1440kpm/min）运动时，人体的平均皮肤温度不会发生改变，此时出汗率与人体核心温度呈线性正相关，运动强度越大，人体核心温度越高，人体出汗率相应越高。Nielsen 对太阳下运动中人体热平衡的研究发现人体的出汗率与辐射热交换密切相关[10]。

3 讨论

总体来看，运动和热环境引起的热应激会导致人体产生一系列体温调节反应，运动中最有可能与热感觉相关的三个生理指标：皮肤温度、核心温度以及排汗率。在运动情境下，人体核心温度的变化与新陈代谢率密切相关，受热环境的影响很小，且有关人体核心温度与热感觉之间关系的研究不多；人体皮肤温度受热环境影响很大，但受新陈代谢率的影响甚微，研究已表明运动中皮肤温度与热感觉的相关性较安静状态下大幅减弱；排汗率既受到热环境的影响也受到运动强度的影响，因此它有效反映了热环境与运动中产热对体温调节的综合影响。

3.1 中国城市健身步道现状和设计上的不足

中国最早的健身步道设计与建设，出现在20 世纪八、九十年代的香港和台湾。目前都已形成了各自富有特色的步道体系。但是也暴露出设计上的缺陷。通过笔者长期观察发现很多健康步道在夏季利用率不高。健康步道绿道很长，设施也很健全，但是在周末10：00 ～12：00 点的锻炼时间里没有健身者。另一方面是健身步道的设计没能有效地吸引居民参与，造成了绿地景观健身资源的浪费。这些反映出了健康步道中景观和植被规划的不合理。我们认为应该对步道傍边的树的类型、布置、树冠大小和间距有严格的要求。应结合生理指标和运动中热感和热舒适性的关系对健康步道旁植被进行合理的计划。

图2 热环境下运动中人体热生理反应图

3.2 将运动中人体热感觉的研究应用到城市健康步道绿植设计的思路

组成这一研究项目的有三个主要部分。第一部分，在室外环境当中进行运动中人体生理指标与热感觉（热舒适度）关系的研究。在夏季室外环境下（无树荫）安排实验，将实验分为运动前，运动中和运动后。试验中记录包括皮肤温度，核心温度，心率，心率变异性和EDA 等生理指标，并且利用问卷的形式记录受试者热感觉。热舒适度，疲劳度，热接受度等主观感觉。利用数理统计软件分析在室外热环境中，人体热感觉与生理指标间的关系。第二部分，受试者被安排在不同树冠覆盖率的健康步道中（或类似于健康步道的路径）进行实验，同时记录温度，湿度，风速和太阳辐射。测量不同树冠覆盖率下受试者产生疲劳（或出汗）的距离。经过数学统计和计算试图找出最经济的树冠覆盖率。第三部分，利用上述研究成果，结合模拟软件进一步优化健康步道植被规划，包括对树种、树龄、冠型、冠幅、树高、树梢结构、叶密度、叶色、叶质和叶形等进行深入研究和选择。另外，通过生理指数与热感觉之间的关系，可以对健康步道上运动强度进行科学预判，对于体弱者尤其是老年人可以进行运动强度建议或提出预警，这对提高健康步道的使用价值意义重大。

4 结语

描述了目前对于运动中人体热感研究的现状，指出与人体热感觉密切的生理指标。由于运动中的人体热感与代谢率密切相关，因此将心率和EDA 作为重要指标加入到考察范围。寻求出利用生理指标及主观感觉为出发点来对中国健康步道做出合理规划的研究路径和方法。