張 婷，李紅娟，李 超，張 柳，張曌華

身體活動（physical activity，PA）減少、靜坐行為（sedentary behaviour，SB）增加的不良生活方式在兒童和青少年中普遍存在，是兒童青少年肥胖和體質(zhì)水平下降的關鍵因素（Gopinath et al.， 2012；Leech et al.， 2015）。靜坐行為，尤其是屏幕時間，與健康相關體質(zhì)水平的降低有關（仇大勇 等， 2019；劉偉佳 等， 2017； Carson et al.， 2016a；Tremblay et al.， 2011）。相反，兒童和青少年規(guī)律的身體活動與體質(zhì)等健康結局存在正相關（方慧 等， 2018；全明輝 等， 2020），充足的睡眠（sleep，SLP）亦有益于處于生長發(fā)育期兒童青少年的體質(zhì)發(fā)展（Chaput et al.， 2016）。從時間構成來看，不同強度的身體活動、SB和SLP構成了青少年24 h活動行為，各部分時間具有“定和限制”的特性，因此各成分對青少年體質(zhì)的影響效應并不是孤立的，而是三者共同變化產(chǎn)生的綜合效應。但是以往研究多孤立探討這些行為的影響效應，忽略了行為之間存在的相互影響，因而所得結論有一定的局限性，甚至會產(chǎn)生誤導（Pedisic， 2014）。

SLP、SB、低強度身體活動（light physical activity，LPA）和中高強度身體活動（moderate-to-vigorous physical activity，MVPA）構成了個體的24 h活動行為，即各行為相加總和為常數(shù)，這類數(shù)據(jù)稱為成分數(shù)據(jù)。成分數(shù)據(jù)各分量攜帶的信息是相對的，意味著任一單個行為的信息必須在考慮其他行為信息的情況下才有意義（Aitchison， 1986）1。對此，Pedi?i?（2017）提出針對身體活動的成分數(shù)據(jù)特性，應當采用成分數(shù)據(jù)分析（亦稱“成分分析”）方法研究各成分對健康指標的影響。Chastin （2015）將成分數(shù)據(jù)分析方法應用于24 h活動行為，綜合探討了活動行為與健康結局之間的聯(lián)系。近年，國內(nèi)學者亦開始重視24 h活動行為與健康結局的關聯(lián)（呂雅杰 等， 2019；宋俊辰 等， 2020；張婷 等， 2020），但鮮見應用成分數(shù)據(jù)分析方法探討青少年身體活動相關行為對體質(zhì)健康的綜合影響及成分等時替代效應的研究。因此，本研究基于成分數(shù)據(jù)分析方法與成分等時替代模型，探討青少年各活動行為與體質(zhì)總分及諸多單項指標的關聯(lián)性，并將影響效應定量化。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以方便抽樣的形式，選取首都師范大學附屬育新學校和臨汾市解放路學校，采用隨機整群抽樣方法，在每所學校以班級為單位分別抽取初一、初二學生，共計358名學生。對符合納入標準的學生簽署知情同意書。研究對象排除標準：1）病患者；2）近期內(nèi)身體活動不便者；3）未能按要求佩戴加速度計，24 h活動行為數(shù)據(jù)缺失者。最終獲得有效樣本241人，其中，男生117名（49%），女生124人（51%）。本研究已獲得北京體育大學運動科學實驗倫理委員會批準。

