陳 萬，張 懿，王海寧，李換平，王林芳，葛新發(fā)

上坡快走與慢跑過程中能量消耗、脂供能等相關指標變化特征分析

陳 萬1，張 懿2，王海寧1，李換平1，王林芳1，葛新發(fā)1

目的：通過對上坡快走與上坡慢跑兩種不同運動形式相同速度運動過程中的攝氧量、心率、RPE、核心溫度、步頻等指標的實時監(jiān)測，探討人體在運動過程中相關生理指標的變化特征。方法：選取10名20～25歲的健康男性作為受試者，分別進行上坡快走和上坡慢跑(跑臺速度6.4 km/h，坡度10%，運動時間40 min)，采用MOXUS氣體分析系統(tǒng)以及核心溫度檢測系統(tǒng)對受試者的相關生理指標進行實時監(jiān)測。結果：(1)上坡慢跑與上坡快走相比，20 min后最大攝氧量百分比較高(Plt;0.05)；(2)上坡慢跑與上坡快走相比HR較高，且在25 min后所有時間點均有顯著性差異(Plt;0.05)；(3)在20 min后的所有時間點,上坡慢跑與上坡快走相比核心溫度較高(Plt;0.05)；(4)上坡慢跑10 min與35 min、40 min的最大攝氧量百分比相比較低(Plt;0.05)；上坡快走10 min最大攝氧量百分比與其他時間點相比較低，但差異不顯著(Pgt;0.05)。結論：(1)上坡慢跑比上坡快走心肺反應更為強烈，能量消耗更多，這可能是上坡慢跑過程中步頻較高等因素導致；(2)上坡慢跑比上坡快走運動結束時核心溫度變化大，這可能與上坡慢跑時運動強度和能量消耗較高有關；(3)在上坡慢跑與上坡快走運動過程中，二者糖消耗基本相同，上坡慢跑過程中總能量消耗較高是由脂肪消耗更多導致。

上坡快走；上坡慢跑；攝氧量；核心溫度；能量消耗；步頻

相同速度快走與慢跑的研究已經(jīng)有很多，主要集中在慢跑與快走過程中步態(tài)的變化與力學分析以及肌電變化特征分析[1-3]，還有一部分集中在運動過程中人體心肺功能、新陳代謝、主觀感覺疲勞程度和能量消耗的研究[4-8]。 Monteiro等[6]用3種速度研究了水平快走與水平慢跑運動過程中，受試者的心肺功能反應；張培珍等人研究顯示[9]，在相同的慢跑和快走的速度下，肥胖女性較正常女性在快走與慢跑過程中能量消耗均較高。

但相同速度下上坡走與慢跑的研究則相對較少。為了研究在上坡運動的過程中人體的心肺反應與能量消耗等指標的變化特征，本實驗采集了受試者在較長時間上坡快走與上坡慢跑過程中的攝氧量、心率、RPE、能量消耗、核心溫度等指標，來解決以下幾個方面的問題：上坡快走與慢跑運動后20 min、30 min、40 min與運動后10 min相比較，脂肪分解代謝所占總能量消耗的比率是否上升？核心溫度是否上升？RPE是否上升？通過解決以上幾個問題探究長時間中等強度的快走與慢跑運動過程中，隨著運動持續(xù)時間的延長，脂肪的分解代謝率以及脂肪分解代謝總量是否逐步上升，是否伴隨核心溫度上升，以及RPE的上升是否在可堅持持續(xù)運動的范圍。從而來判斷中低強度運動的后半程是否對減脂減肥的效果更好，也為大眾健身人群的健身活動提供一定的理論支持。

1 研究對象與方法

1.1實驗對象

共選取10名20～25歲的男性作為本實驗的研究對象，所有受試者自愿參加本實驗，進行常規(guī)體格篩查，選取無運動禁忌或心血管疾病的受試者，正式實驗前告知受試者測試方法、程序及注意事項。要求受試者在測試前2天無劇烈運動，簽署知情同意書。

表1 受試者基本信息

1.2實驗測試

1.2.1 測試方案

為使健身人群的運動強度達到中等運動強度，練藝影等[10]的研究確定20～29歲男性健步走的速度為(111±11)m/min(均值約6.66 km/h)；Davies等[11]為了保證受試者在運動的過程中保持中等強度的有氧運動，選用的運動速度為6.44 km/h。為保證本實驗的受試者能夠在上坡運動的過程中完成40 min的有氧運動，實驗前在6.0～6.6 km/h的速度范圍內(nèi)進行預實驗，確定最終實驗速度為6.4 km/h。

