高原低氧环境下不同体力活动水平对男性大学生体质健康影响的纵向对比研究

A Longitudinal Comparative Study on the Effects of Different Physical Activity Levels on Physical Fitness in Male College Students Under High-Altitude Hypoxic Conditions

摘要

目的 探讨高原环境下不同体力活动水平对男性大学生体质健康的影响，并分析时间效应及世居与移居群体在体质健康变化趋势中的差异。 方法 研究基于全国大学生体质健康测试标准，对位于海拔3 650 m的两所高校共300名18～22岁男性大学生进行两年纵向追踪，测量BMI、肺活量、速度、耐力、力量及柔韧性等指标，并根据体力活动水平分组。 结果 体力活动水平对体质健康的积极作用具有时间依赖性。大一阶段，高体力活动水平组（HPA）在部分指标上低于低体力活动水平组（LPA），大二阶段其体能显著提升，全面优于LPA组，尤其是移居高原学生的体能改善更为显著。此外，HPA可优化BMI（身体质量指数）与PFI（体质健康指数）的关系，并在BMI超出最佳范围时缓解PFI下降趋势。 结论 持续的高体力活动有助于提升体能、优化BMI-PFI关系、促进高原适应，尤其对移居群体影响更大。研究结果可为高原地区大学生体育教学及移居人群健康适应策略提供科学依据。

Abstract

Objective To investigate the impact of different physical activity levels on the physical fitness of male university students in a high-altitude environment, considering temporal effects and differences between native and migrant groups. Methodes A two-year longitudinal study was conducted among 300 male students (aged 18–22) from two universities at an altitude of 3 650 m, based on the National Student Physical Fitness Standards of China. Body mass index (BMI), vital capacity, and indicators of speed, endurance, strength, and flexibility were measured. Participants were categorized into groups according to their physical activity levels. Results A time-dependent effect of physical activity was observed. In the first year, the high physical activity group performed worse in certain indicators than the low physical activity group. However, by the second year, their overall physical fitness had improved significantly, exceeding that of the low activity group. This improvement was particularly pronounced in migrant students. Additionally, higher physical activity levels optimized the relationship between BMI and physical fitness index (PFI), mitigating the decline in PFI when BMI exceeded the optimal range. Conclusion This study underscores the long-term benefits of high physical activity in enhancing physical fitness, optimizing the BMI-PFI relationship, and promoting adaptation to high altitudes, with a more pronounced effect in migrant populations. These findings provide scientific evidence for physical education strategies targeting university students and health adaptation policies for migrant populations in high-altitude regions.

Graphical abstract

关键词

高原 / 低氧 / 体质健康 / 纵向研究 / 男性大学生

Key words

high-altitude / hypoxia / physical fitness / longitudinal study / male university students

引 言

体力活动（Physical Activity，PA）是指由骨骼肌收缩产生的，需要消耗能量的所有身体动作^[1]。PA水平通常通过活动的频率、持续时间和强度来衡量，且与个体的身心健康状态密切相关。世界卫生组织（WHO）建议，成年人应每周进行至少150分钟中等强度或75分钟高强度的PA，以改善整体健康状况^[1]。充足的PA已被广泛证明能够有效预防慢性疾病的发生，包括高血压、心血管疾病、II型糖尿病等非传染性疾病（NCDs），同时对抑郁、焦虑等心理健康也具有积极影响^[2，3]，中高强度PA还与全因死亡率之间存在显著的负相关关系，具有重要的公共健康价值。

全球范围内PA不足已经成为公共健康的严重挑战。最新数据显示，全球27.5%的成年人和81%的青少年未能达到WHO推荐的PA水平，这使得慢性疾病的风险显著增加，尤其是在高等教育阶段，大学生群体的PA水平明显不足^[4]。研究表明，随着学年递增、学业负担加重、课余时间减少，PA机会明显受限^[5]，62%的大学生难以保证每天1小时的中高强度PA，而这一趋势目前仍未得到有效遏制^[6]。有研究指出，大二学生的健康水平相对较高，而大四学生的健康水平最低，这一变化趋势可能与学业压力、PA水平减少等因素相关^[6]。在高原地区，PA不足问题尤为突出，受高海拔地区低氧环境及其特有生活方式的影响，藏族大学生的身体活动水平整体偏低^[7]，尽管其在肺活量和耐力方面优于平原地区学生，但在速度与力量素质上表现较弱^[8]，这一现象可能与高原缺氧对神经肌肉协调能力及短时功率输出造成的抑制效应有关。适宜的PA水平对于促进体质健康具有积极作用，且不同水平的PA对体质健康存在差异性影响。已有研究指出，高体力活动水平人群在肌肉耐力和力量等体能指标上表现更为优异，但在柔韧性和短跑速度等方面的提升相对有限^[9-11]。这一“差异性效应”提示，在开展体力活动干预时，应结合具体体能指标实施有针对性的策略，而非采取统一化的干预方式。此外，耐力在训练后期反而下降，说明PA干预存在时间上的滞后性。