1.2 日?；顒有袨榈臏y量

身體活動（LPA和MVPA）與SB，是經(jīng)加速度計客觀測量獲得，睡眠則是通過24 h減去清醒時間獲得。清醒時間，即受試者在夜間睡眠前，清醒狀態(tài)下的所有時間，同時本研究與其他研究一致（Carson et al.， 2016b；Chastin et al.， 2015），并未進一步區(qū)分日間是否存在午睡情況。要求受試者連續(xù)7天在右髖佩戴ActiGraph GT3X＋加速度計（ActiGraph LLC，Pensacola，F(xiàn)L），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。有效數(shù)據(jù)的納入標準：1）有效天，至少有10 h的清醒時間；2）有效佩戴天數(shù)至少4天（3個工作日＋1個周末日）（Tudor-Locke et al.， 2015）；數(shù)據(jù)的采樣頻率為 60 Hz，并以 60 s的間隔時間于ActiLife 5.6下載數(shù)據(jù)。選用的身體活動強度臨界點已經(jīng)過 Evenson等驗證（Ward et al.， 2005）：SB為每分鐘計數(shù)0～100，LPA為每分鐘計數(shù)101～2 295，MPA為每分鐘計數(shù)2 296～4 011，VPA為每分鐘計數(shù)4 012以上。

1.3 體質(zhì)的測量

按照《國家學生體質(zhì)健康標準（2014年修訂）》測試細則及相關測試儀器，獲得形態(tài)指標：身高、體質(zhì)量；身體素質(zhì)指標：50 m跑、坐位體前屈、引體向上或仰臥起坐，分別反映了速度、柔韌性、上肢力量或腹部力量素質(zhì)；心肺耐力指標：肺活量和800 m或1 000 m跑。

考慮到國家學生體質(zhì)單項指標的評分可能不能全面捕捉受試者相應指標的表現(xiàn)，將各單項指標的原始成績以及體質(zhì)綜合評分、評級納入分析，其中考慮到男、女長跑距離不同，以及為符合回歸模型擬合的方差齊性等條件，長跑指標選用評分納入分析。評分細則基于學生體質(zhì)評分標準進行了一定修改：1）出于BMI無法判斷是瘦體質(zhì)量與脂肪的考慮，綜合評分舍去了BMI；2）男生引體向上個數(shù)為0的居多，因此亦排除了引體向上的評分。體質(zhì)單項指標修改前后的評分權重如表1所示。最終總分（標準分＋附加分）為85分，綜合評級標準：優(yōu)秀為≥55.0分，良好為45.0～54.9分，合格為25.0～44.9分，不合格為≤24.9分。測試人員均經(jīng)過統(tǒng)一培訓和考核。

表1 體質(zhì)單項指標權重修改前后對比Table 1 Comparison of the Weights of Individual Physical Fitness Indicators before and after Modification

1.4 統(tǒng)計學處理

成分數(shù)據(jù)的樣本空間為單形，是一個有限的空間，不同于實數(shù)空間（取值-∞到＋∞的數(shù)據(jù)空間）（Aitchison，1982）。以往研究未考慮24 h活動行為之間的共線性及其“定和限制”，且傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法無法同時納入所有行為以進行分析（Dumuid et al.， 2018b），因此需要將 24 h 活動行為數(shù)據(jù)進行對數(shù)比變換（Aitchison， 1986）141，將位于單形數(shù)據(jù)空間中的成分數(shù)據(jù)映射到實數(shù)空間，解除數(shù)據(jù)的“定和”約束和共線性，以適用于標準統(tǒng)計方法。

首先，將SB、LPA、MVPA和SLP數(shù)據(jù)標準化，令總和為1。集中趨勢以各行為的幾何平均值（Pawlowsky-Glahn and Egozcue， 2001）表示?！伴]合”所有成分的幾何平均值使得總和為1 440 min從而獲得各行為以“min”為單位的均值。考慮到成分數(shù)據(jù)特性，某一行為的變化始終伴隨其他行為的變化，因此以變異矩陣（Aitchison， 1986）76來體現(xiàn)離散趨勢。變異矩陣，即各行為之間所有成對對數(shù)比的方差［如：ln（SB/LPA）的方差］，亦可顯示行為之間的依賴性（Aitchison， 1982， 1986）。受試群體24 h活動行為構成特點由三元圖（Chastin et al.， 2015）呈現(xiàn)。