正式實驗前1周測量10名受試者的身高、體重、最大攝氧量(VO2max)，并統(tǒng)計受試者的年齡。

第2周進行上坡慢跑40 min測試，坡度為10%，測試時的速度為6.4 km/h，測試過程中每5 min對受試者的心率(HR)、核心溫度(Tc)、主觀疲勞感覺(RPE)進行記錄，用h/p/cosmos 5.0跑臺對受試者測試時的速度與坡度進行控制。用MOXUS氣體分析系統(tǒng)測試受試者運動過程中的攝氧量(VO2)、二氧化碳生成量(VCO2)等指標，用系統(tǒng)自帶的心率表測量受試者的心率。

第3周進行上坡快走40 min測試，測試速度同樣為6.4 km/h，用相同的方法記錄受試者的各項指標。

1.2.2 最大攝氧量的測定

實驗過程中VO2max的測定采用直接測定法，在h/p/cosmos 5.0跑臺進行測試，用MOXUS氣體分析系統(tǒng)測定受試者運動過程中各項氣體指標，包括VO2、VCO2、呼吸商和心率，測試方案為Bruce方案，最大攝氧量的判定標準：負荷功率繼續(xù)增加的情況下，攝氧量保持不變甚至稍有下降或出現(xiàn)平臺；呼吸商≥1.10；負荷心率 ≥180b/min，當以上3種情況中任何2種情況出現(xiàn)時的VO2可確定為VO2max。

1.2.3 核心溫度的測定

通過CorTemp核心溫度檢測系統(tǒng)對受試者的核心溫度進行檢測，正式實驗前開始2 h，將核心溫度膠囊激活，確定測試系統(tǒng)能夠測試到核心溫度膠囊的溫度后，用250 ml溫水送服，打開溫度測試系統(tǒng)的開關，檢測人體的核心溫度，在檢測過程中，核心溫度達到39.9 ℃立即停止測試，保證受試者安全。

1.2.4 能量消耗的計算

運動結束之后計算受試者氧氣的消耗量與二氧化碳的生成量，并帶入以下能量消耗計算公式進行計算：

糖的氧化量(g) = 4.5850VCO2(L) - 3.2255VO2(L)；

脂肪的氧化量(g) = 1.6946VO2(L) - 1.7012VCO2(L)；

總能量輸出(kcal) = [脂肪氧化量(g) × 9 + 碳水化合物氧化量(g) × 4][12-13]。

為方便數(shù)據(jù)的比較，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，根據(jù)以上公式計算結果后，除以受試者的運動時間，得到的單位為(kcal/min)，在張培珍等[9]與王金昊等[14]的論文中應用的單位均為(kcal/min)。

1.2.5 步頻的測量

運動過程中每5 min測量1次步頻，雙腳各邁1次記為1步，以右腳落地為新1步的開始點計數(shù)，用秒表測量30步所用時間，然后將結果轉(zhuǎn)化為每分鐘的步數(shù)作為步頻。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

對組內(nèi)的不同時間點的結果，用重復性方差進行分析，Post-hoc采用LSD檢驗；顯著性水平定為Plt;0.05，用“#”表示，非常顯著性水平定為Plt;0.01，用“##”表示。

2 結果

2.1最大攝氧量百分比強度

圖1所示，40 min運動過程中，在30 min、35 min、40 min時這3個時間點上達到的運動強度，用最大攝氧量百分比(%VO2max)表示，上坡快走分別是(62.1±4.5)%VO2max、(62.8±5.2)%VO2max、(63.5±5.8)%VO2max；上坡慢跑分別是(75.4±4.6)%VO2max、(76.3±4.8)%VO2max、(78.8±4.6)%VO2max。在30 min與35 min，上坡慢跑比上坡快走最大攝氧量百分比大(Plt;0.05)；在40 min節(jié)點上，上坡慢跑比上坡快走最大攝氧量百分比大(Plt;0.01)。

從組內(nèi)的比較結果來看，上坡慢跑30 min、35 min比10 min的最大攝氧量百分比大(Plt;0.01)；在上坡快走組中10 min與其他時間點的最大攝氧量百分比沒有顯著性差異。

