黎涌明，陳小平，烏里·哈特曼

?

4 min跑步和自行車全力運動中運動方式對有氧供能比例的影響

黎涌明1,2，陳小平3，烏里·哈特曼4

擬探究4 min全力跑步和自行車運動中運動方式對有氧供能比例的影響。方法：招募了16名鐵人3項、自行車和長跑業(yè)余愛好者(年齡33.5±10.6歲，身高180±9 cm，體重75.8±8.4 kg，訓練年限14±10年)，以4 min全力(室外田徑場)跑步和功率自行車為例，比較了兩種運動方式的能量供應和攝氧量動力學特征。使用便攜式氣體代謝儀和血乳酸分析儀對運動過程中的能量代謝指標進行了測試和分析，運用基于運動中累積攝氧量、累積血乳酸和運動后過量氧耗的快速部分的計算方法對能量供應量進行了計算。結果：4 min全力跑步和自行車的有氧供能比例沒有顯著差異(77.0±3.8% vs.75.9±2.6%，P>0.05)，磷酸原供能比例沒有顯著區(qū)別(11.4±2.6% vs.10.0±2.0%，P>0.05)，糖酵解供能比例存在顯著差異(11.6±3.4% vs.14.1±3.3%，P<0.05)。兩種運動方式的攝氧量動力學快速部分相似(16.2±3.69 s vs.14.5±4.84 s，P>0.05)，慢速部分幅度存在顯著差異(0.26±0.09 L/min vs.0.54±0.32 L/min，P<0.05)。結論：4 min全力跑步和自行車的研究結果似乎表明，運動方式并不影響全力運動中的有氧供能比例，此結論的得出還有待對其他運動方式和其他持續(xù)時間研究印證。

跑步；自行車；有氧供能比例；攝氧量動力學

1 前言

人體運動是一個將生物能轉換為機械能的過程，這一過程包括生理學方面產生能量和生物力學方面利用能量兩個環(huán)節(jié)[2]。人體能量的產生包括磷酸原、糖酵解和有氧供能3個途徑，其中有氧供能量占所有供能量的比例被稱為有氧供能比例[18]。有氧供能比例是人體全力運動的一個重要生物學特征，對其的描述最早可追溯到Astrand等人1970年的著作(Textbook of work physiology)[5]，該書第一次給出了有大肌肉參與的全力運動所對應的有氧供能比例，如2 min的全力運動所對應的有氧供能比例為50%。這些對全力運動有氧供能比例的描述被后續(xù)眾多運動生理學和運動訓練學著作所引用[11,21,29]，然而,這些描述都沒有提及運動方式對全力運動有氧供能比例的可能影響。盡管綜述不同運動方式(包括跑步、自行車、游泳、劃船等)有氧供能比例的相關研究可以得到全力運動持續(xù)時間和有氧供能比例的相關性公式(y=22.404×Ln(x)+45.176)[3,25]，但這并不能排除運動方式對全力運動有氧供能比例的潛在影響。運動方式對全力運動有氧供能比例的影響有待專門的實驗研究。

鑒于此，本研究擬選取跑步和自行車這兩種運動方式，比較特定運動時間(4 min)內兩種運動方式的有氧供能比例，探究運動方式是否影響全力運動時的有氧供能比例，為全力運動持續(xù)時間和有氧供能比例的相關性公式在不同運動方式間的應用提供理論基礎。由于本研究屬于系列研究的一部分[24]，在整體設計中，本研究的數據被用于與4 min的皮劃艇運動(對應為皮劃艇奧運項目1 000 m的比賽持續(xù)時間)進行對比，因此，本研究所選取的持續(xù)時間為4 min。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

16名來自鐵人3項、長跑和自行車項目的健康男性業(yè)余愛好者(年齡33.5±10.6歲，身高180±9 cm，體重75.8±8.4 kg，訓練年限14±10年)自愿參加本次測試，并簽署知情同意書。所有受試者熟知測試流程、要求和可能存在的危險，在測試前一天未參加劇烈身體活動，測試當天保持正常高糖飲食習慣，測試前2 h內未進食。

