張 喆,郄光發(fā),*,王 成,姜莎莎

1 中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局林木培育重點實驗室, 北京 100091

多尺度植物色彩表征及其與人體響應(yīng)的關(guān)系

張 喆1,2,郄光發(fā)1,2,*,王 成1,2,姜莎莎1,2

1 中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所,國家林業(yè)局林木培育重點實驗室, 北京 100091

2 國家林業(yè)局城市森林研究中心, 北京 100091

色彩是人們對植物外觀的第一印象,與植物視覺特征和人體響應(yīng)關(guān)系密切,因此,對森林美景度提升和公眾適宜性契合具有重要作用。結(jié)合色彩學形成的歷史關(guān)鍵節(jié)點和1個世紀以來植物色彩的研究動態(tài),將植物色彩研究的發(fā)展歷程劃分為萌芽、形成、發(fā)展和繁榮等4個階段,并簡介了各階段的主要特點。同時,從植物器官、植物個體、植物群體(涵蓋種群和群落)、整體景觀等4個視覺尺度以及審美、生理與心理等3個影響層面,闡述與評價了植物色彩傳達機制與人體響應(yīng)關(guān)系的相關(guān)研究。在此基礎(chǔ)上,圍繞植物色彩特征提取中存在的色彩要素定量、特征因子選取、色彩量化方法等方面的不足之處,對未來研究方向進行展望,提出植物色彩尺度與公眾響應(yīng)關(guān)系剖析、較大尺度色彩評價因子的深入挖掘、色彩量化方法的多學科融入、公眾對植物色彩響應(yīng)關(guān)系綜合比對、森林景觀美景度提升實踐等5個方向的發(fā)展趨勢,以期為全面地了解植物色彩的傳達機制與影響、科學地開展不同精度和尺度下的植物色彩研究提供參考。

植物色彩； 植物視覺尺度； 視覺審美； 生理健康； 心理健康

森林作為居民親近自然、舒緩身心的重要選擇,在城鎮(zhèn)發(fā)展中具有不可替代的關(guān)鍵作用。但目前我國大多數(shù)生態(tài)風景林還存在“千林一面”、“有林缺景”等景觀問題,尚不能完全滿足公眾對森林服務(wù)功能的眾多期待,因此,如何提高生態(tài)風景林的服務(wù)價值是當今許多研究的焦點。研究表明提升森林美景度和促進公眾身心健康是解決上述問題的有效著力點,而植物色彩是這一環(huán)節(jié)的重要影響指標[1]。色彩是光作用于人眼后引起的除空間屬性以外的視覺特性[2],對人類視覺神經(jīng)的刺激要比形狀、大小等其他因素更強烈[3],因而,植物色彩在傳達森林視覺特征、刺激人體視覺感受等方面要比植物景觀的其他要素更加直接和重要。

近年來,國內(nèi)外在植物色彩傳達及其對公眾影響方面開展了許多研究工作,主要涵蓋了審美、心理和生理影響等3個層面及植物器官、個體、群體和整體景觀等4個尺度。這些研究往往根據(jù)各自研究對象的視覺尺度、生長條件、色彩復雜度等特點,提取了各自的色彩特征因素指標[4- 6]。然而,對于后續(xù)研究來說,存在研究覆蓋度不足、色彩解譯方法不一致等問題,從而影響評價和預測結(jié)果的可參考性。為此,本文開展植物色彩的視覺傳達及其與人的響應(yīng)關(guān)系研究,對研究的發(fā)展歷程進行梳理,以不同尺度下植物的色彩傳達機制、與公眾審美、生理和心理的響應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ),提出存在的問題和發(fā)展趨勢,以期為我國植物色彩相關(guān)研究提供一些借鑒和參考。

1 植物色彩研究的發(fā)展歷程

植物色彩研究是在色彩學的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,結(jié)合色彩學發(fā)展的歷史關(guān)鍵節(jié)點以及1900—2016年的文獻統(tǒng)計數(shù)據(jù)(圖1),將植物色彩研究的發(fā)展歷程分為萌芽、形成、發(fā)展和繁榮等4個階段。

圖1 國內(nèi)外植物色彩研究文獻數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.1 The paper number of plant color researches at home and abroad

