基于儿童体质健康的两种24 h活动时间替代模式的实证比较

杨兴隆，王丽娟，陈 欢，王丽静，梁 果，邱艳平

（上海体育大学 体育教育学院，上海 200438）

基于人体的生物节律，中高强度身体活动（moderateto-vigorous physical activity， MVPA）、低 强 度 身 体 活 动（light-intensity physical activity， LPA）、久坐行为（sedentary behavior， SED）与睡眠（sleep， SLP）4 种行为构成了一天24 h 活动（Chaput et al.， 2017）。过往大量研究从单个活动行为的“单一视角”探究其与身心健康的关系，证实了这4 种活动行为是影响身心健康的重要因素（Asare et al.，2015； Basterfield et al.， 2012）。然而，有学者指出24 h 活动时间恒定，一种活动行为时间的变化会对其他活动行为的时间产生影响，因此，从“综合视角”探究24 h 活动与身心健康的关系更为合理（Chaput et al.， 2017）。在此基础上，有学者指出活动行为所产生的健康效应是所从事和被替代的活动行为共同作用的结果（Mekary et al.，2009）。因此，Mekary 等（2009）与Chastin 等（2015）先后将等时替代模型与成分数据分析引入身体活动研究领域，探索活动行为的时间替代所带来的健康效应的变化，以解决不同活动时间相互影响及数据分析的共线性问题。

目前，在成分等时替代分析中，多数研究运用“一对一”等时替代模式探究两种活动行为相互替代对健康的影响。这种替代模式是两种行为间“点对点”的替代，在保持总时间（24 h）和其他活动时间不变的基础上，将某一行为（如MVPA）的“绝对时间”（如10 或20 min）重新分配至另一行为（如SED），以预测分配后结局指标的变化。当前，已有大量研究运用“一对一”等时替代模式探究了不同年龄阶段人群24 h 活动时间的相互替代与健康结局的关系，多数研究发现MVPA 与SED 分别是身心健康的保护因素与危险因素，建议应尽量实现SED、LPA 或SLP向MVPA 的转换，以达到促进身心健康的功效（常振亚等，2020； 梁果 等，2022； Clarke et al.， 2021）。

但“一对一”等时替代模式也存在一定的局限性：1）分配时间占比不均衡。一天中各种活动行为的时间分布不均，如儿童一天LPA、SED 与SLP 的时间通常占到了总时间的95%或以上，而MVPA 所占时间不到5%甚至更少（吕雅杰 等，2019）。按照等时替代的要求，当以等量的绝对时长作为分配单位进行时间分配时，就会出现分配时间占比不均的问题，如10 min 分配时间所占MVPA 的比例远大于SED，导致一种行为时间的变化对健康指标的影响显著，而另一种行为时间变化的影响却微乎其微，可能 造 成 研 究 结 果 的 偏 倚（Haszard et al.， 2020； Taylor et al.， 2018）。2）与日常生活情境不符。“一对一”等时替代中两种活动行为的点对点替代过于理想化，可能仅在特定的控制性极强的环境中才会发生（Haszard et al.，2020），如学生在教室上课，基于“一对一”模式，其SED 的减少可能仅会导致其LPA（如站立）的增多。在真实生活情境中，一种活动行为时间的减少可能会导致其他多种活动行为的时长都发生变化，而非精准地分配于某一种行为。基于此，有学者提出了以“时间比例”（分配时间占该行为时间的比例）和“一对三”（一种活动行为的时间同时分配给其他3 种行为）的模式来进行时间的分配（Haszard et al.， 2020）。“一对三”等比例替代模式的应用相对较晚，目前仅少量研究运用其对24 h 活动的效应进行了实证分析，这些研究发现了MVPA 和SED 的替代效应显著，但与“一对一”等时替代模式的研究结果不同的是，其还 发 现SLP 的健康效应突出（Chen et al.， 2023；Haszard et al.， 2020； Taylor et al； 2018）。

综上所述，有必要对两种替代模式进行分析和比较，验证是否会因替代模式的不同而出现分析结果的差异。目前，国际上鲜有研究从实证的角度比较两种替代模式的分析结果，还需更多的来自不同国家与文化背景的研究证据予以验证。由此，本研究基于儿童体质健康对两种替代模式进行实证比较，以期探索更为科学合理的24 h活动时间替代模式。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

