模擬低氧訓練對大學生有氧運動能力和生理機能影響研究Simulated Hypoxic Training on the Study of College Students' Aerobic Exercise Capacity and Physiological Functions

涂晏豪，譚澤芹，舍斯杰娜娃TU Yanhao, TAN Zeqin, Shesterova

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模擬低氧訓練對大學生有氧運動能力和生理機能影響研究
Simulated Hypoxic Training on the Study of College Students' Aerobic Exercise Capacity and Physiological Functions

涂晏豪，譚澤芹，舍斯杰娜娃
TU Yanhao, TAN Zeqin, Shesterova

摘 要：模擬低氧訓練是高原訓練的一種方法，在運動訓練中發(fā)揮著積極的作用。實驗主要遵循了高原訓練基本規(guī)律和原理，并首次采用對平原大學生佩戴人工抗氧訓練嘴（以下簡稱阻氧嘴），模擬低氧環(huán)境進行訓練的手段，觀察和記錄大學生實驗前后生理生化指標的變化趨勢，對采用阻氧嘴模擬低氧訓練模式是否能有效提高人體有氧運動能力和改善生理機能水平的可行性進行探索。實驗將30名平原大學生隨機分為低氧組和普通組，兩組大學生執(zhí)行35天的同等負荷訓練。實驗結果表明：使用阻氧嘴的低氧組大學生較普通組有氧運動能力顯著提高；800m專項成績提高幅度大于普通組；在平原使用人工阻氧嘴的模擬低氧環(huán)境訓練手段具有可行性。

關鍵詞：低氧訓練；大學生；有氧運動能力；生理機能

作者單位：成都體育學院，四川 成都，610000。Chengdu Sport University, Chengdu Sichuan, 610000, China.

Abstract:Simulated Hypoxic Training, as a method of altitude training, which plays an active role in sports training. The experiment mainly follows the basic rules and principles of altitude training and firstly renders plain students to wear artificial antioxidant training nozzle (hereinafter referred to as oxygen barrier mouth). Simulated hypoxic environment for training is beneficial for college students to observe and record the physiological and biochemical indices trends before and after the experiment. In addition, it explores the feasibility of whether the use of oxygen inhibition mouth simulated training model under hypoxic environment can effectively improve the body's aerobic capacity and improve the level of physiological function. The experiment randomly divided 30 plain students into two groups of hypoxia and ordinary. They two groups conduct equal training load for 35 days. The results show that: compared to the ordinary group students, with the use of the oxygen inhibition mouth, students’ aerobic exercise capacity is significantly improved; the increase rate of 800m Specific Performance is higher than the ordinary; the use of artificial oxygen inhibition mouth simulated hypoxia-training means in plain are feasible.

Key words:Hypoxic training; College Students; Aerobic exercise capacity; Physiological functions

模擬低氧訓練指在運動訓練周期中持續(xù)或間斷采用低氧條件刺激，利用高原自然低氧環(huán)境或人工模擬低氧環(huán)境對人體所產(chǎn)生的特殊生物學效應，配合運動負荷刺激增加機體的缺氧程度，以調動體內的機能能力，從而產(chǎn)生一系列有利于提高運動成績?yōu)槟康牡姆椒╗1]。國內外關于低氧訓練的研究已有半個多世紀的歷史，低氧訓練研究涉及到了訓練學、生理學、生物化學、分子生物學等方向的研究成果，大量文獻研究表明，低氧訓練是提高運動員有氧運動能力的一種有效的訓練手段，其原理是利用高原低氧或人工低氧、低壓的環(huán)境刺激機體體內紅細胞生成增多，從而改善血液的攜氧、運用氧的能力。所以，往往在低氧訓練過程中，對受試者機體相關生理生化指標變化規(guī)律的監(jiān)控成為評價訓練效果的重要依據(jù)。20世紀90年代，美國學者Levine BD首次提出高住-低訓（HiLo）的模擬低氧訓練方法，結果顯示HiLo能夠提高運動員有氧運動員能力[2]；后相繼出現(xiàn)高住-高訓-低訓（HiHiLo）、低住-高練（LoHi）、間歇性低氧訓練（IHT）模擬高原訓練方法[3]。實踐驗證，各種模擬低氧環(huán)境訓練結果均能不同程度地提高運動員有氧運動能力和改善人體生理機能水平。從經(jīng)濟學角度考慮，運動訓練團隊每往返一次高原、平原或建設人工低氧、低壓艙，將耗費大量的物力和財力，而在模擬低氧環(huán)境訓練研究領域里，在平原使用人工阻氧嘴從事低氧訓練活動的相關嘗試和文獻資料甚少。所以，以下組織的實驗工作將填補這方面的空缺，實驗成果將對從事耐力項目訓練的教練員和運動員提供實踐性參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

