男子轮椅竞速T53/54级1500m模拟比赛供能特征研究

章凌凌，吴雪萍，黎涌明



男子轮椅竞速T53/54级1500m模拟比赛供能特征研究

章凌凌1,2，吴雪萍1,3，黎涌明1,3

1.上海体育学院 体育教育训练学院,上海 200438; 2.上海财经大学 体育教学部,上海 200433;3.上海市人类运动能力开发与保障重点实验室,上海 200438

轮椅竞速；1 500 m；最大累积氧亏；供能特征

1 前言

运动过程中的能量代谢主要发生于肌肉，人体通过磷酸原、糖酵解和有氧氧化3大途径[3]为肌肉提供源源不断的能量。运动时3大供能系统在人体运动过程中是同时运作的[4,15]，各系统之间供能比例由运动项目的负荷强度和持续时间决定[4]。对运动项目能量供应特征的认识是教练员和运动员认识项目特征和制定训练计划的重要依据。

轮椅竞速自1964年成为残奥会正式项目以来，已成为脊髓损伤残疾人中参与率最高的体育运动之一[10]。现有的研究表明，轮椅竞速比赛和训练的生理学强度较高，运动员的生理能力由于残疾程度的不同而有较大差异[5]。T53/54级(包括肢体残疾、脊髓T1以下水平损伤和脊髓灰质炎)运动员在比赛中的心率（HR）可达169~197 次/min[9,19,30,31]；比赛后血乳酸在6.7~20.6 mmol/L之间[9,11,30,31]。对于经常参加训练和比赛的轮椅运动员来说伴有明显的上肢肌肉肥大和脊髓损伤以下部位的肌肉萎缩[35]，说明相同比赛距离或相同运动时间下健全人的能量供应比例是否能够直接作为残疾人运动的参照标准有待商榷。轮椅竞速1 500 m被认为是以有氧和无氧混合供能为主的项目，该观点主要是来源于1970年Astrand等人给出的有大肌肉群参与高强度运动时有氧和无氧供能比例的数据，提出200～240 s的全力运动有氧供能比例为60%～65%[7]。

随着测试技术的完善，众多学者对供能比例提出了新的观点，认为Astrand等人关于能量供应比例的数据可能低估了有氧供能百分比[14,21,33]。这些观点表明早期对轮椅竞速项目能量供应比例的认识似乎低估了有氧供能的重要性。运用黎涌明等人有关有氧供能比例-全力运动持续时间的关系公式[1,4,25]可算得轮椅竞速1 500 m的有氧供能比例约为75%。但是，轮椅竞速1 500 m的供能特征到底如何，还有待专门的实验研究。鉴于此，本研究拟运用最大累积氧亏（MAOD, Maximal Accumulated Oxygen Deficit）计算方法，在真实的比赛场地环境下对男子轮椅竞速T53/54级运动员 1 500 m模拟比赛的供能特征进行研究。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

某省轮椅竞速队男子T53/54级运动员自愿参加本研究（表1）。T53级为胸1～8平面SCI（Spinal Cord Injury，脊髓损伤）运动员；T54为胸9以下平面SCI、截肢和脊髓灰质炎运动员[5]。其中，6人有国际比赛经历，2人有全国比赛经历，受试者训练年限在6.5±3.9年以上。测试前已告知受试者详细的测量流程、存在的风险，并签署知情同意书。要求受试者在测试前一天不能进行大强度运动，测试期间运动员均在指定食堂就餐，进食时间离测试时间需≥1.5 h，可以正常饮水，但是，不可饮用含咖啡因和酒精的饮料。所有受试者均使用自己的竞速轮椅进行测试。

表1 受试者基本信息

注：TPI: time post injury受伤年限；SCI：spinal cord injury脊髓损伤；Amp.: Amputee截肢

2.2 测试流程

每名受试者在2天中完成2次测试，一次为1 500 m全力测试，一次为多级递增负荷测试。测试时间为8:00～12:00和13:30～17:00。为减小昼夜变化，两个测试部分都在一天的同一时间进行，2次测试之间间隔≥24 h。测试在户外合成橡胶标准400 m田径场完成，测试地温度11.0±4.1 ℃，湿度47.4±6.8%，大气压强为1 056.4±155 kPa。