采用方便抽样的方法选取浙江省金华市的3 所小学，在每所学校的1—5 年级中各随机抽取1 个班级，邀请581 名学生参与测试，其中486 名学生签署了知情同意书。排除标准：1）24 h 活动数据无效（142 人）；2）未参加体质健康测试或体质健康数据无效（29 人）；3）测试中途退出（13 人）。最终有效样本302 人。本研究已获得上海体育大学科学研究伦理委员会批准（伦理审批号：102772023RT090）。

1.2 24 h活动的测量

本研究采用ActiGraphwGT3X-BT 型三轴加速度传感器测量学生一周的24 h 活动。测试前，设置采样间隔（15 s），向受试者讲解测试目的和注意事项。测试中，受试者连续7 天将加速度传感器佩戴在髋部右侧（参与水性活动时除外）。完成测试后，使用ActiLife6.13.4 软件对数据进行处理。首先，筛选有效数据，每天佩戴加速度传感器至少16 h 为有效佩戴日，1 周至少3 个有效日（包括2 个工作日和1 个双休日）为有效数据（Trost et al.， 2000）；然后，采用Evenson 等（2008）提出的切点值方案划分不同强度身体活动和SED，0～100 cpm 为SED，101～2 295 cpm为LPA，≥2 296 cpm 为MVPA。最后，使 用Barreira 等（2015）编制的SLP 算法计算全天的SLP 时长，本研究对受试者每天的MVPA、LPA、SED、SLP 时长进行分析。

1.3 体质健康的测量

采用《国家学生体质健康标准（2014 年修订）》中对应的项目和规范要求对1—5 年级学生的体质健康进行测量和计算。测试项目包括身高、体重、身体质量指数（body mass index，BMI）、肺活量、50 m 跑、坐位体前屈、1 min 跳绳、1 min 仰卧起坐、50 m×8 往返跑。体质健康总分由标准分与附加分之和构成，满分为120 分，体质总分等级分为：≥90.0 分为优秀、80.0～89.9 分为良好、60.0～79.9 分为及格、0.0～59.9 分为不及格。测试由2 名研究人员以及学校体育教师共同完成，为保证测试质量，所有测试人员均经过测试培训。

1.4 协变量

现有研究证据表明性别、年龄、父母受教育程度、家庭经济情况会对学生的24 h 活动水平产生影响（Chen et al.， 2021），因此，将这些因素作为协变量，在进行成分回归分析与成分替代分析时予以控制。通过调查问卷收集受试者的性别、年龄、父母受教育程度（小学/初中、高中/中专、本科/大专、硕士及以上）、家庭月收入（0～2 000 元、2 001～5 000 元、5 001～10 000 元、≥10 001 元）数据。

1.5 统计分析

本研究数据分析遵循Chastin 等（2015）提出的成分数据分析指南，采用R 4.2.2 和Stata 17.0 软件进行数据分析，分析步骤如下：

1）24 h 活动数据的集中和离散趋势分析。以24 h 活动数据的成分均值反映各行为数据的集中趋势，以对数比方差矩阵反映24 h 活动数据的离散情况，方差数值越小或越大，分别表示两种活动间的关联程度越高或越低。

2）24 h 活动行为时间占比的成分回归分析。以对数比转换后的24 h 活动为自变量，以体质健康总分为因变量构建回归模型，分析24 h 活动的时间占比与体质健康的关联。将年龄、性别、父母受教育程度、家庭月收入纳入回归模型作为控制变量。

