從能量角度探討高強度間歇訓(xùn)練在高校短跑訓(xùn)練中的意義①

李杰 梁偉嫦 潘紅英 黃橋賢

(華南師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院 廣東廣州 510006)

高強度間歇訓(xùn)練（High intensive interval training，HIIT）是發(fā)展有氧、磷酸鹽和無氧糖酵解供能混合代謝系統(tǒng)的供能能力，以及無氧糖酵解供能系統(tǒng)的供能能力的一種重要訓(xùn)練手段。近年來，HIIT因其省時高效的特點逐漸受到普通人群和高水平運動員的青睞，與此同時，眾多學(xué)者對它的認(rèn)識也不斷深入。黎勇明總結(jié)多篇文獻并提出HIIT是以大于或等于無氧閾或最大乳酸穩(wěn)態(tài)的負(fù)荷強度進行多次持續(xù)時間為幾秒到幾分鐘的練習(xí)，且組間間歇時間有限，安排使練習(xí)者不足以完全恢復(fù)的靜息或低強度練習(xí)[1-2]；在該訓(xùn)練中，通常能使訓(xùn)練者的心率達(dá)到190次/min左右，能量代謝主要動用的是磷酸鹽系統(tǒng)及無氧糖酵供能系統(tǒng)。

在關(guān)于HIIT的研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞如肥胖等慢性病、高水平運動員、動物實驗和血液研究等方面開展，發(fā)現(xiàn)HIIT有眾多益處。不論是在普通人群中（包括健康及患有相關(guān)健康疾病的人群）還是在有較高運動水平人群或?qū)I(yè)運動員中，研究人員均發(fā)現(xiàn)HIIT要比其他運動模式（包括中強度間歇、持續(xù)性有氧運動等）在改善心肺適應(yīng)性、運動能力、心血管功能等方面起到明顯的效果，并且均無急性損傷的報告[3-9]。

綜上所述，學(xué)者們嘗試從不同角度、不同群體來探討、發(fā)現(xiàn)并解釋高強度間歇訓(xùn)練的獨特之處，總結(jié)得出了高強度間歇訓(xùn)練的普遍益處的同時，也給出了一系列具有特定群體特點的發(fā)現(xiàn)或結(jié)論。但是，卻鮮有學(xué)者嘗試從能量消耗的角度對高強度間歇訓(xùn)練進行探討。

而關(guān)于如何提高能量的利用效率，實現(xiàn)運動中的能量節(jié)省化這一問題，一直是各教練員及運動員所追求的，同時也是學(xué)者們探討的熱點話題。同時，相較于田徑中的中長跑和長跑這些耐力項目來說，高強度間歇訓(xùn)練法在短跑領(lǐng)域的開展似乎并沒有受到大家太多的關(guān)注，其效果及作用也就無從談起了。因此，如果能將該方法與短跑訓(xùn)練相結(jié)合，便能改善短跑運動員的能量儲備能力或利用效率，或?qū)樘骄咳绾翁岣叨膛艹煽兲峁┮粋€新的思路和新的途徑。

在衡量高強度間歇訓(xùn)練的研究中，心率和血乳酸是兩項重要的指標(biāo)。吳瑕等人[10]認(rèn)為，作用在運動員身上的外部負(fù)荷能引起其機體的生理變化。通常，大多數(shù)引起這些變化的相關(guān)指標(biāo)都只能通過實驗研究測定，但心率指標(biāo)卻因其實用、易監(jiān)測且無創(chuàng)傷性的特點而有所不同。所以，其他實驗指標(biāo)從及時性和實用性來說都不及心率，因此，心率便成為評價運動強度常用的指標(biāo)。但是，在用心率指標(biāo)衡量運動強度的時候，大多數(shù)學(xué)者往往忽略了個體差異的存在，為了減少由個體差異所帶來的影響，該研究將采用運動強度值I=（運動后心率-安靜心率）/（最大心率-安靜心率）來衡量運動員達(dá)到的運動強度（I∈[0,1]）。