2.2.1 1 500 m模拟比赛距离测试

由于测试期温度相对较低，因此，受试者先进行15～30 min的自选强度准备活动；准备活动结束后在轮椅上静坐休息5 min，在此期间受试者装戴好心率带、气体代谢测试仪和运动表现追踪模块后开始测试（图1）。在测试过程中，操作人员和教练员对受试者进行口头鼓励，以尽可能促使受试者全力进行运动。为保证仪器的正常工作和测试数据的准确性，每天测试前严格按照厂家要求校对仪器。测试中此设备背于运动员背上不会带来动作幅度的改变或其他不适。便携式气体代谢仪（K4b2, Cosmed, Italy）对受试者测试全程和运动后6 min的呼吸进行测试。采集受试者热身前后、测试前以及测试后1、3、5、7、10 min的耳血10 µL，使用血乳酸分析仪（Biosen C_line, EKF Diagnostic, Gemany）进行分析；测试全程的HR、速度和距离监测采用心率带（Polar Accurex Plus，Ploar Electro Oy，Finland）和卫星定位评估系统（GPSports HPU, Canberra, Australia）。测试结束后对受试者进行主观疲劳度测试（Borg-Scale Ratings of Perceived Exertion 6～20级，RPE)[12]。

2.2.2 递增负荷测试

递增负荷的强度根据每位受试者1 500 m测试速度的70%、75%、80%、85%、90%、95%为设置依据，每级测试时间5 min，级与级之间间歇1 min。测试前在400 m田径场每50 m设置1根标志杆（共8个标志杆），根据受试者个体速度制作测试音频，在每级开始前30 s、开始、每50 m距离和每级结束时会有提示音频。同时，运动员竞速轮椅上自带实时速度显示器。测试过程中，研究人员在跑道外圈携带音响跟随受试者，要求受试者尽可能根据音频节拍和速度要求完成测试，并全程进行口头鼓励。测试全程受试者佩戴气体代谢仪、心率带和GPSports运动表现追踪模块进行测控。采集受试者每一级开始前、结束后即刻和最后一级结束后第1、3、5、7、10 min耳血，每级测试结束后进行主观疲劳度测试[12]。实际测试中8名受试者全部完成6级递增负荷测试，实际测试强度分别为71.3%±2.0%、75.5%±1.0%、80.4%±1.0%、85.4%±1.0%、90.3%±2.0%和97.0%±1.0%，每级测试平均距离为1 328.1±68.0 m、1 446.3±105.0 m、1 559.1±114.0 m、1 656.4±123.0 m、1 794.3±121.0 m和 1 883.1±133.0 m。

图1 测试流程图

Figure1 The Experiment Procedure

注：上图为1 500 m模拟比赛测试流程；下图为6级递增负荷测试流程。

2.3 能量供应计算

图2 MAOD方法示意图[5,26]

Figure2. Illustration of Maximal Accumulated Oxygen Deficit

2.4 数理统计

气体代谢仪测试的结果采用Excel（Microsoft）软件计算后，所有数据均使用SPSS(SPSS Statistics 19, IBM Corporation, USA)完成。通过K-S检验证明数据服从正态分布（＞0.05），对受试者有氧和无氧供能百分比、能量供应量、运动前血乳酸与累积血乳酸指标进行配对样本检验；对1 500 m模拟比赛测试成绩与测试的生理学指标进行偏相关系数分析，取=0.05为显著性，各数据的显示方式都为平均值±标准差。

3 研究结果

从表2可见，8名男性轮椅竞速T53/54级运动员在1 500 m测试中平均速度为23±1.3 km/h，最大速度达到27.8±1.3 km/h，成绩236.1±15.2 s。测试中HRmax188.9±9.0 次/min，达到个体HRmax的96.7%±4.5%。受试者测试前血乳酸平均为3.7±1.2 mmol/L，测试后净累积血乳酸为7.5±2.8 mmol/L（＜0.05）。通过控制协变量，进行偏相关分析得出1500m测试时间（s）与运动后净累积血乳酸值具有边缘性显著负相关（=0.057，=-0.798）。测试后受试者主观疲劳度达到15.3±0.7（介于吃力到非常吃力之间）。

表2 本研究1 500 m模拟比赛测试各项生理学指标

在能量代谢指标方面，运动员平均累积摄氧量为 6 889.3±1 311.1 mL，累积氧亏2 667.3±894.5 mL，运动员总能量供应量为205.5±29.2 kJ，有氧和无氧的能量供应量分别为146.6±21.6 kJ和58.9±18.9 kJ（图3），有氧和无氧的供能比例分别为71.7%±7.1%和28.3%±7.1%（＜0.001，图4）。

4 分析与讨论

目前，国内、外教练员和科研人员普遍认为，轮椅竞速 1 500 m是以有氧和无氧糖酵解混合供能为主的运动项目，但这一观点并非来自轮椅竞速的实验研究。鉴于此，本研究采用MAOD计算方法在室外400 m田径场对轮椅竞速T53/54级男子1 500 m模拟比赛的供能特征进行研究，并从能量供应百分比、能量供应量、时序性特征和生理学指标4个方面加以分析。

