短期低氧抗阻训练对男子体操运动员有氧、无氧运动能力的影响*

2020-04-15王晨宇

广州体育学院学报 2020年2期

贾钧,王晨宇

(郑州航空工业管理学院体育健康与文化研究中心，河南郑州 450015)

无氧运动能力是体操运动员体能的重要组成部分，其训练方法有两大类：爆发力和反复间歇跑[1]。训练时运动员承受身体和心理的双重刺激，若在低氧环境下进行训练则承受较常氧状态下更为深刻的生理应激[2]。但是，不同方式间歇性低氧训练(intermittent hypoxia training，IHT)提高运动能力的效果在研究学者、教练员和运动员中存在很大争议[3]。IHT包括两种经典模式：高住低训(living high-training low，LH-TL)[4]和低住高训(training high-living low，TH-LL)[5]。LH-TL模式可刺激促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)释放以及提高红细胞含量，而TH-LL则施加给机体更为强烈的训练刺激，因此在理论上LH-TL一般用于改善有氧运动能力，TH-LL的主要作用在于提升无氧运动能力。

有学者利用人体实验证实，LH-TL能够提高有氧运动能力，TH-LL则可改善无氧运动能力[6]。然而，亦有诸多研究得出了阴性结果，即LH-TL或TH-LL对于运动能力的作用甚微[3]。结论不一致导致IHT在运动训练中的应用饱受质疑和争论，究其原因可能与低氧暴露类型及持续时间、运动强度与运动量、受试者的机能状态、机体对低氧应激的个体差异性、评价运动能力的方法及测试时间点等因素有关[3]。尽管IHT的效果存在争议，但研究报道均证实了低氧训练在无氧代谢(包括心血管、代谢通路以及肌肉适应等方面)中的作用[7]。然而至今有关低氧环境下进行循环抗阻训练(circuit resistance training，CRT)对运动员无氧运动能力的作用尚未见报道。CRT是一种通过组合式力量训练改善神经肌肉功能以及心血管适能的训练方法[8]，由于体操等技巧类表现难美项群对于运动员下肢爆发力及神经肌肉协调性要求较高[9]，因此CRT在此类项目中广泛应用。此外，CRT程序中包含不完全恢复的间歇时间，可促进磷酸肌酸(phosphocreatine，PCr)再合成，提高肌肉缓冲能力，最终改善有氧运动能力[6]。研究发现，与常氧环境相比，中重度低氧环境下安静以及运动时机体主要以糖原作为供能底物，因此在低氧环境中进行高强度运动时，无氧代谢是主要的供能途径[2]。已证实，低氧训练应激可引发包括骨骼肌在内的多个系统的良性生理适应并通过提高肌肉缓冲能力和上调糖酵解相关酶的活性改善无氧运动能力[6]。Julia-Sánchez等[10]发现，低氧环境下进行无氧运动可对唾液pH值以及口腔保健产生积极影响。结合前人的研究，我们推测，低氧环境下同时进行CRT有助于强化训练刺激的特异性并提高训练效果。此外，需要注意的是，对比低氧训练与常氧训练的生理适应与效果时应保持两种训练模式的运动负荷(时间、强度等)基本一致[11]。本研究的主要目的在于探讨低氧环境下进行4周CRT对男子体操运动员有氧、无氧运动能力的影响，为科学化训练提供理论支持。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

16名男子体操运动员(均为国家二级运动员水平)自愿参加本实验，年龄(18.8±2.0)岁，身高(1.65±0.03)m，体重(56.0±8.8)kg，训练年限(4.9±1.3)年。受试者身体健康，无代谢性疾病、心脑血管疾病以及运动系统疾病，近期无运动性伤病、无服用药物与营养补剂，近半年未接触过高原环境或者进行低氧训练。测试前告知其实验目的、实验流程以及相关风险并签订知情同意书。将受试者随机分为低氧训练(hypoxia training，HT)组和常氧训练(normoxia training，NT)组，每组n=8。NT组和HT组受试者分别于常氧和低氧(模拟3000 m高度)环境下进行4周CRT。

