上坡快走与慢跑过程中能量消耗、脂供能等相关指标变化特征分析

陈 万，张 懿，王海宁，李换平，王林芳，葛新发

上坡快走与慢跑过程中能量消耗、脂供能等相关指标变化特征分析

陈 万1，张 懿2，王海宁1，李换平1，王林芳1，葛新发1

目的：通过对上坡快走与上坡慢跑两种不同运动形式相同速度运动过程中的摄氧量、心率、RPE、核心温度、步频等指标的实时监测，探讨人体在运动过程中相关生理指标的变化特征。方法：选取10名20～25岁的健康男性作为受试者，分别进行上坡快走和上坡慢跑(跑台速度6.4 km/h，坡度10%，运动时间40 min)，采用MOXUS气体分析系统以及核心温度检测系统对受试者的相关生理指标进行实时监测。结果：(1)上坡慢跑与上坡快走相比，20 min后最大摄氧量百分比较高(Plt;0.05)；(2)上坡慢跑与上坡快走相比HR较高，且在25 min后所有时间点均有显著性差异(Plt;0.05)；(3)在20 min后的所有时间点,上坡慢跑与上坡快走相比核心温度较高(Plt;0.05)；(4)上坡慢跑10 min与35 min、40 min的最大摄氧量百分比相比较低(Plt;0.05)；上坡快走10 min最大摄氧量百分比与其他时间点相比较低，但差异不显著(Pgt;0.05)。结论：(1)上坡慢跑比上坡快走心肺反应更为强烈，能量消耗更多，这可能是上坡慢跑过程中步频较高等因素导致；(2)上坡慢跑比上坡快走运动结束时核心温度变化大，这可能与上坡慢跑时运动强度和能量消耗较高有关；(3)在上坡慢跑与上坡快走运动过程中，二者糖消耗基本相同，上坡慢跑过程中总能量消耗较高是由脂肪消耗更多导致。

上坡快走；上坡慢跑；摄氧量；核心温度；能量消耗；步频

相同速度快走与慢跑的研究已经有很多，主要集中在慢跑与快走过程中步态的变化与力学分析以及肌电变化特征分析[1-3]，还有一部分集中在运动过程中人体心肺功能、新陈代谢、主观感觉疲劳程度和能量消耗的研究[4-8]。 Monteiro等[6]用3种速度研究了水平快走与水平慢跑运动过程中，受试者的心肺功能反应；张培珍等人研究显示[9]，在相同的慢跑和快走的速度下，肥胖女性较正常女性在快走与慢跑过程中能量消耗均较高。

但相同速度下上坡走与慢跑的研究则相对较少。为了研究在上坡运动的过程中人体的心肺反应与能量消耗等指标的变化特征，本实验采集了受试者在较长时间上坡快走与上坡慢跑过程中的摄氧量、心率、RPE、能量消耗、核心温度等指标，来解决以下几个方面的问题：上坡快走与慢跑运动后20 min、30 min、40 min与运动后10 min相比较，脂肪分解代谢所占总能量消耗的比率是否上升？核心温度是否上升？RPE是否上升？通过解决以上几个问题探究长时间中等强度的快走与慢跑运动过程中，随着运动持续时间的延长，脂肪的分解代谢率以及脂肪分解代谢总量是否逐步上升，是否伴随核心温度上升，以及RPE的上升是否在可坚持持续运动的范围。从而来判断中低强度运动的后半程是否对减脂减肥的效果更好，也为大众健身人群的健身活动提供一定的理论支持。

1 研究对象与方法

1.1实验对象

共选取10名20～25岁的男性作为本实验的研究对象，所有受试者自愿参加本实验，进行常规体格筛查，选取无运动禁忌或心血管疾病的受试者，正式实验前告知受试者测试方法、程序及注意事项。要求受试者在测试前2天无剧烈运动，签署知情同意书。

表1 受试者基本信息

1.2实验测试

1.2.1 测试方案

为使健身人群的运动强度达到中等运动强度，练艺影等[10]的研究确定20～29岁男性健步走的速度为(111±11)m/min(均值约6.66 km/h)；Davies等[11]为了保证受试者在运动的过程中保持中等强度的有氧运动，选用的运动速度为6.44 km/h。为保证本实验的受试者能够在上坡运动的过程中完成40 min的有氧运动，实验前在6.0～6.6 km/h的速度范围内进行预实验，确定最终实验速度为6.4 km/h。