图3 男子轮椅竞速T53/54级1 500 m模拟比赛测试能量供应量

Figure3. Energy Contributions of T53/54 Men’s Wheelchair Racing 1500m SimulationTest

图4 男子轮椅竞速T53/54级1 500 m模拟比赛测试能量供应比例

Figure4. Relative Energy Contributions of T53/54 Men’s Wheelchair Racing 1500m SimulationTest

注：公式即为黎涌明等人在综合39篇文献的159个数据得出的有氧供能百分比与最大运动持续时间回归方程：[Y=22.404×Ln（X）+45.176,R2=0.933 4，Y为有氧供能百分比（%），X为持续时间（min）][1,5,25]计算的1 500m有氧供能百分比。

4.1 轮椅竞速1 500 m能量供应百分比

Astrand等人在1970年通过研究提出200～240 s的全力运动有氧供能比例为60%～65%[8]，该结论被应用于多国训练学著作和文献中[8,9,30,35]，并成为当前教练员、科研人员对此项目认识的基础。但本研究显示男子轮椅竞速T53/54级 1 500 m是以有氧供能为主的项目，有氧供能比例高达71.7%±7.1%，明显高于60%～65%的原有认识。Astrand等人对有氧供能比例的低估可能是由于其研究是建立于受试者在功率自行车上的运动效率为23%的假设之上，而受试者实际运动效率小于23%[4]。同时，Astrand等人直接将功率自行车的研究结果扩展到所有大肌肉参与的运动方式，而没有考虑到不同运动方式之间的区别[1]。

在Astrand等人的研究之后,也有研究者采用更为可信的计算方法对健全人不同运动方式的供能特征进行研究。黎涌明等人于2013年收集了1987年之后39篇文章的156个供能比例数据，得到了健全人有氧供能百分比与最大运动持续时间的回归方程[Y=22.404×Ln（X）+ 45.176, R2=0.933 4, y为有氧供能百分比（%），x为持续时间（min）]，提出有氧供能百分比与最大运动时间成指数关系[1,4,25]。将本研究受试者个体测试成绩（min）分别代入公式X中得出有氧供能百分比平均值为75.7%。本研究中竞速轮椅1 500 m的71.7%有氧供能比例略低于该回归方程的预测值。

该回归方程是基于相似持续时间下健全人跑步[8,14,21,29,33]、自行车[16]、皮划艇[13,27]、手摇测功仪[24]等项目的测试结果，暗示残疾人运动的供能特征可能有别于健全人，原因可能是参与运动的肌纤维比例不同[1,34]以及残疾人运动员的肌肉总量要少于健全人[18,36]，全力运动条件下残疾人运动员参与运动的肌肉百分比更高，因而有氧供能比例更低。由于本研究中的竞速轮椅运动员样本量有限，未显示统计学差异（=.072），因此，现阶段健全人运动的供能特征能否应用于残疾人体育仍有待进一步研究。

4.2 轮椅竞速1 500 m能量供应量

研究结果表明，轮椅竞速1 500 m的有氧供能量为146.6±21.6 kJ，无氧供能量为58.9±18.9 kJ，总能量供应量为205.5±29.2 kJ，明显低于4 min静水皮艇[24]、划艇[24]、跑步和自行车[3]的能量供应量。轮椅竞速T53/54级1 500 m项目能量供应量仅为相似持续时间健全人跑步、自行车、皮划艇项目的46.4%～54.1%，说明轮椅竞速T53/54级1 500 m与健全人4 min左右全力运动的供能总量相差巨大。

4.3 轮椅竞速1 500 m时序性特征和生理学指标

在本研究中，受试者1 500 m全力测试中平均速度为23 km/h，达到个体HRmax的96.7%±4.5%，运动后最高血乳酸为11.1±2.3 mmol/L。通过偏相关分析发现1 500 m测试时间与净累积血乳酸具有边缘性显著负相关（=0.057，= -0.798），说明无氧糖酵解能力是影响轮椅竞速1 500 m成绩的一个重要因素。

图5 受试者平均速度HR和O2相对百分比最大值时序变化图

注：图中数据为8名受试者的平均值；①、②、③和④分别对应3大系统动态供能过程的4个阶段,分别为ATP-CP为主供能阶段、糖酵解为主供能阶段、有氧供能为主阶段和最后的稳定阶段。