1.2 实验流程

受试者共进行9次测试(每次间隔至少48 h)和4周CRT。第1次：熟悉场地与实验流程并测定身体形态学参数和血液学参数。第2次：测定有氧运动能力。第3次：进行300 m全力冲刺记时跑。第4次：以300 m全力冲刺个人最好成绩的90%进行300 m反复间歇运动力竭测试。第5次：测试股四头肌最大随意收缩、半蹲跳、下蹲跳并进行Wingate实验。随后将受试者分为HT组和NT组，分别在低氧和常氧环境下进行为期4周的CRT干预。末次训练48 h后进行第6～9次测试：测试内容分别对应上述第2～5次。所有测试均在常氧环境下进行。

1.3 身体形态学参数测定

利用体质检测组件测量身高、体重并计算体重指数(body mass index，BMI)。利用体成分仪(Inbody 3.0，韩国)以生物电阻抗法测定身体组成。受试者测试前保持空腹状态并排空大小便，赤足站在仪器的金属踏板上，手持金属把手进行测定。参数包括脂肪含量(fat mass，FM)、去脂体重(fat free mass，FFM)和体脂百分比(percentage of body fat，PBF)。所有测试均由同一名实验员操作完成以减少测量误差。

1.4 血液学参数测定

取肘正中静脉血1 mL，肝素抗凝后用全自动血球计数仪(MEK-1640，日本)测定血常规，指标包括：红细胞计数(red blood cell count，RBC)、白细胞计数(white blood cell count，WBC)、血红蛋白含量(hemoglobin，Hb)、红细胞压积(hematocrit，HCT)、平均红细胞体积(mean corpuscular volume，MCV)、平均红细胞血红蛋白含量(mean corpuscular hemoglobin，MCH)和平均红细胞血红蛋白浓度(mean corpuscular hemoglobin concentration，MCHC)。

1.5 有氧运动能力测试

利用递增负荷功率车(Monark 839E，瑞典)运动力竭实验测定受试者有氧运动能力。测试方案：起始负荷90 W，每2 min递增30 W，保持60 r/min蹬车速度，直至力竭。用运动心肺代谢系统(Cortex Ⅱ，德国)测定摄氧量(VO2)、CO2呼出量(VCO2)等通气指标，用遥测心率系统(Polar RS810，芬兰)记录心率(heart rate，HR)，实验过程中嘱受试者根据主观疲劳感觉(ratings of perceived exertion，RPE)量表(6～20级)记录疲劳程度。符合以下4个标准中的3个即终止试验：(1)呼吸商(respiratory quotient,RQ=VCO2/VO2)超过1.15；(2)出现摄氧量平台，即相邻两级负荷VO2的变化幅度不超过150 ml/min；(3)HR超过最大心率(maximal HR，HRmax)的90%；(4)受试者主诉力竭。此时的VO2值即最大摄氧量(maximal oxygen uptake，VO2max)，记录最大心率(HRmax)、最大有氧功率(maximal aerobic power，MAP)、最大RQ(RQmax)和最大RPE(RPEmax)。

1.6 无氧运动能力测试

无氧运动能力测试内容包括运动场测试(300 m全力冲刺记时跑和300 m反复间歇跑测试)与实验室测试(股四头肌最大随意收缩、半蹲跳、下蹲跳和30 s Wingate实验)两部分。

300 m全力冲刺记时跑和300 m反复间歇跑测试：首先，受试者在标准400 m跑道上进行300 m全力冲刺记时跑，重复3次，记录最好成绩(s)。2～3 d后，受试者以300 m冲刺个人最好成绩的90%(即个人成绩/0.9=个人成绩×1.11)进行300 m反复间歇运动测试，间歇时间为3 min，直至力竭(不能保持个人成绩的90%或主观力竭)，最后一次测试成绩不计算在内。每次冲刺后即刻取指血用便携式乳酸测试仪(LT-1710，日本)测定血乳酸(lactic acid，LA)并记录峰值LA含量(peak LA，LApeak)，同时用遥测心率系统(Polar RS810，芬兰)实时监测心率并记录峰值心率(peak heart rate，HRpeak)。收集测试当天场地局部的环境参数包括温度(℃)、相对湿度(%)、大气压(mmHg)和风速(m/s)(见表1)。所有测试在风速低于2 m/s时进行。测试过程中受试者可随意饮水。

