施昱琳，楊建勛，劉苗苗，畢軍

(污染控制與資源化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 前言

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們?cè)谙硎芫薮蟀l(fā)展紅利的同時(shí)也面臨著更加沉重的工作和生活壓力。急性壓力、慢性壓力和壓力恢復(fù)不足正成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問題，也是使得居民長(zhǎng)期處于亞健康狀態(tài)的一大誘因[1]。壓力會(huì)對(duì)人體心腦血管和內(nèi)分泌系統(tǒng)的活動(dòng)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致失眠、生殖健康甚至癌癥等一系列身心健康問題[2]。研究者們通過對(duì)視覺環(huán)境的生理心理效用的不懈探索發(fā)現(xiàn)，暴露于包含藍(lán)天、綠地、湖泊等自然要素的環(huán)境能夠激活副交感神經(jīng)系統(tǒng)[3-4]，緩解壓力[5]，降低焦慮[6]，促進(jìn)積極的情緒體驗(yàn)[7]。Ulrich[8]認(rèn)為，這是由于人們對(duì)于自然環(huán)境存在本能的偏愛，人們能夠從自然要素中獲取積極的生理和心理效用，阻斷消極的認(rèn)知或行為，因此接觸自然能夠幫助人們更快地從壓力狀態(tài)中恢復(fù)。然而，人體的壓力恢復(fù)可能會(huì)受到城市環(huán)境中大氣污染和噪聲等因素的阻礙。我國正面臨嚴(yán)峻的大氣顆粒物污染，大氣中顆粒物濃度的升高使得能見度下降[9]，天空和景觀均被灰霾遮蓋，人們從自然環(huán)境中獲得壓力恢復(fù)的進(jìn)程可能受到阻礙。此外，具有強(qiáng)烈視覺沖擊的城市灰色景觀甚至還可能成為附加的壓力源而進(jìn)一步增加居民的壓力水平。近年來，已有研究發(fā)現(xiàn)大氣污染會(huì)降低居民的幸福感[10-11]，顆粒物污染伴隨的能見度下降和城市灰色景觀可能導(dǎo)致居民情緒煩躁、壓力升高，但是這些結(jié)果大多基于心理量表、訪談?wù){(diào)查所得的幸福感數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)分析獲得[12-13]，數(shù)據(jù)間存在一定的時(shí)空不匹配性，而即時(shí)的壓力水平測(cè)量可以較好地控制時(shí)空不匹配問題。

人體的壓力反應(yīng)包含心理反應(yīng)和生理反應(yīng)2個(gè)方面，其中心理反應(yīng)可以通過易于操作的壓力測(cè)量量表獲取，而生理反應(yīng)則需要通過測(cè)量心腦血管和內(nèi)分泌系統(tǒng)的活動(dòng)獲取。電生理技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用使得獲取人體處于不同環(huán)境時(shí)的生理反應(yīng)成為可能。電生理技術(shù)是指以多種形式的能量刺激生物體，測(cè)量、記錄和分析生物體發(fā)生的電現(xiàn)象和電特性的技術(shù)，主要包括皮膚電、肌肉電、心電圖、腦電圖、眼電圖等。電生理技術(shù)的應(yīng)用對(duì)研究人員的操作要求較高，但它能排除被試主觀意識(shí)的影響，從而準(zhǔn)確反映被試的客觀壓力水平[14]。目前這一手段主要應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)和戶外景觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域。研究者們使用電生理技術(shù)，通過生理心理學(xué)實(shí)驗(yàn)廣泛測(cè)量了自然和城市環(huán)境對(duì)不同人群壓力恢復(fù)及身心健康的影響[15-16]。Ulrich等[17]在20世紀(jì)末設(shè)計(jì)了一套經(jīng)典的壓力恢復(fù)實(shí)驗(yàn)范式，使用令人緊張的影片提升被試的壓力水平，再將被試暴露于6種不同的自然或城市景觀進(jìn)行壓力恢復(fù)，結(jié)果顯示觀看自然景觀的被試相較于觀看城市景觀的被試呈現(xiàn)出更低的血壓和心率。基于這一范式，眾多研究者通過自然體驗(yàn)[18- 19]、圖片呈現(xiàn)[20]、虛擬現(xiàn)實(shí)[21-22]等途徑探索了不同條件下不同景觀的壓力恢復(fù)效用，然而目前鮮有研究將空氣質(zhì)量作為影響壓力恢復(fù)的環(huán)境要素，大氣顆粒物污染對(duì)居民壓力恢復(fù)是否存在影響及其影響程度仍未有充足的生理心理學(xué)依據(jù)。

