基于等時替代模型的大學生24 h活動行為與健康體適能的關系

宋云峰 李凱欣 譚思潔 齊玉剛

摘? 要：［目的］運用成分等時替代模型探索在校大學生24 h活動行為與健康體適能之間的關系，為改善大學生人群的體質健康水平提供參考.［方法］選取天津某高校223名在校學生為研究對象.使用三維加速度計（ActiGraph GT3X+）記錄學生每天24 h活動行為，包括中高強度身體活動（MVPA）、低強度身體活動（LPA）、久坐時間（SB）和睡眠（SLP）時間.使用成分分析方法分析探討各成分與健康體適能的關系，并以15 min建立等時替代模型預測各活動行為替代后對結局變量產生的影響.［結果］僅MVPA與其他行為之間的替代與反替代均有統計學意義（P＜0.05），其中MVPA和SB相互替代時變化幅度最大；LPA替代SB時，BMI指數、握力和坐位體前屈均顯著升高，反之僅握力顯著下降；LPA替代SLP時，BMI指數顯著上升，反之顯著下降；SLP替代SB時，BMI指數和腰圍顯著下降，反之均顯著升高，并且升高的幅度更明顯.［結論］MVPA是影響大學生群體體質健康發展的主要因素，在保證適度睡眠的同時，將SB轉化為MVPA可能更有意義.

關鍵詞：24 h活動行為；成分分析；等時替代；健康體適能

中圖分類號：G804;C913.4????? 文獻標志碼：A文章編號：1000-2367（2024）03-0150-07

健康體適能是評估個體執行中高強度體力活動能力的重要指標.它由一系列與體力活動能力相關的因素（如心肺功能、身體成分和骨骼肌功能）組成，與人的整體身體健康密切相關［1］.根據第八次全國學生體質與健康調研結果顯示，大學生的肥胖率、心肺機能、肌肉力量和耐力等整體情況并沒有改善，并且呈現下降的趨勢［2］.距離達到《“健康中國2030”規劃綱要》中的要求還有較大差距［3］.身體活動（physical activity，PA）、久坐行為（sedentary behavior，SB）和睡眠（sleep，SLP）共同構成一天24 h活動行為，3種行為間的相互替代是影響體質健康的重要因素［4-5］.MEKARY等［6］首次將等時替代模型（傳統）引入到身體活動研究領域，用以分析中高強度體力活動（moderate and vigorous physical activity，MVPA）、低強度體力活動（light physical activity，LPA）、SB和SLP之間相互替代對體質健康的效益.然而，傳統等時替代研究是將各行為作為獨立的健康影響因素，未考慮這些因素從根本上是相互聯系、相互影響的，通過構建回歸模型會出現多重共線性的問題［7］.因此，CHASTIN等［8］將一種整合24 h內所有活動行為的成分分析方法引入至身體健康促進領域.成分分析方法能解釋時間數據的定和性（所有指標之和為固定值），有效地解決了多重共線性的問題，它的結果可以更容易被健康促進研究應用［9］.目前，已有諸多研究運用成分分析方法探討兒童青少年24 h活動行為與肥胖［10-11］、心臟代謝［12］和心理健康［13-14］之間的關聯，但針對大學生24 h活動行為的改變與健康相關的研究尚缺乏.基于此，本研究旨在通過構建大學生24 h活動行為與健康體適能的成分等時替代模型，深入研究二者之間的關系及替代效應，為改善大學生人群的體質健康水平提供參考.

收稿日期：2023-10-17;修回日期：2024-01-12.

基金項目：國家社科基金（BLA220234）.

作者簡介：宋云峰（1998-），男，山西臨汾人，天津體育學院碩士研究生，主要研究方向為運動與健康促進.

通信作者：齊玉剛，教授，研究方向體質與健康促進.E-mail：qiyugang2004@163.com.

引用本文：宋云峰，李凱欣，譚思潔，等.基于等時替代模型的大學生24 h活動行為與健康體適能的關系［J］.河南師范大學學報（自然科學版），2024，52（3）：150-156.（Song Yunfeng，Li Kaixin，Tan Sijie，et al.Relationship between 24 h activity behavior and health fitness of college students based on isochronous substitution models［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2024，52（3）：150-156.DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.10.17.0002.）

1? 研究對象

以方便抽樣的形式，于2023年5月至6月在天津一所高校對在校大學生進行測試調查，采用隨機抽樣法，在每年級隨機抽取2個班級，共抽取到374人.對符合標準的學生簽署知情同意書.納入標準：身體健康、無運動禁忌癥、自愿參加本研究.排除標準：1）患有心臟病、呼吸系統、肝臟或腎及其他慢性疾病者；2）未能按要求佩戴加速度計；3）24 h活動行為數據缺失者.研究得到天津體育學院倫理委員會批準（TJUS2022-009）.經納入排除后最終共有223人（男117人，女106人）參加本次研究，具體見附錄表S1.男生與女生體脂率無顯著性差異，但其余健康體適能指標均具有顯著性差異.