尽管已有研究强调高强度PA对体能有积极作用^[12，13]，但目前尚缺乏在高原大学生群体中，探讨不同PA水平对体质健康具体指标（如肺活量、耐力、爆发力等）的系统性研究，相关机制尚不清晰。因此，本研究重点探讨不同PA水平对高原地区大学生体质健康的影响，通过分析不同体力活动水平（PA）条件下，对高原大学生体质健康产生的适应性与干预效果，为高原人群的健康促进提供理论与实践支持。

1 研究方法

1.1 研究对象

本研究以位于海拔3 650 m地区的两所高校男大学生为研究对象，年龄范围为18\sim22岁，共纳入受试者300人。依据体力活动水平，将受试者分为高体力活动水平组（High PA，HPA）与低体力活动水平组（Low PA，LPA），每组各150人。在此基础上，根据研究对象及其家族的高原居住背景，将样本细分为世居组和移居组。其中，世居组指受试者本人、父母及祖父母均出生并长期生活在高原地区的居民；移居组指大学阶段首次迁入高原地区，且此前在低海拔地区生活的汉族学生。HPA组与LPA组每组均包含世居53人与移居97人，具体分组情况如表1所示。本研究已获得西藏大学医学伦理委员会批准（伦理审批编号：ZDYXLL2024020）。

1.2 研究设计

如图1所示，本研究采用纵向干预研究设计，持续两个学年，所有研究对象均接受统一的测试流程和时间安排。根据体力活动水平不同，研究对象分为HPA与LPA两组。两组学生均参加每周2次、每次90 min的常规体育课（主要包括基本身体素质训练与专项体育项目教学）。在此基础上，HPA组额外接受每周6次的体能训练课（D1～D6），每次训练45 min，内容包括2 000 m跑、仰卧起坐、俯卧撑和深蹲；而LPA组除常规体育课外，不安排额外体能训练。

结局指标包括身高、体重、BMI等人体形态学指标，肺活量生理指标，以及引体向上、立定跳远、坐位体前屈和1 000 m跑等运动能力指标。所有测试由经过专业培训的测试员实施，测试仪器为AI智能化大学生体质测试系统（深圳市恒康佳业科技有限公司，HK6800B），并在每天测试前进行校准。身高测量精确到0.1 cm，体重精确到0.1 kg，立定跳远和坐位体前屈精确到0.1 cm，50 m跑精确到0.1 s，1 000 m精确到1 s。

1.3 统计学方法

数据在EpiData 3.0中录入并复核后，使用SPSS 25.0进行处理和分析，图表使用GraphPad Prism 8.0.2软件制作。各组学生的基本体质特征以均值和标准差描述；每个体质测试项目的成绩经标准化得出各项目的Z分数；独立样本t检验比较大一时期不同身体活动量组的各项体质健康指标差异；协方差分析大二时期不同身体活动量组的各项体质健康指标差异；配对样本t检验分析同一组男大学生在时间效应上体质健康的差异；多元回归分析构建模型，分析高原环境、BMI、运动项目、身体活动量等多种因素对体质健康指标的综合影响，依此对各因素的重要性进行排序。

体质健康指数（Physical Fitness Index，PFI）通过公式（引体向上Z值+立定跳远Z值+坐位体前屈Z值+肺活量Z值- 50米跑Z值–1 000米跑Z值）计算最终的PFI值。采用非线性回归方法分析BMI、PA水平与PFI的关联性。回归模型为：PFI=aBMI²+bBMI+cPA+d+ε，其中a、b、c、d为常数，ε为随机误差项，可反映不可观测因素对PFI的影响。为了判断是否需要保留BMI²，先运行完整模型，并通过回归系数的P值检验其显著性（P<0.05）。若BMI²的系数显著，则保留二次项；若BMI²不显著，则使用线性回归模型（仅包含BMI的一次项）。统计检验采用双侧检验，显著性水平设定为P<0.05。

2 研究结果

2.1 高原环境下男性大学生大一至大二体测成绩的组间对比及时效分析

高原环境下男性大学生在大一阶段，LPA组在肺活量（P<0.001）、50 m跑（P<0.001）、引体向上（P<0.001）和坐位体前屈（P=0.006）上显著优于HPA，立定跳远无显著性差异（P=0.833），但HPA组在1 000 m跑上显著占优（P<0.001）。值得注意的是，在大二阶段，HPA组在所有体质健康测试项目上都显著优于LPA组（P<0.001）（表1）。

