24小时动作行为对学龄前儿童体质健康影响的等时替代效益研究

常振亚 ，王树明

（1.华东师范大学 体育与健康学院，上海 200241；2.长沙师范学院 学前教育学院，湖南 长沙 410100）

以往有关身体活动的研究集中于探究中高强度身体活动（moderate-to-vigorous physical activity，MVPA）的健康效益，然而近年研究聚焦低强度身体活动（light physical activity，LPA）的健康效益（Carson et al.，2013；Denton et al.，2013；Kim et al.，2013；Mcgee et al.，2020；Piepoli，2020；Powell et al.，2020），有研究表明，LPA 与个体肥胖（Mcgee et al.，2020；Powell et al.，2020）、体能（Denton et al.，2013）和心血管代谢健康（Carson et al.，2013；Kim et al.，2013；Piepoli，2020）均有关联。另外，静坐行为（sed‐entary behavior，SB）对个体健康的影响（常振亚等，2020；Carson et al.，2016；Cheng et al.，2020；Hoare et al.，2016；Powell et al.，2020；Van Ekris et al.，2016）也越来越受到关注。已有相关身体活动指南中均会提出不同强度身体活动的推荐量，并强调要适度减少静坐行为。随着身体活动研究内涵的不断扩大，在国外学术研究中出现了“24 h动作行为（movement behaviour）”的学术概念，指从无强度到高强度的运动连续体，包括了睡眠、静坐行为和身体活动（Kuzik et al.，2017；Tremblay et al.，2016）。加拿大和澳大利亚发布的“24 h身体活动指南”也均使用了“24 h动作行为”概念。24 h身体活动指南强调动作行为的组合可能会更全面地促进儿童身心健康，而不是单一动作行为，这提示人们在检查身体活动、静坐行为或睡眠对儿童肥胖及其他健康指标的影响时，需要综合考虑它们之间的相互影响，而对24 h动作行为进行整体研究，可以更加立体地提供改善儿童健康的机会。

目前，国外学者已经初步探索了学龄前儿童24 h动作行为与健康的关系。Kuzik等（2017）对1月龄至5岁儿童24 h动作行为与健康指标之间的关系进行了综述，发现身体活动和静坐行为的理想组合与学龄前儿童运动发育和健康体质显著相关，与肥胖状况的改善也相关，但相关不显著，与身高、体质量和头围等无关，而睡眠和静坐行为的理想组合与学龄前儿童肥胖显著相关，特别是与低睡眠和高静坐的组合显著相关。然而该研究表明，支撑这些结论的证据十分有限（共10项研究，其中9项研究涉及静坐行为和身体活动组合，仅1项研究涉及睡眠和静坐行为组合，没有找到其他组合），且主要是“非常低”到“低”质量的证据。另外，有国外研究集中于探究24 h动作行为与学龄前儿童BMI以及肥胖之间的关系，其他方面的实证关联有待进一步研究（宋俊辰等，2020）。当前，国内学者不仅关注身体活动和静坐行为与健康之间的关联，也有部分学者关注睡眠及身体活动与健康之间的关联，但鲜见同时关注身体活动、静坐行为与睡眠之间的关联及其对健康的影响研究。有研究揭示，良好的睡眠对学龄前儿童身体活动具有积极的影响力（文椈等，2018），而较短夜间睡眠时间和较长静坐时间（屏幕时间）的学龄前儿童更容易出现心理健康问题（Wu et al.，2017）。Ji等（2018）使用健身手镯（fitness bracelets）调查了112名学龄前儿童的身体活动和睡眠情况，探究了二者与父母报告的屏幕时间对学龄前儿童BMI的影响，发现学龄前儿童超重（15.2%）和肥胖（9.8%）比例较高，睡眠和身体活动习惯也不佳，但研究没有直接给出屏幕时间、身体活动及睡眠对肥胖影响的关联。

本研究基于上述研究重点分析以下3个方面：1）24 h动作行为时间相对分布与体质健康的综合关联；2）调整行为整体及单个其他行为所花费的时间后，每种动作行为与体质健康的关联；3）一种行为等时替代另一种行为部分时间后体质健康变化的“剂量-效应”。本研究体质健康中的“体质”指《国民体质测定标准手册》（幼儿部分）中的体质。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