表1 测试时的环境参数

股四头肌最大随意收缩(maximal voluntary contraction，MVC)：利用等速肌力测试仪(Cybex 6000，德国)测定优势腿股四头肌MVC。测试模式选择为等速向心模式，测试速度为120°/s。嘱受试者尽全力屈伸膝3次取最高值，结果以单位体重峰力矩(单位：N·m/kg)表示。半蹲跳(squat jump，SJ)：采用高速摄影(奥林巴斯，日本)与三维测力台(kistler，瑞士)同步测试。先进行 5 min 准备活动，受试者双手叉腰半蹲在三维测力台上，起始膝关节角度为90°，嘱其全力起动完成起跳。计算重心上升最大高度(cm)。测3次取最高值。下蹲跳(counter-movement jump，CMJ)：测试仪器同SJ。起跳时从直立位开始向下反向预蹲，再向上用力跳起。计算重心上升最大高度(cm)。测3次取最高值。30 s Wingate实验：测试仪器为无氧功率自行车(Powermax VII，日本)。负荷(阻力系数)设定为每kg体重0.075 kg，2～3 s内增加到预定阻力，嘱受试者以本人最快速度蹬车，30 s结束。测试指标包括平均功率(mean power，MP)、峰值功率(peak power，PP)和疲劳指数(fatigue index，FI)。

1.7 CRT的制定与实施

所有受试者均进行为期4周，3次/周，共27 小时的CRT干预。见表2。CRT方案为运动员日常训练的组成部分，实验期间受试者除进行CRT外其他训练正常进行。HT和NT组训练量(完成的循环数、每个循环的站数、每周训练频率)和训练强度(动作类型、负重、动作速度等)保持一致。CRT模式由一系列低负荷、快收缩、大肌肉群参与的动力性动作构成并采用采用分站式循环训练法，阻力负荷则由自身体重、配重片(哑铃、杠铃等)、沙袋等组成。实验进程中运动负荷采用渐进式增长并通过增减阻力负荷以及训练/间歇的合理搭配实现。训练时利用遥测心率系统(Polar RS810，芬兰)记录受试者平均心率(mean heart rate，HRmean)以评估相对训练强度以及低氧对心血管系统的影响。

表2 CRT的制定与实施

1.8 低氧处理

利用低氧发生器(CH-Ex1，西班牙)和低氧舱模拟高原环境，氧浓度为14.2%，即相当于3000 m高度。低氧舱内温度维持在24℃±2℃，相对湿度50%～70%，1个标准大气压。

1.9 统计学处理

所有数据以“均数±标准差”表示。同组组内实验前后比较使用配对t检验，组间比较使用独立样本t检验。P<0.05为差异具有统计学意义。统计软件为SPSS 21.0。

2 结果

2.1 受试者基线特征

受试者基线特征见表3。NT组和HT组受试者在年龄、训练年限、身高、体重、BMI以及身体组成(FFM、FM和PBF)等基线变量间均无显著性差异(P>0.05)，因此组间具有可比性。

表3 受试者基线特征

2.2 血液学参数的变化

血液学参数变化结果见表4所示。实验前血液学各参数在两组间无显著性差异(P>0.05)；实验后组内、组间比较，血液学参数均无显著性差异(P>0.05)。

表4 血液学参数的变化

2.3 有氧运动能力的变化

实验前有氧运动能力参数(VO2max、MAP、HRmax、RERmax和RPEmax)在两组间无显著性差异(P>0.05)；实验后组内、组间比较，各参数均无显著性差异(P>0.05)。见表5。

表5 有氧运动能力的变化

2.4 无氧运动能力的变化

300 m全力冲刺记时跑和300 m反复间歇跑测试结果见表6所示。实验前300 m全力冲刺成绩、300 m反复间歇跑完成次数、LApeak和HRpeak在两组间无显著性差异(P>0.05)；实验后组内与实验前比较，HT组300 m反复间歇跑完成次数和LApeak显著性升高(P<0.05)，但300 m全力冲刺成绩和HRpeak无显著性差异(P>0.05)，NT组LApeak升高(P<0.05)，其他指标无显著性变化(P>0.05)；实验后组间比较，HT组300 m反复间歇跑完成次数、LApeak较NT组显著性升高(P<0.05)，300 m全力冲刺成绩和HRpeak与NT组无显著性差异(P>0.05)。