3）24 h 活动的替代分析。运用“一对一”等时替代及“一对三”等比例替代两种模式分析24 h 活动行为的时间替代与体质健康的关系。两种替代模式的分析过程基本一致，但替代的时间单位和分配的方式存在差异。以“一对三”等比例替代为例：假定SLP 时长640 min、SED 时长550 min、LPA 时长200 min、MVPA 时长50 min，当SLP 时间减少10%（即64 min）后，将其分配给其他3 种活动行为的时间则依各活动行为所占总时间的比例而定，SED 占总时间的比例为550 min/（550 min＋200 min＋50 min）≈69%，分配给SED 的时间剂量则为69%×64 min≈44 min，LPA 占总时间的比例为200 min/（550 min＋200 min＋50 min）=25%，分配给LPA 的时间剂量则为25%×64 min=16 min，MVPA 占总时间的比例为50 min/（550 min＋200 min＋50 min）≈6%，分配给MVPA 的时间剂量则为4 min≈6%×64。最后，基于回归模型计算重新分配后24 h 活动行为所对应的体质健康分数与原始的24 h 活动均值所对应的体质健康分数的差值（Dumuid et al.， 2019b； Haszard et al.， 2020）。

4）24 h 活动与体质健康的“剂量-效应”分析。对替代分析中具有显著替代效应的路径，以5 min 和5%的时间占比为1 次增量，持续增加至40 min 与40%，进一步分析24 h 活动行为时间或比例的变化与体质总分的“剂量-效应”关系。

2 研究结果

2.1 受试者的基本信息与体质健康水平

受试者共302 人，平均年龄为（8.5±1.3）岁，男生152 人（50.3%），女生150 人（49.7%）。1—5 年级学生人数分别为71 人（23.6%）、56 人（18.5%）、60 人（19.9%）、56 人（18.5%）和59 人（19.5%）。父母学历小学及初中占比最高，为37.3%，硕士及以上学历占比最低，为5.0%。家庭月收入5 001～10 000 元占比最高，为48.0%，0～2 000 元占比最低，为7.0%。体质测试平均得分为（76.9±14.7）分，其中优秀36 人（12%），良好79 人（26%），合格177 人（59%），仅10 人（3%）体质评分不及格（表1）。

表1 受试者基本信息Table 1 Basic Characteristics of Participants n=302

2.2 受试者24 h活动时间的分布情况

使用成分均值描述成分数据的集中趋势（表2），其中MVPA、LPA、SED、SLP 的成分均值分别为45.83 min（3.19%）、224.18 min（15.56%）、570.58 min（39.62%）、599.41 min（41.63%），SLP 占比最高，MVPA 占比最低。使用变异方差矩阵描述成分数据内部各变量的离散程度（表3），其中，SED 与SLP 之间的对数比方差最小，表明SED 与SLP 的相互依赖性最高，最容易发生转换。SED 与MVPA 之间的对数比方差最大，表明SED 与MVPA 的相互依赖性最低，最难发生转换。

表2 24 h活动数据的成分均值与算术均值Table 2 Compositional Mean and Arithmetic Mean of 24-Hour Movement Data

表3 24 h活动数据的方差矩阵Table 3 Variance Matrix of 24-Hour Movement Data

2.3 24 h活动行为的时间占比与体质健康的关联

在控制协变量后，成分回归结果显示（表4），相对于其他活动行为，MVPA（βMVPA=15.628，P＜0.05）、SLP（βSLP=3.120，P＜0.05）的时间占比与体质健康总分呈显著正相关，SED（βSED=-15.524，P＜0.05）的时间占比与体质健康总分呈显著负相关，LPA 的时间占比与体质健康总分无显著相关（P＞0.05）。

表4 24 h活动的时间占比与体质总分的成分线性回归Table 4 Compositional Liner Regression between the Proportion of 24-Hour Movement and Physical Fitness Score

2.4 两种替代模式的实证比较

两种替代模式研究结果的一致性：1）MVPA 与其他活动行为的相互替代对体质健康具有显著影响。“一对一”等时替代结果显示，以10 min MVPA 分别替代LPA、SED或SLP，体质健康得分将增加1.988、2.166、1.890 个单位；反之，以10 min LPA、SED 或SLP 分别替代MVPA，体质健康得分将减少2.466、2.642、2.371 个单位（表5）。同样，“一对三”等比例替代结果显示MVPA 时间增加10%（5 min），同时按比例分别替代LPA、SED、SLP 3 种行为，体质健康得分将增加0.976 个单位；反之，MVPA 时间减少10%，同时将时间分配给其他3 种行为，体质健康得分将减少1.075 个单位（表6）。2）LPA 的替代效应不显著。“一对一”等时替代结果显示10 min LPA 与SED 或SLP 相互替代，体质健康得分均无显著变化（表5）。同样，“一对三”等比例替代结果显示，LPA 时间增加或减少10%（23 min），体质健康得分也无显著变化（表6）。3）“剂量-效应”分析结果显示，无论是“一对一”等时替代还是“一对三”等比例替代，当MVPA 时间增加时，体质健康得分也会随之增加（图1、2）。