在代入成分多元回歸模型分析之前，將標準化后的活動行為數(shù)據(jù)進行等距對數(shù)比（isometric log-ratio， ilr）變換（Dumuid et al.， 2018b；Egozcue et al.， 2003），公式為：

因ilr變換，僅第一個坐標表示某一成分相對于其他所有成分的時間使用情況，所以需對四分量的活動行為進行順序置換，使得每個分量都作為第一個分量，最終獲得4組數(shù)據(jù)，每組包含3個ilr坐標。

分別將每組ilr坐標作為自變量，建立多元回歸模型，協(xié)變量包括性別、年齡、身高與體質(zhì)量。對模型的線性、正態(tài)性和方差齊性進行了檢驗，未違背假設。P＜0.1為具有統(tǒng)計學意義。

基于擬合的線性回歸模型，采用成分等時替代方法，進行“一對一”的 10 min 定量分配（Dumuid et al.， 2018c），即將某一行為的10 min時間重新分配至另一行為，而其余活動行為時間保持不變，以預測再分配后相關結果的變化情況。具體過程：首先預測活動行為均值組合產(chǎn)生的影響效應，再進行兩兩活動行為之間10 min的再分配，可獲得一系列新的活動行為組合，進而預測新的行為組合產(chǎn)生的影響效應。最后，以新組合產(chǎn)生的效應減去均值組合產(chǎn)生的效應，獲得活動行為定量變化后相應結局指標的變化量。以P＜0.05表示替代效應具有統(tǒng)計學意義，所有分析通過R 4.0.1進行。

2 結果

2.1 描述性分析

本研究樣本（表2）的平均年齡為（13.0±0.6）歲，男、女各半。體質(zhì)評分不合格的僅占0.8%。24 h活動行為的均 值 組 合 為 ：SB 614 min、LPA 270 min、MVPA 39 min 和SLP 516 min。

表2 青少年的基本特征Table 2 Adolescents’ Basic Characteristics n=241

表3顯示的是數(shù)據(jù)的變異性。接近零值表明兩種行為的時間使用相互依賴，如ln（SB/SLP）的方差為0.07，這反映了SB和SLP之間相互依賴性較大。從表3中可以看出，最大成對對數(shù)比的方差涉及MVPA，表明MVPA與其他行為之間依賴性較小。

表3 SB、LPA、MVPA和SLP時間使用的成對對數(shù)比變化矩陣Table 3 Pair-Wise Log-Ratio Change Matrix for SB， LPA，MVPA， and SLP Time

24 h活動行為的時間使用分布（圖1）以三元圖矩陣的形式表示。離散情況由圍繞行為組合均值的基于正態(tài)分布的90%、95%和99%的概率區(qū)域表示（虛線）。該群體呈現(xiàn)出SB時間使用較多，SLP時間使用次之，而MVPA水平居低的活動行為構成。

圖1 SB、LPA、MVPA和SLP時間構成的人群分布的三元圖Figure 1. Ternary Plots of Population Distribution of Time Spent in SB， LPA， MVPA and SLP

2.2 24 h活動行為的時間使用與體質(zhì)指標之間的關聯(lián)

體質(zhì)總分及其各單項指標與各行為（相對于其余行為）的關聯(lián)性分析（表4）表明，體質(zhì)總分與SLP和MVPA呈正相關（P＜0.05），而與SB和LPA呈負相關（P＜0.05）；肺活量僅與LPA呈正相關（P＜0.05），與其余行為均呈負相關，但無統(tǒng)計學意義；MVPA與50 m跑用時呈負相關，而LPA與之呈正相關（P＜0.05）；坐位體前屈、跳遠、仰臥起坐與SB、LPA呈負相關（P＜0.1），與睡眠呈正相關（P＜0.01），而其中僅跳遠與MVPA呈正相關（P＜0.05）；長跑評分與MVPA和SLP均呈正相關，與LPA呈負相關（P＜0.05）。

