森林公园游憩者环境偏好与脑电波关系*

黄雅冰 翁羽西 徐伟振 林歆雅 王敏华 董建文

1 福建农林大学园林学院 福州 350001 2 福建工程学院建筑学院 福州 350001

快节奏的城市生活、不断加剧的竞争压力以及与自然环境的日益分离，已成为城市居民糖尿病、肥胖、失眠、抑郁症等慢性病或心理疾病剧增的主要诱因[1-3]。城市快速发展与健康问题的矛盾日益严峻，自新冠疫情暴发以来，公众对健康及生活环境质量关注越来越高[4]。在此背景下，近年来健康产业在中国快速发展，其中包括在我国正处于起步阶段的森林康养产业，体验森林景观对人体健康有何效益成为迫切的议题。

人类对于环境的知觉是经由环境刺激所产生的反应，在此过程中涉及人与环境的互动关系，最后得出环境的偏好评价[5]，以了解景观特性、公众喜好，并作为景观规划设计及管理的依据[6-7]。而相较于人工景观，公众更为偏好自然景观，且对不同自然景观类型具有不同偏好程度[8-9]。目前关于自然环境效益研究多集中在心理效益基础上引入生理层面探讨，从自我评估延伸至更为客观的生理量测，包括心跳、皮肤温度、肌肉紧张度等指标[10]。此外，也有学者直接测量“注意力容量(attentional capacity)”，以此证实在心理疲劳之后，观看自然景观比都市环境更有助于恢复注意力[11-12]。上述研究皆初步证实自然环境会带来生理、心理上的积极效益，但当下对于公众在接触自然过程中所产生的直接反应鲜有更为深入的了解。

研究表明，人们所产生的各种生理、心理反应及行为皆与脑部活动有关[13]。人类大脑会持续产生自发性、节律性及综合性的生物电活动，其信号非常微弱，需经放大器处理才能被清晰地发现。脑电图(electroencephalogram，EEG)信号中包含大量节律频段信息[14]，且各频段节律活动与公众意识状态有着密切联系[15-16]。由于EEG具有良好时间分辨率，目前已被广泛应用于监测一系列外部环境接触、内部心理刺激或事件等引起的实时情绪过程。虽有研究证实自然环境对脑部发展具有一定影响力，但目前国内鲜有学者开展关于环境与脑部反应连结的实证研究，而通过监测脑电波数据有助于探讨两者之间的关系，了解人们在接受到环境刺激后的初级反应及生理状态。

森林环境是以自然为主导的空间类型，与公共健康密切相关[17]。关于森林环境与生、心理效益关系研究已有不少，注意力神经网络的探讨也有相关脑部研究支持[12，18-19]，两者概念相结合可更为客观阐明森林环境对人的影响及恢复的康养效益。因此，本研究以福州国家森林公园为例，通过测量受试者对于不同森林环境的环境偏好与各脑区的脑电波活动差异，总结游憩者环境偏好与脑电响应的关系，以了解何种森林景观对人们较具恢复性效益，提取具有代表性的森林景观类型用于指导保健型森林公园的建设，为营造健康服务型森林景观提供科学依据。

1 研究区概况

福州国家森林公园位于福州北郊新店镇赤桥村，距离福州市中心约7 km，占地约860 hm2，是福建省首个国家级森林公园。园区三面环山，一面临水，园内动植物种类繁多，木本植物种类达1700多种。园区优美的自然环境释放出大量负离子，使福州国家森林公园成为了福州的天然氧吧，被誉为“福州之肺”。丰富的森林、水体、动植物景观资源有助于监测到游憩者在不同类型森林景观下脑电响应的差异。

2 研究方法

2.1 样地选择

为提高研究的代表性，对福州国家森林公园进行严格的样地筛选，选出20处具有代表性的样地。根据典型抽样法[20]，由7名风景园林学专家(男性4名，女性3名)对20处样地根据景观类型、自然-人工程度、空间围合度、植被类型、铺装类型等指标进行分类与挑选，最终将样地分为6类游憩地，每类游憩地选择一个观测点。这6类游憩地分别为:游憩林地——荫生植物园(S1)、竹类游憩地——竹类观赏园(S2)、地标性游憩地——千年古榕(S3)、纪念园游憩地——长江支队纪念园(S4)、森林步道游憩地——天马岭登山道(S5)、水畔游憩地——漫水桥(S6)。