成都體育學院體育系學生18人，運動系學生12人，共30人（30人皆為世居平原大學生），受試者具有一定的體能訓練水平。隨機將30人分為兩組，即低氧組（實驗過程中佩戴阻氧嘴）和普通組（實驗過程中不佩戴阻氧嘴），阻氧嘴采用JXB2002-1型抗缺氧訓練嘴，由中國人民解放軍總參謀部軍訓部研制。兩組大學生實驗期間執(zhí)行同一訓練大綱，完成相等負荷的訓練量。訓練地點：成都體育學院。

1.2 研究方法

受試者完成35天訓練任務（2015年7月1日至2015 年8月4日）。以“周”為階段，共5個訓練階段：即小、中、大、大、中5個遞增式負荷強度的訓練。每周4次訓練課（即周1、3、5、6），共20次訓練課。每次訓練課持續(xù)90min-100min。

1.2.1 生理生化（血象）指標 采集3個生理生化指標：最大攝氧量（VO2max）、血乳酸（Bla）、血紅蛋白（Hb）。采集地點：成都體育學院四川省運動人體科學重點實驗室。

（1）最大攝氧量VO2max儀器：美國Physio-dyne公司的MAX-II運動心肺功能測試系統(tǒng)，跑臺為德國h/p/cosmos公司的專業(yè)運動跑臺。整個訓練過程進行3次測試。第1次測試時間在整個訓練計劃開始的前兩天進行，第2次在訓練3周后進行，第3次在整個訓練計劃結束1周后進行。

測試方案：①運動員測試前戴上三通閥口罩，在跑臺上以10km/h速度熱身跑5min。②正式測試：運動員以11km/h的速度運動2min，然后以每分鐘增加1km/h的速度逐級遞增負荷，分別為12、13、14、15、16、17km/h；當跑臺速度達到18km/h后，按每分鐘坡度增加1%遞增負荷，同時速度不再增加，直至最大攝氧量VO2max達到以下標準：心率大于185次/min；呼吸商大于1.10；體力達到力竭，受試者不能保持原有的運動強度；負荷遞增但攝氧量不再遞增出現(xiàn)平臺，前后負荷的攝氧量差數(shù)不應超過2ml/kg.min。

（2）血乳酸BLA儀器：美國金泉YSI?1500SPORT血乳酸分析儀，試劑盒由廠家直接購得。血乳酸共4次測試，其中3次測試時間在最大攝氧量測試完畢后4min－5min進行，另外1次在第2周訓練后休息4min－5min進行。

（3）血紅蛋白Hb儀器：日本CA-500全自動三分類血球計數(shù)儀，試劑盒由北京鴻奧醫(yī)療科技發(fā)展有限公司提供。測試時間在最大攝氧量測試前進行。

1.2.2 基礎心率HR 運動員在每天清晨蘇醒靜臥3min后自行測定并記錄

1.2.3 訓練內容 包括：一般身體素質訓練（拉伸、實心球、克服自身體重），一般耐力訓練（1500m、3000m），肌肉力量耐力訓練，專項速度耐力（400m、600m、800m）以及速度訓練（100m）。

1.2.4 800m運動成績測試 測試場地：成都體育學院。兩組大學生第1次測試在訓練1周后進行，第2次在訓練3周后進行，第3次測試在整個訓練結束后1周進行。

實驗所得數(shù)據(jù)用X±SD表示，用SPSS 21.0軟件統(tǒng)計包處理。生理生化指標采用重復性測量方差分析處理，實驗前后最大氧耗VO2max的差異比較用獨立配對T檢驗處理。顯著性水平為p<0.05，極顯著性水平為p<0.01。

