大學生BMI和肺活量對身體素質的因果效應分析

駱廣東，余千春，周振茂，胡成洋，陳凱華

（安徽醫科大學，安徽 合肥 230032）

依據學生體質健康標準，體重指數（body mass index， BMI）是衡量學生身體形態的指標，肺活量（vital capacity，VC）是評估學生身體機能的指標。BMI越高，身體素質越差；肺活量越大，身體素質越好。這樣的結論表明BMI和肺活量與身體素質具有一定相關關系，但是不能證明改變BMI或肺活量能夠帶來身體素質的變化。相關性未能提供因果解釋，不能支持決策和干預。研究因果關系能夠在厘清原因的情況下，更好地做到解釋、預測和干預。因此，本文應用結構因果模型分析干預BMI和肺活量對身體素質的影響，深入解釋BMI和肺活量的改變對身體素質變化的作用，為制定個性化的大學生身體素質提升策略的量化研究提供參考。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

本文取自安徽醫科大學2022年全校學生體質健康測試數據的有效數據，共計9145名學生（男生2970名，女生6175名）。從中隨機抽取5940名學生進行研究，男生2970名，女生2970名。

1.2 研究方法

根據標準確定的測試指標和方法，測定男生、女生的身高、體重、肺活量以及5項身體素質（50 m跑、立定跳遠、坐位體前屈、引體向上1 min、仰臥起坐、1000 m跑/800 m跑），測試時間為2022年11月26—27日、2022年12月3—4日，現場質量控制符合要求，所有測試對象均知情同意，符合倫理學要求。根據體重（kg）/身高2（m2）計算BMI值。參照標準評定各項身體素質得分，5項身體素質指標得分的加權和為身體素質總分，用于評價身體素質。

利用SPSS 22.0統計軟件進行分析，依據評分表將研究對象的BMI劃分為低體重（男生：BMI≤17.8 kg/m2，女生：BMI≤17.1 kg/m2）、正常體重（男生：17.9 kg/m2≤BMI≤23.9 kg/m2，女生：17.2 kg/m2≤BMI≤23.9 kg/m2）和超重肥胖（男生、女生：BMI≥24.0 kg/m2）3個等級；依據各性別肺活量的百分位數將肺活量劃分為低（VC＜P15）、中（P15≤VC＜P85）、高（VC≥P85）。利用方差分析比較各性別不同BMI等級之間的身體素質總分、肺活量，以及比較各性別肺活量3個組別之間的身體素質總分。根據方差分析結果建立結構因果模型，采用線性回歸分析估計結構方程的參數，檢驗水準α= 0.05。

2 結果與分析

2.1 不同BMI等級學生身體素質和身體機能分析

方差分析結果顯示，各BMI等級間身體素質總分、肺活量差異具有統計學意義；兩兩比較結果顯示，肺活量3個BMI等級間差異均有統計學意義（P＜ 0.05）。男生身體素質表現為正常體重身體素質總分最高，超重肥胖次之，低體重最低；女生身體素質表現為正常體重身體素質總分最高，低體重次之，超重肥胖最低。男生、女生身體機能均表現為超重肥胖肺活量最高，正常體重次之，低體重最低（表1）。

表1 不同BMI等級學生身體素質總分和肺活量比較 （）

表1 不同BMI等級學生身體素質總分和肺活量比較 （）

注：*P ＜ 0.05；P1值為低體重組與正常體重組比較；P2值為低體重組與超重肥胖組比較；P3值為正常體重組與超重肥胖組比較。

性別BMI等級人數統計量身體素質總分肺活量/mL男低體重16447.81±5.753749.00±496.19正常體重249951.78±6.604312.45±620.53超重肥胖30748.32±6.204578.02±624.57 F 61.86*97.47*P10.000.00 P20.410.00 P30.000.00低體重4450.86±5.582752.55±380.62正常體重257052.29±5.203014.71±436.22超重肥胖35648.28±5.383148.57±416.59 F 92.94*23.89*P10.070.00 P20.000.00 P30.000.00女

2.2 不同肺活量組別學生身體素質分析

方差分析結果顯示，各肺活量組別間身體素質總分差異具有統計學意義；兩兩比較結果顯示，身體素質總分3個肺活量組間差異均具有統計學意義（P＜0.05）。男生、女生身體素質均表現為高肺活量組身體素質總分最高，中肺活量組次之，低肺活量組最低（表2）。

表2 不同肺活量組別學生身體素質總分比較 （）

表2 不同肺活量組別學生身體素質總分比較 （）

注：*P ＜ 0.05；P1值為低體重組與正常體重組比較；P2值為低體重組與超重肥胖組比較；P3值為正常體重組與超重肥胖組比較。

性別肺活量組別人數統計量身體素質總分低男44548.99±6.01中209151.16±6.48高43453.67±7.26 F 56.30*P10.00 P20.00 P30.00 44549.17±5.47中208052.07±5.23高44553.12±5.19 F 72.21*P10.00 P20.00 P30.00低女