根据《国民体质测定标准手册》（幼儿部分）的年龄分层方式，分别从7个年龄层（3.0岁、3.5岁、4.0岁、4.5岁、5.0岁、5.5岁、6.0岁）中随机抽取60名，共420名儿童参与研究，实际有效参与研究的儿童有373名（表1）。

表1 被试基本情况Table 1 List of Basic Conditions of the Participants

1.2 研究方法

1.2.1 身体活动和静坐行为测试

使用ActiGraph GT3X-BT三轴加速度计（Pensacola，FL，USA）测量儿童的身体活动和静坐行为。学龄前儿童在一周内连续7天佩戴加速度计，期间除洗澡、游泳、睡觉外其他时间均要求佩戴。每个加速计都有一个识别号码，按识别号码给儿童佩戴加速度计，佩戴部位位于右侧髂嵴上部。设备测试后利用Actilife（Version 6.11.4）对数据进行下载和初步分析，对于测量数据不符合要求或者有缺失的部分受试者及时进行补测。加速度计主要测评学龄前儿童以下指标：1）静坐行为；2）低强度身体活动；3）中等强度身体活动（moderate physical activity，MPA）；4）高强度身体活动（vigorous physical activity，VPA）。在此基础上可以进一步计算出中高强度身体活动（MVPA=MPA＋VPA）和总身体活动（the total of physical activity，TPA，TPA=LPA＋MPA＋VPA）等指标。Butte等（2013）综合运用室内量热法、双标水法和心率监测等方法建立了学龄前儿童的身体活动强度分界值，校验过程严谨且认可度高，是加速度计数据处理软件Actilife内置的身体活动强度分界标准之一，因此，本研究予以采用（表2）。

表2 ActiGraph GT3X-BT身体活动测量参数设置Table 2 Physical Activity Measurement Parameter Settings List of GT3X-BT

1.2.2 问卷调查

问卷调查共3个部分。第一部分为学龄前儿童睡眠时间调查。本研究的睡眠时间（sleep duration，SP）界定较为宽泛，指用于睡眠的实际时间，指学龄前儿童白天和晚上上床时间至起床时间的总和，旨在考察相对于身体活动和静坐行为的睡眠时间使用情况。具体通过以下3个问题进行调查：1）最近一个月，通常您的孩子晚上几点钟上床睡觉？2）最近一个月，通常您的孩子早上几点钟起床？3）回忆您的孩子最近一个月白天的小睡次数和睡眠持续时间，然后勾选出您的孩子白天睡觉的总时长。在选项设置上，首先将工作日和周末加以区分，其次将主要时段或时长（6：00—10：00，20：00—23：00，白天 1～3 h）选项之间的间隔设置为30 min，其他时段或时长选项之间的间隔设置为60 min，取选项的中间值作为实际的睡眠时间，具体计算公式为：睡眠时长=［（工作日白天睡眠时长＋工作日夜晚睡眠时长）×5＋（周末白天睡眠时长＋周末夜晚睡眠时长）×2］/7。第二部分为学龄前儿童家庭经济条件调查。家庭经济条件（social economic status，SES）问卷编制主要参考北京师范大学发展心理研究所袁晓娇的SES问卷（袁晓娇等，2009），包括父母文化程度、父母职业和家庭经济收入。该问卷编制时考虑到青少年可能不了解家庭收入，所以采用调查家庭资源的方式间接了解家庭收入，本研究由于是父母直接填写，因此，直接选用家庭经济收入指标。根据国际学生评估项目计算SES的方法按4个步骤计算SES，其中职业分类按照Gan‐zeboom等（1996）的国际社会经济地位职业分类索引中的记分标准进行，最后将SES按照1个标准差的方法分为3个等级（任春荣等，2013）。第三部分为儿童相关基本信息的调查。主要调查学龄前儿童的性别和年龄信息以及其父母的身高和体质量等信息。