外文文獻數(shù)據(jù)獲取自Web of Science的SCIE數(shù)據(jù)庫,關(guān)鍵詞：“plant color” or “forest color” or “community color”；中文文獻數(shù)據(jù)獲取自CNKI數(shù)據(jù)庫,關(guān)鍵詞：“植物色彩”或者“森林色彩”或者“群落色彩”。

(1)萌芽階段 17世紀50年代以前。這一時期人們對植物色彩認知主要處于直覺期,體現(xiàn)在國外庭院設(shè)計等的色彩運用以及我國彰顯封建制度、民間藝術(shù)等的植物繪畫與園林營造中[7]。該階段人們僅是利用色彩來傳達強烈的主觀意愿,但對色彩的產(chǎn)生、變化缺乏科學的解釋。

(2)形成階段 17世紀60年代—20世紀20年代。牛頓在1666年發(fā)現(xiàn)日光的七色組成[8],是近現(xiàn)代色彩學科形成的開端。此后的色彩視覺感受模型研究,又進一步提出了三色學說、四色學說等重要色彩理論,但這些理論不能全部解釋所有的視覺問題[9]。20世紀初期,孟塞爾(Munsell)和奧斯特瓦爾德(Ostwald)的色彩調(diào)和理論先后出現(xiàn)[10],奠定了定量化色彩研究的根基。該階段是色彩研究正式進入定量研究的重要轉(zhuǎn)折時期,開始形成光與色彩形成、色彩視覺現(xiàn)象、色彩調(diào)和理論等多個研究分支,植物色彩的量化也涵蓋其中。

(3)發(fā)展階段 20世紀30年代—20世紀70年代。從1931年開始,國際照明委員會(International Commission on Illumination)先后制定了CIE1931-RGB、CIE1931-XYZ、CIE1964補色色度、CIE1976-Lab和CIE1976-Luv等色彩系統(tǒng),這些不斷修正、更加均勻的色彩空間成為定量描述視覺色彩的國際通用標準,從而促進了植物色彩研究的定量化發(fā)展[9]。這一時期,學者們開始借助現(xiàn)代化色彩量化手段,對植物基因、色素、植物生長與色彩變化等問題開展研究,其中植物生理是該階段植物色彩研究的主要方向[11]。

(4)繁榮階段 20世紀80年代—至今。這一階段植物色彩研究快速發(fā)展,國外有關(guān)研究成果成倍增長,我國也相繼出現(xiàn)了相關(guān)研究并發(fā)展顯著(圖1)。從研究深度上,國內(nèi)外學者開始嘗試探索植物自然特征、環(huán)境影響因素與色彩視覺傳達的關(guān)系。在季相變更與色彩變化[12]、環(huán)境差異與色彩變化[13]、林分結(jié)構(gòu)與色彩表現(xiàn)[14]、群落色彩斑塊構(gòu)成[15]等方面開展研究,內(nèi)容涵蓋不同觀賞尺度和配置形式的植物景觀,運用色相、明度、飽和度等色彩學指標,結(jié)合透光率、綠光標準化值等林內(nèi)色彩特征指標,并借鑒色彩斑塊數(shù)量、密度、形狀指數(shù)、多樣性指數(shù)等景觀格局分析指標,研究基于植物自然屬性的色彩傳達機制。

從研究廣度上,開始出現(xiàn)植物色彩社會屬性(即植物色彩與人的關(guān)系)等方面的研究[16]。目前國際上對植物色彩與人的關(guān)系研究集中在植物景觀美景度評價[17]、植物園藝療法[18-19]、色彩心理學[20]等審美、生理與心理方面,從植株的葉片、果實等部分器官、植物個體、群體、整體景觀等不同的研究尺度入手,通過現(xiàn)場試驗與圖片展示的途徑指定森林色彩研究對象,借助問卷調(diào)查、生物反饋測量、心理測驗、觀察描述等方法獲得研究數(shù)據(jù)[21],結(jié)合美景質(zhì)量評分為代表的審美指標[22],腦電波、皮膚電導率[23]、脈搏與血壓[24]等人體生理指標,心情狀態(tài)評分等心理指標[25],購買力等其他輔助指標[26],以及身體和精神感受的主觀描述,形成衡量森林色彩對人體作用的主客觀指標,然后采用卡方檢驗、顯著性T檢驗、因子分析、相關(guān)性分析、回歸分析、灰色理論等方法,得出不同人群對不同類型植物景觀色彩的響應(yīng)關(guān)系。相關(guān)研究一般流程總結(jié)如圖2。