MVC、SJ、CMJ和30 s Wingate(PP、MP和FI)测试结果见表7所示。实验前各指标在NT组和HT组间无显著性差异(P>0.05)；实验后组内与实验前比较，两组MVC、SJ、CMJ、PP和MP均显著性升高(P<0.05)，FI无显著性变化；实验后组间比较，HT组MVC、SJ、CMJ、PP和MP较NT组显著性升高(P<0.05)，FI与NT组无显著性差异(P>0.05)。

表6 300 m全力冲刺记时跑和300 m反复间歇跑测试

注：*P<0.05vs.实验前；#P<0.05vs.NT组

表7 MVC、SJ、CMJ和30 s Wingate实验

注：*P<0.05vs.实验前；#P<0.05vs.NT组

2.5 CRT过程中HRmean的变化

CRT过程中HRmean的变化见图1所示。在CRT过程中(第3～12次训练时)，HT组HRmean均显著性高于NT组(P<0.05)。根据Tanakaet等的HRmax年龄预测公式，HT组和NT组相对HRmean分别为HRmax的(79.1±4.6)%和(72.5±5.5)(P<0.05)。在实验进程中，两组HRmean均呈现逐渐下降的趋势，但HT组HRmean平均下降速率高于NT组(5.7±0.8%vs.3.2±0.3%，P<0.05)。

图1 CRT过程中HRmean的变化注：#P<0.05 vs.NT组

3 讨论

本研究的主要发现是，与常氧训练相比，低氧环境下进行CRT能够进一步改善男子体操运动员的无氧运动能力(包括300 m反复间歇跑测试、下肢肌力与爆发力、30 s Wingate实验)，而300 m全力冲刺成绩无显著性差异。此外，HT组300 m反复间歇跑测试后LApeak高于NT组，HRmax则无显著性差异，CRT过程中HT组HRmean高于NT组，而实验前后血液学参数无显著性变化。由于体操运动员比赛时的能量来源主要依赖于无氧代谢且对于下肢爆发力及神经肌肉协调性具有较高要求，因此低氧环境下进行CRT对于提高其无氧运动能力和下肢肌力及爆发力具有积极作用。

本研究选取股四头肌MVC评价肌肉最大力量，SJ和CMJ评价下肢爆发力，300 m全力冲刺成绩和300 m反复间歇跑测试则评价运动员在运动场的无氧运动能力。30 s Wingate实验是实验室评价机体无氧工作能力的标准测试[12]，其中PP是肢体肌肉在短时间内产生高机械功率的能力(即爆发力)，MP是30 s全力运动输出功率的平均值，体现肢体肌肉维持高功率耐力，反映无氧供能代谢系统的供能功率，FI亦称无氧功率递减率，体现了Wingate无氧功率试验中最大无氧功率的下降幅度，反映机体抗疲劳能力，体现无氧耐力水平。在本研究中，HT组实验后300 m反复间歇跑完成次数、MVC、SJ、CMJ、PP和MP均较实验前显著性增加，NT组MVC、SJ、CMJ、PP和MP亦高于实验前，说明两种氧环境下的CRT均可提高机体的无氧能力，此外，HT组上述各指标均高于NT组，提示低氧环境下进行CRT可进一步改善无氧运动表现，可能与低氧训练较常氧训练施加于机体更为强烈的生理刺激有关。