表5 “一对一”等时替代模式下体质健康总分的变化Table 5 The Change of Total Physical Fitness Score under “One-to-One” Isotemporal Substitution Model

表6 “一对三”等比例替代模式下体质健康总分的变化Table 6 The Change of Total Physical Fitness Score under “Oneto-Three” Proportional Substitution Model

图1 24 h活动“一对一”等时替代“剂量-效应”图Figure 1. 24-Hour Movement “One-to-One” Isotemporal Substitution Dose-Response Plot

图2 24 h 活动“一对三”等比例替代“剂量-效应”图Figure 2. 24-Hour Movement “One-to-Three” Proportional Substitution Dose-Response Plot

两种替代模式研究结果的差异性：1）SED 与SLP 的替代效应在两种替代模式中存在差异。“一对一”等时替代结果显示，SED、SLP 除了与MVPA 的相互替代具有显著效应外，与其他行为进行10 min 的相互替代对体质健康均无显著影响，因此，在“一对一”等时替代模式中，SED和SLP 的替代效应并不明显（表5）。而“一对三”等比例替代结果显示，SED 时间增加10%（57 min），同时替代其他3 种活动行为，体质健康得分将减少2.021 个单位；反之，SED 时间减少10%（57 min），将时间分配于其他3 种活动行为，体质健康得分将增加2.092 个单位。同样，SLP时间增加10%（59 min），体质健康得分将增加1.561 个单位；反之，SLP 时间减少10%（59 min），体质健康得分将减少1.732 个单位。因此，在“一对三”等比例替代模式中，SED 和SLP 具有显著的替代效应（表6）。2）两种替代模式中活动行为的最强替代效应存在差异。“一对一”等时替代结果显示，10 min MVPA 与SED、LPA 或SLP 的相互替代对体质健康得分的影响最大，即在“一对一”等时替代模式中，MVPA 具有最强的替代效应（表5）。而“一对三”等比例替代结果则发现SED 时间的变化对体质健康得分的影响最大，因此，在“一对三”等比例替代模式中，SED 具有最强的替代效应（表6）。3）两种替代模式中“剂量-效应”的对称性存在差异。“一对一”等时替代结果显示，随着MVPA 替代其他活动行为时间的增加，体质健康得分会缓慢增加，反之则迅速减少。例如，30 min MVPA替代SED，体质健康得分仅增加5.638 个单位，而30 min SED 替代MVPA，体质健康得分将减少11.091 个单位，即在“一对一”等时替代模式中，MVPA 的替代效应具有不对称性（图1）。“一对三”等比例替代效应结果显示，在40%的替代时间占比中，MVPA 时间每增加或减少5%，体质总分的变化单位均处于0.462～0.485 区间内，即在“一对三”等比例替代模式中，MVPA 的替代效应具有对称性（图2）。