2? 研究方法

2.1? 測量方法

活動行為的測量：采用三維加速度計（ActiGraph GT3X+）客觀測量受試者身體活動（MVPA和LPA）與SB時間，睡眠時間由1 440 min（每天）減去其他行為時間獲得［13］.受試者按要求將加速度計佩戴在右髖，佩戴時長總計為7 d，水上活動除外，并嚴格要求其睡覺前摘下與覺醒后即刻佩戴加速度計.加速度計參數內容具體（表1）：采樣間隔、未佩戴定義、有效佩戴天數、每日佩戴時長、當天有效數據、不同強度切點等.

體成分測試：使用生物電阻抗裝置（Inbody770，韓國）獲取受試者體質量、BMI、體脂率等體成分參數.

腰圍測試：通過軟皮尺進測量.測試時受試者雙臂交叉抱于胸前，測試人員面對受試者，將軟皮尺經臍上0.5～1.0 cm水平環繞1周，測量的結果精確到0.1 cm.每位受試者測2次，采用2次測量平均值進行處理.

最大攝氧量（O2max）測試：采用第五次國民體質監測功率車二級負荷實驗對受試者的最大攝氧量進行測量.二級負荷試驗全程維持7 min，整個運動過程中受試者始終以60 r/min的轉速蹬踏功率車，初始30 s為零負荷熱身階段，每3 min增加一個負荷等級（25 W），共增2次，最后30 s為零負荷恢復階段.O2max是基于年齡、性別，通過強度、心率推導回歸方程計算，精確到0.1 mL/（kg·min）［16］.

肺活量測試：通過電子肺活量測試儀（北京鑫東華騰）進行測試.測試時要求受試者保持放松狀態，站立位深吸一口氣，然后慢慢向口嘴處呼氣.每位受試者均測試2次，每次間隔15 s，取2次中的最好成績.

握力測試：運用電子握力計（北京鑫東華騰）進行測量.受試者使用優勢肢用最大力度握柄，每位受試者測2次，每次間隔10 s，取2次中的最好成績.

柔韌性測試：采用體前屈測試儀（北京鑫東華騰）進行測量，受試者平坐在測試縱板上，雙腿伸直向前推動卡標，直到不能推動為止.每位受試者測2次，取2次中的最好成績.

2.2? 質量控制

本試驗在天津體育學院體質監測中心進行，為了避免測試過程中數據測試出現誤差，本試驗測試由專門測試人員進行.

2.3? 統計學處理

本研究遵循DUMUID等［9］提出的成分等時替代法，并運用R4.2.3軟件中的compositions包對數據進行統計與分析.

1）成分描述統計計算包括成分幾何均值和變異方差矩陣［17］.

2）使用等距對數比轉換（isometric log ratio，ilr）對成分數據進行多元回歸分析.通過R軟件中compositions的ilr函數將MVPA、LPA、SB、SLP時間轉換為相互獨立的成分數據，第一個坐標代表其中一種成分相對于其他所有成分的時間使用情況.在將每種行為均作為首個分量后，最終得到4組數據，每組包含3個ilr坐標［9］.以性別、年齡作為協變量，得到的4組坐標作為自變量，體質健康相關指標作為結局變量，在此基礎上建立成分等時替代模型.

3）根據所建立的等時替代模型，采用DUMUID建立的方法［9］對時間進行替換分析.15 min的活動行為變化會對健康指標產生明顯影響［18］.故將某一行為的15 min時間分配給另一行為，從而預測行為間等時替代對結局指標產生的變化.

3? 研究結果與分析

3.1? 大學生24 h活動時間分布

1）由表2知算術平均值對成分數據中MVPA（3.40%）和LPA（11.46%）時間有一定程度高估，對SB（45.09%）和SLP（40.04%）時間有一定程度低估.根據成分幾何均值情況，數據的分布情況符合成分數據的分析要求.

2）依據變異矩陣（表3）可知，SB與SLP的相互依賴性最高（ln（SB時間/SLP時間）=0.12），更容易發生轉換；而MVPA與SB（ln（MVPA/SB）=0.45）間的相互依賴性最低，二者不易發生轉換.

