張馬森 ,馬沐佳,劉卉
(1.西北工業(yè)大學(xué) 體育部,陜西 西安 710072;2.北京體育大學(xué) 運(yùn)動人體科學(xué)學(xué)院,北京 100084;3.北京體育大學(xué) 中國運(yùn)動與健康研究院,北京 100084)
速度滑冰是冰上項(xiàng)目中歷史最悠久、開展最廣泛的項(xiàng)目,也是冬奧會產(chǎn)生金牌數(shù)目最多的分項(xiàng)。隨著速度滑冰世界紀(jì)錄的不斷刷新,運(yùn)動員正在逼近滑冰速度的極限,其中裝備改進(jìn)對成績提高的貢獻(xiàn)約為50%,剩余50%主要來自運(yùn)動員自身能力的提高(蔡旭旦 等,2020;李博等,2021a; 魏惠琳 等,2019)。作為一項(xiàng)體能主導(dǎo)類項(xiàng)目,速度滑冰對運(yùn)動員的能量供應(yīng)有著非常高的要求。速度滑冰單人項(xiàng)目按照比賽距離分為短距離項(xiàng)目(500 m、1 000 m)、中距離項(xiàng)目(1 500 m)和長距離項(xiàng)目(3 000 m、5 000 m、10 000 m),不同項(xiàng)目的運(yùn)動強(qiáng)度、持續(xù)時間不同,運(yùn)動員的能量供應(yīng)特征也不同,而能量供應(yīng)特征是認(rèn)識專項(xiàng)特征和制定訓(xùn)練計(jì)劃的重要依據(jù)(黎涌明 等,2017;Konings et al.,2015)。針對跑、騎、游、劃等運(yùn)動項(xiàng)目能量供應(yīng)特征的實(shí)測研究,促進(jìn)了人們對這些項(xiàng)目專項(xiàng)特征的認(rèn)識,并在一定程度上使得訓(xùn)練計(jì)劃得到優(yōu)化和運(yùn)動成績得到提升(黎涌明 等,2014,2017)。一般認(rèn)為,短距離速滑運(yùn)動員以無氧供能為主,要求機(jī)體高功率輸出;中距離速滑運(yùn)動員的無氧和有氧供能系統(tǒng)相對均等地協(xié)同供能;長距離速滑運(yùn)動員以有氧供能為主,以恒定的功率輸出更容易取得優(yōu)異成績(李博 等,2021a;米靖,2012; Konings et al.,2015)。但在當(dāng)今決勝于毫厘之間的高水平比賽中,不能僅僅依靠簡單的定性分類,應(yīng)進(jìn)一步量化不同速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)量和供應(yīng)比例,以正確認(rèn)識其專項(xiàng)生理學(xué)特征,科學(xué)合理地制定訓(xùn)練計(jì)劃。
目前,對速度滑冰項(xiàng)目能量供應(yīng)特征的研究非常有限。Astrand 等(1970)研究指出,10 s、1 min、2 min 和4 min大肌肉群參與的全力運(yùn)動中,有氧供能比例分別為20%、30%、50%和70%。Foster 等(2003)研究速度滑冰運(yùn)動員蹬踏1 500 m 功率自行車的能量特征,發(fā)現(xiàn)有氧供能比例約為48%。De Koning 等(1992)通過建立能量模型,提出速度滑冰500 m、1 500 m 和5 000 m 的有氧供能比例分別為18%、46%和68%。上述觀點(diǎn)被運(yùn)動生理學(xué)、運(yùn)動訓(xùn)練學(xué)教材廣泛引用(米靖,2012; 朱志強(qiáng) 等,2010; Powers et al.,2014),也是目前速度滑冰國家集訓(xùn)隊(duì)制定訓(xùn)練計(jì)劃的主要依據(jù),然而這些結(jié)論并不是來自對速度滑冰項(xiàng)目的實(shí)測研究。盡管李博等(2021b)采用磷酸-乳酸-氧氣法對青年速滑運(yùn)動員在短、中距離模擬比賽中的供能比例進(jìn)行研究,但由于受試者競技水平整體偏低,也未區(qū)分男、女運(yùn)動員,所得結(jié)果可能不適用于更高水平運(yùn)動員,也不能推廣到長距離項(xiàng)目。準(zhǔn)確了解運(yùn)動項(xiàng)目的能量供應(yīng)特征是制定訓(xùn)練計(jì)劃的基礎(chǔ),因此本研究旨在通過測量速度滑冰運(yùn)動員在冰上模擬比賽中的能量代謝數(shù)據(jù),確定不同速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)量和比例,為教練員和運(yùn)動員正確認(rèn)識速度滑冰項(xiàng)目專項(xiàng)特征和優(yōu)化訓(xùn)練計(jì)劃提供依據(jù)。