4.4 研究局限性

1）本研究对8名轮椅竞速运动员进行了实验研究，结果发现以往认识对这一项目有氧供能重要性的低估。虽然受试者样本量较小，8名受试者的年龄和训练年限差距较大，可能影响了相关研究结论的得出。但是，考虑到我国高水平的轮椅竞速运动员数量相对有限，本研究仍然具有一定价值。2）本研究测试期间由于气候较冷，测试前对受试者准备活动时间和运动量控制不足导致部分受试者测试前的血乳酸值偏高。3）本研究受试者测试成绩相比较慢于个人最佳比赛成绩，主要是由运动员在测试中佩戴气体代谢仪等设备、运动员测试时的竞技状态、测试时的自然环境因素等共同造成的，但是，对整体实验数据不会产生较大影响。作为系列研究中的一部分，也提示研究者在后续测试过程中要注重对实验各个细节的严格控制。

5 结论

1.轮椅竞速T53/54级1 500 m是一个以有氧供能为主导的运动项目，其有氧供能比例高达71.7%±7.1%，早期对男子轮椅竞速T53/54级1 500 m项目供能比例的认识可能低估了有氧供能的重要性。

2.男子竞速轮椅T53/54级1 500 m的能量代谢指标时序特征可以作为安排专项训练计划、发展不同供能系统、评价运动能力的重要生物学基础。前10 s的能量供应主要源于ATP-CP系统，10～30 s的能量主要来自于无氧糖酵解系统，90 s后有氧系统为运动员维持速度提供稳定供能。

[1] 黎涌明. 不同运动方式的能量代谢——共性与区别[J]. 体育科学, 2013, 33(12): 81-86.

[2] 黎涌明. 周期性耐力项目的训练量与强度[J]. 体育科学, 2015, 35(2): 67-72.

[3] 黎涌明, 陈小平,乌里·哈特曼. 4 min跑步和自行车全力运动中运动方式对有氧供能比例的影响[J]. 体育科学, 2016, 36(9): 48-53.

[4] 黎涌明, 毛承. 竞技体育项目的专项供能比例——亟待纠正的错误[J]. 体育科学, 2014, 34(10): 93-96.

[5] 章凌凌, 吴雪萍, 黎涌明. 轮椅竞速项目发展脉络及项目特征[J]. 体育科学, 2016, 36(12): 40-47.

[6] ATEGMANN J.Leistungsphysiologie:Physiologische Grundlagen Der Arbeit Und Des Sports[M]. Stuttgart:Georg Thieme Verlag, 1991: 56-59.

[7] ASTRAND P O, RODAHL K.Textbook of Work Physiology[M]. New York: McGraw-Hill, 1970.

[8] BANGSBO J, MICHALSIK L, PETERSON A. Accumulated O2deficit during intense exercise and muscle characteristics of elite athletes[J]. Int J Sport Med, 1993, 14(4): 207-213.

[9] BERNARDI M, GUERRA E, DI GIACINTO B,. Field evaluation of paralympic athletes in selected sports: Implications for training[J]. Med Sci Sports Exerc , 2010, 42(6): 1200-1208.

[10] BHAMBHANI Y. Physiology of wheelchair racing in athletes with spinal cord injury[J]. Sports Med, 2002, 32(1): 23-51.

[11] BHAMBHANI Y N, HOLLAND L J, ERIKSSON P,. Physiological responses during wheelchair racing quadriplegics and paraplegics[J]. Paraplegia, 1994, 32(4): 253-260.

[12] BORG G A. Psychophysical bases of perceived exertion[J]. Med Sci Sports Exerc , 1982, 14(5): 377-381.

[13] BYRNES W C, KEARNEY J T. Aerobic and anaerobic contribution during simulated canoe/kayak sprint events1256[J]. Med Sci Sports Exerc, 1997, 29(5): 220.

[14] DUFFIELD R, DAWSON B, GOODMAN C. Energy system contribution to 1500-and 3000-metre track running[J]. J Sports Sci, 2005, 23(10): 993-1002.

[15] GASTIN P B. Energy system interaction and relative contribution during maximal exercise[J]. Sports Med, 2001, 31(10): 725-741.

[16] GASTIN P B, COSTILL D L, LAWSON D L,. Accumulated oxygen deficit during supramaximal all-out and constant intensity exercise[J]. Med Sci Sports Exerc, 1995, 27(2): 255-263.

[17] GLASER R M. Exercise and locomotion for the spinal cord injured[J]. Exerc Sport Sci Rev, 1985, 13(1): 263-303.