1.2.3 体质健康测试

测试采用国家体育总局群体司制定的《国民体质测定标准手册》（幼儿部分）进行。测试指标包括身体形态指标和身体素质指标两类。身体形态测试指标为身高和体质量。身体素质测试指标包括10 m折返跑、立定跳远、网球掷远、双脚连续跳、坐位体前屈和走平衡木。体质健康测试共8项指标，每项各5分，共计40分，＜20分为不合格，20～27分为合格，28～31分为良好，＞31分为优秀。

1.3 数据处理

1）运用独立样本t检验和单因素方差分析呈现身体形态和身体素质在不同人口统计学变量上的差异性，采用成分数据的描述性统计方法呈现24 h动作行为数据的集中和离散情况（Chastin et al.，2015）。成分数据统计使用变异矩阵即所有成分之间成对比率的对数方差来反映数据的离散情况，方差越小代表相应比率中的两种行为所花费的时间发生相互转换的概率越高，方差越大代表相应比率中的两种行为所花费的时间发生相互转换的概率越低。

2）采用中心化条形图比较不同体质健康群体之间学龄前儿童的24 h动作行为差异状况。首先计算不同体质健康群体之间的24 h动作行为比例，然后计算每一动作行为的比例平均值，再计算每一动作行为比例与比例平均值的自然对数，最后呈现24 h动作行为在不同体质群体上的差异。相比普通条形图，中心化条形图可以更清晰地揭示出不同体质群体之间的差异情况（Chastin et al.，2015）。

3）基于成分数据统计中的等距对数比转换（isometric log ratio transformation，ilr）进行多元回归分析，以系统考察SP、SB、LPA和MVPA与体质健康的关联。本研究SP、SB、LPA和MVPA之和为常数1 440，即本研究数据实质上为成分数据。如果同时在回归模型中直接纳入这些变量，回归过程中就会出现多重共线性问题，无法将所有动作行为花费的时间作为多元回归模型中的解释变量，协方差矩阵是单维的。由此，成分数据的统计分析首先要解决成分数据的定和问题，即各成分之和为常数。一般的处理原则是将成分数据进行转换，且转换方法不唯一，其中等距对数比变换是近年在时间使用流行病学中惯用的转换方法。具体来说，本研究构建的回归方程为E（Y/Z）=γ0＋γ1z1＋γ2z2＋γ3z3＋…＋γd-1zd-1＋covariances，协变量依次为性别、年龄、父亲 BMI、母亲 BMI和 SES，zi=，其中d为成分数据中成分的数量，i=1，2，… ，d-1，zi为ilr变换变量，bi为对应的成分数据。由此，本研究需要构建4个模型，模型中的γ1分别代表调整行为整体及单个其他行为所花费的时间后SP、SB、LPA和MVPA相对于其他3种行为与体质健康之间的关联，回归模型的显著性代表24 h动作行为时间分布与体质健康整体关联的显著性。

参考成分数据等时替代分析的已有研究方法（Du‐muid et al.，2018，2019），运用 R 统计软件3.6.1版本中的Compositions包，结合相关语言代码进行等时替代回归分析，以揭示不同动作行为相互替代后体质健康的变化。

2 研究结果与分析

2.1 学龄前儿童的体质健康情况

本研究学龄前儿童体质合格率为90.1%，优秀率为9.2%。这一结果略好于2014全国体质监测公报湖南省学龄前儿童的合格率（87.7%）和优秀率（8.9%）。学龄前儿童体质得分呈现出年龄差异（F=3.51，P=0.002），但没有性别差异（t=0.04，P=0.835）和SES差异（F=1.98，P=0.139），即3.5岁和4.5岁儿童体质得分均显著高于5.0岁和6.0岁儿童，其余年龄组之间均没有显著性差异。