圖2 植物色彩與人體響應(yīng)關(guān)系研究流程示意圖Fig.2 The relationship between plant colors and human reactions

2 植物色彩及其與人體響應(yīng)機制

2.1 多尺度植物色彩傳達機制

植物葉片是植物色彩特征表現(xiàn)最明顯的器官之一,含有葉綠素、類胡蘿卜素和以花青素為主的類黃酮素等色素,這些色素通過反射不同波段的可見光而呈現(xiàn)出綠色系、黃色系、紅色系等的顏色[27],最終各色素的含量比例決定葉片的顯色情況[28]。基因是決定植物葉片色素含量的內(nèi)因,因此,同一種植株在相同生長環(huán)境中對物候變化具有相似的色變反應(yīng)。近年來,國內(nèi)外學者在外因變化對植物葉片色素的影響方面開展了相關(guān)研究[13, 29- 30],證實氣候[31]、光照[32]、溫度與溫差[33]、濕度[29]、土壤條件[30]等環(huán)境變化均能影響葉片內(nèi)色素組成,從而導致色彩差異。除了葉片之外,植物的花、果、莖等器官也常因其具有特殊的顯色性、良好的觀賞性而被關(guān)注,其色彩變化的影響因素與葉片類似,但具有更明顯的種間差異性。

植物個體的色彩由內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境條件共同決定,表現(xiàn)在不同器官的色彩差異性[34]、同一器官的色彩豐富性[35]、不同季節(jié)植物體的色彩多變性[36]等方面。為了便于研究,有學者嘗試利用植物典型葉片傳達的色彩信息來代表整株植物的色彩,這是一種粗略提取植物色彩時較實用的研究方法[37],但這種化繁為簡的方式適用范圍較小,僅限于在某個季節(jié)單一葉色的觀葉植物的色彩研究,對于正處于季節(jié)性葉色變化期或者其他器官色彩明顯的植物個體而言并不適用。這類植物色彩的標定更加多元,一般根據(jù)具體的研究內(nèi)容來進行色彩取舍[38]。目前學者們開展了植物季節(jié)性色彩持續(xù)變化的監(jiān)測和單株植物色彩構(gòu)成特征[39]、觀花植物色彩屬性特征[34]、觀果植物果色變化規(guī)律[40]等方面的研究,對植物個體的色彩構(gòu)成與變化規(guī)律研究進行了進一步的補充。

植物群體色彩和整體景觀色彩具有相似性,兩者均包含了組成該群體的所有植物色彩和非生物環(huán)境色彩[12],色彩表征比單株植物更復雜。植物群體色彩主要是林內(nèi)或者較近距離的視覺尺度內(nèi)包含的所有色彩,其色彩表現(xiàn)受物種組成、豐富度及結(jié)構(gòu)關(guān)系、林木密度、郁閉度、林地內(nèi)的坡度、朝向等眾多因素共同決定[15, 22, 28]。植物整體景觀色彩通常是指視覺距離較遠、尺度較大的片林的外部景觀色彩,也可看做是多個植物群體組合形成更大尺度的色彩集合,受植物空間組成、疏透度、林地地形、山體高度等因素影響,從而呈現(xiàn)不同色彩組合和色塊布局方式[41]。因此,植物群體色彩和整體景觀色彩由于視覺尺度的差異,色彩特征并不完全相同。

圖3 多尺度植物色彩傳達機制示意圖Fig.3 The chromatic mechanism of plants by multi-scale

此外,色彩感覺是物體反射光源的光線刺激人眼產(chǎn)生神經(jīng)信息,經(jīng)大腦判斷而形成的[9]。因此,在植物反射光線到人體接收色彩信息這個環(huán)節(jié)中,除植物本身的色彩信息之外,光源、光的傳播環(huán)境、人體視覺神經(jīng)等3個要素都會影響植物色彩表征。研究表明,光強與色溫變化[42]、自然環(huán)境中觀測距離和天氣情況[43]、大氣散射規(guī)律[44]等因素會對視覺觀測的植物色彩值產(chǎn)生影響,并且不同人群的色彩辨別能力也存在差異[45]。不同尺度植物色彩傳達與影響關(guān)系示意如圖3。

