定向队运动员功率自行车运动能量消耗研究

陈 强，贾 恒

运动能量的消耗是学术界关注的重要领域之一.石新艳和李美霞就曾指出运动能耗是专业运动技术分析的重要指标，又是训练负荷、健身活动的重要练习目标［1］，准确测量运动的能量消耗，将会明确运动员最佳的能量补充，以延缓运动疲劳，从而提高运动成绩.能量消耗即能量代谢的过程，测量能量消耗可以通过测定一定时间内机体内糖（CHO）、脂肪（FAT）和蛋白质的供能消耗［2］来实现.能量代谢和底物消耗测量方法的信效度有不同的表现，聂东升等在大学生不同体力活动能量消耗和运动效率的研究中认为，K4b2 便携式心肺功能测试仪测试数据具有较高的准确性［3］.

本研究借助K4b2 便携式心肺功能测试仪检测实验组和对照组成员在功率自行车负荷递增运动中的能量消耗状态，研究其机体内糖（CHO）、脂肪（FAT）和蛋白质的供能消耗规律，从而为运动员的能量补充提供科学的参考依据.

1 研究对象与研究设计

1.1 研究对象

本研究随机选取太原工业学院定向队正式队员15 人（男生10 人，女生5 人）为实验组受试者，非体育专业学生15 人（男生10 人，女生5 人）为对照组受试者，其年龄均在21～22岁.实验组的受试者需满足以下几个条件：①具备3 年以上的专业运动训练史；②其体重近一个月无明显变化；③无服用药物等影响测试结果的情况.对照组受试者的健康状况良好，无不适宜参加体育运动的疾病.

1.2 研究设计

测试过程中为受试者佩戴K4b2 便携式心肺功能测试仪，通过记录运动员在功率自行车负荷递增运动中的相关身体数据，运用能量计算公式，作出能量消耗动态图，为教练员、运动员提供直观的能量消耗数据，进而为运动员的能量补充提供科学的参考依据.K4b2 便携式心肺功能测试仪主要包含主机、呼气面罩、秒表、心电仪，以及其他相关部分.可以测试的指标有心率（HR）、脂肪消耗量（FAT 消耗量）、糖消耗量（CHO 消耗量）、总能量消耗量（EE 消耗量）［4-6］.

运动器材选用功率自行车，它是新一代训练评定工具，属于心肺训练器材，运动员以获得最佳结果为目的进行踏车运动.根据不同训练要求进行相应的调整，可以同时满足有氧运动、无氧运动、中低强度运动，亚极量强度运动、极量强度运动.

实验流程主要包括实验前的准备工作、实验中的数据测试、实验后数据登录.具体如下：

（1）实验前准备工作.①打开K4b2 便携式心肺功能测试仪和功率自行车的电源，预热15～20 min；②气体容积定标；③气体成分定标；④为受试者佩戴呼吸面罩，并告知其按照功率自行车的系统提示进行运动，实验时设置的静止期为2 min，准备期间可调整仪器的佩戴，保证数据的准确记录.

（2）数据的测试主要包括心率的测试和功率自行车递增负荷的能量消耗.心率测试使用心电仪系统配套的电极片实现，将电极片佩戴于受试者心口处测量受试者的心率指标，测量记录受试者的运动心率.要求受试者按照提示进行运动，功率自行车从功率25 W起，递增负荷的设置为每隔2 min 增加25 W，逐步推测出最大运动心率，便于监控受试者是否达到力竭，当受试者达到最大运动心率之后进行2 min 的恢复期.实验结束后用酒精对呼吸面罩进行消毒，准备为下一个受试者测试.

（3）实验后数据登录.实验后将受试者的所有数据录入计算机，数据输入Microsoft Excel储存，建立数据库.为之后进行数据分析做好准备工作.

2 研究结果

通过对实验组与对照组成员的实验研究，对受试者在运动中的相关身体数据进行分析对比，得出以下结果.

2.1 组内不同负荷度总能量消耗分析

实验组受试者由定向队的15 名队员组成，由于性别差异对能量消耗的影响明显，因此本研究在数据分析时根据不同性别进行能耗的研究.

由表1 可以看出实验组男生运动过程中，随着受试者的运动强度增大，能量消耗逐步增加.其中运动强度在0～50 W 时，能耗平缓增加；在100～150 W 过程中，总能耗陡然提升，能量消耗从400 kcal 跨度到1 350 kcal；运动强度达到200 W 时，仅有一名受试者的能耗开始下降；运功负荷达到225 W 时，有三人能耗开始下降；实验数据显示250 W 是实验组男生的力竭负荷（两名受试者没有通过250 W的测试）.