除此以外，有研究表明[11-12]，最大心率、次最大心率（達(dá)到85%最大心率值時的心率）由于受不同程度的訓(xùn)練狀況或者測定方式的影響，其數(shù)值具有很大的不穩(wěn)定性，還與個人的身體狀況密切相關(guān)，從而造成心率的失真和指導(dǎo)訓(xùn)練的局限性。所以在訓(xùn)練實踐中還需要把心率指標(biāo)與其他生理生化指標(biāo)相接合來實施訓(xùn)練和調(diào)控運動強度。由于血乳酸是無氧糖酵解供能系統(tǒng)的產(chǎn)物之一，同時血乳酸和心率之間還存在著高度的相關(guān)性[13]，是間接衡量此高強度間歇訓(xùn)練中受試運動員能量代謝變化及反映運動員機體疲勞及恢復(fù)情況的不二選擇。因此，在高強度運動監(jiān)控時，配合使用了血乳酸指標(biāo)。

總之，關(guān)于高強度間歇訓(xùn)練的優(yōu)勢之處，前人已做了大量對比研究并得到了驗證。但鑒于高強度間歇訓(xùn)練在短跑領(lǐng)域的應(yīng)用情況，該研究主要集中探討此種訓(xùn)練模式對從事短距離項目的高校田徑運動員所能帶來的益處，并嘗試從能量的角度去深入解析其運作規(guī)律，從而為高校田徑運動隊短距離項目訓(xùn)練提供科學(xué)的理論依據(jù)，并為提高運動員的運動成績提供新的訓(xùn)練思路。

1 研究對象

該研究選取華南師范大學(xué)田徑隊5名新入隊的男性運動員（專項為短跑項目的體育教育專業(yè)學(xué)生，均為國家二級運動員）作為受試對象。無科學(xué)系統(tǒng)的訓(xùn)練經(jīng)歷，無遺傳病史，身體各項機能正常，入隊成績經(jīng)單樣本t檢驗，P＞0.05，即無顯著性差異。表1為運動員基本情況。

2 研究方法

2.1 實驗主要測試儀器

該研究主要運用到的測試儀器包括：用于心率監(jiān)控的運動心率監(jiān)測系統(tǒng)Polar表（芬蘭）、便攜式血乳酸儀、秒表（控制訓(xùn)練強度）。

2.2 測試方法

在實驗前獲取運動員相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括身高、體重、安靜時心率、最大心率、運動經(jīng)歷等），進行實驗設(shè)計，并進行為期1周的預(yù)實驗，以實驗高強度間歇訓(xùn)練的方案的可行性（確定方案中訓(xùn)練的天數(shù)、時間、訓(xùn)練強度等），再結(jié)合預(yù)實驗情況調(diào)整正式實驗時高強度間歇訓(xùn)練計劃。

正式實驗訓(xùn)練方法為：8組200m間歇跑，組間休息1min，每周3次，強度因人而異但相對一致且在平均應(yīng)達(dá)運動強度值區(qū)間范圍。在訓(xùn)練后的第2周、第6周、第16周收集相關(guān)數(shù)據(jù)。測試時，受試者在研究隊伍成員的幫助下佩戴好Polar心率表，并時刻記錄好受試運動員的安靜心率、每次運動后的心率等心率數(shù)據(jù)。此外，在受試者安靜和運動后3～5min內(nèi)，對受試者進行指尖末端取血（每次采集血樣的具體操作方法為：先用沾有酒精的棉球?qū)κ茉囌呤种高M行消毒，然后再用干棉球擦拭，而后擠壓手指扎取血液，待血液流出后迅速用已調(diào)好的便攜式乳酸儀對其進行測試并時刻記錄數(shù)值）。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，利用Excel和SPSS 25.0對受試運動員在心率、血乳酸水平、運動成績與自我感受等方面的數(shù)據(jù)進行前后差異的比較。