為探究大氣顆粒物污染對(duì)居民壓力恢復(fù)的影響，現(xiàn)基于壓力恢復(fù)理論設(shè)計(jì)了一項(xiàng)生理心理學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合自評(píng)壓力量表、皮膚電和心電反應(yīng)測(cè)量公眾觀看不同環(huán)境細(xì)顆粒物(PM2.5)濃度的實(shí)景照片進(jìn)行壓力恢復(fù)時(shí)的壓力水平變化，以期為電生理技術(shù)在大氣污染健康風(fēng)險(xiǎn)管控中的應(yīng)用提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

為科學(xué)地測(cè)量大氣PM2.5污染對(duì)公眾壓力恢復(fù)的影響，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)流程，見圖1。首先，邀請(qǐng)被試填寫知情同意書和貝克抑郁自評(píng)量表及狀態(tài)-特質(zhì)焦慮問卷。隨后，邀請(qǐng)通過抑郁和焦慮測(cè)試的被試進(jìn)入一個(gè)隔聲條件良好的實(shí)驗(yàn)間佩戴電生理設(shè)備并開展正式實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)分為放松休息、壓力誘發(fā)和壓力恢復(fù)3個(gè)階段，皮膚電和心電的測(cè)量貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。在放松休息階段，被試坐在距離電腦顯示屏60～65 cm處聽純音樂舒緩放松3 min，獲取被試的基線壓力水平；在壓力誘發(fā)階段，為提升壓力水平，被試需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成普通話測(cè)試、圖片識(shí)別和斯特魯普(Stroop)測(cè)試3項(xiàng)任務(wù)，并在任務(wù)結(jié)束后獲取被試的誘發(fā)壓力水平；在壓力恢復(fù)階段，被試需要連續(xù)觀看一組實(shí)景照片3 min并進(jìn)行放松，從而獲取被試暴露于不同的大氣PM2.5濃度環(huán)境照片進(jìn)行壓力恢復(fù)時(shí)的壓力水平變化。在完成每階段的任務(wù)后，被試均需填寫壓力自評(píng)量表。最后，通過問卷采集被試的性別、年齡等人口學(xué)信息。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)圖片選擇及分組

為再現(xiàn)大氣PM2.5污染對(duì)能見度的影響，選用2個(gè)不同來源的大氣污染實(shí)景照片作為刺激材料，其一為AMOS(Archive of Many Outdoor Scenes)開源圖片庫[23]中的東方明珠圖片，其二為獲得授權(quán)的社交媒體上的風(fēng)景照。為消除圖片拍攝時(shí)雨霧等天氣因素的影響，剔除了拍攝當(dāng)天空氣濕度超過80%的圖片，且選用的所有圖片均能清晰地展現(xiàn)城市和天空的分界線。為所有選用的圖片分別匹配了圖片拍攝時(shí)拍攝地的PM2.5小時(shí)監(jiān)測(cè)濃度。共選用了24張大氣污染實(shí)景照片，并用Photoshop軟件將照片大小統(tǒng)一設(shè)置為1 200×800像素(橫屏)，隨后根據(jù)ρ(PM2.5)均分為6組，分別為G10、G30、G50、G100、G160、G260，每組包含4張圖片，其中G10組壓力恢復(fù)階段刺激圖片示例見圖2。所有照片均通過E-prime 3.0軟件在電腦屏幕上呈現(xiàn)。6組圖片的ρ(PM2.5)平均值分別為10，30，50，100，160和260 μg/m3。隨著環(huán)境ρ(PM2.5)的升高，實(shí)景照片中的天空和城市景觀逐漸變得灰暗模糊，體現(xiàn)能見度的下降和城市景觀的灰色化。根據(jù)現(xiàn)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)以及《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ 633—2012)，這6組圖片包含優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染6個(gè)不同的大氣污染級(jí)別，其中G10、G30和G50這3組實(shí)景照片的背景為清潔空氣，G100、G160和G260這3組實(shí)景照片的背景為污染空氣。

圖2 G10組壓力恢復(fù)階段刺激圖片示例

1.3 實(shí)驗(yàn)被試對(duì)象

在寧夏固原共隨機(jī)招募127名被試[女性63名，男性64名；年齡：平均值(M)=37.61，標(biāo)準(zhǔn)差(SD)=9.69]，均為右利手，無心理疾病。所有被試均閱讀并簽署知情同意書，并在正式實(shí)驗(yàn)前接受了實(shí)驗(yàn)程序的告知和培訓(xùn)。所有被試被隨機(jī)分為6組，每組被試在壓力恢復(fù)階段分別觀看不同組別的實(shí)景照片，具體分組信息見表1。

表1 被試分組信息

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)程序由E-prime 3.0軟件呈現(xiàn)，研究中通過壓力自評(píng)量表、皮膚電和心電圖3種手段同時(shí)測(cè)量被試在不同實(shí)驗(yàn)階段的壓力水平。