招募15 名一級水平以上速度滑冰男運(yùn)動員作為研究對象[年齡(22.2±2.1)歲,身高(178.3±5.7) cm,體重(72.4±7.3) kg,訓(xùn)練年限(8.3±3.3)年],所有受試者半年內(nèi)無傷病,且自愿參加測試。受試者根據(jù)自己的運(yùn)動能力和參賽項(xiàng)目選擇2~3 個項(xiàng)目,分別有8、8、12、7 名運(yùn)動員參加500 m、1 000 m、1 500 m 和5 000 m 的速度滑冰模擬比賽。
受試者在一周內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行速度滑冰模擬比賽,每兩次測試間隔一天,測試當(dāng)天保持正常飲食,且進(jìn)食離測試時間≥2 h,測試期間只進(jìn)行恢復(fù)性訓(xùn)練。根據(jù)教練員的建議,為抵消佩戴呼吸面罩對模擬比賽成績的影響,在500 m、1 000 m、1 500 m、5 000 m 速度滑冰模擬比賽時分別由其他隊(duì)員領(lǐng)滑0.5、1、1、3 圈。
受試者充分進(jìn)行陸上熱身后,穿著自己的比賽服和冰鞋在冰場進(jìn)行10 min 的準(zhǔn)備活動。期間測試人員按照標(biāo)準(zhǔn)流程對便攜式心肺功能測試儀(MetaMax 3B,Cortex Biophysic,萊比錫,德國)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)預(yù)熱、空氣校準(zhǔn)、流量校準(zhǔn)和氣體校準(zhǔn)。受試者完成準(zhǔn)備活動后安靜休息5 min,佩戴心率表和與個人臉型貼合的呼吸面罩,并進(jìn)行漏氣檢查。測試開始前,受試者先在安靜狀態(tài)下呼吸1 min,待通氣水平穩(wěn)定后開始正式測試。按照比賽規(guī)則,受試者做好準(zhǔn)備姿勢,在聽到發(fā)令槍響后進(jìn)行模擬比賽。受試者采用自主節(jié)奏策略,并得到教練員的口頭鼓勵,以盡可能地模擬比賽的真實(shí)情況。使用心率表(Polar RS800CX,F(xiàn)inland)監(jiān)控受試者的心率。使用便攜式心肺功能測試儀收集運(yùn)動員模擬比賽過程中及比賽后6 min 的呼吸氣體。模擬比賽前及比賽后1、3、5、7、10 min 采集指尖血10 μL,使用乳酸分析儀(Biosen S-line lab,EKF Diagnostic,巴爾萊本,德國)檢測血乳酸濃度。
采用基于三大能源系統(tǒng)的能量供應(yīng)計(jì)算方法(磷酸-乳酸-氧氣法)(黎涌明,2013)計(jì)算不同速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)量和比例。該方法根據(jù)運(yùn)動后氧債的快速部分、運(yùn)動中累計(jì)血乳酸和運(yùn)動中累計(jì)攝氧量對磷酸原系統(tǒng)、糖酵解系統(tǒng)和有氧氧化系統(tǒng)的能量供應(yīng)量進(jìn)行計(jì)算。三大供能系統(tǒng)的能量計(jì)算公式為:磷酸原系統(tǒng)供能量=氧債快速部分(mL)×能量當(dāng)量(J·mL-1);糖酵解系統(tǒng)供能量=乳酸凈增量(mmol·L-1)×O2-乳酸換算系數(shù)(mL·kg-1·mmol·L-1)×體重(kg)×能量當(dāng)量(J·mL-1);有氧氧化系統(tǒng)供能量=運(yùn)動攝氧量(mL)×能量當(dāng)量(J·mL-1);總能量等于三大供能系統(tǒng)能量供應(yīng)量的總和。