3.2? 大學生24 h活動行為15 min等時替代對健康體適能的影響

以15 min為替代時間，對于大學生BMI指數、體脂率、腰圍、肺活量、最大耗氧量（O2max）、握力和坐位體前屈指標的活動行為間替代，結果見表4.表4數據意義舉例：以LPA替代SB15 min，BMI指數平均升高0.12 kg/m2.僅MVPA與其他行為之間的替代與反替代均有統計學意義（P＜0.05），其中MVPA和SB相互替代時變化幅度最大；LPA替代SB時，BMI指數、握力和坐位體前屈均顯著升高，反之僅握力顯著下降；LPA替代SLP時，BMI指數顯著上升，反之顯著下降；SLP替代SB時，BMI指數和腰圍顯著下降，反之均顯著升高，并且升高的幅度更明顯.其他活動相互替代沒有顯著影響.

4? 討? 論

以往研究忽略了24 h活動行為之間的內在聯系，一些研究證實使用傳統統計分析可能導致錯誤結果［8-9，19］，研究可能存在局限性.因此，本文通過成分分析方法解決傳統統計中遇到的“共線性”問題，構建成分等時替代模型探討24 h活動行為與健康體適能之間的關系，以更有意義的方式解釋研究結果.

通過幾何均值和變異方差矩陣分析了在校大學生日常活動時間的分布情況，發現大學生一天的時間主要集中在SB和SLP上，而MVPA僅僅為43.08 min/d，占一天總時間的3.07%.這與最近一項流行病學調查顯示我國大學生每日體育鍛煉時間不足1 h的結果相符［20］.同時，變異矩陣的結果證實各活動行為之間存在相互轉換的可能［8］，尤其是SB與SLP最容易發生轉換，這與大學生學習任務較為繁重，上課、做實驗等活動導致睡眠時間減少有關，而當學習時間減少時，大學生通常會代償性的補足睡眠時間.SB與MVPA發生轉換的可能性最低.這可能與個人生活習慣難以改變有關.此外，LPA的時間相對穩定，不易于其他行為進行轉換.

本研究發現LPA替代SB時，BMI指數不降反升.這與當下大多數人認為任何類型的身體活動均要優于SB的觀點相矛盾.這可能與大學生SB的類型有關，而加速度計無法辨別SB的具體類型.COOMBS等［21］發現，視屏時間與BMI、體脂率等肥胖指標有關，但學習、閱讀書籍等行為則與其沒有關聯.提示未來研究應考慮使用經過驗證的自我報告的身體活動問卷來收集SB類型，以區分SB類型差異.值得注意的是，將LPA替代SB后，可有效地增加大學生的上肢肌肉力量.這一結果與文獻［10-11］存在分歧.可能的原因在于加速度計被佩戴在右髖部位，無法辨識上肢的體力活動形式和強度，導致對LPA時間的過高估計.此外，還與采用的LPA強度分界值有關.研究表明使用不同的體力活動強度切點會顯著影響體力活動水平的評價結果［11］.目前，基于加速度計建立的LPA/SB強度分界值存在較大差異.較低的LPA/SB強度分界值會混淆LPA和SB的部分時間，最終混淆兩者對體質健康的效益.提示LPA對體質健康的影響需要進行更多的研究加以驗證，以便更準確地評估SB和LPA的影響.

等時替代分析發現MVPA對大學生體成分、肌力、心肺適能和柔韌性都有積極影響，說明MVPA是影響大學生體質健康發展的主要因素.首先，已有研究證實MVPA能有效促進機體釋放多種脂解激素，從而增加能量消耗和脂肪氧化，進而對BMI指數、腰圍和體脂率產生有益效果.這與滕金麗［22］、齊玉剛等［23］研究結果一致.其次，與LPA相比，MVPA對肌力和柔韌性的提升效果更顯著.從生理學角度分析，MVPA的能耗系統主要為無氧代謝，肌肉爆發力的供能系統為ATP-CP［24］，因此MVPA產生的生理適應足以達到提高爆發力的閾值，甚至達到影響力量的表現.由于大學生日常MVPA時間主要來自體育課，體育課內容的選擇也會影響反饋效果.本研究受試者的體育課主要以拉伸和有氧練習為主，因此相比于LPA，更有效地改善了大學生的身體柔韌性［25］.同時，本研究發現MVPA對心肺適能具有積極作用.一項針對久坐大學生的干預研究發現，進行MVPA干預后久坐大學生O2max顯著提高［26］，這說明MVPA對提高心肺適能具有重要意義.但也有成分分析研究發現MVPA與心肺適能并無關聯［10］，這可能與受試群體、有氧耐力指標的選擇和測試方法不同有關.本研究還發現MVPA替代SB時效益最佳.這與MEYER等［27］在20～35歲健康成人中等時替代的結果相符，該作者認為MVPA與SB交互影響，只有增加MVPA的同時減少SB才能對人體健康起到更積極的效果.類似的研究中也發現相似的結果，如DEL等［28］構建的等時替代模型研究中發現，MVPA替代SB對老年人體成分的重要性，促使SB向MVPA轉化可以更有效地改善老年人的健康問題.另一項研究中，對60歲老年人使用等時替代的方法，發現用30 min MVPA替代SB對身體成分和握力水平將產生最大的健康效益［29］.究其原因，可能由于MVPA與SB的能耗差距大，因此替代效果更佳，健康效益也更好.本研究再次證實了減少SB、增加MVPA時間對提高健康水平的重要性.等時替代后各健康指標的定量變化具有明顯的不對稱性.MVPA被其他行為替代后，指標變化的幅度要比MVPA分別替代其他行為時指標變化的幅度大.這一現象與CHASTIN等［8］、DUMUID等［18］對兒童青少年構建成分等時替代模型的研究結果相一致.這種不對稱性可能與替代時間在不同活動總時間中的占比有關.如15 min/d的替代時長，僅占本研究大學生每日SB時間的2%，但卻占MVPA時間的35%.如果將這15 min從MVPA總時間中重新分配到其他活動中，如此大比例的變化自然會引起較大的替代效應；反之，對于SB來說，這15 min的調整只是一個微小的調整，因此造成了變化幅度不對稱.