3 讨论

3.1 两种替代模式研究结果的比较

对比24 h 活动的“一对一”等时替代与“一对三”等比例替代模式发现，两种替代模式分析结果一致显示MVPA对儿童体质健康具有显著的替代效应，此研究结果与国内外多数24 h 活动替代效应的分析结果一致（张婷 等，2022； Fairclough et al.， 2017）。然 而，对 于LPA 的 替 代效应过往研究尚存在争议，有研究发现LPA 与其他活动的相互替代与健康指标显著相关（DeFaria et al.， 2022；Kitano et al.， 2020），而也有研究发现其替代效应并不明显（Dumuid et al.， 2019a； Kandola et al.， 2021）。本研究支持后一观点，两种替代模式分析结果一致显示LPA 的替代效应不显著，说明LPA 对我国儿童体质健康水平的影响有限。根据《国家学生体质健康标准（2014 年修订）》，体质测试项目主要评价学生的身体形态（身高、体重、BMI），身体机能（肺活量）和身体素质［速度（50 m跑）、力量（1 min 仰卧起坐）、耐力（50 m×8）、柔韧（坐位体前屈）、协调（1 min 跳绳）］。从生理机制看，过往已有许多研究指出，相对于低强度活动，强度更高的身体活动可以刺激机体分泌更多种类的脂解激素（如肾上腺素、去甲肾上腺素、生长激素等），加速体内甘油三酯的动员，促进脂肪的分解，从而改善其身体形态（朱显贵 等，2020）；同时，更高强度的身体活动能调动更多的肌肉参与运动，这会加快机体的内循环，使心脏的泵血功能和肺部氧气的交换能力增强，进而提高心肺功能（陈泽刚 等，2022）；此外，中高强度的活动，尤其是抗阻运动还能让机体的神经肌肉系统得到反复刺激，强化机体募集与动员肌肉细胞的能力，从而提升其肌肉力量和速度素质（Faigenbaum et al.， 2009）。并且，6～11 岁儿童处于身体协调、速度、灵敏素质发展的敏感期，在此阶段，短时间的MVPA 会对儿童体质健康产生积极影响（张春燕， 2014）。因此，虽然两种替代模式中的活动分配时长存在差异（10%和10 min），但MVPA 均能对体质健康产生积极影响，LPA 的替代效应则并不显著。

研究结果显示，两种替代模式中的替代效应以及剂量分析结果存在差异。“一对一”等时替代结果表明MVPA具有最强替代效应，SED 或SLP 与其他活动行为（除MVPA 之外）进行10 min 的相互替代对体质健康无显著影响，且“剂量-效应”分析结果显示，MVPA 与LPA、SED 或SLP的“点对点”替代具有不对称性。不同的是，“一对三”等比例替代结果显示SED 或SLP 与其他3 种行为发生10%的替代则会使儿童的体质健康总分发生显著变化，且SED 具有最强替代效应，24 h 活动行为各要素的相互替代具有对称性。国内外多数研究在分析儿童青少年24 h 活动的“一对一”等时替代效应时，也发现MVPA 具有突出的替代效应以及替代的不对称性，基于此，多数研究认为如因各种条件限制无法增加MVPA，那么维持目前已有的MVPA 水平对于健康而言也至关重要（Carson et al.，2016； Dumuid et al.， 2019a）。但也有研究指出这一结果在很大程度上是由替代时间占比不均所致，对此研究结果的解读和诠释需谨慎（Haszard et al.， 2020）。本研究中，平均每天MVPA（47.78 min）的时长低于LPA（228.33 min）、SED（568.82 min）、SLP（595.07 min）3 种行为，且差距较大。在“一对一”等时替代模式中，当MVPA 以“绝对时长”为分配单位分别替代LPA、SED 或SLP 时，从MVPA 移除5 min 所占MVPA 总时间的比例超过了10%，引起的替代效应较大，而移除5 min 的LPA、SED、SLP 所占比例仅为2.0%、0.8%、0.8%，所产生的替代效应较弱，甚至可忽略不计，由此出现了MVPA 效应突显、SED 与SLP 效应弱化、以及替代的非对称性等一系列分析结果。“一对一”等时替代模式以“绝对时长”为分配单位，未考虑24 h 活动行为各要素时间分布不均的特征，可能会因替代时间占活动时间比例过低而低估活动行为（如SED 与SLP）的实际影响，或者由于替代时间占活动时间比例过高而过分夸大活动行为（如MVPA）对体质健康的影响，进而造成研究结果的偏倚甚至得出错误的研究结论。而“一对三”等比例替代模式以相对时长为分配单位，考虑到了24 h 活动行为各要素时间分布不均的特性，每种行为替代时间的多少主要由活动行为所占总时间的比例而定（例如，本研究SED 时间长达568 min，占比为67%，分配于其的时间为39 min；而MVPA 时间较短，仅为47 min，占比5%，分配于其的时间则为3 min），这一模式避免了因分配时长占比不均对分析结果造成的干扰，这也是在“一对三”等比例替代模式中SED 效应突显及其“剂量-效应”呈对称性的主要原因。