具体身体形态项目差异情况（表3）为：男童身高显著高于女童，但体质量和BMI无显著性差异；随着学龄前儿童年龄的增加，身高和体质量不断增加且总体具有显著性，但BMI无年龄差异；不同SES儿童在身高、体质量和BMI上均无显著性差异。具体身体素质项目差异情况（表4）为：女童在坐位体前屈项目上显著好于男童，但在其余项目上男童均好于女童；除坐位体前屈外，随着年龄的增加，身体素质各项目均有所进步，且总体具有显著性；中等SES儿童坐位体前屈显著好于低等SES儿童，但在其他身体素质项目上均无显著性差异。另外，学龄前儿童 BMI与父亲 BMI（r=0.14，P=0.008）和母亲 BMI（r=0.08，P=0.150）均为正相关，且在父亲BMI上具有显著性。

2.2 学龄前儿童的24 h动作行为情况

本研究学龄前儿童日均SP、SB、LPA和MVPA 4部分的比例依次为43.0%、36.6%、16.6%和3.8%（表5）。依据变异矩阵可知，最高对数比方差都涉及MVPA，其中与LPA的对数比方差最小，表明学龄前儿童花费在MVPA上时间可能更为稳定，如果发生变化，相较而言与LPA时间发生转换的概率最高。同时，最低对数比方差涉及的两种动作行为分别为SB和SP，学龄前儿童用于SB的时间和SP的时间更有可能发生转换。

2.3 不同体质健康等级学龄前儿童24 h动作行为的差异情况

体质健康不合格和合格学龄前儿童的24 h动作行为模式截然相反，而体质健康状况良好和优秀的学龄前儿童呈现出相似的24 h动作行为模式，即较高的SP、LPA、MVPA和较低的SB。体质健康合格的学龄前儿童的24 h动作行为水平区别于体质健康不合格的学龄前儿童，主要表现为MVPA水平较高（图1）。

2.4 24 h动作行为与学龄前儿童体质健康的关联

除双脚连续跳和体质量之外，24 h动作行为时间相对分布与体质健康及其子指标均具有显著的统计学意义（P＜0.05）。MVPA与身高、身体形态、10 m折返跑、立定跳远、身体素质和体质健康等均具有积极的影响力；LPA与多数体质健康指标均无显著关联，但对身高和立定跳远均为负向的影响力；SB对立定跳远具有负向的影响力，而SP对立定跳远具有正向的影响力，SB和SP在其他体质健康指标上均无显著影响力（表6）。

表3 学龄前儿童身体形态的基本情况Table 3 The Basic Situation of Preschool Children’s Body Shape

表4 学龄前儿童身体素质的基本情况Table 4 Basic Situation of Physical Health of Preschool Children

2.5 24 h动作行为15 min等时替代变化后体质健康的变化情况

参照Stuart等（2017）以等时替代15 min为例进行分析，发现MVPA等时替代其他动作行为时，学龄前儿童身体形态、身体素质以及体质健康得分均显著上升，反之均显著下降，其中和LPA相互替代时变化幅度最大；LPA等时替代SB时，学龄前儿童身体形态和体质健康得分均显著上升，但身体素质得分变化没有显著性；SP等时替代LPA时，身体形态、身体素质和体质健康得分均显著上升，反之均显著下降；SP等时替代SB时，身体形态得分显著下降，但身体素质和体质健康均显著上升（表7）。

2.6 MVPA和其他动作行为等时替代后体质健康的变化情况

随着MVPA等时替代LPA、SB和SP时间的增加，体质健康状况在逐步提升，提升幅度由大到小依次为MVPA等时替代LPA、MVPA等时替代SB、MVPA等时替代SP。随着LPA、SB和SP等时替代MVPA时间的增加，学龄前儿童体质健康水平迅速下降，下降幅度大于MVPA等时替代其他3种行为时的上升幅度（图2）。

3 讨论

本研究使用成分数据统计分析法系统探究我国儿童24 h动作行为与体质健康之间的关系。主要解决了两个方面的问题：1）揭示了学龄前儿童24 h动作行为与身体形态和身体素质的综合关联；2）引入动作行为时间预算和健康之间关系研究的统计解决方法，以应对传统统计中的共线性问题。研究结果同现有研究一致（方慧等，2018；王晓飞，2018；赵广高 等，2017；Carson et al.，2017；Ruiz et al.，2013；Stuart et al.，2017），支持 MVPA 的积极体质健康效益，学龄前儿童MVPA对身体素质的提高和身体形态的改善均具有正向的影响力，此外本研究还有以下几个主要发现。