其中,氧債的快速部分為運(yùn)動后前3 min 的實(shí)際攝氧量減去由后3 min的實(shí)際攝氧量曲線倒推前3 min 所得到的攝氧量(即快速部分=前3 min 實(shí)際攝氧量-前3 min 慢速部分)(黎涌明等,2018)。當(dāng)呼吸商>1.0 時,能量當(dāng)量為1 mL 氧氣所產(chǎn)生的熱量(21.131 J)(黎涌明 等,2018)。氧氣-乳酸換算系數(shù)為3.0 mL·mmol/L-1·kg-1。本研究統(tǒng)一選取4.0 mL·min-1·kg-1的安靜攝氧量(黎涌明 等,2018)。
采用非參數(shù)Kruskal-Wallis 單因素方差分析法對運(yùn)動員在不同速度滑冰項(xiàng)目的生理學(xué)特征、能量供應(yīng)量和比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,P<0.05 表示主效應(yīng)有顯著性,P<0.017表示相鄰組間的后繼檢驗(yàn)有顯著性,統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 20.0 軟件(SPSS,Chicago,IL,USA)完成。
滑冰距離對運(yùn)動員的峰值攝氧量(P<0.001)、相對峰值攝氧量(P<0.001)、累計(jì)攝氧量(P<0.001)、峰值血乳酸(P=0.012)影響的主效應(yīng)顯著。后繼檢驗(yàn)結(jié)果顯示,峰值攝氧量、相對峰值攝氧量隨著滑冰距離的增加逐漸增加,但僅在1 000 m vs 500 m(P=0.002,P<0.001)時表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。累計(jì)攝氧量隨著滑冰距離的增加依次增加(P≤0.002)。最大心率隨著滑冰距離的增加呈現(xiàn)增加的趨勢,但相鄰組間差異不顯著(P>0.017)。峰值血乳酸隨著滑冰距離的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,在1 500 m比賽結(jié)束后血乳酸濃度最高,但相鄰組間差異不顯著(P>0.017,表1)。
表1 不同速度滑冰項(xiàng)目的生理學(xué)特征Table 1 The Physiological Characteristics in Different Speed Skating Races
滑冰距離對總能量絕對值(P<0.001)、相對值(P<0.001)影響的主效應(yīng)顯著。后繼檢驗(yàn)結(jié)果顯示,總能量絕對值隨著滑冰距離的增加依次增加(P<0.001),總能量相對值隨著滑冰距離的增加依次降低(P≤0.002)?;嚯x對磷酸原系統(tǒng)能量供應(yīng)量影響不顯著,對糖酵解系統(tǒng)(P=0.012)、有氧氧化系統(tǒng)(P<0.001)能量供應(yīng)量影響的主效應(yīng)顯著。后繼檢驗(yàn)結(jié)果顯示,糖酵解系統(tǒng)能量供應(yīng)量隨著滑冰距離的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,但相鄰組間差異不顯著(P>0.017),有氧氧化系統(tǒng)能量供應(yīng)量隨著滑冰距離的增加依次增加(P<0.001)?;嚯x對三大能源系統(tǒng)能量供應(yīng)量相對值影響的主效應(yīng)顯著(P<0.001)。后繼檢驗(yàn)結(jié)果顯示,磷酸原系統(tǒng)(P≤0.013)、糖酵解系統(tǒng)(P≤0.001)能量供應(yīng)量的相對值隨著滑冰距離的增加依次降低,有氧氧化系統(tǒng)能量供應(yīng)量的相對值在500 m 至1 000 m 時顯著增加(P=0.002),在之后相鄰組間無顯著差異(P>0.017,表2)。
表2 不同速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)量和比例Table 2 The Energy System Contributions and Proportion in Different Speed Skating Races