3 研究結(jié)果

從表2可以看到，大部分運動員在前兩次測試中實際運動強度值都能達(dá)到所預(yù)定的運動強度（即平均應(yīng)達(dá)運動強度值）。另外，該數(shù)值隨著訓(xùn)練的進行呈現(xiàn)出下降趨勢，到第三次訓(xùn)練時該數(shù)值均小于或等于平均應(yīng)達(dá)到的運動強度值。

利用3次實際運動強度值數(shù)據(jù)進行運動員自身縱向分析，經(jīng)配對樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，無顯著性差異（P＞0.05），即運動員間3次實際運動強度值總體呈下降的趨勢沒有統(tǒng)計學(xué)差異；而在次數(shù)間的比較分析發(fā)現(xiàn)，第一、二次間P=0.096，第一、三次間P=0.004，第二、三次間P=0.039。即除第一、二次間無顯著性差異外（P＞0.05），第一、三次間變化存在極顯著性差異（P＜0.01），第二、三次間變化存在顯著差異（P＜0.05）。

由此可見，高強度間歇跑能提高運動員機體運動能力，實際運動強度值的變化間接反映出能量消耗往“節(jié)省化”方向發(fā)展，表現(xiàn)為受試者能夠更加輕松地以相同的速度要求去完成相同的訓(xùn)練內(nèi)容，同樣的訓(xùn)練內(nèi)容對心臟的刺激也有所減小。

表3顯示了3次測試血乳酸平均值的變化情況，存在一定個體差異。對安靜值進行單樣本t檢驗（檢驗值=2），P=0.452，說明這5名受試者的安靜血乳酸與一般健康人安靜時正常的血乳酸值（2mmol/L）無顯著差異。在3次訓(xùn)練中，除受試者A、E平均值較高外（達(dá)到20mmol/L左右），其余均在14～19mmol/L之間，且隨著訓(xùn)練的進行，數(shù)值呈現(xiàn)出下降趨勢。

利用3次血乳酸平均值進行運動員自身縱向分析，經(jīng)配對樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)P＞0.05沒有顯著性差異，與表2結(jié)果一致；而在次數(shù)間的比較分析同樣與表2結(jié)果相似，除第一、二次間（P＞0.05）沒有顯著性差異外，第一、三次和第二、三次（P＜0.05）訓(xùn)練間均存在顯著性差異（P值分別為：P=0.293，P=0.024，P=0.010）。

由此可見，在高強度間歇跑的干預(yù)下，對機體清除乳酸，節(jié)省能量消耗的能力上有明顯的正向影響，受試者在完成相同訓(xùn)練任務(wù)后的疲勞程度相較于實驗初期有明顯降低，疲勞恢復(fù)的速度也得到加快。