同样，实验组女生的能量消耗随着运动负荷的增加而增加.其中负荷在0～75 W 的变化阶段，总能耗增加幅度比较平缓，75～100 W阶段，能耗增速提升.而在运动负荷达到100～150 W 时，女生的能耗增速为整个运动过程中的最大值，呈急剧上升趋势，如表2 所示，继续增加运动负荷，能量消耗开始下降，175 W为定向队女生的最高负荷（5 名受试者的总能耗都开始下降）.

对照组由非体育专业的学生组成.从对照组男生的数据可以看出，能耗随运动负荷的增加而不断增加.其中运动强度在0～75 W阶段中，能耗增长速度缓慢；75 W 以后，能耗增速提升；当负荷量达到100 W 后，能耗呈急剧上升趋势；直到150 W 的负荷时，多数受试者的能耗变化转为平稳状态，个别人在175 W运动负荷才进入能量消耗的平缓期.对照组男生的最大负荷为225 W，总能量消耗最大为1 665 kcal，详见表 3.

表1 定向队男生功率自行车总能量消耗表（EE）

表2 定向队女生功率自行车总能量消耗表（EE）

表3 对照组男生功率自行车总能量消耗表（EE）

对照组女生的最大运动负荷为150 W，总的来看，当运动负荷低于50 W 时，能量消耗缓慢增长，均在250 kcal 以下，之后随着运动负荷的增加，能量消耗相较前一阶段增速提高，但其速度与之前几组相比，较为平缓.负荷达到150 W 时仅一人能量消耗开始下降；其余4 人的能耗增速陡然，详见表4.

表4 对照组女生功率自行车总能量消耗表（EE）

2.2 组间运动强度总能量消耗趋势对比

由图1 可以看出，男生在功率自行车递增负荷运动中，能量消耗趋势是逐步上升的.其中实验组男生总能耗趋势为：运动功率在25～75 W 阶段能耗上升较为平缓，运动功率在100～150 W 阶段呈急剧上升趋势，运动功率在150～250 W 阶段能耗上升趋于平缓；对照组比实验组能耗总趋势变化显著，其中运动功率在25～75 W 阶段对照组较实验组能耗相差不大，在100～150 W 运动阶段对照组比实验组能耗上升幅度大，对照组男生最大运动功率为225 W，较实验组250 W 下降了25 W.实验组达到最大运动功率的有8 人，只有2 人未达到250 W 运动功率.对照组达到最大运动功率225 W 的仅有 4 人，尚无人能达到 250 W 运动功率.

由图2 可以看出女生总能量消耗呈总体上升的趋势.其中实验组女生能耗总趋势波动大，运动功率在25～100 W 阶段能耗上升较为平缓，运动功率在100～150 W 阶段能耗呈现急剧上升趋势，运动功率达到150 W 时能耗开始下降；与实验组相比较，对照组能耗总趋势波动较小，但上升幅度大，在整个运动阶段对照组女生能耗都呈急剧上升趋势，趋势波动小，但是上升幅度大，对照组最大运动功率为150 W，与实验组相比较，下降了25 W.

图1 男生总能耗平均数曲线对比图

图2 女生总能耗平均数曲线对比图

综上，随着运动强度不断增加，两组的总能量输出逐渐增加.在低运动负荷（0～50 W）能耗总趋势无明显变化，上升趋势平缓，当进入中等负荷强度（50 W 以后），总能耗上升趋势开始出现波动，进入中高负荷强度（75 W 以后），总能耗输出呈急剧上升状态，进入极限负荷后，总消耗开始下降.王道等认为机体能量代谢存在动员阶段、稳定阶段和疲劳阶段，运动负荷的大小决定着机体机能对能量大小的需求［6］.负荷强度小时，机体对能量需求小，机体能量代谢处于动员阶段，能量输出平稳.随着运动强度的增加，身体对能量的需求也增加，当进入中等负荷强度后，身体能量代谢处于稳定阶段，能量输出稳定且速率快，所以此阶段能量呈现加剧提升趋势.当进入极限负荷后，机体机能进入疲劳期，机体能量代谢也进入疲劳期，能量输出下降.

2.3 不同运动强度CHO、FAT 能耗实验结果

（1）男生CHO、FAT 能耗对比结果.由图3可以看出，男生CHO 的机体能耗逐渐增加.其中在75 W 之前实验组的CHO 能耗是高于对照组的，而在100 W 以后对照组男生CHO 能耗反超实验组.而且两组CHO 能耗在100 W以后呈现急剧上升状态.250 W 的时候只有实验组成员有CHO 能耗输出.

图3 男生CHO 能耗柱状图

图4 男生FAT 能耗柱状图

由图4 可以看出，男生FAT 的机体能耗是先增加后降低.在75 W 之前男生FAT 能耗呈上升趋势，75 W 以后呈下降趋势，直至负荷在250 W 时FAT 能耗输出为0，并且在实验的全过程中，实验组FAT 能耗输出始终高于对照组.