表4 24 h活動行為的時間使用與體質(zhì)指標的關聯(lián)Table 4 Association between Time Use of 24 h Movement Behaviour and Physical Fitness Indicators

2.3 成分等時替代

將某一行為的10 min重新分配至另一行為時（表5），其他行為保持不變。MVPA或SLP的10 min分別再分配至SB，預測青少年的體質(zhì)總分將分別降低約0.9、0.2分。相反，MVPA替代SB時，體質(zhì)總分提高0.73分。類似地，當MVPA被SB或LPA替代時，50 m跑表現(xiàn)、跳遠和長跑表現(xiàn)降低的幅度均大于MVPA替代SB或LPA時這些指標表現(xiàn)提高的幅度。在肺活量指標中，LPA被SB或SLP替代時，肺活量分別降低了10.88 mL與10.62 mL，而反向LPA替代SB或SLP時，肺活量分別提高10.60 mL和10.33 mL。在速度指標中，MVPA時間被其他行為替代后，50 m用時均增加，其中以MVPA替代LPA時用時增加最多（0.1 s），而LPA被其他行為替代時，50 m跑用時均降低。在力量指標中，MVPA或LPA與其他行為之間的替代結果與速度指標中的結果相似。在柔韌性和腹部力量耐力指標中，SLP被LPA或SB替代時，會降低坐位體前屈和仰臥起坐的成績，而LPA被SLP或SB替代時結果則相反。

表5 成對行為“一對一”10 min再分配后的體質(zhì)效應差異Table 5 Differences in Physical Fitness Effects after 10 min“One-to-One” Reallocation between Pairwise Behaviours

3 討論

3.1 學齡青少年的活動行為組合模式的特征

學齡階段的青少年整體呈現(xiàn)出久坐行為時間較長，身體活動水平尤其是MVPA水平普遍較低，而睡眠時間相對適中的行為組合模式（圖1）。該群體呈現(xiàn)的靜坐少動的生活方式與其他研究一致（郭強 等， 2017）。究其原因，可能與學齡青少年屬于學生群體的屬性有一定的關聯(lián)：文化課以及作業(yè)完成的需求使學生大部分時間是處于靜坐狀態(tài)。一項關于中學生的追蹤調(diào)查研究指出，家庭因素、身體健康意識、健康教育課程、學校體育設備及學業(yè)壓力（課外用于學業(yè)相關的時間）等對身體活動參與時間具有正向效應，而視屏使用則相反（胡鵬輝 等，2019）。故在針對青少年身體活動促進的過程中，形成以家庭-學校-社區(qū)聯(lián)動機制（汪曉贊 等， 2014）可能是比較有效的策略。

3.2 24 h活動行為與體質(zhì)關聯(lián)