2.2 植物色彩與公眾審美響應(yīng)

在色彩美學研究中,常涉及到單一色彩的審美分析[46],但在植物色彩美學中,單株植物的色彩界定并不清晰,例如開黃色花的水仙經(jīng)常被人們視為是綠色植物,且人們對單株植物的審美喜好個體性差異較大[47]。在實踐應(yīng)用中,單株植物色彩的審美經(jīng)驗僅適用于指導孤植樹配置,應(yīng)用范圍并不廣泛。因此,國內(nèi)外對于單株植物的色彩審美研究并不多,主要是圍繞更復雜的植物群體色彩組成開展的,并以中小尺度的群落色彩研究居多。

目前對于群落色彩與公眾審美響應(yīng)的研究主要從兩個方向上展開。第一個方向是理論評價：色彩調(diào)和理論。色彩調(diào)和是從審美角度出發(fā),探索色彩之間關(guān)系的理論體系,其中涉及的鄰補色、對比色、類似色等色彩關(guān)系可以用于植物色彩景觀效果和植物配置方式選擇[48]。色彩調(diào)和理論通常適用于幾種色彩之間的組合評價,因其需要對主要色彩分別進行色系標定后才能判斷各色彩之間的視覺關(guān)系,故而,大多用于尺度小、株數(shù)少的植物配置景觀的色彩判定。近幾年,國內(nèi)學者借助孟塞爾色彩體系的“混合顏色產(chǎn)生中性灰是色彩和諧的標志”理論,對植物景觀進行色彩優(yōu)化[49]。此后,有學者利用相同方法,取得優(yōu)化后的景觀,并在此基礎(chǔ)上進行問卷檢驗,結(jié)果顯示色彩調(diào)和理論指導下的景觀優(yōu)化具有一定的公眾認可度[50]。但是,色彩調(diào)和理論因其以美學為基礎(chǔ),容易受到人類歷史、地理與文化等社會因素的影響[10],故以其作為色彩審美衡量標準具有一定的片面性。第二個方向是量化實踐：森林美景度評價。這種方式是通過公眾或?qū)＜覍坝^打分來判斷色彩美景等級[41],因此,更加注重公眾的審美響應(yīng)及人群差異性。國外開展森林美景度評價研究較早,已經(jīng)有相當成熟的理論和實踐基礎(chǔ)[51],國內(nèi)對于森林美景度評價大多是在直接借鑒國外SBE(Scenic Beauty Estimation)、LCJ(Law of Comparative Judgment)等方法[41, 52]。但是,通常這類評價體系是對評價對象的整體美景度打分,涵蓋了諸如群落結(jié)構(gòu)、林冠特征、植物形態(tài)、季相變化與環(huán)境質(zhì)量等眾多因素,而色彩只是其中一個影響因素,導致植物色彩組合與審美關(guān)系研究比較淺顯,不能深入了解色彩組合機理對審美的影響。目前我國一些研究開始探討植物景觀色彩的不同組合方式對于風景林美景度評分值的影響,將植物色彩的組成比例、色彩布局方式等作為研究重點,展開針對性調(diào)查,例如李效文[53]在對北京山桃針葉樹群落色彩組成和配比關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn),當山桃與常綠樹種面積比為2:1且山桃斑塊分布為綜合性或密集型時,群落的美景度分值最高。近些年國內(nèi)外對植物色彩審美研究領(lǐng)域不斷拓寬,對植物色彩因子的提取也不斷深入,但審美評價始終圍繞著色彩調(diào)和理論和美景度評價兩類方法展開,且美景度評價憑借數(shù)據(jù)量化和人群區(qū)分的優(yōu)勢而更受推崇(圖4)。

2.3 植物色彩與人體生理響應(yīng)