正式实验前1周测量10名受试者的身高、体重、最大摄氧量(VO2max)，并统计受试者的年龄。

第2周进行上坡慢跑40 min测试，坡度为10%，测试时的速度为6.4 km/h，测试过程中每5 min对受试者的心率(HR)、核心温度(Tc)、主观疲劳感觉(RPE)进行记录，用h/p/cosmos 5.0跑台对受试者测试时的速度与坡度进行控制。用MOXUS气体分析系统测试受试者运动过程中的摄氧量(VO2)、二氧化碳生成量(VCO2)等指标，用系统自带的心率表测量受试者的心率。

第3周进行上坡快走40 min测试，测试速度同样为6.4 km/h，用相同的方法记录受试者的各项指标。

1.2.2 最大摄氧量的测定

实验过程中VO2max的测定采用直接测定法，在h/p/cosmos 5.0跑台进行测试，用MOXUS气体分析系统测定受试者运动过程中各项气体指标，包括VO2、VCO2、呼吸商和心率，测试方案为Bruce方案，最大摄氧量的判定标准：负荷功率继续增加的情况下，摄氧量保持不变甚至稍有下降或出现平台；呼吸商≥1.10；负荷心率 ≥180b/min，当以上3种情况中任何2种情况出现时的VO2可确定为VO2max。

1.2.3 核心温度的测定

通过CorTemp核心温度检测系统对受试者的核心温度进行检测，正式实验前开始2 h，将核心温度胶囊激活，确定测试系统能够测试到核心温度胶囊的温度后，用250 ml温水送服，打开温度测试系统的开关，检测人体的核心温度，在检测过程中，核心温度达到39.9 ℃立即停止测试，保证受试者安全。

1.2.4 能量消耗的计算

运动结束之后计算受试者氧气的消耗量与二氧化碳的生成量，并带入以下能量消耗计算公式进行计算：

糖的氧化量(g) = 4.5850VCO2(L) - 3.2255VO2(L)；

脂肪的氧化量(g) = 1.6946VO2(L) - 1.7012VCO2(L)；

总能量输出(kcal) = [脂肪氧化量(g) × 9 + 碳水化合物氧化量(g) × 4][12-13]。

为方便数据的比较，对数据进行标准化处理，根据以上公式计算结果后，除以受试者的运动时间，得到的单位为(kcal/min)，在张培珍等[9]与王金昊等[14]的论文中应用的单位均为(kcal/min)。

1.2.5 步频的测量

运动过程中每5 min测量1次步频，双脚各迈1次记为1步，以右脚落地为新1步的开始点计数，用秒表测量30步所用时间，然后将结果转化为每分钟的步数作为步频。

1.3数据处理与分析

对组内的不同时间点的结果，用重复性方差进行分析，Post-hoc采用LSD检验；显著性水平定为Plt;0.05，用“#”表示，非常显著性水平定为Plt;0.01，用“##”表示。

2 结果

2.1最大摄氧量百分比强度

图1所示，40 min运动过程中，在30 min、35 min、40 min时这3个时间点上达到的运动强度，用最大摄氧量百分比(%VO2max)表示，上坡快走分别是(62.1±4.5)%VO2max、(62.8±5.2)%VO2max、(63.5±5.8)%VO2max；上坡慢跑分别是(75.4±4.6)%VO2max、(76.3±4.8)%VO2max、(78.8±4.6)%VO2max。在30 min与35 min，上坡慢跑比上坡快走最大摄氧量百分比大(Plt;0.05)；在40 min节点上，上坡慢跑比上坡快走最大摄氧量百分比大(Plt;0.01)。

从组内的比较结果来看，上坡慢跑30 min、35 min比10 min的最大摄氧量百分比大(Plt;0.01)；在上坡快走组中10 min与其他时间点的最大摄氧量百分比没有显著性差异。