圖1 運動強度實時測試結果

2.2主觀疲勞感覺

圖2所示，40 min運動過程中，上坡快走與上坡慢跑各個時間點的RPE均沒有差異(Pgt;0.05)。

從組內(nèi)的比較結果來看，上坡慢跑與上坡快走組中10 min的RPE與其他時間點的RPE相比均有差異(Plt;0.01)。

圖2 RPE實時測試結果

2.3心率

圖3所示，40 min運動過程中，HR數(shù)據(jù)分析結果顯示，在25 min、30 min、35 min、40 min這四個時間點上，上坡快走(162±11) b/min、(163±11) b/min、(165±10) b/min、(168±9)b/min與上坡慢跑(171±12) b/min、(174±10) b/min、(175±7) b/min、(177±7)b/min相比較小(Plt;0.05)。

從組內(nèi)的比較結果來看，上坡慢跑與上坡快走組中10 min的HR與其他時間點的HR相比均有差異(Plt;0.01)。

圖3 HR實時測試結果

2.4步頻

圖4所示，40 min運動過程中，步頻數(shù)據(jù)分析結果顯示，在5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min這8個時間點上，上坡快走(128.9±4.7)步/分、(131.1±4.2)步/分、(131.0±5.2)步/分、(132.2±5.2)步/分、(133.0±3.9)步/分、(132.9±4.0)步/分、(132.9±4.2)步/分、(133.3±4.0)步/分與上坡慢跑(169.9±5.2)步/分、(173.1±6.3)步/分、(170.9±8.2)步/分、(171.9±8.4)步/分、(171.7±7.5)步/分、(172.2±9.6)步/分、(171.0±7.9)步/分、(171.9±7.6)步/分相比較小(Plt;0.01)。

從組內(nèi)的比較結果來看，上坡慢跑與上坡快走組中10 min的步頻與其他時間點的步頻相比均沒有差異(Pgt;0.05)。

圖4 步頻實時測試結果

2.5能量消耗

40 min測試結束之后，運動時總的能量消耗、糖供能及脂肪供能數(shù)據(jù)分析結果顯示(見圖5)，上坡快走總的能量消耗(14.97±1.71)kcal/min與上坡慢跑總的能量消耗(16.74±1.93)kcal/min相比較小(Plt;0.01)；上坡快走糖供能(9.79±2.11)kcal/min與上坡慢跑糖供能(10.00±1.9)kcal/min無顯著性差異(Pgt;0.05)；上坡快走脂肪供能(5.18±1.83)kcal/min與上坡慢跑脂肪供能(6.74±1.9)kcal/min相比較小(Plt;0.01)。

圖5 運動總能量消耗、糖供能及脂肪供能結果

Figure5Totalenergyexpenditure,carbohydratesenergysupplyandfatenergysupplyduringexercise

2.6核心溫度

40 min運動過程中，核心溫度數(shù)據(jù)分析結果顯示(見圖6)，在20 min、30 min、35 min、40 min這4個時間點上，上坡快走(37.27±0.22)℃、(37.52±0.29)℃、(37.64±0.33)℃、(37.73±0.34)℃與上坡慢跑(37.61±0.35)℃、(37.94±0.34)℃、(38.05±0.35)℃、(38.14±0.34)℃相比較小(Plt;0.05)；在25 min時，上坡快走(37.40±0.26)℃與上坡慢跑(37.80±0.29)℃相比較小(Plt;0.01)。

從組內(nèi)的比較結果來看，上坡慢跑與上坡快走組中10 min的核心溫度與其他時間點的核心溫度相比均有差異(Plt;0.01)。

圖6 Tc實時測試結果

3 分析與討論

本研究發(fā)現(xiàn)在相同的速度6.4 km/h下，坡度為10%時，上坡快走較上坡慢跑VO2低，并在30 min時開始出現(xiàn)顯著性差異，另一表示運動強度的指標HR在25 min同樣有顯著性差異。張培珍等的研究顯示[9]，正常女性與肥胖女性，當速度為6.0 km/h時，超重組和正常體重組健步走的VO2都顯著低于慢跑的VO2，分別低21.8%和16.7%，這說明在中等速度的情況下運動形式的改變對運動強度是有影響的，且在某些特定速度下慢跑的運動強度要高于快走，本研究認為這種情況同樣會出現(xiàn)在上坡快走與上坡慢跑的過程中。本實驗的研究結果顯示，在運動過程的后10 min，上坡慢跑的運動強度顯著高于上坡快走的運動強度。