2 實驗結果

實驗前后3次VO2max測試結果顯示，普通組、低氧組組間每次測試結果對比無統(tǒng)計學意義，但兩組VO2max總體呈上升趨勢（圖1），普通組升高29.59 ml/kg.min，增長幅度61.3%；低氧組升高28.74 ml/kg.min，增長幅度57.3%（表1）。同組別3次測試結果比較，兩組第2次測試結果與第1次測試結果VO2max有升高趨勢，有極顯著性差異（p<0.01）；普通組第3次的測試與第1次、第2次比較，VO2max仍提高，有極顯著性差異（p<0.01）。低氧組第3次測試結果與第1次比較具有極顯著性差異（p<0.01）。

表1 普?通組與低氧組最大攝氧量VO2max比較（ml/kg.min）

圖1 普通組和低氧組最大攝氧量比較

在對大學生3次Bla測試中，兩組組間比較無統(tǒng)計學意義，普通組出現(xiàn)先下降后回升的趨勢，而低氧組則表現(xiàn)為持續(xù)下降（圖2）。普通組第3次測試Bla回升，但與第1次、第2次相比不具有顯著性差異。普通組第2次測試結果明顯低于第1次測試結果（p<0.01）；低氧組第3次測試值顯著低于第1次測試值（p<0.01），其余對比均無統(tǒng)計學意義。實驗后，普通組Bla值降低1.44 mmol/L，降低幅度11.9%；低氧組降低2.83 mmol/L，降低幅度25.1%（表2）。

表2 普通組和低氧組血乳酸Bla比較（mmol/L）

圖2 普通組和低氧組血乳酸值比較

普通組前3次Hb測試結果較實驗前無統(tǒng)計學意義，第4次測試值較實驗前明顯升高（p<0.05）；低氧組第4次測試結果與普通組相比，有顯著性差異（p<0.05），與組內第1次、第3次測試值相比均有顯著性差異（p<0.05）（圖3）。兩組Hb測試結果都表現(xiàn)為先降低、后升高的變化趨勢。普通組實驗后Hb值升高15.8 g/L，增長率10.1%；低氧組實驗后升高30.43 g/L，增長率為20.9%（表3），顯而易見低氧組高出普通組兩倍之多。

表3 普通組和低氧組血紅蛋白Hb比較（g/L）

圖3 普通組和低氧組血紅蛋白值比較

本實驗中，普通組大學生HR表現(xiàn)為持續(xù)降低，實驗后基礎心率明顯低于訓練前、1周后和2周后水平（p<0.01，p<0.05）（圖4）。與普通組不一致的是，低氧組以“2周后”為節(jié)點，表現(xiàn)為先升高（p<0.01）后下降的趨勢（表4）。

表4 普通組和低氧組基礎心率HR的比較（次/min）

圖4 低氧組和平原組基礎心率的比較

普通組和低氧組大學生800m成績第3次測試的結果較第1次測試結果均顯著提高（p<0.01）（圖5）。兩組第3次測試結果與第2次測試的結果呈顯著性差異（p<0.05），但實驗后的測試成績組間對比無統(tǒng)計學意義。

表5 普通組和低氧組800m成績比較（s）

圖5 普通組和低氧組800m成績比較

3 分析與討論

模擬低氧訓練與天然高原訓練有許多相似之處，對運動員機體均產(chǎn)生一系列復雜的生理與訓練學效應。已有的文獻報道稱[4]，隨著運動員機體對訓練負荷和低氧環(huán)境的適應，低氧訓練可增強其心肺功能、改善骨骼肌組織中相關氧化酶的活性，增強肌紅蛋白濃度、線粒體體積和數(shù)量，以及毛細血管密度等方面因素來提高血液和骨骼肌運輸、利用氧的能力，而從提高機體的有氧運動能力。目前在運動實踐中評價低氧效果的指標主要是氣體代謝指標、血象指標和心率等。