壓力自評(píng)量表包含緊張、焦慮和逃避3個(gè)指標(biāo)，并采用7點(diǎn)量表進(jìn)行衡量[24- 25]。量表的呈現(xiàn)和被試的按鍵評(píng)分由E-prime 3.0記錄，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)出為“.csv”文件進(jìn)行分析。為綜合表征壓力水平，采用自我評(píng)價(jià)的緊張、焦慮和逃避3項(xiàng)指標(biāo)的均方根作為被試的自評(píng)壓力水平。

相較于壓力自評(píng)量表的低時(shí)間分辨率，皮膚電和心電的變化能夠反映被試即時(shí)的壓力水平。選用皮膚電水平、心率和心率變異性指標(biāo)全部竇性心搏R-R標(biāo)準(zhǔn)差(SDNN)等生理指標(biāo)表征被試的客觀壓力水平。其中，皮膚電水平是在一段固定時(shí)間內(nèi)被試皮膚電反應(yīng)的均值，被認(rèn)為和緊張、煩躁、焦慮等壓力情緒有關(guān)[26]；心率在臨床研究中得到了十分廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為與心血管健康和自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)有關(guān)，壓力水平的提升往往伴隨著心率的增加；SDNN是一項(xiàng)心率變異性指標(biāo)，表示全部竇性心搏相鄰R波峰間期的標(biāo)準(zhǔn)差，被認(rèn)為是副交感神經(jīng)活動(dòng)的反映，心率變異性越高，副交感神經(jīng)活動(dòng)越強(qiáng)，在休息時(shí)消除壓力相關(guān)情緒的能力也越強(qiáng)[27]。通過以下步驟進(jìn)行生理數(shù)據(jù)的采集、處理和分析：首先使用MP150生理信號(hào)記錄分析系統(tǒng)(美國BIOPAC公司)和Acqknowledge 4.2.1軟件采集、記錄被試的皮膚電反應(yīng)和心電圖，然后在Acqknowledge 5.0中對(duì)原始皮膚電和心電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并從心電數(shù)據(jù)中提取出心率和心率變異性指標(biāo)，之后分別截取3個(gè)實(shí)驗(yàn)階段最后10 s的皮膚電水平、心率和SDNN的均值作為該階段的客觀壓力水平，最后將放松休息、壓力誘發(fā)和壓力恢復(fù)階段的壓力水平帶入公式(1)[28]計(jì)算得到壓力恢復(fù)比例(SRP，Stress Recovery Percentage)。此外，為探索被試壓力恢復(fù)比例的時(shí)間變化趨勢(shì)，還計(jì)算了被試在壓力恢復(fù)階段每10 s的皮膚電水平恢復(fù)比例。

式中：SRPi——被試i的壓力恢復(fù)比例，%；SLbaseline,i——被試i在放松休息階段的壓力水平，μS；SLinduced,i——被試i在壓力誘發(fā)階段的壓力水平，μS；SLrecovery,i——被試i在壓力恢復(fù)階段的壓力水平，μS。

2 結(jié)果與討論

2.1 組間差異檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)6組被試的基線和誘發(fā)壓力水平是否存在顯著差異，分別對(duì)6組被試在放松休息和壓力誘發(fā)階段的自評(píng)壓力水平、皮膚電水平、心率和心率變異性開展了單因素方差分析，見圖3(a)(b)(c)(d)。結(jié)果顯示，6組被試在放松休息和壓力誘發(fā)階段的所有壓力指標(biāo)值均不存在顯著的組間差異，證明了實(shí)驗(yàn)分組的隨機(jī)性。

圖3 各階段壓力水平分布

為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)第2階段的壓力誘發(fā)任務(wù)是否顯著提升了被試的壓力水平，對(duì)被試在放松休息和壓力誘發(fā)階段的自評(píng)壓力水平、皮膚電水平、心率和心率變異性開展了重復(fù)測(cè)量方差分析，結(jié)果顯示，被試在放松休息階段的壓力水平與壓力誘發(fā)階段的自評(píng)壓力水平(p<0.001)、皮膚電水平(p<0.001)、心率(p<0.01)和心率變異性(p<0.01)均存在顯著差異。具體而言，在完成第2階段的壓力誘發(fā)任務(wù)后，各組被試的自評(píng)壓力水平、皮膚電水平和心率均顯著提高，而心率變異性指標(biāo)SDNN顯著下降。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中壓力誘發(fā)階段的3個(gè)任務(wù)顯著提升了被試的壓力水平。