色彩對人類生理反應(yīng)產(chǎn)生影響的研究由來已久,早在1939年Goldstein的研究中就指出人們在看不同色彩時,藍色會產(chǎn)生拘謹?shù)淖藙?紅色產(chǎn)生伸展的姿勢[54]。Wilson等[55]發(fā)現(xiàn)紅色燈光比綠色燈光對受試者產(chǎn)生高倍激勵作用,綠色燈光比紅色燈光更能使手部的運動穩(wěn)定。目前公認的一種色彩生理學說認為暖色調(diào)更具有生理刺激性,冷色調(diào)讓身體更加松弛[56]。

植物色彩對人體生理影響的研究是在色彩生理學基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前在植物個體色彩與人體生理關(guān)系方面的研究較為全面。早期的研究主要從不同植物色彩對人體健康影響[57- 58]和植物色彩對人體健康的益處[59]等方面入手,發(fā)現(xiàn)綠色植物可以幫助緩解視覺和身體疲勞、減輕疼痛、增強食欲和心臟功能、加快術(shù)后康復等。同時一些研究開始關(guān)注不同類型活動空間中植物色彩對人體健康的影響[60- 61],發(fā)現(xiàn)在有綠色植物或者窗外有綠色植物的室內(nèi)工作環(huán)境中,人們注意力更加集中；在有綠色植物的醫(yī)院中,術(shù)后患者的身體能夠更快的恢復[62]。近些年來,國內(nèi)對植物色彩的研究也逐漸增多,關(guān)于植物色彩對不同人群的健康影響的研究也更加深入。有學者對不同年齡、職業(yè)和健康狀況的群體進行植物色彩刺激研究,通過腦電波刺激效果分析,提出辦公場所、醫(yī)院和病房、老年人活動場所的植物色彩配置意見,研究結(jié)論基本一致：認為冷色系的植物可以更好的幫助人們恢復心率和腦電波,暖色系植物可以更多刺激人體心率和腦電波變化,使人達到興奮狀態(tài),因此,可根據(jù)場地功能選擇合適植物色彩應(yīng)用[63- 64]。

然而,上述研究中,無論是以健康影響還是以空間和人群差異性為重點,植物色彩的研究對象大都局限于植物單體,研究結(jié)論最終都會歸結(jié)于某一色系的植物色彩生理影響結(jié)果,而在不同色彩的植物組合會對人體生理反應(yīng)產(chǎn)生怎樣影響的問題上還鮮有研究。近幾年有學者開始從植物和色彩雙方面入手,在植物種群和群落色彩尺度上,研究同種植物不同花色組合、同種色彩不同植物種類組合、不同色彩植物組合等條件下人體的生理響應(yīng)結(jié)果[20- 21],一方面證實較大尺度的單一色彩組合的色塊產(chǎn)生的生理刺激作用與單一色彩的作用類似,例如綠色和紫色等冷色系植物群體可以更好幫助人體減少疲勞感等；另一方面認為黃色和紅色植物組合的色彩可以更好地提高人體活力。但總體而言,在大尺度、多色彩的組合景觀下進行的植物色彩與人體生理影響的研究比較欠缺(圖4)。

2.4 植物色彩與人體心理響應(yīng)

色彩在不同文化中內(nèi)涵不同,但對人的心理影響存在一些相似的部分[54]。例如色彩會帶給人距離感、方向性及冷暖感等[6]。目前國內(nèi)外學者在植物色彩心理學領(lǐng)域,針對植物個體的色系差異,進行了大量的心理狀態(tài)調(diào)節(jié)研究工作,研究結(jié)論大致相似：綠色、藍色等冷色調(diào)植物可以讓人平靜、精力集中,黃色、紅色等暖色調(diào)植物讓人明亮歡快[65- 66]。通常情況下,無論在室內(nèi)還是室外,有色彩的植物都可以起到緩解緊張和焦慮,使人情緒穩(wěn)定的作用[67]。然而,上述情況存在特例。研究發(fā)現(xiàn)相同的植物色彩在不同的空間會產(chǎn)生不同的心理感受,植物色彩的不適宜使用可能會產(chǎn)生負面效應(yīng),例如,在醫(yī)院布置過多的紅色和白色花卉,會刺激人們產(chǎn)生悲傷情緒[63]。此外,植物色彩對人體心理影響存在個體差異,年齡、性別、生理素質(zhì)、性格、宗教與信仰等因素會直接影響色彩心理反應(yīng),從而產(chǎn)生小眾型的結(jié)果反差[68],例如,有學者實驗中發(fā)現(xiàn)粉紅色系植物對大部分調(diào)查者產(chǎn)生快樂與平靜的心理影響,但是,對少數(shù)教師、病人、醫(yī)務(wù)工作者和老年人卻產(chǎn)生負面情緒[22]。鑒于心理研究的復雜性,部分學者開始針對具有共性的人群開展研究工作[69]。Han[70]針對教室中擺放的綠葉植物對學生群體的影響情況進行調(diào)查,主要結(jié)果與前人研究基本無異,但其在研究中發(fā)現(xiàn)色彩空間占比的閾值可能與對學生心理變化波動具有相關(guān)性,為植物色彩進行深入的定量研究提供了新的思路。