4 分析與討論

4.1 心率與能量消耗

通常，心率被認(rèn)為是判斷運動訓(xùn)練強度的可靠性指標(biāo)[14]和測定能量代謝的指標(biāo)[15]。借助心率的變化特點，在該種運動模式下運動員能量代謝的特點也便能被間接地反映出來。而且，目前的心率測試非常簡便，易操作，加上測試的無創(chuàng)性，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各訓(xùn)練隊的訓(xùn)練甚至是比賽中，大大減少了人為因素所帶來的不利影響，提高用心率來衡量運動強度的準(zhǔn)確性[16]。但是，用傳統(tǒng)的心率監(jiān)測方法來檢測運動強度存在弊端，不能很好地減少個體差異[17]。因此，該研究采用已被芬蘭學(xué)家Karvone所驗證的運動強度值來衡量受試者的運動強度負(fù)荷，用此方法來衡量運動強度負(fù)荷要比用最大攝氧量百分比表示法準(zhǔn)確度高10%[18]。從結(jié)果來看，通過高強度間歇訓(xùn)的干預(yù)，受試者的平均運動強度值均呈下降趨勢，且在后期訓(xùn)練中相同負(fù)荷的訓(xùn)練已不能達(dá)到預(yù)期的運動強度，尤其是第三次測試，與第一次測試相比運動強度值有了極顯著的變化（P＜0.01），說明受試者的運動能力得到提升，心率明顯降低，每搏輸出量增加[19]。由此可見，高強度間歇訓(xùn)練對人體心臟有較大的的刺激，對增強心臟的泵血功能效果顯著[20]，這不僅與心臟中miRNA差異表達(dá)的誘導(dǎo)有關(guān)[21]，還可能與心臟附近血管的彈性增大有關(guān)，從而減少其外周阻力。但需要指出的是，運動時，心率的降低和每搏輸出量的增加是具有積極意義的。首先，陸柳等人[22]通過數(shù)學(xué)建模的方法，從函數(shù)關(guān)系式中揭示了心輸出量與每搏輸出量和心率的關(guān)系。她指出，心率在90次/min以下時每搏輸出量的變化不大。但當(dāng)心率大于90次/min時，隨著心率的增加，每搏輸出量在不斷減少，當(dāng)心率達(dá)到150次/min時，每搏輸出量下降到60%左右。在高強度間歇訓(xùn)練中，受試者心率至少在160次/min左右，每搏輸出量的下降幅度甚至更大。由此可見，通過訓(xùn)練來提高每搏輸出量在提高營養(yǎng)、能量物質(zhì)、氧氣等物質(zhì)的輸出能力上具有重要意義，從而確保機體持續(xù)完成高強度的運動訓(xùn)練。

其次，與曹文玲HIIT90組的研究結(jié)果（心率變化）類似[23]。心率變化的表象可能暗示著高強度間歇跑對增強迷走神經(jīng)的興奮性有正向意義，可能與其節(jié)后神經(jīng)末稍乙酰膽堿的釋放增加及心肌細(xì)胞膜上的M型乙酰膽堿受體數(shù)量增加有關(guān)，從而提升細(xì)胞膜上K+通道的通透性，促進K+的外向流動，使得心肌細(xì)胞靜息電位與閾電位間的差距加大，心肌興奮性的下降從而使得心率降低，有利于能量在心臟跳動上消耗的節(jié)省化。而每搏輸出量的增加可能不僅暗示著能量及其物質(zhì)合成的速率或效率得到提升，還意味著心臟每次搏動能夠消耗更少的能量及其物質(zhì)，從而使得在心臟的每一次搏動中有更多的能量及其物質(zhì)被輸出并提供機體完成相應(yīng)的動作。

綜上所述，心率的降低及每搏輸出量的增加反而意味著能量物質(zhì)在機體中的儲存、合成及分配利用等能力得到改善和提升，而其背后原因不僅與心臟中miRNA的差異表達(dá)有關(guān)，還可能與心臟周圍血管彈性的增加而導(dǎo)致外周阻力的減少及與迷走神經(jīng)的激活有關(guān)。

4.2 血乳酸與能量消耗

此高強度間歇跑訓(xùn)練主要動用的是糖酵解供能系統(tǒng)，Buchheit[24]也提到，在缺少金標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前，氧虧的積累和血乳酸是衡量無氧糖酵解在高強度間歇訓(xùn)練中的貢獻的有效方法。此外借助血乳酸指標(biāo)能間接反映受試者能量消耗特點。從表3可以看出，在3次實驗中，受試者血乳酸含量的變化呈現(xiàn)出與運動強度值相似的變化。

忽略受試者動作優(yōu)化等其他原因，該文僅從能量消耗角度，相對理想化考慮。另外，由于研究對象是復(fù)雜的生命體，不能簡單地套用物理學(xué)上的機械能規(guī)律。因此，在這里由功能定理可知：