從能量消耗的角度來看，上坡慢跑時的能量消耗(16.74±1.93)kcal/min和上坡快走(14.97±1.71) kcal/min，二者相比具有顯著性差異；相關文獻顯示[15]，快走過程中，至少有一側下肢支撐體重，還有雙側下肢同時支撐體重的階段；慢跑則不同，雙側下肢支撐體重階段消失，且存在騰空階段，這就會導致慢跑過程中腿部需要向上發(fā)力，使重心上移，進而引起肌肉做功增大，耗氧量增加；此外，上坡慢跑的步頻，5 min時間點為(169.9±5.2)步/分，40 min時間點為(171.9±7.6)步/分；而上坡快走的步頻，5 min時間點為(128.9±4.7)步/分，40 min時間點為(133.3±4.0)步/分，兩者相差約38～41步/分，較高的步頻會伴隨著較多的上肢運動，從而導致運動強度的升高，也會導致運動時需氧量增加。吳寶平等人的研究顯示[16]，與自然行走相比，慢跑時足的蹬伸期明顯增長，這會引起肌肉做功增加，因此造成了運動強度及能量消耗的增加。上坡快走與上坡慢跑的糖供能分別是(9.79±2.11)kcal/min與(10.00±1.9) kcal/min；上坡快走與上坡慢跑的脂肪供能分別為(5.18±1.83)kcal/min與(6.74±1.9)kcal/min，這說明總能量消耗的差異主要是脂肪供能差異導致的。相關研究顯示[17]，機體內(nèi)的糖儲備有限，完全依靠糖供能僅能維持很短一段時間的持續(xù)運動，在較長時間的運動中，機體依賴于糖氧化和脂肪氧化的混合供能。在6.4 km/h的上坡運動中，慢跑較快走的能量消耗高，且這種差異主要是脂肪供能的差異導致的，這對于通過跑步來減肥的人群來說具有一定的現(xiàn)實指導意義。

在Monteiro等人的研究中[6]，男性轉(zhuǎn)換速度的平均值達到了8.1 km/h，測試時間為15 min，明顯高于練藝影等人[10]20～29歲男性健步走的推薦速度6.66 km/h。8.1 km/h對應的運動強度屬于中高運動強度，受試者在這種運動強度下很難堅持40 min。在張培珍等人的研究中[9]，女性的快走速度達到7.0 km/h，明顯高于練藝影等人[10]關于女性中等強度運動的推薦速度5.5 km/h。與以上兩個研究相比，在本實驗的速度6.4 km/h，坡度10%，速度稍低于轉(zhuǎn)換速度，受試者上坡運動的步頻比較接近舒適步頻，這會導致能量消耗最小化現(xiàn)象的出現(xiàn)[18-20]，受試者在這種速度和步頻下運動的持續(xù)時間更長。此外，在本實驗40 min運動結束時，上坡快走的RPE為(16±1)，上坡慢跑的RPE為(17±1)，在Borg[21]的主觀疲勞感覺評價量表中等級是吃力～非常吃力，該等級被認為是一個可以堅持繼續(xù)運動的一個等級。僅從鍛煉機體有氧能力的角度看，低于轉(zhuǎn)換速度的上坡運動可堅持的運動時間可能更長，運動強度為中等偏上，具有一定的現(xiàn)實指導意義。

上坡快走較上坡慢跑HR在25 min之后均有顯著性差異，且上坡慢跑高于上坡快走。HR是反映運動強度的指標，隨著運動時間的延長，HR總體呈逐漸增高的趨勢。這是由于運動時心輸出量因HR和搏出量的增加而增大，在一定范圍內(nèi)，心輸出量隨HR的升高呈近線性增加。當HR超過(150～160)b/min時，由于心舒期縮短導致靜脈回心血量減少，心肌收縮力的增強程度有限，使得搏出量減少，心臟為了進一步滿足運動系統(tǒng)對血液的需求就需要通過繼續(xù)增加HR[22]。 因此較長時間的運動會逐步引起HR的升高，變化速度因運動強度和時間而異，這可能就是導致上坡快走與上坡慢跑在25 min才出現(xiàn)差異的原因。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在上坡慢跑運動過程中，人體的核心溫度與最大攝氧量百分比均上升的較快。人體在常溫常濕環(huán)境下核心溫度的升高反映的是能量消耗的多少，因為人體在運動時肌肉會消耗大量的氧，而這些能量只有不到20%用于肌肉收縮，而大約有75%則用于產(chǎn)生熱量，人在進行體力勞動時體內(nèi)新陳代謝可比安靜時增加5到15倍[23]，盡管經(jīng)機體調(diào)節(jié)加強了散熱的過程，但仍不能保證機體熱平衡而導致體溫升高。Buckler[24]的研究顯示，運動會使人的生長激素的水平發(fā)生變化，而且人的運動時間與該激素水平存在著相關的關系，Karagiorgos[25]的研究結果顯示，高強度的運動與低強度的運動相比更能夠引起相關激素的升高，并且與直腸溫度存在著線性相關；上坡慢跑與上坡快走相比，人體的運動強度與核心溫度較高，引起的激素反應較強烈，而該激素能夠促進能量消耗，使機體攝氧量增高，能量消耗增大；綜合以上因素可能就是在上坡慢跑過程中，人體最大攝氧量與核心溫度升高較快的原因。

