定向隊運動員功率自行車運動能量消耗研究

陳 強，賈 恒

運動能量的消耗是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要領(lǐng)域之一.石新艷和李美霞就曾指出運動能耗是專業(yè)運動技術(shù)分析的重要指標(biāo)，又是訓(xùn)練負荷、健身活動的重要練習(xí)目標(biāo)［1］，準(zhǔn)確測量運動的能量消耗，將會明確運動員最佳的能量補充，以延緩運動疲勞，從而提高運動成績.能量消耗即能量代謝的過程，測量能量消耗可以通過測定一定時間內(nèi)機體內(nèi)糖（CHO）、脂肪（FAT）和蛋白質(zhì)的供能消耗［2］來實現(xiàn).能量代謝和底物消耗測量方法的信效度有不同的表現(xiàn)，聶東升等在大學(xué)生不同體力活動能量消耗和運動效率的研究中認為，K4b2 便攜式心肺功能測試儀測試數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性［3］.

本研究借助K4b2 便攜式心肺功能測試儀檢測實驗組和對照組成員在功率自行車負荷遞增運動中的能量消耗狀態(tài)，研究其機體內(nèi)糖（CHO）、脂肪（FAT）和蛋白質(zhì)的供能消耗規(guī)律，從而為運動員的能量補充提供科學(xué)的參考依據(jù).

1 研究對象與研究設(shè)計

1.1 研究對象

本研究隨機選取太原工業(yè)學(xué)院定向隊正式隊員15 人（男生10 人，女生5 人）為實驗組受試者，非體育專業(yè)學(xué)生15 人（男生10 人，女生5 人）為對照組受試者，其年齡均在21～22歲.實驗組的受試者需滿足以下幾個條件：①具備3 年以上的專業(yè)運動訓(xùn)練史；②其體重近一個月無明顯變化；③無服用藥物等影響測試結(jié)果的情況.對照組受試者的健康狀況良好，無不適宜參加體育運動的疾病.

1.2 研究設(shè)計

測試過程中為受試者佩戴K4b2 便攜式心肺功能測試儀，通過記錄運動員在功率自行車負荷遞增運動中的相關(guān)身體數(shù)據(jù)，運用能量計算公式，作出能量消耗動態(tài)圖，為教練員、運動員提供直觀的能量消耗數(shù)據(jù)，進而為運動員的能量補充提供科學(xué)的參考依據(jù).K4b2 便攜式心肺功能測試儀主要包含主機、呼氣面罩、秒表、心電儀，以及其他相關(guān)部分.可以測試的指標(biāo)有心率（HR）、脂肪消耗量（FAT 消耗量）、糖消耗量（CHO 消耗量）、總能量消耗量（EE 消耗量）［4-6］.

運動器材選用功率自行車，它是新一代訓(xùn)練評定工具，屬于心肺訓(xùn)練器材，運動員以獲得最佳結(jié)果為目的進行踏車運動.根據(jù)不同訓(xùn)練要求進行相應(yīng)的調(diào)整，可以同時滿足有氧運動、無氧運動、中低強度運動，亞極量強度運動、極量強度運動.

實驗流程主要包括實驗前的準(zhǔn)備工作、實驗中的數(shù)據(jù)測試、實驗后數(shù)據(jù)登錄.具體如下：

（1）實驗前準(zhǔn)備工作.①打開K4b2 便攜式心肺功能測試儀和功率自行車的電源，預(yù)熱15～20 min；②氣體容積定標(biāo)；③氣體成分定標(biāo)；④為受試者佩戴呼吸面罩，并告知其按照功率自行車的系統(tǒng)提示進行運動，實驗時設(shè)置的靜止期為2 min，準(zhǔn)備期間可調(diào)整儀器的佩戴，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄.

（2）數(shù)據(jù)的測試主要包括心率的測試和功率自行車遞增負荷的能量消耗.心率測試使用心電儀系統(tǒng)配套的電極片實現(xiàn)，將電極片佩戴于受試者心口處測量受試者的心率指標(biāo)，測量記錄受試者的運動心率.要求受試者按照提示進行運動，功率自行車從功率25 W起，遞增負荷的設(shè)置為每隔2 min 增加25 W，逐步推測出最大運動心率，便于監(jiān)控受試者是否達到力竭，當(dāng)受試者達到最大運動心率之后進行2 min 的恢復(fù)期.實驗結(jié)束后用酒精對呼吸面罩進行消毒，準(zhǔn)備為下一個受試者測試.