其中，F(xiàn)動為用于人體前進的動力，F(xiàn)阻'為人體所需要克服的阻力。

而在該實驗中，由于受試者速度得到控制，可知在前進動力及空氣阻力保持不變（不考慮環(huán)境變化而影響、），同時，在人體對地面的正壓力不變情況下，認(rèn)為摩擦阻力也不變，由能量守恒定律則有總的能量消耗W總，在3次測試中應(yīng)保持不變。那為何在能量守恒的條件下血乳酸值會呈現(xiàn)下降趨勢呢？筆者在此從以下3個方面解釋該研究中所出現(xiàn)的“能量節(jié)省化”的現(xiàn)象。

表1 運動員基本信息（n=5）

表2 實際運動強度值I變化

表3 血乳酸平均值變化（單位：mmol/L）

（1）高強度間歇跑訓(xùn)練不僅可以改善心臟泵血功能，還能夠增強氧化酶的活性，刺激骨骼肌中肌氧恢復(fù)的能力，從而提高組織中的含氧量，促進乳酸的氧化清除從而改善受試者機體的內(nèi)環(huán)境，進一步促進肌氧含量的恢復(fù)[25]。而乳酸清除速率的提升同時可以有兩種解釋：一是乳酸的生產(chǎn)量的減少，二是機體對乳酸清除能力的提升。對于第一種解釋，反映的則是機體供能時對糖類物質(zhì)的有氧氧化分解能力的得到提高，進行無氧糖酵解的物質(zhì)的比率降低。鑒于1mol葡萄糖完全有氧氧化產(chǎn)生30～32molATP，而無氧糖酵解僅產(chǎn)生2molATP，由此可見通過高強度間歇跑訓(xùn)練的干預(yù)，有更多的能量物質(zhì)得到充分利用并轉(zhuǎn)化成能量供機體完成運動，而不是被大量用于產(chǎn)生乳酸卻僅得到相對有限的能量。從能量守恒的角度看，若機體完成一項需要消耗100mol能量的運動時，通過徹底的有氧氧化方式僅需消耗約3.125～3.333mol的能量物質(zhì)，而無氧糖酵解卻需要消耗高達(dá)50mol的能量物質(zhì)才能完成同樣的運動。這提示，高強度間歇訓(xùn)練的干預(yù)在重新分配能量供應(yīng)方式有著不可忽視的效果，消耗更少的能量物質(zhì)以完成相同的運動則正是“能量節(jié)省化”的體現(xiàn)。而對于原因二，體現(xiàn)的則是機體在產(chǎn)生乳酸后進一步對其加工處理能力的提升，即進一步有氧氧化（包括氧化酶等在內(nèi)的相關(guān)酶活性的增強），從而減少酸性物質(zhì)氫離子在體內(nèi)的數(shù)量，從而改善機體抗疲勞的能力，提高機體的耐酸能力。以上兩種情況最終推遲機體在運動中疲勞出現(xiàn)的時間，延緩機體因乳酸堆積而引起的疲勞的程度，有助于受試者在大強度的訓(xùn)練甚至在激烈緊張的高強度比賽環(huán)境中穩(wěn)定發(fā)揮其技術(shù)動作。

（2）肌肉組織的化學(xué)成分發(fā)生變化。如肌肉中肌球蛋白，肌動蛋白等含量的增加有助于提高肌肉的收縮能力，而安靜時肌肉中ATP及其酶活性的增加加快分解及能量供應(yīng)的速度[26-27]。

（3）與機體能量有效利用率的改善有關(guān)（分配到做機械功的能量增加，無用功如產(chǎn)熱等的減少）。對上述關(guān)系式，再進一步深入分析，由功能定理可知人體所耗總能量W總：