2.3 構建結構因果模型

BMI和肺活量是身體素質的重要影響因素，BMI是肺活量的重要影響因素。據此并結合大學生體質健康測試數據中性別和年級信息，建立結構因果模型（圖1 a）。

圖1 結構因果模型的圖形表達

根據圖中的箭頭可知：“BMI”與“年級”和“性別”相似；“肺活量”與“年級”“性別”和“BMI”相似；“身體素質”與“年級”“性別”“BMI”和“肺活量”相似。

結構方程是結構因果模型的另一種表達形式。根據圖1 a的因果圖，列出結構方程，如下：

本文假設所討論的因果關系是線性的。因此，將式（1）～式（3）寫成線性方程的形式，如下：

式（4）～式（6）中，a1和a2分別為性別和年級對BMI的路徑系數，b1、b2和b3分別為性別、年級和BMI對肺活量的路徑系數，c1、c2、c3和c4分別為性別、年級、BMI和肺活量對身體素質的路徑系數，a0、b0和c0為常數項，ε1、ε2和ε3為誤差項。在結構因果模型中，路徑系數表示對原因變量進行一次假設的干預所得到的結果，即直接因果效應的強度（本文簡稱因果效應）。

隨著BMI的增大，PF表現為先增大再減小的非線性趨勢。為此，本文選取BMI正常值的中位數，將BMI分成兩段：低體重段和超重肥胖段，然后分段討論線性因果關系。

2.4 因果效應估計

根據圖1（a）因果圖中的叉狀結構：BMI←S→VC、VC←S→PF、BMI←S→PF、BMI←GD→VC、VC←GD→PF、VC←GD→PF，可以判斷S、GD是BMI和VC、BMI和PF、VC和PF的混雜因子。因此，在估計BMI和VC對PF的因果效應時，為免除S和GD混雜偏倚的影響，利用分層的方法首先估計每個S和GD分層中產生的因果效應，然后對這些分層的因果效應進行加權得到平均因果效應。去除混雜因子S和GD后的因果圖，見圖1（b）。去除混雜因子S和GD后的線性方程為：

式（7）只有一個原因變量BMI和一個結果變量VC，BMI和VC之間沒有混雜因子，利用一元線性回歸分析計算路徑系數b3'；式（5）中有兩個原因變量BMI和VC，一個結果變量PF，BMI是VC和PF之間的混雜因子，根據分層的方法，利用二元線性回歸分析計算路徑系數c3'和c4

'。各性別、年級每個數據分層的因果效應和平均因果效應計算結果見表4。

從表3中可以看出，低體重段，BMI和肺活量對身體素質的平均因果效應分別為0.046和0.276，BMI對肺活量的平均因果效應為0.203；超重肥胖段，BMI和肺活量對身體素質的平均因果效應分別為-0.291和0.266，BMI對肺活量的平均因果效應為0.109。

根據圖1 b，BMI通過2條路徑影響身體素質，一條BMI→PF是直接影響，另一條BMI→VC→PF是通過肺活量這一中介間接影響。間接因果效應等于路徑上所有系數的乘積。BMI和肺活量對身體素質的因果效應分解（表4）。

表4 因果效應分解

3 討論

比較各性別年級組以及男生、女生各自合計的3個體重組之間的身體素質總分均數和肺活量均數可以發現：不同等級BMI的大學生身體素質之間存在明顯差異，正常體重組大學生的身體素質好于體重偏低、超重肥胖的大學生，與楊夢利等（2018）的研究結果相似；3個體重組的大學生身體機能之間差異明顯，大學生體重越大肺活量越高。從各性別年級組以及男生、女生各自合計的3個肺活量組之間的身體素質總分均數可以看出，不同組別肺活量的大學生身體素質之間存在顯著性差異，大學生肺活量越高身體素質總分均數越大，身體素質越好，與劉樂廷和烏云格日勒（2021）的研究結論相似。

BMI和肺活量對身體素質的因果效應分解結果如下。低體重段，BMI增加一個單位，干預的直接效果是肺活量提高0.203個單位、身體素質提高0.046個單位；肺活量增加一個單位，干預的直接效果是身體素質提高0.276個單位；BMI增加一個單位，干預的間接效果是通過肺活量中介提高身體素質0.056個單位。超重肥胖段，BMI增加一個單位，干預的直接效果是肺活量提高0.109個單位、身體素質降低0.291個單位；肺活量增加一個單位，干預的直接效果是身體素質提高0.266個單位；BMI增加一個單位這一干預的間接效果是通過肺活量這一中介提高身體素質0.029個單位。綜上所述，對于低體重的大學生，提高身體素質可以通過增加體重來實現；對于超重肥胖的大學生，減輕體重可以促進身體素質提高；超重肥胖的大學生通過控制體重獲得身體素質改善較低體重的大學生更容易；對于所有大學生，通過增加肺活量可獲得身體素質提高。

本文利用結構因果模型評價改變BMI和肺活量對身體素質變化的干預效果，與傳統的相關性分析、單/多因素回歸分析相比，可以對傳統統計學解決新問題所需的必要內容進行拓展，挖掘得到更深層次的信息，為制定改善大學生身體素質的策略提供量化依據，為促進大學生體質健康發展提供更準確的指導。