2.2 大氣PM2.5污染對(duì)壓力恢復(fù)的影響

6組被試在壓力恢復(fù)階段基于壓力自評(píng)、皮膚電水平、心率和心率變異性的壓力恢復(fù)比例見圖4(a)(b)(c)(d)。方差分析的結(jié)果顯示，6組被試的自評(píng)壓力恢復(fù)比例不存在顯著差異(p>0.1)，每組被試在觀看3 min實(shí)景照片后自評(píng)壓力恢復(fù)比例的均值均處于60%～80%。但皮膚電、心率和心率變異性指標(biāo)的恢復(fù)比例呈現(xiàn)出顯著的組間差異(p<0.05)。隨著所觀看實(shí)景照片的大氣環(huán)境ρ(PM2.5)的升高，被試的皮膚電水平、心率和心率變異性恢復(fù)比例呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。具體而言，G10、G30和G50這3組被試的皮膚電水平、心電和心率變異性恢復(fù)比例約為40%～50%、50%～70%和60%～80%，而G100、G160和G260這3組被試的皮膚電水平、心電和心率變異性恢復(fù)比例約為20%～40%、10%～40%和30%～50%，即觀看ρ(PM2.5)低于50 μg/m3的實(shí)景照片的被試在3 min內(nèi)的壓力恢復(fù)比例比觀看ρ(PM2.5)高于100 μg/m3的實(shí)景照片的被試高20%以上。

此外，從圖4所示的基于不同指標(biāo)的各濃度組壓力恢復(fù)比例中可以發(fā)現(xiàn)，G10、G30和G50這3組觀看清潔空氣圖片的被試的自評(píng)、皮膚電反應(yīng)、心率和心率變異性恢復(fù)比例均高于G100、G160和G260這3組觀看污染空氣圖片的被試。方差分析的結(jié)果也證明了這一規(guī)律，即相較于觀看ρ(PM2.5)高于100 μg/m3的實(shí)景照片的被試，觀看ρ(PM2.5)低于50 μg/m3的實(shí)景照片的被試的自評(píng)壓力水平(F=4.50，p<0.05)、皮膚電水平(F=14.84，p<0.001)、心率(F=10.33，p<0.01)和心率變異性(F=14.02，p<0.001)的恢復(fù)比例顯著更高。

圖4 各濃度組壓力恢復(fù)比例

為探索大氣污染影響壓力恢復(fù)的時(shí)間特征，將壓力恢復(fù)階段的3 min均分為18段，獲得6組被試每10 s的皮膚電水平恢復(fù)比例，見圖5。由圖5可見，在3 min的壓力恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，除G50組被試的壓力恢復(fù)水平偏高外，其他各組被試的壓力恢復(fù)比例隨所觀看景觀圖片的ρ(PM2.5)的升高而逐漸降低，其中G10組被試的壓力恢復(fù)比例超過40%，而G260組被試的壓力恢復(fù)比例僅為20%左右。值得一提的是，在壓力恢復(fù)階段的前2 min，每組被試的壓力恢復(fù)比例均有明顯的上升，但當(dāng)觀看實(shí)景照片的時(shí)間超過2 min后，幾乎每組被試的壓力恢復(fù)速率均呈現(xiàn)放緩的趨勢(shì)，甚至出現(xiàn)一定程度的壓力回升。結(jié)果表明，觀看景觀照片有助于人群壓力恢復(fù)，但大氣PM2.5污染阻礙了壓力恢復(fù)，且長(zhǎng)時(shí)間暴露于相似的環(huán)境中會(huì)增加厭倦和疲勞，影響壓力恢復(fù)進(jìn)程。

圖5 皮膚電壓力恢復(fù)趨勢(shì)

3 結(jié)論與展望

(1)嚴(yán)重的大氣PM2.5污染將通過降低能見度和塑造灰色景觀阻礙人群的壓力恢復(fù)，被試暴露于污染空氣時(shí)的壓力恢復(fù)比例較暴露于清潔空氣時(shí)低20%以上。

(2)基于皮膚電的逐10 s壓力恢復(fù)水平分析顯示，2 min內(nèi)的清潔空氣圖片暴露能使壓力恢復(fù)至初始水平的60%左右，而暴露時(shí)間的增加可能會(huì)使被試產(chǎn)生疲勞和厭倦，從而導(dǎo)致壓力恢復(fù)比例下降。

(3)皮膚電、心電等電生理技術(shù)能夠客觀、有效地測(cè)量壓力水平變化，豐富了開展環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的手段，是對(duì)自評(píng)量表測(cè)量的有力補(bǔ)充。通過皮膚電水平、心電、心率變異性等電生理指標(biāo)準(zhǔn)確地識(shí)別出了暴露于不同ρ(PM2.5)的實(shí)景照片對(duì)壓力恢復(fù)的差異影響，彌補(bǔ)了自評(píng)量表受被試主觀意識(shí)影響大的不足。

(4)電生理技術(shù)擁有更高的時(shí)間分辨率，未來可以將其更廣泛地應(yīng)用于大氣污染生理健康和心理健康影響研究中，推動(dòng)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)的精細(xì)化管控，為大氣污染健康風(fēng)險(xiǎn)管控目標(biāo)的制定提供科學(xué)支撐。