大学生BMI和肺活量对身体素质的因果效应分析

骆广东，余千春，周振茂，胡成洋，陈凯华

（安徽医科大学，安徽 合肥 230032）

依据学生体质健康标准，体重指数（body mass index， BMI）是衡量学生身体形态的指标，肺活量（vital capacity，VC）是评估学生身体机能的指标。BMI越高，身体素质越差；肺活量越大，身体素质越好。这样的结论表明BMI和肺活量与身体素质具有一定相关关系，但是不能证明改变BMI或肺活量能够带来身体素质的变化。相关性未能提供因果解释，不能支持决策和干预。研究因果关系能够在厘清原因的情况下，更好地做到解释、预测和干预。因此，本文应用结构因果模型分析干预BMI和肺活量对身体素质的影响，深入解释BMI和肺活量的改变对身体素质变化的作用，为制定个性化的大学生身体素质提升策略的量化研究提供参考。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

本文取自安徽医科大学2022年全校学生体质健康测试数据的有效数据，共计9145名学生（男生2970名，女生6175名）。从中随机抽取5940名学生进行研究，男生2970名，女生2970名。

1.2 研究方法

根据标准确定的测试指标和方法，测定男生、女生的身高、体重、肺活量以及5项身体素质（50 m跑、立定跳远、坐位体前屈、引体向上1 min、仰卧起坐、1000 m跑/800 m跑），测试时间为2022年11月26—27日、2022年12月3—4日，现场质量控制符合要求，所有测试对象均知情同意，符合伦理学要求。根据体重（kg）/身高2（m2）计算BMI值。参照标准评定各项身体素质得分，5项身体素质指标得分的加权和为身体素质总分，用于评价身体素质。

利用SPSS 22.0统计软件进行分析，依据评分表将研究对象的BMI划分为低体重（男生：BMI≤17.8 kg/m2，女生：BMI≤17.1 kg/m2）、正常体重（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个等级；依据各性别肺活量的百分位数将肺活量划分为低（VC＜P15）、中（P15≤VC＜P85）、高（VC≥P85）。利用方差分析比较各性别不同BMI等级之间的身体素质总分、肺活量，以及比较各性别肺活量3个组别之间的身体素质总分。根据方差分析结果建立结构因果模型，采用线性回归分析估计结构方程的参数，检验水准α= 0.05。

2 结果与分析

2.1 不同BMI等级学生身体素质和身体机能分析

方差分析结果显示，各BMI等级间身体素质总分、肺活量差异具有统计学意义；两两比较结果显示，肺活量3个BMI等级间差异均有统计学意义（P＜ 0.05）。男生身体素质表现为正常体重身体素质总分最高，超重肥胖次之，低体重最低；女生身体素质表现为正常体重身体素质总分最高，低体重次之，超重肥胖最低。男生、女生身体机能均表现为超重肥胖肺活量最高，正常体重次之，低体重最低（表1）。

表1 不同BMI等级学生身体素质总分和肺活量比较 （）

表1 不同BMI等级学生身体素质总分和肺活量比较 （）

注：*P ＜ 0.05；P1值为低体重组与正常体重组比较；P2值为低体重组与超重肥胖组比较；P3值为正常体重组与超重肥胖组比较。

性别BMI等级人数统计量身体素质总分肺活量/mL男低体重16447.81±5.753749.00±496.19正常体重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低体重4450.86±5.582752.55±380.62正常体重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 不同肺活量组别学生身体素质分析

方差分析结果显示，各肺活量组别间身体素质总分差异具有统计学意义；两两比较结果显示，身体素质总分3个肺活量组间差异均具有统计学意义（P＜0.05）。男生、女生身体素质均表现为高肺活量组身体素质总分最高，中肺活量组次之，低肺活量组最低（表2）。

表2 不同肺活量组别学生身体素质总分比较 （）

表2 不同肺活量组别学生身体素质总分比较 （）

注：*P ＜ 0.05；P1值为低体重组与正常体重组比较；P2值为低体重组与超重肥胖组比较；P3值为正常体重组与超重肥胖组比较。

性别肺活量组别人数统计量身体素质总分低男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 构建结构因果模型