相较于大一阶段，HPA组在大二阶段的肺活量、1 000 m跑成绩、50 m跑成绩、坐位体前屈和引体向上（P<0.001）成绩均显著提升。相反，LPA组的所有体质测试项目在大二阶段均显著下降（P<0.01）（表2）。

2.2 世居和移居男性大学生不同体力活动水平的时序分析及组间对比

2.2.1 世居和移居男性大学生不同体力活动水平的时序分析

在HPA组中，移居组的肺活量在大二阶段显著提升（P<0.01）。世居和移居组的50 m跑（P<0.01）、坐位体前屈（世居P<0.05，移居P<0.01）、1 000 m跑（P<0.01）和引体向上（P<0.01）在大二阶段均显著提升，而立定跳远则无明显变化（图2）。

在LPA组中，世居组和移居组的肺活量、50 m跑、立定跳远、1 000 m跑和引体向上（均为P<0.01）在大二阶段均呈现出显著下降。在坐位体前屈方面，只有移居组呈现出显著下降（P=0.004）（图3）。

2.2.2 世居和移居男性大学生不同体力活动水平的组间比较

在大一阶段，世居HPA组的肺活量（P<0.001）、50 m 跑（P<0.001）、引体向上（P= 0.003）和坐位体前屈（P=0.018）均显著低于LPA组，而立定跳远和1 000 m跑无显著差异（P> 0.05）。移居HPA组的1 000 m跑（P<0.001）优于LPA组，但肺活量（P<0.001）和50 m跑2个项目（P<0.001）显著低于LPA组，而立定跳远、坐位体前屈和引体向上均无显著性差异（表3）。

到大二阶段，世居HPA组在50m跑（P=0.002）、立定跳远（P=0.048）、1 000 m 跑（P<0.001）和引体向上（P<0.001）方面均显著优于LPA组，而肺活量显著低于LPA组（P=0.008），坐位体前屈并未表现出显著性差异（P>0.05）。在移居组，HPA组在50 m跑、立定跳远、坐位体前屈、1 000 m 跑和引体向上上均显著优于LPA组（P<0.001），但肺活量显著低于LPA 组（P<0.001）（表4）。

2.3 体力活动水平和BMI与PFI指数相关性的回归分析

回归结果显示（表5），在大二阶段，男性对BMI（β=1.188）、BMI²（β=-1.361）和PA（β=0.472）的敏感性均高于大一阶段，且PFI与BMI、PA在不同时间点上的模型拟合结果均具有统计学意义（P<0.001），说明BMI和PA对PFI具有显著影响（表5）。

在大一阶段，BMI与PFI指数的曲线回归方程为：PFI1=-7.249-0.025×BMI1²+0.934×BMI1-2.110×PA+3.01252

在该阶段，PA的回归系数为负值（-2.110），表明体力活动水平与PFI呈负相关关系。文中PFI1和BMI1分别指大一阶段测得的体质健康指数和身体质量指数。

在大二阶段，BMI与PFI指数的曲线回归方程为：PFI2=-14.005-0.030×BMI²+1.235×BMI2+3.3433×PA+3.02626

在该阶段，PA的回归系数由负值转为正值（3.3433），表明体力活动水平对PFI的影响由负向变为正向，即在大二阶段，较高的体力活动水平对PFI的提升起到了促进作用。PFI2和BMI2分别指大二阶段测得的体质健康指数和身体质量指数。

图4显示，在不同PA水平组中，BMI与PFI均呈现出倒J型曲线，即PFI随BMI呈逐渐上升趋势，且到达某一区间后开始下降。在LPA组（PA=0），大一阶段（PFI1）的最佳BMI区间位于18～24 kg/m²，在此范围内，PFI达到较高水平，BMI>24kg/m²时，PFI开始下降。大二阶段（PFI2）呈现类似趋势，但整体PFI水平相较大一有所下降，且BMI>24kg/m²时其下降更为明显。

在HPA组（PA=1）中，大一阶段（PFI1）的BMI在18\sim25kg/m²时，PFI处于较高水平，而BMI>25kg/m²时，PFI开始下降。相比之下，大二阶段（PFI2）的PFI整体高于大一，并且PFI的最佳BMI区间扩展至18\sim26 kg/m²。此外，BMI>26kg/m²时，PFI在大二阶段（PFI2）相较大一（PFI1）下降幅度较小，显示出不同体力活动水平组在大二阶段的PFI变化趋势有所不同。