此外，本研究發現，SLP替代SB后BMI指數和腰圍均顯著下降，表明SLP在一定程度上有助于減脂.充足的睡眠有利于機體消除疲勞，促進新陳代謝，進而產生一定的減脂效果，而睡眠不足相應地會影響個體積極的生活方式.盡管本研究未發現SLP對大學生其他健康體適能指標有統計學意義，但其影響均是積極的.在中國教育環境和課業壓力的影響下，大學生普遍存在睡眠不足的問題，因此大學生群體理應避免以犧牲睡眠時間為代價來增加身體活動.雖然SLP的健康效益與MVPA相比較為微弱，但SLP在大學生每日24 h中時間的占比約為40%，這提示在重視MVPA的健康效益時也不能忽視SLP的影響.

5? 結? 論

在24 h活動行為中，大學生LPA時間相對穩定，以久坐和睡眠時間為主，日常MVPA時間最少；替代模型中MVPA是影響大學生群體體質健康發展的主要因素，并且替代SB的效果最佳；SLP對BMI指數和腰圍具有正向效益，但比MVPA替代效應弱；SB和LPA基本不利于健康體適能的發展.因此，針對該群體，保證適度的睡眠，以MVPA為重點的健康干預措施可能更為可行.

附錄見電子版（DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.10.17.0002）.

參? 考? 文? 獻

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Relationship between 24 h activity behavior and health fitness of college students based on isochronous substitution models

Song Yunfeng1， Li Kaixin2， Tan Sijie1， Qi Yugang3

（1. School of Sports Health， Tianjin Institute of Sports， Tianjin 301617， China; 2. School of Physical Education and Sports（School Headquarters）， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China; 3. Department of Sports， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300222， China）

Abstract： ［Objective］ This study used the component isochronous substitution model to explore the relationship between 24 h activity behaviors and health fitness among college students， providing a reference for improving the physical fitness and health of the college population. ［Methods］ In this study， 223 students enrolled in a university in Tianjin were selected as the study subjects. ActiGraph GT3X+ was used to record the students' activity behaviors for 24 h per day， including moderate and vigorous physical activity（MVPA）， light physical activity（LPA）， sedentary behavior（SB）， and sleep（SLP） time. Component analysis was used to analyze and explore the relationship between each component and health fitness， and an isochronous substitution model was built with 15 min to predict the effects on outcome variables after substitution of each activity behavior. ［Results］ The substitution and counter-substitution between MVPA and other behaviors only were statistically significant（P＜0.05）， with the largest changes when MVPA and SB substituted for each other; when LPA substituted for SB， BMI index， grip strength and seated forward bending all significantly increased， and vice versa only grip strength significantly decreased; when LPA replaced SLP， BMI index significantly increased， and vice versa significantly decreased; when SLP replaced SB， BMI index and waist circumference significantly decreased， and vice versa both significantly increased， and the magnitude of the increase was more pronounced. ［Conclusion］ MVPA is a major factor affecting the development of physical fitness in the college population， and it may be more meaningful to convert SB to MVPA while ensuring moderate sleep.

Keywords： 24 h activity behavior; component analysis; isochronous substitution; health fitness

［責任編校? 楊浦? 劉洋］