滑冰距離對三大能源系統(tǒng)供能比例影響的主效應(yīng)顯著(P≤0.002)。后繼檢驗(yàn)結(jié)果顯示,磷酸原系統(tǒng)的供能比例在500 m 至1 000 m 時無明顯變化(P=0.030),在之后相鄰組間顯著降低(P<0.003),糖酵解系統(tǒng)的供能比例隨著滑冰距離的增加依次降低(P≤0.001),有氧氧化系統(tǒng)的供能比例隨著滑冰距離的增加依次增加(P<0.001,表2)。
有氧供能比例與全力滑冰時間的最佳回歸方程為y=22.807·ln(x)-58.046,R2=0.992(圖1)。根據(jù)該方程可得,速度滑冰10 000 m 中(960 s,國家一級運(yùn)動員成績標(biāo)準(zhǔn))有氧供能比例為98.57%,冰上項(xiàng)目無氧、有氧供能主導(dǎo)(y=50)的臨界點(diǎn)為114.14 s。
圖1 有氧供能比例與全力滑冰時間的關(guān)系Figure 1.The Relationship between Relative Aerobic Energy Contributions and Skating Time
速度滑冰屬于體能主導(dǎo)類項(xiàng)目,該項(xiàng)目要求運(yùn)動員既要有較高的無氧能力,又要有較高的有氧能力。不同速度滑冰項(xiàng)目對應(yīng)的運(yùn)動強(qiáng)度不同,對運(yùn)動員的生理學(xué)刺激也不盡相同,本研究對速度滑冰運(yùn)動員在模擬比賽中的能量供應(yīng)特征進(jìn)行研究。運(yùn)動員的峰值攝氧量在短距離項(xiàng)目(500 m、1 000 m)比賽間表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,而在中距離(1 500 m)、長距離(3 000 m、5 000 m、10 000 m)比賽間未表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,提示運(yùn)動員在全力運(yùn)動時逐漸克服生理惰性,在1~2 min 后即可激發(fā)有氧代謝潛能,以維持高速滑行。Hettinga 等(2009)對自行車運(yùn)動員不同距離全力騎行的攝氧動力學(xué)研究也表明,全力運(yùn)動2 min足以達(dá)到機(jī)體的最大攝氧量。本研究中,1 500 m 速度滑冰比賽后的血乳酸濃度最高,但相鄰組間差異不顯著。有研究顯示,世界級速度滑冰運(yùn)動員在1 500 m 比賽后的血乳酸濃度明顯高于其他項(xiàng)目(朱志強(qiáng) 等,2010;Konings et al.,2015)。也有研究表明,無氧功率尤其平均無氧功率(反映無氧耐力)是決定速度滑冰1 500 m 比賽成績的主要因素(張馬森 等,2021;Hofman et al.,2017),揭示了糖酵解水平對1 500 m 比賽成績的重要影響,也提示我國運(yùn)動員的糖酵解水平亟待提高。本研究結(jié)果還表明,隨著滑冰距離的增加,總能量依次增加,累計(jì)攝氧量和有氧氧化系統(tǒng)能量供應(yīng)量也依次增加,而磷酸原系統(tǒng)和糖酵解系統(tǒng)的能量供應(yīng)量無明顯變化,表明總能量增加的需求主要通過有氧氧化系統(tǒng)完成。隨著滑冰距離的增加,磷酸原系統(tǒng)和糖酵解系統(tǒng)的能量供應(yīng)量相對值依次下降,有氧氧化系統(tǒng)的能量供應(yīng)量相對值呈上升趨勢,表明三大能源系統(tǒng)的供能效率依次下降,同時無氧供能的比重下降,有氧供能的比重提高,這與賽艇、跑步等運(yùn)動項(xiàng)目的研究結(jié)論一致(黎涌明 等,2017;Duffield et al.,2005b)。
