遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)對(duì)不同海拔高原人群通氣量與心率變化的影響*

張宇嬌，石 彤，李 婷，黨相琛，陸俊宇，陳學(xué)偉△，馬 強(qiáng)△

（1.天津體育學(xué)院社會(huì)體育與健康科學(xué)學(xué)院，天津 301617；2.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院環(huán)境醫(yī)學(xué)與作業(yè)醫(yī)學(xué)研究所，天津 300050）

高原低壓低氧環(huán)境會(huì)對(duì)身體機(jī)能產(chǎn)生不良影響［1，2］，軍人在高原地區(qū)進(jìn)行與平原相當(dāng)?shù)捏w力勞動(dòng)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度及負(fù)荷強(qiáng)度會(huì)較平原加大［3，4］。目前，我軍只有適用于平原的軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)GJB 1336-92）［5］，沒(méi)有適用于高原的軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致高原軍人在從事體力勞動(dòng)時(shí)，對(duì)勞動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依。為此，研究建立高原軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)實(shí)的需求，非常必要。

通氣量與心率是評(píng)價(jià)體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)的常用指標(biāo)，該二指標(biāo)在平原遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中呈遞增變化特征，負(fù)荷越高通氣量和心率越高，且無(wú)上限值，已被列入國(guó)軍標(biāo)軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)（GJB 1336-92）的評(píng)價(jià)指標(biāo)。我們?cè)O(shè)想，通氣量和心率在高原環(huán)境下也可能成為體力勞動(dòng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。截止目前，有關(guān)通氣量與心率在高原環(huán)境下遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中變化特征的資料較少，為此，我們通過(guò)運(yùn)動(dòng)人體試驗(yàn)，分析不同海拔高原遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中通氣量與心率的變化特征，以此探討其作為高原體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性；同時(shí)，進(jìn)一步探討在高原體力勞動(dòng)中肺功能和心功能的作用。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇3 000 m（林芝）、3 700 m（拉薩）和4 300 m（當(dāng)雄）三個(gè)不同海拔高原駐地的共88名男性青年軍人作為研究的受試者，其中，3 000 m 30人，3 700 m 30人，4 300 m 28人。所有受試者均在高原駐地駐守1年以上，達(dá)到完全習(xí)服程度，且受試者身心健康，無(wú)訓(xùn)練傷病，受試前均簽署知情同意書(shū)并按要求開(kāi)展測(cè)試。測(cè)試時(shí)間在夏季。三個(gè)不同海拔軍人年齡、體重均無(wú)顯著性差異。其基本情況如表1所示。

Tab.1 The basic information of subjects（±s）

Tab.1 The basic information of subjects（±s）

Altitudes（m） Number Age（y） Weight（kg）3 000 30 21.7±1.4 63.7±7.3 3 700 30 21.2±1.7 61.8±5.6 4 300 28 21.6±1.7 61.7±7.5

1.2 研究方法

采用功率自行車（德國(guó)ergoline 100P）進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，受試者在功率自行車上，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷從30 W開(kāi)始，以60 r/min的速度連續(xù)踏車，每5 min增加30 W至下一負(fù)荷，直至受試者不能繼續(xù)堅(jiān)持為止。測(cè)試指標(biāo)包括：通氣量和心率。試驗(yàn)過(guò)程中受試者全程佩戴呼吸面罩和心率表，運(yùn)動(dòng)時(shí)的通氣量采用COSMEDK5運(yùn)動(dòng)肺功能儀（意大利Cosmed公司）、心率用Polar V800心率表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并計(jì)算每一級(jí)各指標(biāo)的平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 不同海拔遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)完成情況

不同海拔遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)完成情況如下表2所示。所有受試者都能完成120 W負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)，之后隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的不斷遞增，不同海拔的相同運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的完成人數(shù)出現(xiàn)明顯差異，且海拔越高，能承受的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷越低。其中，在海拔3 000 m，15人能完成210 W的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，占總?cè)藬?shù)的50%；在海拔3 700 m和4 300 m，僅有5人和2人能完成210 W的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，占總?cè)藬?shù)的16.7%和7%。因此，不同海拔的通氣量和心率的遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)只統(tǒng)計(jì)到180 W。