另一方面，在真实的日常活动情境中，个体某种活动行为（如MVPA）时间减少，其减少的时间可能会补充至另一种活动中（如SED），也有可能分配至其他3 种活动，存在不确定性，理论上的模拟替代范式很难达到与真实情境完全一致。但即便如此，理论替代还是有必要尽量符合真实情境，研究结果才能更加有效、准确地指导儿童青少年的日常活动实践。在生活实际中，某一段活动行为的时间全部分配于另一种活动的场景虽然存在，但几率很小（Haszard et al.， 2020；Taylor et al.， 2018）。虽然日常时间分配方式存在随机性，也会受到环境因素或突发事件的影响，但个体在长期的生活实践中，会逐渐形成具有个人特点的规律性的生活方式，即每天24 h 活动时间的分配会形成某种定势或习惯，并不自觉地遵循这种既定模式来分配每天的时间（郭强，2016； Hovell et al.，1991）。“一对三”等比例替代模式基于个体的活动行为时间所占总时间的比例来分配时间剂量，实则考虑了个体既定的生活方式与时间分配习惯，按照个体可能存在的主观“偏好”来分配时间，力求达到与日常活动实践更为接近的目的。例如，在“一对三”等比例替代模式中，日常MVPA 水平更高的同学，所分配到的MVPA 时间也就更多。

综上所述，基于统计分析层面，相对于等时替代分析，运用等比例分配方式可以避免因活动时间分配不均而造成的替代分析结果的偏倚；而基于实践指导层面，相对于“一对一”分配模式，运用“一对三”的分配模式更贴近于真实生活情境。由此，本研究认为基于“一对三”等比例替代模式分析24 h 活动行为的健康效应，其研究结果更为准确、更具操作性。

3.2 对于我国儿童日常活动实践的启示

根据“一对三”等比例分析结果，本研究发现用10%的MVPA 或SLP 时间替代其他3 种行为，或者将10%的SED 时间分配至其他3 种活动行为，儿童体质健康得分将显著提高，且其他活动行为替代SED 的效应最佳。这与过往研究中多强调用MVPA 替代其他行为的观点不同（常振亚 等，2020； 梁果 等，2022； 邱艳平 等，2023）。“一对三”等比例替代结果验证了多动、少坐、SLP 充足对于儿童体质健康均具有促进作用，提示要促进儿童的体质健康，除增加MVPA 时间外，还可选择缩短SED 时间将其分配给其他行为，或减少其他行为时间来补充SLP 时长，每名儿童均可根据自己的学习与生活实际，选择一种或多种时间分配方案，形成适合于自己的健康生活方式。基于SED 的最强替代效应，在3 种方案中可首先考虑将部分SED 时间分配于其他行为，如鼓励教师在课堂上结合教学内容，通过互动、提问等身体活动形式来间断学生的持续SED；课间建议学生离开座位参与身体活动，促进SED向LPA 或MVPA 的转化；放学后将学生的学习、屏幕时间、乐器练习等时间控制在合理范围内，尽可能实现SED向LPA、MVPA 或SLP 的转化，均可达到增强体质的效果。

3.3 创新与局限性

其一，本研究中24 h 活动行为的替代效应是完全基于统计学的理论假设，24 h 活动行为各要素的相互替代是否会对儿童体质健康产生显著影响，两种替代模式的分析结果是否存在差异等还需通过实验研究或纵向研究予以验证。其二，本研究主要针对儿童的体质健康总分进行了分析，后续研究还可对其细分指标或其他与儿童身心健康相关指标进行全方位、深入的分析。

4 结论

本文实证比较了“一对一”等时替代与“一对三”等比例替代两种24 h 活动替代模式对儿童体质健康的影响。研究结果表明由于24 h 活动行为时间分布不均，当“一对一”等时替代模式以“绝对时长”为分配单位进行时间分配时，可能会夸大或弱化部分行为的效应，导致其研究结果出现偏倚；相比于“一对一”的替代方式，“一对三”等比例替代模式基于3 种活动时间所占总时间的比例分配时间，考虑了个体的时间分配习惯与定势，较“一对一”等时替代模式更符合真实生活情境。由此，“一对三”等比例替代模式可为时间使用与健康结局之间的关系提供较为可靠的研究证据，为24 h 活动替代模式的选择提供新思路。