总体来看，LPA组（PA=0）在大二阶段PFI整体低于大一，BMI>24kg/m²时衰减更加显著；而HPA组（PA=1）在大二阶段PFI整体高于大一，且最佳BMI区间略有扩大，BMI>26kg/m²时下降幅度较小。

3 讨 论

本研究通过两年的纵向追踪，系统分析了高原环境下不同体力活动（PA）水平的男大学生从大一到大二的体质健康变化规律，再结合世居与移居背景，进一步探讨了个体适应高原环境的体质健康变化趋势，并通过横向比较，分析了不同PA水平下世居与移居人群体质健康差异以及PA和BMI对PFI的影响。

PA是影响体质健康水平的重要环境因素^[14]。研究表明，PA水平的提高通常有助于提升体质健康，但个体对相同PA的适应程度存在差异，且这种差异部分受到遗传因素调控^[15]。如，世居与移居高原人群由于在遗传背景、成长环境及低氧暴露历史上的差异，可能表现出不同的体能响应特征。本研究结果显示，在高原环境下，PA对体质健康的积极影响存在时间依赖性。大一阶段，HPA组在肺活量、50 m跑、引体向上和坐位体前屈等基线测试指标上均低于LPA组；而在大二阶段，HPA水平组除肺活量以外的各项体能指标显著优于LPA组。尽管其肺活量水平仍低于LPA组，但较大一阶段已实现了显著提升，显示出高PA水平对肺功能具有一定的促进作用。有研究指出，肺功能不仅受到肺组织本身影响，还与呼吸肌功能，尤其是上肢肌群力量密切相关^[16]。本研究中，HPA组在高强度体育活动的干预下，其上肢力量（引体向上）增长，在大二阶段已显著高于LPA组。考虑到上肢肌群与呼吸辅助肌功能的潜在联系，可以推测上肢力量增强可能对肺活量的改善起到了一定促进作用，从而弥补了基线阶段HPA组在该指标上的劣势。尽管该机制尚需进一步的生理学研究验证，但这一现象为高原地区大学生肺功能的可塑性提供了证据。除此之外，PA水平的回归系数也由大一阶段的负值（-2.110）转为大二阶段的正值（3.3433），表明PA对体质健康的正向作用随着适应过程的推进而逐渐增强。

进一步分析世居与移居群体的差异后发现：在大一阶段，HPA组的世居与移居学生仅在部分体能指标上优于LPA，差异尚不显著；在大二阶段，HPA组世居组在除坐位体前屈外的所有指标显著优于LPA世居组，HPA移居组更是在全部体质健康指标上优于LPA移居组。这种阶段性差异体现了高原适应过程中“体力活动–体能表现”的时间依赖性，尤其在移居群体中更为显著。Zubieta-Calleja 等^[17]提出的“高原适应因子”模型为这一现象提供了解释框架，即个体的高原适应程度可通过“暴露天数÷海拔高度（km）”估算，以海拔237 m的重庆为例，迁至海拔3 650 m的拉萨需约40天完成初步生理适应。在本研究中，移居组学生在迁入拉萨第34天接受基线测试，尚未达到理论适应期，血氧饱和度仍处于恢复阶段，从而限制了有氧代谢与训练效应的体现。此外，最新Meta研究也指出，训练持续时间是影响高原训练效果的关键变量^[18]。相比短期训练，长时间、持续性的PA干预更能促进机体的氧运输与利用能力，进而带来体能的整体提升。因此，本研究中移居群体在第二学年出现体能全面提升，正是PA水平与高原适应进程“同步推进”的结果，强调了时间效应在移居人群健康干预中的重要作用。

上述研究从观察数据层面揭示了PA正效应的时间延迟特点，还有相关的实验研究从生理机制角度解释了短期与长期高原暴露对运动表现的不同影响。在人工低氧舱实验条件下，当FiO_₂分别为10.4%、14.2%、12%时，单次低氧暴露会导致心率峰值、最大摄氧量（VO_2max）和乳酸阈值等运动能力指标显著下降^[19-21]。王伟等^[22]进一步阐明了这些指标下降对运动表现的影响，即在海拔5 380 m进行体力活动时，尽管血红蛋白浓度会增加13%，通气量也显著提升，但由于心输出量下降了12%\sim20%，VO_2max 仍会减少约30%。在高原环境下，VO_2max的下降反映了机体整体供氧能力的降低，这会进一步影响细胞对氧的利用，减少能量生成，最终使运动表现下降^[22]。然而，长期低氧暴露可诱导机体发生代偿性适应。一项在5 250 m高原环境中进行了75天的研究发现^[23]。无论PA水平高低，受试者的肌纤维均会发生萎缩，但其肌肉缓冲能力增强，微循环效率提高，表明机体可能通过这些代偿机制缓解部分低氧不利影响。