（3）實驗后數(shù)據(jù)登錄.實驗后將受試者的所有數(shù)據(jù)錄入計算機，數(shù)據(jù)輸入Microsoft Excel儲存，建立數(shù)據(jù)庫.為之后進行數(shù)據(jù)分析做好準(zhǔn)備工作.

2 研究結(jié)果

通過對實驗組與對照組成員的實驗研究，對受試者在運動中的相關(guān)身體數(shù)據(jù)進行分析對比，得出以下結(jié)果.

2.1 組內(nèi)不同負荷度總能量消耗分析

實驗組受試者由定向隊的15 名隊員組成，由于性別差異對能量消耗的影響明顯，因此本研究在數(shù)據(jù)分析時根據(jù)不同性別進行能耗的研究.

由表1 可以看出實驗組男生運動過程中，隨著受試者的運動強度增大，能量消耗逐步增加.其中運動強度在0～50 W 時，能耗平緩增加；在100～150 W 過程中，總能耗陡然提升，能量消耗從400 kcal 跨度到1 350 kcal；運動強度達到200 W 時，僅有一名受試者的能耗開始下降；運功負荷達到225 W 時，有三人能耗開始下降；實驗數(shù)據(jù)顯示250 W 是實驗組男生的力竭負荷（兩名受試者沒有通過250 W的測試）.

同樣，實驗組女生的能量消耗隨著運動負荷的增加而增加.其中負荷在0～75 W 的變化階段，總能耗增加幅度比較平緩，75～100 W階段，能耗增速提升.而在運動負荷達到100～150 W 時，女生的能耗增速為整個運動過程中的最大值，呈急劇上升趨勢，如表2 所示，繼續(xù)增加運動負荷，能量消耗開始下降，175 W為定向隊女生的最高負荷（5 名受試者的總能耗都開始下降）.

對照組由非體育專業(yè)的學(xué)生組成.從對照組男生的數(shù)據(jù)可以看出，能耗隨運動負荷的增加而不斷增加.其中運動強度在0～75 W階段中，能耗增長速度緩慢；75 W 以后，能耗增速提升；當(dāng)負荷量達到100 W 后，能耗呈急劇上升趨勢；直到150 W 的負荷時，多數(shù)受試者的能耗變化轉(zhuǎn)為平穩(wěn)狀態(tài)，個別人在175 W運動負荷才進入能量消耗的平緩期.對照組男生的最大負荷為225 W，總能量消耗最大為1 665 kcal，詳見表 3.

表1 定向隊男生功率自行車總能量消耗表（EE）

表2 定向隊女生功率自行車總能量消耗表（EE）

表3 對照組男生功率自行車總能量消耗表（EE）

對照組女生的最大運動負荷為150 W，總的來看，當(dāng)運動負荷低于50 W 時，能量消耗緩慢增長，均在250 kcal 以下，之后隨著運動負荷的增加，能量消耗相較前一階段增速提高，但其速度與之前幾組相比，較為平緩.負荷達到150 W 時僅一人能量消耗開始下降；其余4 人的能耗增速陡然，詳見表4.

表4 對照組女生功率自行車總能量消耗表（EE）

2.2 組間運動強度總能量消耗趨勢對比

由圖1 可以看出，男生在功率自行車遞增負荷運動中，能量消耗趨勢是逐步上升的.其中實驗組男生總能耗趨勢為：運動功率在25～75 W 階段能耗上升較為平緩，運動功率在100～150 W 階段呈急劇上升趨勢，運動功率在150～250 W 階段能耗上升趨于平緩；對照組比實驗組能耗總趨勢變化顯著，其中運動功率在25～75 W 階段對照組較實驗組能耗相差不大，在100～150 W 運動階段對照組比實驗組能耗上升幅度大，對照組男生最大運動功率為225 W，較實驗組250 W 下降了25 W.實驗組達到最大運動功率的有8 人，只有2 人未達到250 W 運動功率.對照組達到最大運動功率225 W 的僅有 4 人，尚無人能達到 250 W 運動功率.