3.1 最大攝氧量VO2max實驗前后的變化

VO2max是反映肌肉利用氧的能力和人體有氧運動能力的一項關鍵指標，它是對運動時心肺功能狀況綜合評定的一項參數(shù)。Байковский Ю.В研究發(fā)現(xiàn)耐力訓練的初期訓練強度在40%-50%時個人VO2max值迅速增加，當達到70-90%強度時VO2max為最佳值[5]。Hoppeler（1963）等人采用持續(xù)2周，每天2h在模擬海拔4000m的低氧環(huán)境下進行2次30min的騎功率車自行車訓練，結果顯示受試者VO2max有所增加[6]。Gormley 和 Swain認為低強度訓練能夠提高運動員VO2max，并指出優(yōu)秀運動員的VO2max可超過常人的兩倍[7]。本實驗第1周負荷安排強度較小，后逐漸增大，而兩組大學生VO2max值也逐漸上升，與上述觀點不盡一致。有不同研究報道，Kime等（2003）對8名青年自行車運動員的研究結果發(fā)現(xiàn)[8]，3周的低氧訓練并不能提高運動員VO2max值，認為運動員在低氧狀態(tài)下，VO2max值呈下降趨勢。導致兩種結果的差異性可能跟低氧狀態(tài)下不同負荷強度的刺激、受試者的個體差異以及參與者樣本數(shù)量有關。低氧環(huán)境下運動員經(jīng)常被迫以較低的心率訓練，從而導致心輸出量降低，攝氧量下降，這是由急性缺氧所引起的[9]。雖然低氧組VO2max提升幅度低于普通組，但這種差異并無統(tǒng)計學意義，實驗結果表明阻氧嘴對增大運動員VO2max、提高有氧運動能力是有效果的。

3.2 血乳酸Bla實驗前后的變化

Bla是人體中能量代謝的一個重要物質，是糖無氧酵解的中間產(chǎn)物，同時Bla對影響肌肉代謝能力和人體運動能力具有重要作用，其提升幅度與負荷刺激強度有明顯的對應關系，被定義為評價身體訓練適應程度、掌握運動強度和檢測運動能力的“標尺”[10]。人體受到低氧刺激時，骨骼肌組織、儲存氧的能力被提高，改善了骨骼肌的微循環(huán)，增加細胞從低氧血和血漿中利用氧的能力，增加線粒體的數(shù)量、體積和毛細血管密度，改善呼吸鏈功能，促進關鍵氧化酶和抗氧化酶活性的提高[11]。有研究表明，耐力性項目訓練中，由于訓練強度逐漸增大，會導致Bla值增大[3,7]，在低氧環(huán)境下訓練，Bla更是會出現(xiàn)高峰值。但其他學者的研究成果認為，在耐力項目的訓練和比賽中，遞增強度運動后訓練水平越高的運動員Bla越低[12-13]。低氧訓練可引起大量的肌乳酸生成，糖分解加速，導致丙酮酸和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化（NADH）生成速度加快，缺氧抑制在線粒體中的丙酮酸和NADH氧化，兩者共同作用加速了乳酸的生成。實驗中，普通組第2次測試與第1次測試有顯著性差異，低氧組無顯著性變化；實驗后普通組Bla較第1次測試雖有下降，但不具有顯著性差異，且實驗后普通組Bla有回升趨勢，乳酸曲線左移，說明普通組大學生在大強度訓練后引起了大量乳酸生成，而低氧組實驗后Bla較第1次測試具有極顯著性差異（p<0.01），且降低幅度大于普通組，呈持續(xù)下降趨勢，表明在相同負荷的運動強度時，低氧組血乳酸濃度高于普通組，即低氧組大學生骨骼肌供氧能力比普通組要強，乳酸代謝酶的活性和乳酸清除速率比普通組高。低氧訓練對乳酸生成具有一定的抑制作用，同時乳酸消除的速率提高，運動后乳酸值的下降反映了大學生高強度運動階段有氧代謝參與供能的比例相對提高，機體對酸的耐受和緩沖能力有所增強，從而機體有氧代謝的能力得到改善。所以，經(jīng)過4周的低氧訓練，可以使大學生在完成大強度運動訓練后Bla值明顯降低，提高大學生機體有氧代謝的能力，并且實驗后低氧組大學生在方面的表現(xiàn)要優(yōu)于普通組。