本研究的基线数据采集于移居群体到达高原的第1个月，此时个体面临较大的适应性挑战，可能导致大一阶段体质健康水平较低。然而，随着时间推移，适应过程逐步推进，特别是较高的PA有助于增强个体的适应能力，进而促进体质健康水平的改善。这一变化与75天高原暴露研究的适应模式相符，即短期可能存在不利影响，但长期适应可带来功能性补偿，进一步凸显了PA在高原适应过程中的积极作用。

本研究还进一步验证了PA水平在BMI与PFI关系中的调节作用，尤其是在高原低氧环境下其影响更为显著。结果表明，HPA水平不仅显著提升了整体PFI水平，而且在BMI超出最佳范围（BMI＞24 kg/m²）时有效缓解了PFI下降趋势。相比之下，LPA组的PFI随BMI的升高呈现更为显著的衰减趋势，尤其在BMI>24 kg/m²时这一现象尤为突出，这可能与低氧环境下的能量代谢特点密切相关。已有研究指出，高原低氧环境会降低机体的有氧代谢能力，并增加对无氧代谢的依赖，这对超重和肥胖个体的体能水平造成更大挑战^[24]。体重增加或脂肪质量升高会显著提高跑步过程中的能量消耗，导致单位体重的VO_2max存在更低的极限值，超重个体在低氧环境下将更难以维持较高的PFI水平^[9]。然而，在一定范围内，较低的体重负荷可以降低运动时的能量消耗，使个体能够保持较高的体能表现。另有研究指出，BMI未能充分校正身高差异，尤其在高原地区，儿童、青少年常因身高偏低而导致BMI高估体重水平，从而影响其对体能状态的真实反应^[25]。这可能解释了本研究在前期研究中所观察到的，即部分BMI较低的个体在引体向上等体质健康指标中仍表现较好的现象。然而，当BMI过低时，肌肉力量和运动能力依然存在下降趋势，PFI也随之降低，这可能解释了高原地区BMI与PFI关系呈现倒J型趋势，而非平原地区常见的倒U型变化^[7,26]。

从PFI1到PFI2的变化趋势来看，HPA组在大二阶段的PFI明显高于大一，并且最佳BMI区间有所扩大，说明PA的长期参与不仅提升了体能水平，还可能优化了BMI的适宜范围。而LPA水平组的PFI在大二阶段则有所下降，尤其是在BMI较高时，PFI下降的幅度更大。这进一步表明，在高原低氧环境下，较高的PA水平能够在BMI上升的情况下提供保护作用，维持较好的体能表现。尽管有研究指出，PA与体质健康之间可能不存在显著相关^[27]，但该研究是采用《儿童青少年身体活动调查问卷（PAQ）》来评估PA水平，由于该问卷属回忆式自评工具，易受主观和环境因素干扰^[28]，可能影响结果的准确性。本研究通过实验干预的方式，将研究对象按PA水平进行分组，连续观察其在长时间高原低氧暴露下的体质健康变化，能够在一定程度上控制干扰变量，更加客观、动态地揭示了PA水平对体质健康的实际影响，从而为两者之间存在因果联系提供了更有力的支持。

4 结 论

本研究通过两年纵向追踪，探讨了高原环境下不同PA水平对男大学生体质健康的影响。结果表明，PA对体质健康的积极作用具有时间依赖性，HPA组在适应高原后体能显著提升，优于LPA组。此外，PA水平的提高能够促进个体对高原低氧环境的适应，特别是在移居群体中，这一效应更为显著。研究还发现，HPA优化了BMI与PFI的关系，在BMI超出最佳范围时可缓冲PFI下降，说明体力活动在维持体能和高原适应中发挥关键作用。综上所述，长期坚持高体力活动有助于提升体能、优化BMI-PFI关系、增强高原适应能力。

本研究的局限性在于HPA组设置院校中女性大学生数量较少，因此研究结论主要针对男性受试者，尚不适用于女性群体。此外，研究仅涵盖了两年的追踪数据，未能充分展现更长期的体质健康变化趋势。未来研究可扩大至女性受试者样本，以探讨性别差异对高原适应和体力活动影响的不同表现。同时，应延长追踪周期，结合更多生理指标，以深入揭示高原环境下PA水平对体质健康的长期作用机制。

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基金资助

西藏自治区自然科学基金项目(XZ202501ZR0096)