（2）女生CHO、FAT 能耗对比结果.由图5可以看出，女生CHO 的机体能耗逐渐增加.并且在测试运动的全过程中，实验组CHO 能耗输出始终高于对照组.负荷在50 W 之前女生CHO 能耗输出增长缓慢且平稳，在75 W 以后CHO 能耗呈急剧上升状态.在175 W 的时候只有实验组有CHO 能耗输出.

图5 女生CHO 能耗柱状图

图6 女生FAT 能耗柱状图

图6 数据显示，随着运动负荷的增加女生FAT 的机体能耗先增加后降低.在50 W 之前女生FAT 能耗呈上升状态，50 W 以后呈下降状态，对照组的FAT 输出在100 W 的时候终止，而实验组在150 W 的时候终止.并且在实验运动的全过程中，实验组女生FAT 能耗输出始终高于对照组.

在实验过程中，不管是实验组还是对照组，随着运动强度的逐渐增加，身体总能量输出逐渐增加，同时供能物质的供能情况也发生了改变.由实验结果可以看出，男生在负荷强度为75 W 时发生改变，75 W 之前脂肪供能呈上升趋势，而且糖供能输出量较少；75 W 之后脂肪供能下降，糖供能上升，并且是急剧上升；女生在50 W 的时候发生改变，50 W 之前脂肪供能呈上升趋势，50 W 之后脂肪供能下降，糖供能上升.由此可以看出在低负荷运动状态下，机体供能主要由脂肪承担.王昕等在耐力运动对脂代谢的影响研究认为机体在低强度负荷运动时，机体主要能源物质是FAT，即 FAT 供能比例较高［7］.王荣辉等指出，在低强度运动时机体的肌氧下降较少，FAT 是主要的供能物质，供能方式较为单一［8］.两位学者的研究与本研究的结果一致.

随着运动强度的上升，机体的能耗输出主要为糖，由实验结果可以看出糖的消耗量在男75 W、女50 W 的运动负荷时出现急剧上升，并且在达到最大负荷强度时机体能耗全部为糖.原因可能是随着运动强度的上升参与做功的肌群发生变化，当负荷强度小时，做功肌群主要由慢肌完成；当负荷强度变大时，做功肌群由慢肌转化为快肌.在低负荷运动时，慢肌纤维较强的氧化能力正好满足了脂肪代谢对氧的需求；随着运动负荷的上升，机体供氧能力下降，且肌肉群主要由快肌纤维做功，脂肪代谢不能满足机体需求，只能转由糖供能［9］.

由实验结果可以看出，实验组的最大负荷强度要高于对照组.实验组男生最大负荷强度为250 W，对照组男生最大负荷强度为225 W；实验组女生最大负荷强度为175 W，对照组女生最大负荷强度为150 W.实验组受试者经过长时间的训练，身体的各项指标高于对照组.故而实验组所能承受的最大负荷强度高于对照组.

3 结论

递增负荷力竭运动中，能量消耗和底物代谢总特征为：运动员的总能量输出和CHO消耗量随着运动强度增加而不断增加，而FAT 消耗量逐步减少.男子运动负荷在75 W、女子在50 W 时出现最大脂肪（FAT）消耗；之后FAT 消耗下降，糖（CHO）消耗上升，CHO 消耗最大值出现在力竭负荷阶段.

在中小强度负荷阶段，实验组成员FAT供能比对照组高，意味着实验组在该运动阶段对CHO 的依赖程度比对照组低，表明实验组成员在中小强度负荷阶段有氧运动能力比对照组强.在大强度负荷阶段，实验组成员FAT 供能下降程度比对照组大，CHO 参与供能比对照组大，而且CHO 参与供能的绝对值也比对照组要高得多，这也就意味着在大强度的运动过程中，实验组的总能耗显著高于对照组，具体体现为实验组在大强度运动中更有力量，持续时间更长.

对递增负荷运动中能量消耗情况的研究表明，在不同的运动强度时，身体的能耗速率是不一样的，可以通过改变运动强度，训练机体能量代谢速率，提高比赛成绩.比如在耐力素质训练中，可以通过减小负荷强度、增加运动时间的手段提高运动员的能量代谢水平［10］，以增加运动员在中等负荷强度时能量代谢稳定期的时间，提高运动员高能量代谢的持续时间，提升运动员的耐力素质.

研究表明在低负荷运动时，脂肪是最主要能量输出；中高负荷运动中脂肪供能下降，糖供能上升；大强度负荷运动时，主要由糖供能.建议定向队运动员在训练过程中可以根据负荷强度的不同，来选择摄入不同的食物.比如定向队在进行每周的10 公里体能拉练训练中，训练前可以选择多补充脂肪，多摄入脂肪含量高的食物；在进行“6+2”（600 米+200米）大强度训练时，训练前可以选择多补充糖，多摄入些淀粉类食物.