低氧训练后无氧能力增强的机制尚不清楚，能量代谢与神经肌肉功能的有益变化可能主要原因[13]。研究证实，低氧环境能够对物质与能量代谢产生多方面影响，例如低氧可诱导线粒体密度增加并促使机体产生更多的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)以维持高强度运动[14]。本研究中HT组300 m反复间歇跑测试时的LApeak显著升高且高于NT组，提示运动中乳酸积累增多，机体的耐乳酸能力得到改善。Kurobe等[15]的研究同样发现，低氧训练后运动员无氧运动能力提高伴随缓冲能力改善。与相同负荷常氧环境下比较，低氧训练可产生更高水平的乳酸浓度，高强度低氧训练能够改善无氧代谢系统的供能效率和体液的缓冲能力，其机制与低氧运动时的高水平乳酸含量和氢离子浓度有关，训练适应后碱平衡状态得以改善[15]。本研究中LApeak升高还提示低氧环境下碳水化合物利用增加，证据显示，乳酸穿梭能够促使碳水化合物从非运动肌向运动肌转移[16]。Gregory等[17]发现，规律运动后机体碳水化合物储备重新分布，即从糖原充足的区域转向糖原耗竭的区域。Saxena等[18]的研究表明，低氧训练后骨骼肌单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporter 1，MCT1)mRNA水平表达上调。MCT1具有加速乳酸代谢转换与清除的作用，进而减缓定量负荷运动时pH下降速率，因此能够提高运动员的运动能力和运动成绩[19]。Saxena等[18]的实验结果提示，MCT1 mRNA表达上调将诱导骨骼肌的代谢特征由有氧氧化向无氧酵解转换。上述研究表明，运动过程中无氧代谢储备增强是低氧训练改善运动能力的主要机制。此外，Rook等[20]证实，低氧环境下进行抗阻训练提高机体无氧能力的机制与交感神经活性增加有关。据此推断，低氧训练诱导交感激活可导致运动中心率和乳酸升高，从而使心输出量增加、碳水化合物利用增多，这是低氧训练的重要代偿性机制。低氧和训练双重刺激对交感神经系统起强烈激活作用的同时还能够提高运动后的副交感神经功能状态[21]，即运动中与运动后交感、副交感神经系统功能转换效率得到改善，有利于疲劳恢复与机能重塑，从而使机体以最佳的状态投入到随后的训练或比赛中。álvarez-Herms等[21]的实验发现，低氧时进行60 s无氧运动后心率恢复指数较常氧训练明显改善。

álvarez-Herms等[3]发现，不同氧分压急性低氧应激对最大无氧功率并无显著性影响。因此，本研究中急性低氧暴露时(前2次CRT)HRmean在HT和NT组间并无显著性差异，随着低氧暴露时间延长(第3～12次CRT)，HT组HRmean逐渐高于NT组。Bowtell等[6]证实，低氧环境下进行无氧运动时通气量和心率均显著升高，提示低氧训练时相对运动负荷(生理负荷)增加，其目的在于将O2快速运送至运动肌以维持运动表现，同时长期训练可改善机体的运动经济性(exercise economy)[22]。在本研究中，HT组CRT过程中HRmean高于NT组，与Bowtell等[6]的研究一致，而HRmax在两组实验前后均无显著性变化，因此低氧训练时机体通过增加心肌收缩力和/或心室充盈压而增加心脏舒张末期容积及每搏输出量，进而促进氧运输和运动肌对氧的利用。机体对训练产生适应后，两组HRmean均呈现逐渐下降的趋势，但HT组平均下降速率则高于NT组，其原因在于机体对于低氧的适应以及低氧训练时的过度通气反应间接增强呼吸肌力量并改善肺泡气体交换功能[23]，促使心率下降。

需要提及的是，有研究证实，长期反复间歇运动可提高间歇期PCr再合成以及乳酸氧化能力[24]，由于上述过程需要O2参与，因此有氧代谢增强亦可提高短间歇运动的运动能力。但本研究实验后递增负荷力竭实验中VO2max、MAP、HRmax和RERmax等参数未发生变化，因此可以推测，本研究所采用的低氧训练模式并未改善运动员的有氧运动能力，无氧代谢增强是HT组300 m反复间歇跑完成次数增加的主要原因。此外，实验前后两组血液学基本保持不变，提示低氧训练后红细胞生成并未增加，可能是低氧刺激时间较短以及氧分压较低造成的。有证据显示[25]，低氧训练后虽然血液学参数未发生显著性改变，但有氧、无氧运动能力却得到明显改善。不同研究结果存在差异与受试者对于低氧应激的个体差异性以及不用研究采用的低氧暴露方式、氧浓度、训练量和训练强度等因素有关。