在植物色彩心理學方面,植物個體色彩的研究占絕大多數(shù),且研究僅是將植物色彩進行色系的判定。少數(shù)學者開展了稍大尺度的植物群體多色彩組合研究,利用紅、黃樹種秋季景觀進行不同群體的心理響應(yīng)評價,結(jié)果表明大多數(shù)人群產(chǎn)生快樂與興奮的情緒,21.9%的教師和19.1%的職員產(chǎn)生負面情緒,但對產(chǎn)生情緒差異的原因并未進一步分析[21]?？傮w而言,較大尺度、色彩組合較復雜的植物景觀對公眾心理影響的研究較為不足,而大尺度森林、生態(tài)風景林在人們?nèi)粘Ｓ雾顒又惺褂昧糠浅８?因此,植物組合的色彩心理部分還需要更加深入的研究(圖4)。

圖4 多尺度植物色彩與公眾響應(yīng)研究關(guān)系圖Fig.4 The mechanism between multi-scale plant colors and human reactions

3 當前研究的欠缺

植物色彩與公眾響應(yīng)關(guān)系結(jié)果來源于兩部分內(nèi)容的綜合分析,對公眾的審美、生理和心理進行準確科學地評價是一個重要的方面,而另一方面,對植物色彩特征進行準確地剖析也是解決問題的關(guān)鍵。例如,在色彩生理研究中,大部分學者認為色彩產(chǎn)生的生理刺激是由色相差異而引起的[62],但仍有部分學者認為飽和度才是引起人體生理反應(yīng)的主要因素[71- 72],盡管這種爭議還有待進一步的研究,不過依此可見,準確的色彩因素提取在植物色彩研究中是非常關(guān)鍵的。

植物色彩內(nèi)容涵蓋了單一色彩的色相、明度和飽和度,多色彩的組成比例與空間關(guān)系等多重信息[15]。目前研究中使用的色彩提取因素和方法通常是在色彩學的基礎(chǔ)上,借鑒城市規(guī)劃、地理信息、景觀生態(tài)等相似學科的研究成果,再進行廣泛的嘗試而得出的,但研究中仍然存在一些問題有待完善。

首先,色彩要素定量尚未形成統(tǒng)一化的標準。植物色彩的標定與測量經(jīng)歷了一個從定性到定量表述的過程。最初只用簡單的紅、黃、綠等色相來形容自然色彩[73],是最粗略的色彩描述方式。通用色彩系統(tǒng)的誕生產(chǎn)生了色彩的定量描述。目前普遍使用的色彩系統(tǒng)大致可概括為兩類：一類是基于幾種原色疊加的混色系統(tǒng),如Mercado等[74]利用植株色彩鑒定判斷營養(yǎng)狀況時使用的RGB色彩空間(紅、綠、藍三通道疊加色彩系統(tǒng))、Chaudhary等[75]借助葉片色彩判斷植株是否患病時應(yīng)用的Lab色彩空間(國際照明委員會確定的明度、洋紅到綠色、紅色到藍色三通道疊加的色彩系統(tǒng))、朱敏等[76]對植物器官色彩量化描述中應(yīng)用的CMYK色彩空間(青色、洋紅、黃色與黑色4色疊加形成的色彩系統(tǒng))等；另一類是基于人眼的分辨能力將色彩進行色相、明度、飽和度區(qū)分的表色系統(tǒng)[77],如Grose等[78]在評估不同樹種綠葉的色差時應(yīng)用的孟塞爾色彩系統(tǒng)、孫亞美[39]在進行秋色葉樹種色彩量化時應(yīng)用的奧斯特瓦爾德色彩系統(tǒng)等。國內(nèi)外學者在植物色彩識別和標定方面已經(jīng)開展了廣泛的嘗試,但尚未形成統(tǒng)一的標準化色彩系統(tǒng),由于不同的色彩系統(tǒng)中色彩表達方式存在較大差異,不利于各研究成果之間的相互比較與借鑒[39]。