Tab.2 The number of people completed the incremental exercise at different altitudes

2.2 相同海拔遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)通氣量和心率變化情況

不同海拔遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)通氣量和心率變化特征如表3、表4所示。同一海拔，隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷梯度的增加，受試者的通氣量和心率也會(huì)逐漸增加，且運(yùn)動(dòng)負(fù)荷越大，通氣量和心率越高。在30～180 W運(yùn)動(dòng)負(fù)荷區(qū)間，3 000 m，3 700 m和4 300 m三個(gè)不同海拔，隨著負(fù)荷梯次增高，通氣量和心率也都梯次增高，并且后一負(fù)荷的通氣量和心率明顯高于前一負(fù)荷（P＜0.05）；以180 W作為最高負(fù)荷，該負(fù)荷的通氣量和心率明顯高于之前任何負(fù)荷的數(shù)值（P＜0.05），且各級(jí)負(fù)荷間心率的增幅相似，而通氣量增幅逐漸增大。進(jìn)一步提示，在遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中，通氣量和心率沒(méi)有上限值。

2.3 不同海拔相同負(fù)荷運(yùn)動(dòng)通氣量和心率變化情況

從總體來(lái)看，同一負(fù)荷，海拔越高，受試者的通氣量和心率也越高。在30～180 W運(yùn)動(dòng)負(fù)荷區(qū)間，同一負(fù)荷下，3 700 m的通氣量和心率數(shù)值上高于3 000 m，但無(wú)顯著差異（P＞0.05），而4 300 m的通氣量和心率則顯著高于3 000 m和3 700 m（P＜0.05）。

Tab.3 Changes of heart rates during incremental exercise at different altitudes（beat/min，±s）

Tab.3 Changes of heart rates during incremental exercise at different altitudes（beat/min，±s）

*P＜0.05 vs different load at the same altitude；#P＜0.05 vs 3 000 m；△P＜0.05 vs 3 700 m

Exercise load（W）3 000 m（n=30）3 700 m（n=30）4 300 m（n=28）30 97.9±13.1*97.1±9.6*104.1±9.1*#△60 105.7±13.0*107.2±9.9*115.9±10.0*#△90 121.2±14.8*124.7±10.8*132.3±10.6*#△120 138.1±13.0*139.8±12.8*146.3±10.9*#△150 154.6±13.0*154.7±13.5*161.3±9.7*#△180 167.1±11.3*167.4±12.0*172.2±12.0*#△

Exercise load

（W）3 000 m（n=30）3 700 m（n=30）4 300 m（n=28）

Tab.4 Changes of ventilation during incremental exercise at different altitudes（L/min，±s）

Tab.4 Changes of ventilation during incremental exercise at different altitudes（L/min，±s）

*P＜0.05 vs different load at the same altitude；#P＜0.05 vs 3 000 m；△P＜0.05 vs3 700 m

30 25.14±4.28*28.73±5.57*30.89±5.96*#△60 31.47±6.01*35.75±4.49*40.19±9.05*#△90 42.91±6.86*48.94±7.32*56.32±13.24*#△120 56.45±7.73*62.33±10.63*72.56±17.20*#△150 73.99±11.62*79.36±16.17*95.92±18.79*#△180 92.87±16.79*96.22±18.38*118.85±15.20*#△

3 討論

本文研究發(fā)現(xiàn)，在高原同一海拔的通氣量和心率隨運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的增加而增加，具有顯著性差異，且無(wú)上限值（平臺(tái)期）出現(xiàn)，表明高原低氧情況下，通氣量與心率可用差異明顯的數(shù)值表示不同程度的勞動(dòng)負(fù)荷，兩項(xiàng)指標(biāo)的表現(xiàn)與在平原相同，可作為相同海拔下高原勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于不同海拔相同運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下的通氣量及心率，低海拔3 000 m和3 700 m無(wú)明顯差異，但兩者均與高海拔4 300 m有明顯差異，且海拔越高，通氣量及心率也越高；結(jié)果顯示，通氣量和心率盡管在不同低海拔間不能明顯區(qū)分相同負(fù)荷下勞動(dòng)強(qiáng)度，但對(duì)于低海拔與高海拔間，可明顯區(qū)分相同負(fù)荷下勞動(dòng)強(qiáng)度。