BMI和肺活量是身体素质的重要影响因素，BMI是肺活量的重要影响因素。据此并结合大学生体质健康测试数据中性别和年级信息，建立结构因果模型（图1 a）。

图1 结构因果模型的图形表达

根据图中的箭头可知：“BMI”与“年级”和“性别”相似；“肺活量”与“年级”“性别”和“BMI”相似；“身体素质”与“年级”“性别”“BMI”和“肺活量”相似。

结构方程是结构因果模型的另一种表达形式。根据图1 a的因果图，列出结构方程，如下：

本文假设所讨论的因果关系是线性的。因此，将式（1）～式（3）写成线性方程的形式，如下：

式（4）～式（6）中，a1和a2分别为性别和年级对BMI的路径系数，b1、b2和b3分别为性别、年级和BMI对肺活量的路径系数，c1、c2、c3和c4分别为性别、年级、BMI和肺活量对身体素质的路径系数，a0、b0和c0为常数项，ε1、ε2和ε3为误差项。在结构因果模型中，路径系数表示对原因变量进行一次假设的干预所得到的结果，即直接因果效应的强度（本文简称因果效应）。

随着BMI的增大，PF表现为先增大再减小的非线性趋势。为此，本文选取BMI正常值的中位数，将BMI分成两段：低体重段和超重肥胖段，然后分段讨论线性因果关系。

2.4 因果效应估计

根据图1（a）因果图中的叉状结构：BMI←S→VC、VC←S→PF、BMI←S→PF、BMI←GD→VC、VC←GD→PF、VC←GD→PF，可以判断S、GD是BMI和VC、BMI和PF、VC和PF的混杂因子。因此，在估计BMI和VC对PF的因果效应时，为免除S和GD混杂偏倚的影响，利用分层的方法首先估计每个S和GD分层中产生的因果效应，然后对这些分层的因果效应进行加权得到平均因果效应。去除混杂因子S和GD后的因果图，见图1（b）。去除混杂因子S和GD后的线性方程为：

式（7）只有一个原因变量BMI和一个结果变量VC，BMI和VC之间没有混杂因子，利用一元线性回归分析计算路径系数b3'；式（5）中有两个原因变量BMI和VC，一个结果变量PF，BMI是VC和PF之间的混杂因子，根据分层的方法，利用二元线性回归分析计算路径系数c3'和c4

'。各性别、年级每个数据分层的因果效应和平均因果效应计算结果见表4。

从表3中可以看出，低体重段，BMI和肺活量对身体素质的平均因果效应分别为0.046和0.276，BMI对肺活量的平均因果效应为0.203；超重肥胖段，BMI和肺活量对身体素质的平均因果效应分别为-0.291和0.266，BMI对肺活量的平均因果效应为0.109。

根据图1 b，BMI通过2条路径影响身体素质，一条BMI→PF是直接影响，另一条BMI→VC→PF是通过肺活量这一中介间接影响。间接因果效应等于路径上所有系数的乘积。BMI和肺活量对身体素质的因果效应分解（表4）。

表4 因果效应分解

3 讨论

比较各性别年级组以及男生、女生各自合计的3个体重组之间的身体素质总分均数和肺活量均数可以发现：不同等级BMI的大学生身体素质之间存在明显差异，正常体重组大学生的身体素质好于体重偏低、超重肥胖的大学生，与杨梦利等（2018）的研究结果相似；3个体重组的大学生身体机能之间差异明显，大学生体重越大肺活量越高。从各性别年级组以及男生、女生各自合计的3个肺活量组之间的身体素质总分均数可以看出，不同组别肺活量的大学生身体素质之间存在显著性差异，大学生肺活量越高身体素质总分均数越大，身体素质越好，与刘乐廷和乌云格日勒（2021）的研究结论相似。

BMI和肺活量对身体素质的因果效应分解结果如下。低体重段，BMI增加一个单位，干预的直接效果是肺活量提高0.203个单位、身体素质提高0.046个单位；肺活量增加一个单位，干预的直接效果是身体素质提高0.276个单位；BMI增加一个单位，干预的间接效果是通过肺活量中介提高身体素质0.056个单位。超重肥胖段，BMI增加一个单位，干预的直接效果是肺活量提高0.109个单位、身体素质降低0.291个单位；肺活量增加一个单位，干预的直接效果是身体素质提高0.266个单位；BMI增加一个单位这一干预的间接效果是通过肺活量这一中介提高身体素质0.029个单位。综上所述，对于低体重的大学生，提高身体素质可以通过增加体重来实现；对于超重肥胖的大学生，减轻体重可以促进身体素质提高；超重肥胖的大学生通过控制体重获得身体素质改善较低体重的大学生更容易；对于所有大学生，通过增加肺活量可获得身体素质提高。

本文利用结构因果模型评价改变BMI和肺活量对身体素质变化的干预效果，与传统的相关性分析、单/多因素回归分析相比，可以对传统统计学解决新问题所需的必要内容进行拓展，挖掘得到更深层次的信息，为制定改善大学生身体素质的策略提供量化依据，为促进大学生体质健康发展提供更准确的指导。