4 結論

綜上所述本實驗可以得到以下結論：(1)上坡慢跑較上坡快走心肺反應更為強烈，能量消耗更多，這可能是上坡慢跑過程中步頻較高等因素導致；(2)上坡慢跑較上坡快走運動結束時核心溫度變化較大，這可能與上坡慢跑時運動強度較高以及能量消耗較高有關；(3)在上坡慢跑與上坡快走運動過程中，在運動的初始階段兩種運動形式都是以糖供能為主，隨著運動時間的延長，脂肪的功能比例上升，二者糖消耗基本相同，上坡慢跑過程中總能量消耗較高是由脂肪消耗更多導致，長時間中等強度運動的后半程減脂減肥的效果更好。

在較長時間的上坡快走與慢跑運動中，能量消耗量的差異主要是因為上坡慢跑過程中的脂肪消耗量較高導致，且受試者RPE在這兩種運動形式下無差異，這對于通過跑步來減肥的人群來說具有一定的現(xiàn)實指導意義。

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(編輯 李新)

CharacteristicAnalysisofChangesofEnergyExpenditure,FatEnergySupplyandOtherRelatedParametersduringbothUphillBriskWalkingandJogging

CHEN Wan1，ZHANG Yi2，WANG Haining1，LI Huanping1，WANG Linfang1，GE Xinfa1

Objective: To study the changes of oxygen uptake, HR,energy expenditure, RPE, Tc (core temperature, Tc), SF (stride frequency, SF) and other related physiological parameters in real-time during uphill brisk walking and uphill jogging with the same speed. Method: 10 healthy males (20-25 yrs old) were randomly selected as subjects to fulfill both uphill brisk walking and jogging (treadmill speed: 6.4km/h, gradient: 10%, time duration: 40min) in the experiment. MOXUS gas analysis system and core temperature detection system were used to collect physiological parameters in real time. Result: (1) After 20min, the percentage of maximum oxygen uptake (%VO2max) of uphill jogging group (UJG) was higher than that of uphill brisk walking group (UBWG) (Plt;0.05). (2) After 25min, the HR of UJG was higher than that of UBWG (Plt;0.05). (3) After 20min, the Tc of uphill jogging group was higher than uphill brisk walking group (Plt;0.05), at 25min (Plt;0.01). (4) In UJG, %VO2max at both 35min and 40min were higher than that at 10min (Plt;0.05); Otherwise there was no such changes in UBWG (Pgt;0.05). Conclusion: (1) Cardiopulmonary reaction and energy expenditure of UJG are more intense than those of UBWG. These differences could result from the higher stride frequency in UBWG . (2) The increase of Tc of UJG is higher than that of UBWG. The difference could result from higher levels of exercise intensity and energy expenditure of UJG.(3)During the 40min UJG and UBWG exercise, carbohydrates consumption was the same, but the fat consumption was higher in UJG.

uphillbriskwalking；uphilljogging；oxygenuptake；coretemperature；energyexpenditure；stridefrequency

G804.2DocumentcodeAArticleID1001-9154(2017)06-0092-06

G804.2

A

1001-9154(2017)06-0092-06

山東省科技發(fā)展計劃項目“運動性外周疲勞與中樞疲勞的應用研究”(2014GSF122002)；山東省自然科學基金項目“神經(jīng)肌肉疲勞的運動項目特征、肌肉收縮模式及相關因素的研究”(ZR2015CL036)。

陳萬，博士，教授，研究方向：運動與健身的生物學效應及應用研究，E-mail：chenwan@139.com。

1.山東體育學院，山東 濟南 250102；2.貴州省體育科學研究所，貴州 貴陽 550002 1.Shandong Sport University，Jinan Shandong 250102；2. Guizhou Research Institute of Sports Science，Guiyang Guizhou 550002

2017-04-27

2017-08-01