2.2 研究方法

所有受試者在1周內參加2次4 min的全力(time trial)運動測試(跑步和自行車，二者順序為隨機)，兩次測試間隔>24 h。跑步測試在室外400 m標準塑膠跑道進行，自行車測試在實驗室內的電阻式功率自行車(Lode Excalibur Sport,Lode.,BV,Groningen,The Netherlands)上進行。測試前，受試者先進行10 min自選強度的準備活動，休息5 min后開始全力運動。受試者采用自選體力分配方式(pacing strategy)完成全力運動，以在4 min內完成盡可能多的距離或做功。測試過程中給予口頭鼓勵，盡量確保受試者全力參與測試。自行車測試前根據受試者的自感舒適度調整功率自行車的座位和扶手位置，測試過程中要求受試者盡量保持90 rpm的騎頻。兩類測試所對應的溫度、氣壓和濕度分別為15～25℃、995～1 010 mbar和30%～60%。

運用便攜式氣體代謝儀(MetaMax 3B,Cortex Biophysic,Leipzig,Germany)對受試者全程進行氣體代謝測試，包括10 min準備活動、5 min休息、4 min全力運動和運動后6 min休息。測試前按照儀器使用要求進行氣壓、氣體(標準氣體濃度O2為15.00%，CO2為5.00%)和氣量(氣筒容積為3 L)校準。采集準備活動前后、全力運動前后和全力運動后第1、3、5、7和10 min的耳血20 μl，并用血乳酸分析儀(Biosen S_line,EKF Diagnostic,Barleben,Germany)進行分析。

階段1(心動力部分)

+A1×(1-e-(t-TD1/τ1)

(1)

階段2(快速部分)

+A2×(1-e-(t-TD1/τ2)

運用配對t檢驗(SPSS Statistics 19,IBM Corporation,New York,USA)對跑步和自行車相關指標進行顯著性檢驗，選取P=0.05的顯著性水平。

3 研究結果

4 min全力跑步和自行車的能量供應比例見圖2，跑步和自行車兩種運動方式在磷酸原(11.4±2.6% vs.10.0±2.0%)和有氧供能比例(77.0±3.8% vs.75.9±2.6%)上沒有顯著性差異(P>0.05)，但是，在糖酵解供能比例上卻存在顯著性差異(11.6±3.4% vs.14.1±3.3%，P<0.05)。

表1 4 min跑和自行車全力運動相關代謝指標及動力學指標

圖1 1名受試者(7號)4 min跑步和自行車全力運動對應的示意圖

4 討論

圖2 4 min跑和自行車全力運動的能量供應比例示意圖

當然，本研究一方面只選取了兩種常見的運動方式(跑步和自行車)進行研究，且這兩種運動方式在肌肉參與部位(下肢都參與)和參與量方面都較為接近，所得到的結論能否適用于其他運動方式還不清楚。另一方面，本研究只對某一特定持續(xù)時間(4 min)進行了研究，這一特定持續(xù)時間屬于有氧供能主導的時段(>75 s[3,18])，所得到的結論能否適用于其他無氧供能主導的時段(<75 s[3,18])也不清楚。因此，運動方式是否影響全力運動有氧供能比例這一科學問題，還有待未來對更多的運動方式(如上肢類運動方式)和其他持續(xù)時間(如30 s、1 min、2 min等)進行研究。

5 結論

本研究以4 min全力跑步和自行車為例，探究了運動方式是否影響全力運動的有氧供能比例，結果顯示，4 min全力跑步和自行車的有氧供能比例沒有顯著性差異。Astrand等人對全力運動有氧供能比例的描述，以及基于文獻綜述得到的全力運動持續(xù)時間和有氧供能比例的相關性公式，似乎可以應用于不同的運動方式。但是，此結論的得出還有待對其他更多的運動方式和其他不同的持續(xù)時間進行研究。

[1]黎涌明.攝氧量動力學—歷史、特征和啟示[J].武漢體育學院學報,2015,49(3):63-69.

[2]黎涌明,紀曉楠，資薇.人體運動的本質[J].體育科學,2014,34(2):11-17.

[3]黎涌明，毛承.競技體育項目的專項供能比例—亟待糾正的錯誤[J].體育科學,2014,34(10):93-96.

[4]ACHTEN J,VENABLES M C，JEUKENDRUP A E.Fat oxidation rates are higher during running compared with cycling over a wide range of intensities[J].Metabolism,2003,52(6):747-752.

[5]ASTRAND P O，RODAHL K.Textbook of Work Physiology[M].New York:McGraw-Hill,1970.