低氧環(huán)境主要通過(guò)影響心肺功能降低勞動(dòng)能力。高原體力勞動(dòng)時(shí)，機(jī)體對(duì)氧攝取量的增加是通過(guò)心輸出量和肺通氣量的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究表明，每搏輸出量隨著進(jìn)駐高原時(shí)間的推移而下降［6］，但機(jī)體通過(guò)調(diào)節(jié)交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)、下調(diào)β腎上腺素受體的敏感性、改變Gs蛋白與腺苷酸環(huán)化酶的耦合反應(yīng)等［7-9］調(diào)節(jié)最大心率，進(jìn)而維持心輸出量的穩(wěn)定。且持續(xù)低氧會(huì)上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-lα），促進(jìn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達(dá)［10］，使肺部血管重塑，肺動(dòng)脈平滑肌增厚。進(jìn)而為機(jī)體提供更多的氧氣，提高肺總體通氣能力［11］。因此，與高原應(yīng)激相比，機(jī)體通過(guò)不斷的低氧刺激，提高其心肺功能對(duì)低氧環(huán)境的適應(yīng)［12］。

在平原最大運(yùn)動(dòng)時(shí)，心輸出量可達(dá)到靜息狀態(tài)下的6倍，肺通氣的最大值可達(dá)到靜息時(shí)的20倍。所以相對(duì)于循環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，呼吸系統(tǒng)具有較大的儲(chǔ)備能力。而對(duì)于高原來(lái)說(shuō)，本研究分析與平原類似：據(jù)此得出，限制勞動(dòng)能力的因素可能不是呼吸系統(tǒng)，而是與心功能密切相關(guān)的循環(huán)系統(tǒng)。本研究結(jié)果與以往研究對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，與平原相比，180 W負(fù)荷下，三個(gè)海拔的通氣量（92.87±16.79）、（96.22±18.38）、（118.85±15.2）L/min均遠(yuǎn)大于平原相同強(qiáng)度的（65.58±11.13）L/min［13］，而三個(gè)海拔的心率（167.1±11.3）、（167.4±12.0）、（172.2±12.0）beats/min則與平原（167.3±12.3）beats/min相差不大［14］。平原軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)GJB 1336-92顯示，肺通氣量＞60 L/min，心率＞169 beats/min，為極重勞動(dòng)強(qiáng)度，由表3、表4可以看出在最高海拔最大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的通氣量（118.85±15.2）L/min遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60 L/min，而心率（172.2±12.0）beats/min則稍高于169 beats/min，表明高強(qiáng)度負(fù)荷下，代表肺功能的通氣量可遠(yuǎn)超平原相同強(qiáng)度，而代表心功能的心率則與平原相同強(qiáng)度相差不大。由此提示，高原低氧環(huán)境下從事高強(qiáng)度體力勞動(dòng)時(shí)，與心功能相比，肺功能發(fā)揮功能的潛力更大，肺功能可能不是高原勞動(dòng)能力的限制因素，心功能是限制因素。

綜上所述，針對(duì)高原軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇，本文采用先進(jìn)設(shè)備，對(duì)近90名軍人進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測(cè)試，檢測(cè)了通氣量和心率兩個(gè)指標(biāo)，通過(guò)分析三個(gè)海拔高原習(xí)服軍人遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中的通氣量和心率的變化特征，發(fā)現(xiàn)不同海拔遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中完成最大負(fù)荷的人數(shù)差異顯著，隨著海拔（高與低）和負(fù)荷的增加，通氣量與心率也顯著增加，證明通氣量和心率作為高原體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的可能性，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在高原體力勞動(dòng)中，肺功能可能不是影響大強(qiáng)度勞動(dòng)輸出的限制因素，而心功能可能是限制因素。研究結(jié)果可為高原地區(qū)體力勞動(dòng)的開(kāi)展提供科學(xué)指導(dǎo)，為下一步制定高原軍事體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。