3.3 血紅蛋白Hb實驗前后的變化

Hb是紅細胞的主要成分，它直接影響人體的身體機能和運動能力。Hb的主要生理學作用是運輸機體有氧代謝需要的氧氣和物質代謝產(chǎn)生的一氧化碳，并參與血液酸堿平衡的調節(jié)。低氧環(huán)境訓練可以增加促紅細胞生成素（EPO），在一定程度上EPO促進了紅細胞數(shù)量的增加，同時也導致血紅蛋數(shù)量的增加；因此，Hb數(shù)量的多少直接影響到機體的有氧代謝能力[13]。實驗前后兩組大學生Hb值變化一致，先降低后升高，這是由實驗過程中運動負荷遞增變化引起體能消耗下降、低氧刺激使體內代償性增加導致的。實驗后兩組大學生均超出實驗前測試的值。許帆等（1989年）觀察到，人體暴露于低氧環(huán)境3天后，血紅蛋白Hb增長6%，紅細胞RBC增長5%；3周后，Hb和RBC分別增長13.5%和12.8%，受試者返回平原狀態(tài)12天后Hb和RBC仍較低氧訓練前增加6.8%和9.0%，本實驗結果與上述研究成果一致。兩組大學生Hb數(shù)量出現(xiàn)先下降后升高的趨勢可能是由于運動負荷的消耗而導致的，低氧組大學生在第2周訓練時Hb值下降可能由于低氧的刺激而引起體內代償性增加，并受運動負荷的影響造成。實驗證明：通過35天的訓練，兩組運動員有氧運動能力均有所提高；低氧組實驗后測試的Hb值無論與普通組實驗后測試的值相比，還是與組內第1次、第3次測試相比較，都具有顯著性差異（p<0.01，p<0.05），且低氧組實驗后值增長率大于普通組，說明佩戴阻氧嘴的低氧組取得的訓練效果優(yōu)于普通組。

3.4 基礎心率HR實驗前后的變化

HR是耐力項目訓練研究最簡單、最直接的指標。安靜時HR的變化直觀反映出心血管機能狀況。雷欣認為運動員在低氧環(huán)境下訓練時，晨脈能夠反映出運動員的身體機能狀況[14]。實驗中普通組前面升高可能是由于低氧環(huán)境的刺激，氧分壓減少、動脈分壓、血氧飽和度降低引起交感神經(jīng)興奮，以及每心搏輸出量減少引起的，同時表明此時運動員對訓練負荷反映較大，機能狀態(tài)下降；從第2周后HR開始下降，說明機體對佩戴阻氧嘴的模擬低氧環(huán)境的刺激產(chǎn)生了適應。實驗后兩組運動員組間對比無顯著性差異，但低氧組實驗后的基礎心率平均值50.9±4.0次/min低于普通組的54.4±3.1次/min，較實驗前分別降低12.4%和7.2%，說明低氧組大學生實驗后機體恢復效果良好。

3.5 800m專項成績測試結果

800m測試為專項耐力測試成績，是檢驗訓練效果的最直接體現(xiàn)。從整體上看（表5），普通組與低氧組大學生實驗后800m專項成績均實現(xiàn)了不同程度的提高（普通組提高7.6%，低氧組提高8.1%），證明針對本實驗所制定的訓練大綱對兩組受試者耐力素質的提高都是有利的。

耐力性項目訓練是一個長期性、系統(tǒng)性的訓練過程。我國每年都有不同運動項目的代表隊往返高原、平原數(shù)次，力求利用低氧環(huán)境完成運動負荷，加強對運動員生理機能的刺激，以獲得平原比賽時專項運動成績的提升。此次實驗周期為35天，僅是全年訓練周期中的某一個小周期訓練，由于實驗周期過短和其他客觀因素的影響，實驗無法得到后續(xù)跟蹤。但實驗檢驗了大學生佩戴阻氧嘴模擬低氧環(huán)境條件下的訓練效果和可行性，從以上實驗結果的綜合分析和對大學生生理生化指標影響深度可得出結論：佩戴阻氧嘴的低氧組整體訓練效果優(yōu)于普通組。

4 結 論

（1）實驗驗證，為本次實驗所制定的訓練大綱對兩組大學生有氧運動能力增強是有利的。

（2）使用阻氧嘴的低氧組最大攝氧量VO2max值略高于普通組，兩組之間無明顯差異；實驗后，低氧組血乳酸值Bla低于普通組；血紅蛋白數(shù)量Hb高于普通組，骨骼肌利用氧的能力比普通組強；基礎心率HR低于普通組。

（3）實驗后800m專項成績測試結果：兩組大學生通過訓練成績均有所提升，但低氧組運動員800m成績提升幅度略大于普通組，兩組組間對比無統(tǒng)計學意義。

（4）阻氧嘴運用于平原模擬低氧環(huán)境下耐力性項目訓練，提高運動員生理機能水平和專項運動成績具有可行性。

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收稿日期：2015-09-25

中圖分類號：G804.22

文獻標識碼：A