[7]BARSTOW T J,JONES A M,NGUYEN P H,etal.Influence of muscle fiber type and pedal frequency on oxygen uptake kinetics of heavy exercise[J].J Appl Physiol,1996,81(4):1642-1650.

[8]BENEKE R.Maximal lactate steady state concentration(ML-SS):Experimental and modelling approaches[J].Eur J Appl Physiol,2003,88(4-5):361-369.

[9]BIJKER K E,DE GROOT G，HOLLANDER A P.Delta efficiencies of running and cycling[J].Med Sci Sports Exe,2001,33(9):1546-1551.

[11]BOMPA T O，HAFF G G.Periodization- theory and Methodology of Training[M].Champaigh:Human Kinetics,2009.22-29.

[12]CAPUTO F，DENADAI B S.Effects of aerobic endurance trai-ning status and specificity on oxygen uptake kinetics during maximal exercise[J].Eur J Appl Physiol,2004,93(1-2):87-95.

[13]CAPUTO F,MELLO M T，DENADAI B S.Oxygen uptake kinetics and time to exhaustion in cycling and running:a comparison between trained and untrained subjects[J].Arch Physiol Biochem,2003,111(5):461-466.

[14]CARTER H,JONES A M,BARSTOW T J,etal.Oxygen uptake kinetics in treadmill running and cycle ergometry:A comparison[J].J Appl Physiol,2000,89(3):899-907.

[15]CIBA-GEIGY.Wissenschaftliche Tabellen Geigy[M].Basel:Ciba-Geigy,1985.

[16]DI PRAMPERO P E.Energetics of muscular exercise[J].Rev Physiol Biochem Pharmacol,1981,89:143-222.

[17]FRAUENDORF H,KOBRYN U，GELBRICH W.Blutdruck-und Herzschlagfrequenzverhalten bei fünf verschiedenen Formen dynamischer Muskelarbeit[J].Zeitschrift für Arbeitswissenschaft,1990,44(4):214-216.

[18]GASTIN P B.Energy system interaction and relative contribution during maximal exercise[J].Sports Med,2001,31(10):725-741.

[19]GREENHAFF P L,HULTMANN E，HARRIS R C.Carbohydrate Metabolism[M].Principles of Exercise Biochemistry.Basel:Karger,2004.

[20]HILL D W,HALCOMB J N，STEVENS E C.Oxygen uptake kinetics during severe intensity running and cycling[J].Eur J Appl Physiol,2003,89(6):612-618.

[21]HOLLMANN W，STRUEDER H K.Sportmedizin:Grundlagen fuer Koerperliche Aktivitaet,Training und Praeventivmedizin[M].Stuttgart:Schattauer,2009：68,501-507.

[22]JONES A M，POOLE D C.Oxygen uptake dynamics:From muscle to mouth-an introduction to the symposium[J].Med Sci Sports Exe,2005,37(9):1542.

[23]KNUTTGEN H G.Oxygen debt after submaximal physical exercise[J].J Appl Physiol,1970,29(5):651-657.

[24]LI Y.Energetics in Canoe Sprint[M].University of Leipzig.Doctor,2015.

[25]LI Y,NIESSEN M,CHEN X,etal.Overestimate of relative aerobic contribution with maximal accumulated oxygen deficit:A review[J].J Sports Med Phys Fit,2015,55(5):377-382.

[26]MARGARIA R,EDWARDS H T，DILL D B.The possible mechanism of contracting and paying the oxygen debt and the role of lactic acid in muscular contraction[J].Am J Physiol,1933,106:689-714.

[27]MILLET G P,VLECK V E，BENTLEY D J.Physiological differences between cycling and running:Lessons from triathletes[J].Sports Med,2009,39(3):179-206.

[28]ORIE J,HOFMAN N,DE KONING J J,etal.Thirty-eight years of training distribution in Olympic speed skaters[J].Int J Sports Physiol Perform,2014,9(1):93-99.

[29]POWERS S K，HOWLEY E T.Exercise Physiology:Theory and Application to Fitness and Performance[M].New York:Mc Grow Hill,2007：33-38.

[30]PRINGLE J S,DOUST J H,CARTER H,etal.Oxygen uptake kinetics during moderate,heavy and severe intensity "submaximal" exercise in humans:The influence of muscle fibre type and capillarisation[J].Eur J Appl Physiol,2003,89(3-4):289-300.