本研究結(jié)果顯示,隨著滑冰距離的增加,磷酸原系統(tǒng)供能比例由32.28%降至6.19%,糖酵解系統(tǒng)供能比例由43.83%降至9.43%,有氧氧化系統(tǒng)供能比例由23.89%增至81.39%,進(jìn)一步說明有氧供能對中、長距離速度滑冰項(xiàng)目的重要性。本研究不同速度滑冰項(xiàng)目500 m、1 000 m、1 500 m、5 000 m 的有氧供能比例分別為23.89%±2.13%、42.04%±2.58%、54.36%±3.42%、81.39%±4.52%,明顯高于Astrand等(1970)、Foster等(2003)和Koning等(2002,2015)的研究結(jié)果。Astrand 等(1970)假設(shè)受試者的能量利用效率為25%,但針對速度滑冰項(xiàng)目的研究表明,速度滑冰運(yùn)動員的能量利用效率約為15%(Foster et al.,2003; Koning et al.,2005)。有氧供能比例是有氧氧化系統(tǒng)能量供應(yīng)量與總能量的商,對能量利用效率的高估會導(dǎo)致有氧供能比例的低估。Foster 等(2003)的研究明確了速度滑冰運(yùn)動員蹬踏功率自行車的有氧供能比例,但由于運(yùn)動方式和能量利用效率不同,與冰上滑行的有氧供能比例存在差異。De Koning 等(1992)建立的能量模型沒有考慮疲勞對動作技術(shù)、乳酸堆積和比賽成績的影響,使得計(jì)算的有氧供能比例存在偏差。李博等(2021b)采用與本研究同樣的實(shí)驗(yàn)方法測量了青年男、女速度滑冰運(yùn)動員在短、中距離模擬比賽中的能量供應(yīng)特征,有氧供能比例整體上略高于本研究。分析其中原因,一方面可能是由于并未對男、女運(yùn)動員進(jìn)行分組,而女運(yùn)動員的運(yùn)動時間、有氧供能比例高于男運(yùn)動員(Duffield et al.,2005a,2005b),導(dǎo)致男、女運(yùn)動員整體統(tǒng)計(jì)時有氧供能比例偏高;另一方面,受試者的年齡較小,運(yùn)動成績較差,而有氧供能比例與運(yùn)動時間密切相關(guān),水平越低的運(yùn)動員滑行同樣的距離耗時更長,有氧供能比例更大。鮮見針對長距離速度滑冰項(xiàng)目能量供應(yīng)特征的實(shí)測研究,因此,很難將本研究5 000 m 模擬比賽中能量供應(yīng)結(jié)果與他人的冰上項(xiàng)目研究進(jìn)行對比,而只能與耗時相似的其他運(yùn)動項(xiàng)目進(jìn)行比較。黎涌明等(2017)對賽艇運(yùn)動員模擬賽艇2 000 m 比賽中的能量供應(yīng)特征研究顯示,其有氧供能比例為83%±3%。Duffield 等(2005b)對3 000 m 跑的能量供應(yīng)特征研究顯示,有氧供能比例為93%±7%。本研究中速度滑冰運(yùn)動員在5 000 m 模擬比賽的成績?yōu)?80.33±27.93 s,有氧供能比例為81.39%±4.52%,低于上述運(yùn)動項(xiàng)目。
速度滑冰項(xiàng)目無氧、有氧供能主導(dǎo)的臨界點(diǎn)高于其他運(yùn)動項(xiàng)目。黎涌明(2013)通過分析39 篇文獻(xiàn)的156 個供能比例數(shù)據(jù)(涉及跑步、游泳、自行車、賽艇和皮劃艇項(xiàng)目),得出有氧供能比例與最大運(yùn)動時間成對數(shù)關(guān)系,當(dāng)最大運(yùn)動時間>74.4 s時,有氧供能比例>50%,能量供應(yīng)以有氧供能為主,但該綜述中并不包含冰上項(xiàng)目,而冰上項(xiàng)目與其他運(yùn)動項(xiàng)目存在較大區(qū)別。本研究基于有氧供能比例與最大運(yùn)動時間呈對數(shù)關(guān)系以及不同速度滑冰項(xiàng)目對應(yīng)的有氧供能比例,擬合了全力滑冰時間與有氧供能比例的方程式(R2=0.992)。雖然本研究沒有測量運(yùn)動員在更長距離比賽時的能量供應(yīng)特征,但根據(jù)該方程可得速度滑冰10 000 m 的有氧供能比例為98.57%,冰上項(xiàng)目無氧、有氧供能主導(dǎo)的臨界點(diǎn)為114.14 s,明顯高于其他運(yùn)動項(xiàng)目(74.4 s)。