2.2 试验设计

试验时间为2019年10月10—21日上午9∶00—12∶00和下午2∶00—4∶00，受试者均在树荫下进行观赏，样地温度为22～28℃，试验均选在晴或多云天气进行。研究表明，3～5 min的自然接触能够得到可靠性很高的研究结论[21]，故将每处样地感知时间定为(6±1)min。试验流程:1)受试者到达研究区域，主试者对试验目的、步骤和仪器使用方法进行详细说明；2)受试者依次观察6处样地指定区域景观，过程中持续记录脑电数据；3)每处样地脑电数据采集结束后，填写环境偏好评价问卷。问卷由环境偏好量表的一致性、易读性、复杂性和神秘性4个维度共14个题项组成(表1)[9]，采用7分制李克特量表法，选项由1(非常不同意)～7(非常同意)组成。

表1 环境偏好量表

2.3 试验对象

使用G*Power 3.1.9.2软件估计样本量大小[22]。将效应量设置为f＝0.25，alpha错误概率值0.05，统计功效0.95，估算得出总样本量至少为22人，最终确定30名试验对象(男性15名，女性15名)。试验过程会确保受试者的生命、健康及个人隐私的安全性，受试者身心健康(无听力、辨色力、视力障碍，无脑伤病史，无任何精神疾病史)且未参加过同类测试。在采集所有样本中，共获得26组脑电波有效样本，其中男性11名(占总体样本的42.31%)，女性15名(57.69%)。年龄以18～25岁的青年为主(占总量的92.31%)，受教育程度绝大多数在本科及专科以上(80.63%)，其中学生为主要群体(65.38%)。

2.4 脑电信号收集

观察大脑活动是评估参与者感知环境生理影响的有效方法[8]。本研究采用美国Emotiv公司开发的便携式脑电仪Emotiv EPOC Flex，对32个电位进行脑电信号采集，采样率为128 Hz。采集过程中要求被试者处于安静放松状态。

2.5 数据分析

EEG数据采用MATLAB 2013软件进行预处理，其中包括:设置带通滤波；剔除坏段，替换坏 导；独 立 成 分 分 析(Identical Component Analysis，ICA)去除伪迹影响；将数据截成时长为2 s的数据段，通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)进行频域分析，提取所有通道不同频率的功率谱密度计算。

研究表明，α、β脑电波比较适合用作探究环境差异性的指标[23-24]，且在不同公园环境中α、β脑电波会呈现显著差异[25]。故本研究关注α、β频率，分析6个脑功能区数据(图1):前额叶脑区采集电极为FP1、FP2；额叶脑区采集电极为F7、F3、F4、F8；中央区脑区采集电极为C3、C4；顶叶脑区采集电极为P3、P4；枕叶脑区采集电极为O1、O2；颞叶脑区采集电极为T7、T8。所有问卷数据与EEG数据计算均通过SPSS 23.0软件分析，以“均值±标准差”表示。单因素方差分析用于探究脑电信号数据的差异性，LSD法用于事后检验。

图1 脑区分布图

3 结果与分析

3.1 EEG分析

3.1.1 α波功率谱分析

对6处样地不同脑区的α频率进行单因素方差分析，结果(表2、图2)发现，6处样地的前额叶、额叶、中央区、枕叶功率谱密度存在显著差异，顶叶与颞叶功率谱密度差异不显著(P＞0.05)。经过LSD事后检验表明(表3)，各个脑区的α频率在不同样地均呈显著差异，其中额叶脑区S1显著(P＜0.01)高于S3、S4、S6，中央区S1、S2均显著(P＜0.01)且高于S4。

表3 各组样地α频率方差分析事后检验

图2 α频率脑电地形示意(单位:μV2/Hz)

3.1.2 β波功率谱分析

对6处样地不同脑区的β频率进行单因素方差分析，结果(表2、图3)发现，6处样地的额叶、中央区、枕叶功率谱密度存在显著差异，前额叶、顶叶、颞叶组间差异不显著(P＞0.05)。LSD事后检验表明(表4)，β频率各个脑区在不同样地的表现均有差异，前额叶脑区S1显著(P＜0.01)高于S3，额叶脑区S1、S2、S5均显著(P＜0.01)高于S3，中央区S1、S2均显著(P＜0.01)高于S4。

表4 各组样地β频率方差分析事后检验

图3 β频率脑电地形示意(单位:μV2/Hz)

表2 受试者在6处样地中α、β频率不同脑区差异比较

3.2 环境偏好与EEG的相关性分析

将6处样地受试者的环境偏好与α波、β波的活动分别进行Pearson相关性分析。为达到精简原则，将环境偏好4个维度所有题项分别求取算数平均数作为各维度的分数，α波与β波取32个电位平均值。结果(表5)表明:S1样地中，神秘性与β波活动呈显著负相关；S3样地中，复杂性与α波活动呈显著正相关；S6样地中，易读性与β波活动呈显著负相关；S2、S4、S5样地中，环境偏好各项维度与α波、β波的活动均无显著相关性。