1）学龄前儿童24 h动作行为中MVPA的时间比例相对稳定，不易与其他动作行为时间发生转换。这或许可以解释SB与个体健康之间的关联独立于其他动作行为，如MVPA（Dunstan et al.，2011；Owen et al.，2009），从本研究结果来看，学龄前儿童清醒期间MVPA与SB时间发生转换的概率最小，可以认为SB与个体健康之间的关联相对独立于MVPA。然而，Maher等（2014）认为，SB、LPA与健康的关联并不独立于其他动作行为，而是由于SB和LPA时间的增加，进而减少了MVPA时间所致。从本研究运用的成分数据统计思想来看，关于单一行为对健康的影响是否独立于另一行为的争论可能在前提上就是不成立的，在定和约束的条件下，任一行为时间的改变必然会带来余下行为时间的改变。

2）学龄前儿童MVPA等时替代其他行为时均具有积极的体质健康效益，其中等时替代LPA时效益最佳。这与已有的学龄前儿童身体活动指南或运动指南精神并不一致，相关指南一般在提倡增加学龄前儿童身体活动水平的同时减少学龄前儿童的静坐时间，似乎揭示了增加学龄前儿童身体活动水平的最佳路径。然而本研究结果并不支持这一观点，首先，MVPA与LPA时间相互转换的概率更高，其次，本研究等时替代结果也表明，减少LPA增加MVPA是增加学龄前儿童体质健康的最佳路径。SB减少有可能更多地转化为LPA而不是MVPA，加上一天的时间有限，不可能无限制地减少SB，由此提醒教育工作者要逐步改变“减少静坐=身体活动充足=体质健康良好”的认知，要让学龄前儿童在有效的活跃时间内，合理提升MVPA比例，以达到更好地提升其体质健康水平的目的（常振亚等，2020）。

表5 成分数据的集中趋势和离散程度Table 5 Centralized Trend and Dispersion of Composition Data

图1 不同体质健康情况儿童24 h动作行为的差异情况Figure 1.Differences in Movement Behaviors of Children with Different Physical Health

表6 24 h动作行为与体质健康之间的关联Table 6 The Association between Movement Behavior and Physical Health

表7 24 h动作行为15 min等时替代与体质健康之间的关联情况Table 7 Association between Movement Behavior 15 min Isochronous Substitution and Physical Health

图2 MVPA等时替代其他行为后对体质健康的变化情况Figure 2.Changes in Physical Health after MVPA Isochronous Substitutions for Other Behaviors

3）等时替代效益具有不对称性，伴随MVPA等时替代其他行为时间的增加，学龄前儿童体质健康水平会缓慢提升，反之则会迅速下降。例如，用15 min/天MVPA代替15 min/天LPA时，体质健康上升0.66，相反则下降0.83，如果等时替代时间延长，效果会更加明显（图2）。同时这一现象不仅存在于学龄前儿童中，学龄儿童的相关研究中也有类似的发现（Stuart et al.，2017）。这一现象或许可以从以下两个方面加以理解。一方面，从MVPA中移除15 min相当于《学龄前儿童（3～6岁）运动指南》（关宏岩等，2020）推荐量60 min的25%，而将SB时间减少15 min仅占SB总时间2.85%，即15 min变化对MVPA来说是一个很大的变化，而对于SB来说仅仅是一个微小的调整，由此造成了等时替代效益的不对称性。另一方面，累积效应在身体活动当中的体现。当个体致力于提升体质健康水平时，需要坚持体育锻炼，才能有更好的体质健康效益，反之当个体不能坚持体育锻炼或者放弃体育锻炼时，体质健康效益可能会迅速下降。这一点从心肺耐力训练的角度可能会更加容易理解，当个体坚持科学训练，心肺耐力会有所增加，而当个体停止训练后，心肺耐力可能会迅速下滑，甚至恢复到原有的水平。