身體活動促進一直是提高體質(zhì)與健康水平的重要方式，而MVPA可能是青少年學生群體體質(zhì)促進的主要影響成分。本研究顯示，SB基本不利于體質(zhì)的發(fā)展，而MVPA對體質(zhì)整體、速度、有氧能力（長跑）與力量素質(zhì)存在積極效應，LPA則不利于這些指標的發(fā)展，但其有利于肺活量的提高?，F(xiàn)有研究支持了MVPA或高強度身體活動（vigorous physical activity，VPA）對下肢爆發(fā)力與速度的增益作用（常振亞 等，2020；方慧 等， 2018；楊洋， 2019；Fang et al.， 2017）。另一項持續(xù) 6 周的干預研究亦發(fā)現(xiàn)，進行VPA干預后，下肢爆發(fā)力、最大攝氧量和柔韌性均顯著提高（蘇利強 等， 2020）。基于成分分析的研究，亦強調(diào)了 MVPA 的提高或保持對心肺適能（cardiorespiratory fitness， CRF）的重要意義，但其發(fā)現(xiàn)LPA對心肺耐力的影響效應（Carson et al.， 2016b； Fairclough et al.， 2017）以及對體質(zhì)健康、身體素質(zhì)和下肢爆發(fā)力等的影響并不顯著（常振亞 等， 2020），這與本研究LPA不利于長跑表現(xiàn)和力量表現(xiàn)的結果不一致。究其原因，可能是由于受試群體、有氧耐力指標的選取與測試方法以及身體活動強度切點值的不同所造成的。另有基于成分分析的研究發(fā)現(xiàn)，LPA對肥胖指標和心臟代謝等健康結局不利，而MVPA 則有利于健康水平的提高（Chastin et al.， 2015）。雖然，LPA對健康結局的不利效應具有多數(shù)證據(jù)支持，但需要注意的是，從ilr變換角度來看，LPA時間的增加是包括以犧牲MVPA時間為代價的，故在以β系數(shù)來判定LPA與這些指標之間的關聯(lián)性時需要謹慎。另外，從生理學角度來看，LPA的能耗系統(tǒng)主要為有氧代謝，而下肢爆發(fā)力的供能系統(tǒng)為 ATP-CP（王瑞元 等， 2012）177，即 LPA 產(chǎn)生的生理適應是達不到提高爆發(fā)力的閾值甚至可能是會影響力量的表現(xiàn)?；谝陨系奶接懣梢钥闯?，MVPA的健康效應是較為明確的，而LPA的潛在健康效應，仍需要進一步探討與明確。

LPA對體質(zhì)健康的影響效應存在爭議。本研究發(fā)現(xiàn)，10 min的SB替代相同時間的MVPA或SLP時，體質(zhì)總分、跳遠、50 m跑、坐位體前屈與仰臥起坐表現(xiàn)均會降低，而SB在取代LPA時，預測會提高這些指標表現(xiàn)（其中對跳遠的影響變化無統(tǒng)計學意義），但提高幅度在所有行為替代方式中均相對最小。50 m跑反映的是機體快速跑動的能力，要達到速度能力的提高，需要進行大強度身體活動，而長期低強度的身體活動發(fā)展的是慢肌纖維與線粒體等，與速度所需的生理機能相悖（王瑞元 等， 2012）52-53，345，因而此時不進行鍛煉的久坐行為可能比LPA略有利。常振亞等（2020）認為，SB在替代LPA時，身體素質(zhì)亦有提高，但無統(tǒng)計學意義，該研究選取的是身體素質(zhì)整體，不能具體反映該行為替代方式對其中某些單項的影響效應。常振亞等（2020）在另一項傳統(tǒng)等時替代研究中則發(fā)現(xiàn)，SB替代LPA時，利于10 m折返跑與雙腳連續(xù)跳的表現(xiàn)，而不利于跳遠的表現(xiàn)，但均無統(tǒng)計學意義。這些研究結果的不一致性，既源于結局指標與研究對象的不同，亦可能源于統(tǒng)計方法的不同，因此，對于SB與LPA之間的替代所產(chǎn)生的體質(zhì)健康效應，不能就此妄下結論。另一研究亦發(fā)現(xiàn)，SB替代LPA時，學齡前兒童基本動作技能總分及控制能力均提高（Mota et al.， 2020），而一項前瞻性研究則支持了LPA替代SB對減脂的積極影響，但僅在SB累積時間≥30 min 時 ，影響才具有統(tǒng)計學意義（Gaba et al.，2020）。Chastin等（2015）認為，LPA替代SB有助于血糖的控制等。這些研究均是基于成分數(shù)據(jù)分析，但研究對象、替代的時間或方式不同以及結局指標不同，因此LPA對健康的影響效應是不甚明確的，仍需要后續(xù)的研究來加以驗證。