图1 运动强度实时测试结果

2.2主观疲劳感觉

图2所示，40 min运动过程中，上坡快走与上坡慢跑各个时间点的RPE均没有差异(Pgt;0.05)。

从组内的比较结果来看，上坡慢跑与上坡快走组中10 min的RPE与其他时间点的RPE相比均有差异(Plt;0.01)。

图2 RPE实时测试结果

2.3心率

图3所示，40 min运动过程中，HR数据分析结果显示，在25 min、30 min、35 min、40 min这四个时间点上，上坡快走(162±11) b/min、(163±11) b/min、(165±10) b/min、(168±9)b/min与上坡慢跑(171±12) b/min、(174±10) b/min、(175±7) b/min、(177±7)b/min相比较小(Plt;0.05)。

从组内的比较结果来看，上坡慢跑与上坡快走组中10 min的HR与其他时间点的HR相比均有差异(Plt;0.01)。

图3 HR实时测试结果

2.4步频

图4所示，40 min运动过程中，步频数据分析结果显示，在5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min这8个时间点上，上坡快走(128.9±4.7)步/分、(131.1±4.2)步/分、(131.0±5.2)步/分、(132.2±5.2)步/分、(133.0±3.9)步/分、(132.9±4.0)步/分、(132.9±4.2)步/分、(133.3±4.0)步/分与上坡慢跑(169.9±5.2)步/分、(173.1±6.3)步/分、(170.9±8.2)步/分、(171.9±8.4)步/分、(171.7±7.5)步/分、(172.2±9.6)步/分、(171.0±7.9)步/分、(171.9±7.6)步/分相比较小(Plt;0.01)。

从组内的比较结果来看，上坡慢跑与上坡快走组中10 min的步频与其他时间点的步频相比均没有差异(Pgt;0.05)。

图4 步频实时测试结果

2.5能量消耗

40 min测试结束之后，运动时总的能量消耗、糖供能及脂肪供能数据分析结果显示(见图5)，上坡快走总的能量消耗(14.97±1.71)kcal/min与上坡慢跑总的能量消耗(16.74±1.93)kcal/min相比较小(Plt;0.01)；上坡快走糖供能(9.79±2.11)kcal/min与上坡慢跑糖供能(10.00±1.9)kcal/min无显著性差异(Pgt;0.05)；上坡快走脂肪供能(5.18±1.83)kcal/min与上坡慢跑脂肪供能(6.74±1.9)kcal/min相比较小(Plt;0.01)。

图5 运动总能量消耗、糖供能及脂肪供能结果

Figure5Totalenergyexpenditure,carbohydratesenergysupplyandfatenergysupplyduringexercise

2.6核心温度

40 min运动过程中，核心温度数据分析结果显示(见图6)，在20 min、30 min、35 min、40 min这4个时间点上，上坡快走(37.27±0.22)℃、(37.52±0.29)℃、(37.64±0.33)℃、(37.73±0.34)℃与上坡慢跑(37.61±0.35)℃、(37.94±0.34)℃、(38.05±0.35)℃、(38.14±0.34)℃相比较小(Plt;0.05)；在25 min时，上坡快走(37.40±0.26)℃与上坡慢跑(37.80±0.29)℃相比较小(Plt;0.01)。

从组内的比较结果来看，上坡慢跑与上坡快走组中10 min的核心温度与其他时间点的核心温度相比均有差异(Plt;0.01)。

图6 Tc实时测试结果

3 分析与讨论

本研究发现在相同的速度6.4 km/h下，坡度为10%时，上坡快走较上坡慢跑VO2低，并在30 min时开始出现显著性差异，另一表示运动强度的指标HR在25 min同样有显著性差异。张培珍等的研究显示[9]，正常女性与肥胖女性，当速度为6.0 km/h时，超重组和正常体重组健步走的VO2都显著低于慢跑的VO2，分别低21.8%和16.7%，这说明在中等速度的情况下运动形式的改变对运动强度是有影响的，且在某些特定速度下慢跑的运动强度要高于快走，本研究认为这种情况同样会出现在上坡快走与上坡慢跑的过程中。本实验的研究结果显示，在运动过程的后10 min，上坡慢跑的运动强度显著高于上坡快走的运动强度。