由式子（1）和（5）則有：

由上述三式并結(jié)合對心率及血乳酸的討論可推測，通過高強度訓(xùn)練可以提高機體合成并輸出能量的速率，即做有用功的功率P有得到了提升，可見用作機體前進的動力F動實際上是增加的，在實際中表現(xiàn)為受試運動員奔跑時的力量得到增強，也即教練員常說的“跑的更有力了”；而由能量守恒可知，P無減小，而在這里，由于速度得到控制因而認(rèn)為保持不變，即人體所需克服的空氣阻力不變，而摩擦阻力卻變小。由式子（4）可知，是人體對地面的正壓力減少了，由此可見，在訓(xùn)練后期，運動員跑動中的動作技術(shù)得到改善：在向前奔跑時，地面對人體的反作用力與水平面的夾角減小，從而使得水平分力增加，也促進了動力F動的增加，在實際中表現(xiàn)為受試運動員跑得“更加輕松了，更加有彈性了”。需要指出的是，根據(jù)牛頓第二定律：f=ma。那么在這里，F(xiàn)動的增加卻并未使得增加，豈不與之矛盾？通過進一步分析后便發(fā)現(xiàn)，其實并不然。以單個跑動周期為例，可簡單分為兩個階段：第一階段為動力輸出階段，第二階段為騰空減速階段。根據(jù)沖量定理可知，。在第一階段，雙腳與地面相互作用，從而產(chǎn)生向前的動力，此階段當(dāng)t→0時，，則速度變化→0；而同理，在第二階段水平方向主要為空氣阻力起作用，當(dāng)增加騰空時間，則速度的變化增加。因此，動力階段運動員通過減少與地面接觸時間來減少速度的增加，同時延長騰空階段的時間以增加速度的損失，從而使全程平均速度保持穩(wěn)定。總之，分配到做有用功的比重增加，而分配到做無用功的比重減少，受試者消耗更少的能量物質(zhì)便能取得更大得前進動力。

綜上所述，血乳酸濃度的降低意味著，通過高強度間歇訓(xùn)練，運動員的能量消耗往“節(jié)省化“方向發(fā)展。而所謂的“能量節(jié)省化”，其實是能量物質(zhì)儲存量的增加、合成速率和傳送速率的增加以及分配更加合理化的綜合表現(xiàn)。這樣一來，能量物質(zhì)便能更加快速、高效地被運輸?shù)綑C體有需要的地方，供機體完成高強度的運動訓(xùn)練。

5 結(jié)語與建議

面對安排更加緊密的賽制，激烈的競爭對短距離競賽運動員提出了要求。充足的體能儲備、高效的能量利用及快速的恢復(fù)能力，可能成為高水平競賽中的決定性因素。而高強度間歇訓(xùn)練因其有效地提高心臟泵血功能，刺激骨骼肌中的肌氧恢復(fù)能力，促進乳酸清除，提高安靜時ATP儲存量，改善機體運動時能量合成速率、傳送速率，以及提高能量利用率等作用，不僅有助于提升短跑運動員在途中跑階段保持速度的能力，還有助于運動員在大強度訓(xùn)練甚至在緊張激烈且賽程緊湊的大賽中保持穩(wěn)定甚至高質(zhì)量的發(fā)揮。因此，以年為訓(xùn)練周期的高校隊伍，筆者建議教練員應(yīng)重視該方法在冬訓(xùn)期間的應(yīng)用，為運動員新賽季的開啟及高強度的專項訓(xùn)練打下堅實基礎(chǔ)。同時，高強度間歇訓(xùn)練的比重應(yīng)隨著專項訓(xùn)練的到來而逐漸減少，在進入專項訓(xùn)練后可以考慮將高強度間歇訓(xùn)練與專項訓(xùn)練以一定的比重進行結(jié)合，豐富訓(xùn)練手段；而對于沒有條件進行以年為訓(xùn)練周期的高校運動隊（如以學(xué)期為周期），可考慮在開學(xué)初加大高強度間歇訓(xùn)練的比重，促進學(xué)生運動員身體各項機能的恢復(fù)，并在專項訓(xùn)練期間靈活運用，爭取在短期訓(xùn)練中使學(xué)生運動員達(dá)到較高的競技水平。