由圖2 可以看出女生總能量消耗呈總體上升的趨勢.其中實驗組女生能耗總趨勢波動大，運動功率在25～100 W 階段能耗上升較為平緩，運動功率在100～150 W 階段能耗呈現(xiàn)急劇上升趨勢，運動功率達到150 W 時能耗開始下降；與實驗組相比較，對照組能耗總趨勢波動較小，但上升幅度大，在整個運動階段對照組女生能耗都呈急劇上升趨勢，趨勢波動小，但是上升幅度大，對照組最大運動功率為150 W，與實驗組相比較，下降了25 W.

圖1 男生總能耗平均數(shù)曲線對比圖

圖2 女生總能耗平均數(shù)曲線對比圖

綜上，隨著運動強度不斷增加，兩組的總能量輸出逐漸增加.在低運動負荷（0～50 W）能耗總趨勢無明顯變化，上升趨勢平緩，當(dāng)進入中等負荷強度（50 W 以后），總能耗上升趨勢開始出現(xiàn)波動，進入中高負荷強度（75 W 以后），總能耗輸出呈急劇上升狀態(tài)，進入極限負荷后，總消耗開始下降.王道等認為機體能量代謝存在動員階段、穩(wěn)定階段和疲勞階段，運動負荷的大小決定著機體機能對能量大小的需求［6］.負荷強度小時，機體對能量需求小，機體能量代謝處于動員階段，能量輸出平穩(wěn).隨著運動強度的增加，身體對能量的需求也增加，當(dāng)進入中等負荷強度后，身體能量代謝處于穩(wěn)定階段，能量輸出穩(wěn)定且速率快，所以此階段能量呈現(xiàn)加劇提升趨勢.當(dāng)進入極限負荷后，機體機能進入疲勞期，機體能量代謝也進入疲勞期，能量輸出下降.

2.3 不同運動強度CHO、FAT 能耗實驗結(jié)果

（1）男生CHO、FAT 能耗對比結(jié)果.由圖3可以看出，男生CHO 的機體能耗逐漸增加.其中在75 W 之前實驗組的CHO 能耗是高于對照組的，而在100 W 以后對照組男生CHO 能耗反超實驗組.而且兩組CHO 能耗在100 W以后呈現(xiàn)急劇上升狀態(tài).250 W 的時候只有實驗組成員有CHO 能耗輸出.

圖3 男生CHO 能耗柱狀圖

圖4 男生FAT 能耗柱狀圖

由圖4 可以看出，男生FAT 的機體能耗是先增加后降低.在75 W 之前男生FAT 能耗呈上升趨勢，75 W 以后呈下降趨勢，直至負荷在250 W 時FAT 能耗輸出為0，并且在實驗的全過程中，實驗組FAT 能耗輸出始終高于對照組.

（2）女生CHO、FAT 能耗對比結(jié)果.由圖5可以看出，女生CHO 的機體能耗逐漸增加.并且在測試運動的全過程中，實驗組CHO 能耗輸出始終高于對照組.負荷在50 W 之前女生CHO 能耗輸出增長緩慢且平穩(wěn)，在75 W 以后CHO 能耗呈急劇上升狀態(tài).在175 W 的時候只有實驗組有CHO 能耗輸出.

圖5 女生CHO 能耗柱狀圖

圖6 女生FAT 能耗柱狀圖

圖6 數(shù)據(jù)顯示，隨著運動負荷的增加女生FAT 的機體能耗先增加后降低.在50 W 之前女生FAT 能耗呈上升狀態(tài)，50 W 以后呈下降狀態(tài)，對照組的FAT 輸出在100 W 的時候終止，而實驗組在150 W 的時候終止.并且在實驗運動的全過程中，實驗組女生FAT 能耗輸出始終高于對照組.