从能量消耗的角度来看，上坡慢跑时的能量消耗(16.74±1.93)kcal/min和上坡快走(14.97±1.71) kcal/min，二者相比具有显著性差异；相关文献显示[15]，快走过程中，至少有一侧下肢支撑体重，还有双侧下肢同时支撑体重的阶段；慢跑则不同，双侧下肢支撑体重阶段消失，且存在腾空阶段，这就会导致慢跑过程中腿部需要向上发力，使重心上移，进而引起肌肉做功增大，耗氧量增加；此外，上坡慢跑的步频，5 min时间点为(169.9±5.2)步/分，40 min时间点为(171.9±7.6)步/分；而上坡快走的步频，5 min时间点为(128.9±4.7)步/分，40 min时间点为(133.3±4.0)步/分，两者相差约38～41步/分，较高的步频会伴随着较多的上肢运动，从而导致运动强度的升高，也会导致运动时需氧量增加。吴宝平等人的研究显示[16]，与自然行走相比，慢跑时足的蹬伸期明显增长，这会引起肌肉做功增加，因此造成了运动强度及能量消耗的增加。上坡快走与上坡慢跑的糖供能分别是(9.79±2.11)kcal/min与(10.00±1.9) kcal/min；上坡快走与上坡慢跑的脂肪供能分别为(5.18±1.83)kcal/min与(6.74±1.9)kcal/min，这说明总能量消耗的差异主要是脂肪供能差异导致的。相关研究显示[17]，机体内的糖储备有限，完全依靠糖供能仅能维持很短一段时间的持续运动，在较长时间的运动中，机体依赖于糖氧化和脂肪氧化的混合供能。在6.4 km/h的上坡运动中，慢跑较快走的能量消耗高，且这种差异主要是脂肪供能的差异导致的，这对于通过跑步来减肥的人群来说具有一定的现实指导意义。

在Monteiro等人的研究中[6]，男性转换速度的平均值达到了8.1 km/h，测试时间为15 min，明显高于练艺影等人[10]20～29岁男性健步走的推荐速度6.66 km/h。8.1 km/h对应的运动强度属于中高运动强度，受试者在这种运动强度下很难坚持40 min。在张培珍等人的研究中[9]，女性的快走速度达到7.0 km/h，明显高于练艺影等人[10]关于女性中等强度运动的推荐速度5.5 km/h。与以上两个研究相比，在本实验的速度6.4 km/h，坡度10%，速度稍低于转换速度，受试者上坡运动的步频比较接近舒适步频，这会导致能量消耗最小化现象的出现[18-20]，受试者在这种速度和步频下运动的持续时间更长。此外，在本实验40 min运动结束时，上坡快走的RPE为(16±1)，上坡慢跑的RPE为(17±1)，在Borg[21]的主观疲劳感觉评价量表中等级是吃力～非常吃力，该等级被认为是一个可以坚持继续运动的一个等级。仅从锻炼机体有氧能力的角度看，低于转换速度的上坡运动可坚持的运动时间可能更长，运动强度为中等偏上，具有一定的现实指导意义。

上坡快走较上坡慢跑HR在25 min之后均有显著性差异，且上坡慢跑高于上坡快走。HR是反映运动强度的指标，随着运动时间的延长，HR总体呈逐渐增高的趋势。这是由于运动时心输出量因HR和搏出量的增加而增大，在一定范围内，心输出量随HR的升高呈近线性增加。当HR超过(150～160)b/min时，由于心舒期缩短导致静脉回心血量减少，心肌收缩力的增强程度有限，使得搏出量减少，心脏为了进一步满足运动系统对血液的需求就需要通过继续增加HR[22]。 因此较长时间的运动会逐步引起HR的升高，变化速度因运动强度和时间而异，这可能就是导致上坡快走与上坡慢跑在25 min才出现差异的原因。

本研究还发现，在上坡慢跑运动过程中，人体的核心温度与最大摄氧量百分比均上升的较快。人体在常温常湿环境下核心温度的升高反映的是能量消耗的多少，因为人体在运动时肌肉会消耗大量的氧，而这些能量只有不到20%用于肌肉收缩，而大约有75%则用于产生热量，人在进行体力劳动时体内新陈代谢可比安静时增加5到15倍[23]，尽管经机体调节加强了散热的过程，但仍不能保证机体热平衡而导致体温升高。Buckler[24]的研究显示，运动会使人的生长激素的水平发生变化，而且人的运动时间与该激素水平存在着相关的关系，Karagiorgos[25]的研究结果显示，高强度的运动与低强度的运动相比更能够引起相关激素的升高，并且与直肠温度存在着线性相关；上坡慢跑与上坡快走相比，人体的运动强度与核心温度较高，引起的激素反应较强烈，而该激素能够促进能量消耗，使机体摄氧量增高，能量消耗增大；综合以上因素可能就是在上坡慢跑过程中，人体最大摄氧量与核心温度升高较快的原因。