[31]ROBERTS A D，MORTON A R.Total and alactic oxygen debts after supramaximal work[J].Eur J Appl Physiol,1978,38(4):281-289.

[32]SANDALS L E,WOOD D,DRAPER S B,etal.Influence of pacing strategy on oxygen uptake during treadmill middle-distance running[J].Int J Sports Med,2006,27(1):37-42.

[33]SCOTT C B,LITTLEFIELD N D,CHASON J D,etal.Differences in oxygen uptake but equivalent energy expenditure between a brief bout of cycling and running[J].Nutr Metab(Lond),2006,(3):1-5.

[34]STEGMANN J.Leistungsphysiologie:Physiologische Grundlagen der Arbeit und des Sports[M].Stuttgart:Georg Thieme Verlag,1991：56-59.

Influence of Exercise Modalities on Relative Aerobic Energy Contribution in 4 min Running and Cycling Time Trial

LI Yong-ming1,2，CHEN Xiao-ping3，HARTMANN Ulich4

Aim The relative aerobic energy contribution is a fundamental characteristic of maximal exercises.Previous investigations have reported some values of relative aerobic energy contribution,or some correlation equation,for different duration of maximal exercises,without verifying the influence of exercise modalities.The aim of this study is to investigate the influence of exercise modalities on relative aerobic energy contribution in 4min running and cycling time trial.Methods This study recruited 16 amateur athletes from triathlon,cycling,and long-distance running (33.5±10.6 yrs，180±9cm，75.8±8.4 kg，training experience 14±10 yrs) to participate in two 4min time trails,with the exercise modalities of field-running,and ergometer-cycling.The energy contributions and oxygen uptake kinetics were compared for these two exercise modalities.We utilized a portable gas analyzer and a blood lactate analyzer to measure and assess the relative parameters.The energy contributions were calculated with the method based on the accumulated oxygen uptake,and blood lactate during the maximal exercise,as well as the fast component of the oxygen debt during the recovery.Results The results demonstrated similar aerobic energy contributions (77.0±3.8% vs.75.9±2.6%，P>0.05),similar phosphate energy contributions (11.4±2.6% vs.10.0±2.0%，P>0.05),but significantly different glycolysis energy contributions (11.6±3.4% vs.14.1±3.3%，P<0.05) between running and cycling.The oxygen uptake kinetics were similar in the fast component(16.2±3.69 s vs.14.5±4.84 s,P>0.05),but significant different in the slow component(0.26±0.09 L/min vs.0.54±0.32 L/min,P<0.05).Conclusion The results from the 4min time trials of running and cycling indicate seemly that the exercise modalities don’t influence the relative aerobic energy contribution in maximal exercises.This conclusion warrants future investigations which emphasize on more exercise modalities,and more duration.

running;cycling;aerobicenergycontribution;oxygenuptakekinetics

1000-677X(2016)09-0048-06

10.16469/j.css.201609007

2016-01-11；

2016-08-11

國家自然科學基金項目(31500963)；上海市人類運動能力開發(fā)與保障重點實驗室(上海體育學院)項目資助(11DZ2261100)。

黎涌明(1985-)，男，湖南汨羅人，博士，副教授，博士研究生導師，主要研究方向為人體運動的動作和能量代謝特征，Tel： (021)51253467，E-mail：59058729@163.com；陳小平，(1956-)，男，山東武城人，博士，教授，博士研究生導師，主要研究方向為運動訓練，Tel：(0574)87600227，E-mail：chenxiaoping@nbu.edu.cn；烏里·哈特曼，(1953-)，男，德國波恩人，博士，教授，博士研究生導師，主要研究方向為競技體育的能量代謝特征，Tel：+49(0341)9731700，E-mail：uhartmann@uni-leipzig.de。

1.上海體育學院 體育教育訓練學院，上海 200438；2.上海市人類運動能力開發(fā)與保障重點實驗室，上海 200438；3.寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211；4.(德國)萊比錫大學 體育科學學院，萊比錫 04109 1.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China;2.Shanghai Key Lab of Human Performance,Shanghai 200438,China;3.Ningbo University,Ningbo 315211,China;4.University of Leipzig,Leipzig 04109,Germany.

G804.2

A