冰上滑行時運(yùn)動員的蹲屈姿勢使得腿部的張力持續(xù)時間比其他運(yùn)動項(xiàng)目更長,低姿態(tài)滑行導(dǎo)致的血流限制增加了對無氧供能的需求(Konings et al.,2015),同時冰上運(yùn)動時難以激發(fā)最大有氧代謝潛能,達(dá)到的峰值攝氧量明顯低于跑步、功率自行車等項(xiàng)目(Kandou et al.,1987;Van et al.,1983a),這些因素可能導(dǎo)致速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)特征與其他運(yùn)動項(xiàng)目不同。雖然不同的能量供應(yīng)計(jì)算方法(楊俊超 等,2022;Duffield et al.,2005b)、競技水平(Nummela et al.,1995)等因素可能造成不同研究中相同運(yùn)動時間對應(yīng)的有氧供能比例存在一定差異,但基于跑步、自行車等項(xiàng)目的能量特征研究表明運(yùn)動方式并不影響全力運(yùn)動中的有氧供能比例(黎涌明 等,2016)。本研究結(jié)果表明,冰上全力運(yùn)動的有氧供能比例低于其他運(yùn)動項(xiàng)目,無氧、有氧供能主導(dǎo)的臨界點(diǎn)高于其他運(yùn)動項(xiàng)目,因此不同運(yùn)動方式的能量供應(yīng)比例可能不同,不同項(xiàng)目的教練員在制定訓(xùn)練計(jì)劃時應(yīng)以本項(xiàng)目的能量供應(yīng)特征為依據(jù)。
本研究存在一定的局限性。首先,僅呈現(xiàn)了男運(yùn)動員在不同速度滑冰項(xiàng)目中的能量供應(yīng)特征,雖然女運(yùn)動員的能量供應(yīng)相對值與男運(yùn)動員沒有差異,但在生理學(xué)特征和能量供應(yīng)絕對值等方面存在差異(Duffield et al.,2005a,2005b; Van et al.,1983b),此外,頂尖水平運(yùn)動員往往表現(xiàn)出不一樣的運(yùn)動特征(田慧 等,2021),今后應(yīng)進(jìn)一步探究不同水平男、女速度滑冰運(yùn)動員不同距離比賽時的能量供應(yīng)特征。
速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)特征與其他運(yùn)動項(xiàng)目不同,不同速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)特征也不同。速度滑冰項(xiàng)目的有氧供能比例低于其他運(yùn)動項(xiàng)目,無氧、有氧供能主導(dǎo)的臨界點(diǎn)高于其他運(yùn)動項(xiàng)目。隨著滑冰距離增加,單位時間的能量供應(yīng)量降低,但累計(jì)攝氧量和總能量需求增加,且這個需求主要通過有氧氧化系統(tǒng)完成。隨著滑冰距離增加,磷酸原系統(tǒng)和糖酵解系統(tǒng)供能比例依次降低,有氧氧化系統(tǒng)供能比例依次增加。
在實(shí)踐中教練員可根據(jù)各項(xiàng)目的能量供應(yīng)特征和有氧供能比例與全力滑冰時間的量化關(guān)系制定和優(yōu)化訓(xùn)練計(jì)劃。其中短距離項(xiàng)目以無氧能力訓(xùn)練為主,中、長距離項(xiàng)目以有氧能力訓(xùn)練為主,隨著滑冰距離增加,逐漸增加有氧能力訓(xùn)練的比例,隨著競技水平提高,逐漸增加無氧能力訓(xùn)練的比例。目前,對速度滑冰項(xiàng)目能量供應(yīng)的認(rèn)識整體低估了有氧供能的作用,有氧能力是供能能力的基礎(chǔ),各項(xiàng)目中都應(yīng)適當(dāng)增加有氧能力訓(xùn)練的比例。本研究結(jié)論有助于教練員和運(yùn)動員更加清晰地認(rèn)識不同速度滑冰項(xiàng)目的能量供應(yīng)特征,為科學(xué)合理安排訓(xùn)練提供依據(jù)。