4 结论

综上所述本实验可以得到以下结论：(1)上坡慢跑较上坡快走心肺反应更为强烈，能量消耗更多，这可能是上坡慢跑过程中步频较高等因素导致；(2)上坡慢跑较上坡快走运动结束时核心温度变化较大，这可能与上坡慢跑时运动强度较高以及能量消耗较高有关；(3)在上坡慢跑与上坡快走运动过程中，在运动的初始阶段两种运动形式都是以糖供能为主，随着运动时间的延长，脂肪的功能比例上升，二者糖消耗基本相同，上坡慢跑过程中总能量消耗较高是由脂肪消耗更多导致，长时间中等强度运动的后半程减脂减肥的效果更好。

在较长时间的上坡快走与慢跑运动中，能量消耗量的差异主要是因为上坡慢跑过程中的脂肪消耗量较高导致，且受试者RPE在这两种运动形式下无差异，这对于通过跑步来减肥的人群来说具有一定的现实指导意义。

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(编辑 李新)

CharacteristicAnalysisofChangesofEnergyExpenditure,FatEnergySupplyandOtherRelatedParametersduringbothUphillBriskWalkingandJogging

CHEN Wan1，ZHANG Yi2，WANG Haining1，LI Huanping1，WANG Linfang1，GE Xinfa1

Objective: To study the changes of oxygen uptake, HR,energy expenditure, RPE, Tc (core temperature, Tc), SF (stride frequency, SF) and other related physiological parameters in real-time during uphill brisk walking and uphill jogging with the same speed. Method: 10 healthy males (20-25 yrs old) were randomly selected as subjects to fulfill both uphill brisk walking and jogging (treadmill speed: 6.4km/h, gradient: 10%, time duration: 40min) in the experiment. MOXUS gas analysis system and core temperature detection system were used to collect physiological parameters in real time. Result: (1) After 20min, the percentage of maximum oxygen uptake (%VO2max) of uphill jogging group (UJG) was higher than that of uphill brisk walking group (UBWG) (Plt;0.05). (2) After 25min, the HR of UJG was higher than that of UBWG (Plt;0.05). (3) After 20min, the Tc of uphill jogging group was higher than uphill brisk walking group (Plt;0.05), at 25min (Plt;0.01). (4) In UJG, %VO2max at both 35min and 40min were higher than that at 10min (Plt;0.05); Otherwise there was no such changes in UBWG (Pgt;0.05). Conclusion: (1) Cardiopulmonary reaction and energy expenditure of UJG are more intense than those of UBWG. These differences could result from the higher stride frequency in UBWG . (2) The increase of Tc of UJG is higher than that of UBWG. The difference could result from higher levels of exercise intensity and energy expenditure of UJG.(3)During the 40min UJG and UBWG exercise, carbohydrates consumption was the same, but the fat consumption was higher in UJG.

uphillbriskwalking；uphilljogging；oxygenuptake；coretemperature；energyexpenditure；stridefrequency

G804.2DocumentcodeAArticleID1001-9154(2017)06-0092-06

G804.2

A

1001-9154(2017)06-0092-06

山东省科技发展计划项目“运动性外周疲劳与中枢疲劳的应用研究”(2014GSF122002)；山东省自然科学基金项目“神经肌肉疲劳的运动项目特征、肌肉收缩模式及相关因素的研究”(ZR2015CL036)。

陈万，博士，教授，研究方向：运动与健身的生物学效应及应用研究，E-mail：chenwan@139.com。

1.山东体育学院，山东 济南 250102；2.贵州省体育科学研究所，贵州 贵阳 550002 1.Shandong Sport University，Jinan Shandong 250102；2. Guizhou Research Institute of Sports Science，Guiyang Guizhou 550002

2017-04-27

2017-08-01