其次,組合色彩的特征因子選取尚處于探索階段。目前國內(nèi)外學者在色彩組成與比例關(guān)系研究中提取了色彩灰度級與透光率、主色調(diào)與冷暖色調(diào)比例、森林色彩比例等色彩指標[5,12]；在不同色塊空間關(guān)系研究中提取了色塊分布均勻程度、林內(nèi)景觀的斑塊數(shù)量與密度等景觀格局指標[5,15]。但在色彩信息標定中,是否還存在除此之外的其他因子仍有待于進一步地探索與嘗試[15]。

此外,植物色彩的測量方法尚處于嘗試階段?，F(xiàn)有的色彩要素量化方法主要有3種：一是目視對照法,研究者借助比色卡對照植物色彩進行比較,得出最接近的色彩值,適用于色彩種類不多或精度要求不高的植物色彩研究[34, 37]；二是儀器測量法,利用分光測色儀等設(shè)備對植物體測量,這種方法精度高,但要求測量距離非常近,且只能測量某一點的色彩值,適用于局部植物器官的色彩測量[76]；三是軟件量化法,用數(shù)碼相機記錄森林色彩景觀,結(jié)合Photoshop[79]、ColorImpact[80]、Matlab[39]等軟件對圖像進行處理,提取色彩來實現(xiàn)色彩要素的量化,適用于尺度較大、色彩復雜的植物景觀,但這種方法受環(huán)境、光照、觀測距離、相機感光元件性能等因素的影響較大,需要圖像處理時去除非植物因子、劃分定額色彩區(qū)間等方式降低影響[39]。對森林色塊特征提取,有學者嘗試利用ArcGIS和Fragstats地理信息處理軟件[15]、ImageJ圖像計算軟件[81]進行色彩斑塊勾畫和色塊指數(shù)計算。在植物色彩信息提取的研究中,國內(nèi)外做了許多方法上的嘗試與創(chuàng)新,但是每種方法開展研究的數(shù)量還較少,重復度不高。同時,在處理復雜的植物色彩時,存在精確與模糊選擇的問題,劃分定額色彩空間將色彩合理歸類是一種較好的處理方式,但劃分依據(jù)、色彩系統(tǒng)的選擇、劃分方法尚無統(tǒng)一標準。

植物色彩研究中涉及的量化內(nèi)容與方法大都處于嘗試階段,不同的研究方法的立足點不同,目前尚未形成學科認可的研究手段,需要進一步的開展調(diào)查、比對分析和實踐應(yīng)用來選擇和創(chuàng)造更科學更精確的研究方法。

4 研究展望

森林的美景度和適宜性提升是構(gòu)建美麗城鎮(zhèn)森林景觀的重要前提,其中植物色彩發(fā)揮著重要作用。目前國外對于植物色彩傳達機制及其與人體的審美、生理與心理響應(yīng)關(guān)系的研究主要是立足人體健康和小尺度園藝美化而展開的,對于色彩學、生理學、心理學的基礎(chǔ)理論都比較成熟；國內(nèi)的研究多是在國外的良好基礎(chǔ)上展開,研究領(lǐng)域基本與國外接軌,此外對于更大尺度、更復雜的植物群落色彩開展了少許研究。總體而言,植物色彩研究正處于繁榮時期,在不同尺度色彩影響結(jié)果評價、色彩量化、理論與實踐結(jié)合等方面仍需不斷的深入和探索。