在實驗過程中，不管是實驗組還是對照組，隨著運動強度的逐漸增加，身體總能量輸出逐漸增加，同時供能物質(zhì)的供能情況也發(fā)生了改變.由實驗結(jié)果可以看出，男生在負荷強度為75 W 時發(fā)生改變，75 W 之前脂肪供能呈上升趨勢，而且糖供能輸出量較少；75 W 之后脂肪供能下降，糖供能上升，并且是急劇上升；女生在50 W 的時候發(fā)生改變，50 W 之前脂肪供能呈上升趨勢，50 W 之后脂肪供能下降，糖供能上升.由此可以看出在低負荷運動狀態(tài)下，機體供能主要由脂肪承擔(dān).王昕等在耐力運動對脂代謝的影響研究認為機體在低強度負荷運動時，機體主要能源物質(zhì)是FAT，即 FAT 供能比例較高［7］.王榮輝等指出，在低強度運動時機體的肌氧下降較少，F(xiàn)AT 是主要的供能物質(zhì)，供能方式較為單一［8］.兩位學(xué)者的研究與本研究的結(jié)果一致.

隨著運動強度的上升，機體的能耗輸出主要為糖，由實驗結(jié)果可以看出糖的消耗量在男75 W、女50 W 的運動負荷時出現(xiàn)急劇上升，并且在達到最大負荷強度時機體能耗全部為糖.原因可能是隨著運動強度的上升參與做功的肌群發(fā)生變化，當(dāng)負荷強度小時，做功肌群主要由慢肌完成；當(dāng)負荷強度變大時，做功肌群由慢肌轉(zhuǎn)化為快肌.在低負荷運動時，慢肌纖維較強的氧化能力正好滿足了脂肪代謝對氧的需求；隨著運動負荷的上升，機體供氧能力下降，且肌肉群主要由快肌纖維做功，脂肪代謝不能滿足機體需求，只能轉(zhuǎn)由糖供能［9］.

由實驗結(jié)果可以看出，實驗組的最大負荷強度要高于對照組.實驗組男生最大負荷強度為250 W，對照組男生最大負荷強度為225 W；實驗組女生最大負荷強度為175 W，對照組女生最大負荷強度為150 W.實驗組受試者經(jīng)過長時間的訓(xùn)練，身體的各項指標(biāo)高于對照組.故而實驗組所能承受的最大負荷強度高于對照組.

3 結(jié)論

遞增負荷力竭運動中，能量消耗和底物代謝總特征為：運動員的總能量輸出和CHO消耗量隨著運動強度增加而不斷增加，而FAT 消耗量逐步減少.男子運動負荷在75 W、女子在50 W 時出現(xiàn)最大脂肪（FAT）消耗；之后FAT 消耗下降，糖（CHO）消耗上升，CHO 消耗最大值出現(xiàn)在力竭負荷階段.

在中小強度負荷階段，實驗組成員FAT供能比對照組高，意味著實驗組在該運動階段對CHO 的依賴程度比對照組低，表明實驗組成員在中小強度負荷階段有氧運動能力比對照組強.在大強度負荷階段，實驗組成員FAT 供能下降程度比對照組大，CHO 參與供能比對照組大，而且CHO 參與供能的絕對值也比對照組要高得多，這也就意味著在大強度的運動過程中，實驗組的總能耗顯著高于對照組，具體體現(xiàn)為實驗組在大強度運動中更有力量，持續(xù)時間更長.

對遞增負荷運動中能量消耗情況的研究表明，在不同的運動強度時，身體的能耗速率是不一樣的，可以通過改變運動強度，訓(xùn)練機體能量代謝速率，提高比賽成績.比如在耐力素質(zhì)訓(xùn)練中，可以通過減小負荷強度、增加運動時間的手段提高運動員的能量代謝水平［10］，以增加運動員在中等負荷強度時能量代謝穩(wěn)定期的時間，提高運動員高能量代謝的持續(xù)時間，提升運動員的耐力素質(zhì).

研究表明在低負荷運動時，脂肪是最主要能量輸出；中高負荷運動中脂肪供能下降，糖供能上升；大強度負荷運動時，主要由糖供能.建議定向隊運動員在訓(xùn)練過程中可以根據(jù)負荷強度的不同，來選擇攝入不同的食物.比如定向隊在進行每周的10 公里體能拉練訓(xùn)練中，訓(xùn)練前可以選擇多補充脂肪，多攝入脂肪含量高的食物；在進行“6+2”（600 米+200米）大強度訓(xùn)練時，訓(xùn)練前可以選擇多補充糖，多攝入些淀粉類食物.