[18] GOOSEY-TOLFREY V L. Wheelchair sport: Pushing from Atlanta to Rio – the Sports Science Journey[J]. Tairyoku Kagaku, 2015, 65(1): 9.

[19] GOOSEY-TOLFREY V L, CAMPBELL I G, FOWLER N E. Effect of push frequency on the economy of wheelchair racers[J]. Med Sci Sports Exerc, 2000, 32(1): 174-181.

[20] HERMANSEN L, MEDBO J I. The relative significance of aerobic and anaerobic processes during maximal exercise of short duration[A]//MARCONNET P, POORTMANS J, HERMANSEN L.Medicine And Sport Science[M]. Basel: Kager,1984.

[21] HILL D W. Energy system contributions in middle-distance runn-ing events[J]. J Sports Sci, 1999, 17(6): 477-483.

[22] KNECHTLE B, M LLER G, WILLMANN F,. Fatoxidation at different intensities in wheelchair racing[J]. Spinal Cord, 2004, 42(1): 24-28.

[23] KROGH A, LINDHARD J. The changes in respiration at the transition from work to rest[J]. J Physiol, 1920, 53(6): 431-439.

[24] LI Y.Energetics in Canoe Sprint[D].Germany University of Leipzig, 2015:63-70.

[25] LI Y, NIESSEN M, CHEN X,. Overestimate of relative aerobic contribution with maximal accumulated oxygen deficit: A review[J]. J Sport Med Phys Fit, 2015, 55(5): 377-382.

[26] MEDBO J I, MOHN A C, TABATA I,. Anaerobic capacity determined by maximal accumulated O2deficit[J]. J Appl Physiol, 1988, 64(1): 50-60.

[27] NAKAGAKI K, YOSHIOKA T, NABEKURA Y. The relative contribution of anaerobic and aerobic energy systems during flat-water kayak paddling[J]. Tairyoku Kagaku, 2008, 57(2): 261-269.

[28] PATE R R, GOODYERA L, DOVER V,. Maximal oxygen deficit: A test of anaerobic capacity[J]. Med Sci Sports Exerc, 1983, 15(2): 121-122.

[29] PERONNET F, THIBAULT G.Mathematicalanalysis of running performance and world records[J]. J Appl Physiol, 1989, 67(1): 453-465.

[30] PERRET C, MUELLER G, KNECHT H. Influence of creatine supplementation on 800m wheelchair performance: A pilot study [J]. Spinal Cord, 2006, 44(5): 275-279.

[31] PERRET C, WENGER M, LEICHT C A,. Locomotor-respiratory coupling in wheelchair racing athletes: A pilot study[J]. Front Physiol, 2016, 7:11-17.

[32] PRICE M. Energy expenditure and metabolism during exercise in persons with a spinal cord injury[J]. Sports Med, 2010, 40(8): 681-696.

[33] SPENCER M R, GASTIN P B. Energy system contribution during 200-to 1500-m running in highly trained athletes[J]. Med Sci Sports Exerc, 2001, 33(1): 157-162.

[34] STEGMANN J. Leistungsphysiologie: Physiologesche Grund lagen Der Arbeit Und Des Sports [J].Georg Thiene Verlag 1977.

[35] SUTTON L, WALLACE J T, SCOTT V M,. Body composition of female wheelchair athletes[J]. Int J Sports Med, 2009, 30(4): 259-265.

[36] WEST C R, LEICHT C A, GOOSEY-TOLFREY V L,. Perspective: Does laboratory-based maximal incremental exercise testing elicit maximum physiological responses in highly-trained athletes with cervical spinal cord injury?[J]. Front Physiol, 2016, 6:419-426.

Energetic Profile of T53/54 Men’s Wheelchair Racing 1500m Simulation Test

ZHANG Ling-ling1,2, WU Xue-ping1,3, LI Yong-ming1,3

1.Shanghai University of Sports, Shanghai 200438, China; 2.Shanghai University of Finance and Economics, Shanghai 200433, China; 3.Shanghai Key Lab of Human Performance, Shanghai 200438, China.

1002-9826(2018)03-0092-06

10.16470/j.csst.201803012

G808

A

2017-09-08；

2018-03-12

上海市体育科技“重点备战攻关”项目(18J001);上海市人类运动能力开发与保障重点实验室资助项目(11DZ2261100); 国家自然科学基金项目(31500963)。

章凌凌,女,副教授,在读博士研究生,主要研究方向为运动训练学和适应体育,E-mail:Zhang.lingling@mail. shufe.edu.cn。

吴雪萍,女,教授,博士,博士生导师,主要研究方向为适应体育,E-mail:wuxueping@sus.edu.cn。