為了全面與系統(tǒng)的了解植物景觀色彩的自然屬性與社會功能,合理地創(chuàng)造與利用自然色彩環(huán)境,未來的研究可以立足以下5個方面：(1)多尺度植物色彩與公眾響應(yīng)研究。在目前國內(nèi)外植物色彩研究成果的基礎(chǔ)上,將公眾對色彩響應(yīng)評價融入到多尺度植物色彩中,尤其補充大尺度的整體景觀色彩,形成縱向尺度差異與橫向公眾響應(yīng)關(guān)系的綜合評價研究范式。(2)森林和群落色彩評價因子的研究。在確定色相、明度、飽和度3個基本的色彩要素基礎(chǔ)上,考慮森林色彩的復雜性特征,進一步挖掘森林色彩因季相、氣候、植物種類、群落組成、生長特征、生態(tài)環(huán)境等的差異所造成的視覺效果的特殊性,探索能夠涵蓋和區(qū)分不同森林色彩特征的綜合評價因子。(3)森林色彩量化方法的多學科融合。借鑒生態(tài)學、色彩學、色彩心理學、景觀生態(tài)學對于色彩與色塊的測量與計算方式,利用現(xiàn)有統(tǒng)計軟件、圖像處理分析軟件、開放式編程軟件等開發(fā)普適性的量化程序,增強森林色彩量化的準確性和實用性。(4)公眾對森林色彩響應(yīng)關(guān)系研究。針對以往調(diào)查樣本數(shù)量普遍低于100,且樣本選擇人群單一導致代表性不強的問題,可以參照統(tǒng)計學理論[82],根據(jù)研究范圍計算抽樣比例,并注意樣本選擇的針對性。同時將森林色彩與生態(tài)功能、公眾的審美和健康綜合考慮,將地域和人群需求共同納入森林色彩評價中。(5)森林景觀美景度提升的對策研究。以森林生態(tài)功能保護為前提,提出以森林色彩景觀提升為導向的森林改造與提升方案,包括季節(jié)性色彩搭配、色彩數(shù)量與比例關(guān)系、色塊空間布局等指標,以單一季節(jié)景觀最優(yōu)為基礎(chǔ)目標,四季色彩優(yōu)美為最終目標,為城鄉(xiāng)風景林構(gòu)建提供科學依據(jù),進而達到提升城鎮(zhèn)森林美景度的目的。

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Plantcolorsatmultiplescalesandtheireffectsonhumans

ZHANG Zhe1,2,QIE Guangfa1,2,*,WANG Cheng1,2,JIANG Shasha1,2

1ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivation,StateForestryAdministration,Beijing100091,China2ResearchCenterofUrbanForest,StateForestryAdministration,Beijing100091,China

The first aspect noticed in the appearance of plants is usually their colors, which is associated with human reactions to their visual characteristics. Therefore, color plays an important role in the promotion and public suitability of forest scenic beauty. This paper summarized the milestones in chromatics formation and research trends of plant color over the past century. The developing course of plant color research can be divided into germination, formation, evolution, and flourishing periods. Simultaneously, the main characteristics of each stage have been analyzed. The mechanisms of expression generated by plant color and the relevance between color and human reactions were reviewed through four visual scales, including plant organs, individual plants, population and community of plants, and overall landscape. In this review, three levels of influence including aesthetics, physical, and mental, were identified. Several defects on plant color extraction, such as color element ration, feature factor selection, and color quantization were detected and through them, five key directions were elucidated for future research: 1) analysis of the association between plant colors and different scales as well as human reactions to them; 2) in-depth study on plant color evaluation factors in a large scale; 3) multidisciplinary fusion of the color quantization method; 4) comprehensive comparison of public reactions to plant color; and 5) practice of forest scenic beauty promotion. The present study will contribute to a comprehensive understanding of the mechanisms and influences of plant color expression, as well as scientific studies on plant color under different precisions and scales.

plant colors; visual scales; visual aesthetics; physical health; mental health

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404301)

2016- 05- 05; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201605050856

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qiegf@126.com

張喆,郄光發(fā),王成,姜莎莎.多尺度植物色彩表征及其與人體響應(yīng)的關(guān)系.生態(tài)學報,2017,37(15):5070- 5079.

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