表5 环境偏好与α波、β波的相关性分析

表5 (续)

4 讨论

4.1 不同脑区活动呈现不同差异性

本研究中6处样地α波与β波的前额叶、额叶、中央区、枕叶功率谱密度存在显著差异，其中前额叶、额叶、中央区在游憩林地S1、竹类游憩地S2的大脑活动显著高于地标性游憩地S3、纪念园游憩地S4。这是因为游憩林地S1与竹类游憩地S2的自然程度较高，为封闭与半封闭空间，反之地标性游憩地S3与纪念园游憩地S4的人工程度较高，为开敞空间，有大面积的人工草坪和大理石铺装。可以推测不同脑区的脑电波活动在不同森林环境会呈现各类差异性，前额叶、额叶、中央区的α波与β波活动可作为应对不同自然-人工程度和空间围合度森林环境的差异性指标，印证了Chang等[24]将额叶脑区的活动解释为放松的结论。

4.2 不同森林环境显著影响大脑活动

本研究不同类型森林环境中，游憩者各脑区α波、β波频带功率谱密度存在显著差异，表明不同类型森林环境能够诱发大脑活动发生改变。α波主要与放松的心理状态有关，相关研究显示，心情越是愉快，α波会越活跃[23]。同时，游憩林地S1、竹类游憩地S2的α节律显著高于地标性游憩地S3和纪念园游憩地S4，且在额叶脑区与中央区的表现最为显著，这与Chang等[24]的结论也一致。Deng等[26]证实了受试者在山地景观体验中大脑θ、α节律显著高于草坪和湖景，本研究表明游憩林地S1的额叶脑区α波活动显著高于地标性游憩地S3与水畔游憩地S6，也与Deng的结论相契合。

β波与运动行为高度相关，常出现在积极运动中，如专注于外部世界、积极思考、积极关注，或解决具体问题[23，27]，而β波能量降低与注意力集中程度下降有关。本研究阐释了游憩林地S1、竹类游憩地S2、森林步道游憩地S5的β节律显著高于地标性游憩地S3和纪念园游憩地S4，且在前额叶、额叶与中央区的表现最为显著。目前关于β波在各个脑区的功能作用尚不十分明确，但可以推测，相较于人工式森林环境，自然度较高的森林环境更易激起前额叶、额叶、中央区的β波活动，进而吸引游憩者积极关注景观并达到自我反省的目的。

4.3 环境偏好显著影响大脑活动

游憩林地S1中，神秘性与β波活动呈显著负相关；地标性游憩地S3中，复杂性与α波活动呈显著正相关；水畔游憩地S6中，易读性与β波活动呈显著负相关。地标性游憩地S3属于具有空旷草坪的人工式森林环境，通过结果可推测，增加这类景观的复杂性，有助于游憩者进入放松式的清醒状态中。王兆源等[28]研究显示，β波下降反映了紧张感降低，本研究通过游憩林地S1与水畔游憩地S6的结果可推测，增加山地景观的神秘性和水景的易读性，有助于游憩者降低紧张感，趋于放松状态。

本研究将脑电信号采集技术引入到森林景观评价分析中，并多维度探究森林景观特征对游憩者的影响。但在试验操作过程中发现脑电波数值变化可能受测试时间长短及测试时段的影响，建议可进一步探讨反应历程及时间的相关意义；另外，亦可加入不同频段脑电波和其他生理监测方式，以更准确评估受试者生理反应情况。

5 结论

1)不同脑区脑电波活动在不同森林环境中均呈现不同差异性。前中脑部的前额叶、额叶、中央区脑区α波与β波活动可作为应对不同自然-人工程度和空间围合度森林环境的差异性指标。

2)不同森林环境显著影响大脑活动。在自然度较高的森林公园环境中，额叶脑区与中央区的α波较高，能使游憩者感到轻松和心情愉悦，且山地景观中额叶脑区α节律会显著高于草坪和湖景。

3)环境偏好显著影响大脑活动。增加人工式森林环境景观效果的复杂性可以提高游憩者α波的活动，有助于游憩者进入放松式的清醒状态中；增加山地景观的神秘性和水景的易读性可以降低游憩者的β波活动，从而降低游憩者的紧张感，使游憩者更易趋于放松状态。