相比單純性地降低SB，MVPA水平的保持可能更具意義，并且睡眠可能是體質(zhì)健康干預的又一重要方向。本研究的10 min成分等時替代結果發(fā)現(xiàn)，MVPA替代SB或LPA，所產(chǎn)生的增益效應遠小于SB或LPA替代MVPA所帶來的不利影響。如在體質(zhì)總分中，將MVPA的10 min再分配至SB時，體質(zhì)總分降低0.93分，而反向MVPA替代SB時，體質(zhì)總分僅提高了0.73分，體現(xiàn)了MVPA水平保持的重要性。這一替代效應的不對稱性，在其他成分等時替代的研究中亦得到了證實（Chastin et al.， 2015；Dumuid et al.， 2018a， 2018c）。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，SLP 取代SB或LPA時，均有利于體質(zhì)總分、跳遠、坐位體前屈、仰臥起坐和長跑表現(xiàn)的提高，表明睡眠在提高健康水平中占據(jù)重要地位，這在其他研究中亦得到了證實（Stamatakis et al.， 2015）。充足的睡眠有利于體力的恢復，消除疲勞感，進而達到身體活動水平的促進，而睡眠不足相應地會影響個體積極的生活方式（Chaput et al.， 2017），這可能是睡眠有利于體質(zhì)健康發(fā)展的原因。因此，學生群體理應避免以犧牲睡眠時間為代價來進行學習。鑒于學生群體睡眠時間相對穩(wěn)定，以靜坐學習和低強度的步行等行為方式為特征，日常MVPA的占比較少，因此MVPA水平的提高與保持可能是學生群體健康促進的重要手段?！吨袊鴥和嗌倌晟眢w活動指南》指出，兒童青少年需每天至少累積MVPA 60 min，但是基于成分分析的思想，MVPA產(chǎn)生的健康效益亦取決于剩余時間的分配（Chastin et al.， 2015），因此應鼓勵學生在 10 min 的課間活動內(nèi)，盡量將原本的久坐行為轉(zhuǎn)變?yōu)樯眢w活動，尤其是MVPA。同時應鼓勵學生，尤其是本身MVPA水平較低的學生，保持MVPA水平。

3.3 優(yōu)勢與局限性

首先，本研究實現(xiàn)了分析角度從“孤立”到“綜合”的思想以及方法上的轉(zhuǎn)變，正視了身體活動相關行為的成分數(shù)據(jù)特性?；趯槌煞謹?shù)據(jù)設計的成分數(shù)據(jù)分析方法，探討了在整體框架下，24 h活動行為各分量相對的體質(zhì)健康效應。其次，在結合成分等時替代的分析下，為青少年體質(zhì)健康促進提供了整體上合理分配24 h時間的干預思想，并強調(diào)了維持MVPA水平的干預重點。同時，本研究既探討了體質(zhì)整體，又分別探討了包括力量、速度、下肢爆發(fā)力、腹部耐力、柔韌性等指標與24 h活動行為的關聯(lián)，為不同的身體素質(zhì)發(fā)展提供了具有針對性的干預信息，如運動強度的選擇。

本研究亦存在一定的局限性。睡眠時間是根據(jù)24 h減去客觀測量的SB、LPA和MVPA時間的總和獲得，故睡眠時間的誤差可能包含了一定非佩戴時間。但在日常活動的測量過程中，均有測試人員的佩戴檢查或班主任和其他老師的佩戴叮囑，在結果的分析中非佩戴時間的情況較少發(fā)生，因此該結果是具有一定保證的。另外，由于抽樣方式的選擇，樣本的代表性可能相對較差，但相關結果基本與其他研究一致，具有一定的研究意義。

4 結論

學齡青少年整體呈現(xiàn)靜坐少動、睡眠適中的行為組合模式。MVPA是影響學生群體體質(zhì)發(fā)展的主要成分，并且相比SB的減少，MVPA水平的保持對青少年體質(zhì)發(fā)展更具意義。睡眠對體質(zhì)整體、柔韌性、有氧能力與力量等具有正向效應，SB則基本不利于體質(zhì)的發(fā)展。因此，在進行青少年體質(zhì)干預時，應著重關注MVPA水平的提高與保持，并保證適度的睡眠。