4）学龄前儿童MVPA不变时，LPA和SP等时替代SB以及SP等时替代LPA后，均具有一定的体质健康效益。SP和LPA的体质健康效益与MVPA相比显然十分微弱，然而SP和LPA在学龄前儿童24 h动作行为的比例却很高，合计占59.6%，提示在重视MVPA健康效益的同时不能忽视SP和LPA的健康效益。有研究表明，支持SP的积极健康效益（李一辰等，2011；刘东宁 等，2016；文天静，2016）。本研究SP与体质健康的关联基本支持已有研究结果，SP与体质健康正向关联，且SP等时替代SB和LPA后均有一定的体质健康效益。然而本研究LPA与体质健康负向关联，这一结果显然没有满足研究预期，可能与所采用的身体活动强度分界值有关，目前不同学者基于加速度计建立的SB/LPA强度分界值差异较大。较低的SB/LPA强度分界值必然带来较高的LPA和较低的SB，进而可能会导致LPA和SB体质健康效益的混淆。我国当前以加速度计为测评工具的学龄前儿童研究中均是采用国外学者建立的身体活动强度分界值，而这些强度分界值差异较大，是否适合我国学龄前儿童还有待更多地实证检验（常振亚等，2019）。当然，要想从根本上解决这一问题，就需要建立中国学龄前儿童的身体活动强度分界值。令人欣喜的是，已开始有国内学者尝试建立我国学龄前儿童的身体活动强度分界值（李堃等，2017），然而该分界值的适用年龄仅为5～6岁儿童，未来学者可以在其基础上进一步拓展年龄阶段，增强中国学龄前儿童身体活动强度分界值的适用性。另外，虽然本研究LPA与体质健康负向关联，但等时替代分析发现，LPA等时替代SB后具有一定的体质健康效益，有研究揭示，LPA等时替代SB后，去脂体质量指数（fat-free index）显著上升（Mcgee et al.，2020），启示未来学者可以进一步丰富体质健康指标，以深入挖掘LPA的体质健康效益，促进学龄前儿童健康成长。

综上所述，体质健康促进工作者应该尽量优化24 h动作行为的比例，以最大限度地提升学龄前儿童的健康水平。虽然成分数据统计法可以被视为方法论问题，但它实际上导致了对儿童身体活动概念理解的根本转变。一个整体研究范式的打开，有利于探究全天不同动作行为所花费的时间最佳分布，有利于进一步研制身体活动、静坐行为和睡眠的综合指南。本研究虽然将成分数据整体研究范式应用于探究日常动作行为与健康的关联，但更有意义的组合方法有赖于更多研究类型的设计和分析。如可以考虑将静坐行为细分为屏幕时间和非屏幕时间，也可将个体行为细分为躺、坐、站、走、跑等活动类型，或者按照学龄前儿童一日生活安排拆解出相关更有意义的活动类型（赵星等，2016）。当前，24 h监控方案的不断推出，致使加速度计等运动传感器的连续佩戴变得越来越普遍，这将有利于消除非穿戴时间的影响。此外，将来研究还可以提高睡眠时间以及其他行为测评的准确性（张勇，2019）。24 h动作行为测评准确性的改进与成分数据分析相结合，可能会带来更多深入系统的健康关联机制解析。

4 结论

学龄前儿童24 h动作行为时间相对分布与体质健康关联紧密，其中花费在MVPA上的时间可能较为稳定，如果发生变化，相较而言与LPA时间发生转换的概率最高；学龄前儿童MVPA对身体素质的提高和身体形态的改善均具有正向的影响力；学龄前儿童MVPA等时替代其他行为时均具有积极的体质健康效益，其中等时替代LPA时效益最佳；等时替代效益具有不对称性，伴随MVPA等时替代其他行为时间的增加，学龄前儿童体质健康水平会缓慢提升，反之则会迅速下降；MVPA不变时，LPA和SP等时替代SB以及SP等时替代LPA以后均具有一定的体质健康效益。未来教育者提升学龄前儿童体质健康水平时需着眼于行为整体并持之以恒的维护和促进，其中通过增加MVPA和降低LPA是提升学龄前儿童体质健康水平的有效方法之一。