军人水中训练研究进展

廖 婷 ，王 斌 ，宋小波 ，赵 华

体能训练是形成部队战斗力的重要因素，是磨练军事人员意志的核心手段。随着现代军事训练对体能不断提出的更高挑战，军事人员伤病问题凸显，严重影响作战能力（李欣 等，2019；栾晓维 等，2018；马龙 等，2018；Zakowski et al，2019）。美国、澳大利亚、挪威、英国相关研究表明，低水平有氧能力、较差的柔韧性、肌肉力量与耐力的下降，是造成军事训练伤的主要风险因素（Blacker et al.，2008；Harman et al.，2008；Heir et al.，1997；Pope et al.，1999）。在军事跑步训练、行军训练与负重训练中激增的训练强度与量度，易导致骨骼肌过度使用而产生损伤（如应力性骨折）（Dijksma et al.，2019）。高强度的心理压力也是军事人员面临的重要问题，如睡眠紊乱、恢复不足产生的焦虑等（Greeves，2013；Wilkinson et al.，2008），并常伴随免疫系统的下降而受到传染性疾病的威胁。

水中训练（aquatic training）是在独特的水环境中，充分利用水的物理特性，以直立身体姿势状态下的主动运动为标志的崭新训练方法（Brody et al.，2009）。由于水环境为平衡失调、负重减轻及其他陆上无法或难以完成的动作提供了可行性，水中训练在军事人员训练伤预防（Wykle，2014）、康复（Wykle，2013）及体能提升（Eagle et al.，2016）上的效果越来越受到关注，尤其在军事训练的实践领域被广泛应用并不断扩大范围。

本研究在梳理军事人员水中训练发展现状的基础上，针对上述问题的成因、军事训练的适用程度与功能效益，在应用模式上着重介绍了深水跑、水中抗阻训练和极冷环境下的水中适应性训练，并对相关机制及在我国军事体能训练中的应用可行性进行了研究。

1 发展现状

水中训练是针对不同训练目的与需求的多样化水中运动，主要涵盖水中康复与水中健身两大领域。水中康复（aquatic therapy）是“通过水中具有治疗性效益的运动实践以改善患者功能的治疗过程”（Becker，2009）。水中健身（aquatic fitness）将以游泳为代表的传统水中运动延展为在浅水与深水中进行的直立运动（Aquatic Exercise Association，2017）。其中，以水中有氧、抗阻训练为主，许多现代训练理念，如高强度间歇训练（high intensity interval training，HIIT）（Nagle et al.，2017）、快速伸缩复合练习（Asadi et al.，2012）、本体感受训练（Thein et al.，2000）、平衡训练（Roth et al.，2006）、功能性训练（Tsourlou et al.，2006）等也在水环境中创造性地实践，衍生出新方法。水中浮力、重力、阻力器材的研制，使水的特性得到了强化，更大化水中训练的效能（Katsura et al.，2010）。

近年来，随着军事领域中的康复需求和政府的财政资助，军事人员水中训练发展迅速。2005年，美军康复医疗部队启动了“水中康复和水中士兵训练项目”（Aquatic Rehabilitation and Aquatic Warrior Exercise Programs）（U.S.Army，2010），其主要目的是为美国陆军中肌肉骨骼损伤的士兵提供现代水中训练的标准化训练程序。根据美国军医处对军事水中训练提出的3项要求：1）定期进行足够强度和持续时间的运动以全面提高身体素质，无负作用；2）多层面解决负重问题；3）对军事体能训练的能力提升进行水陆结合的补充，制定并实施了“受伤士兵的水中康复训练项目”（Army's Aquatic Rehabilitation Program）和“水中士兵体能提升项目”（Aquatic Warrior Exercise Program）。2011年，美国海军引进了该项目并改良为“水中最大爆发力强度训练体系”（AMP-ITTM），将其与HIIT相结合，发展为海军专项体能训练的核心内容（U.S.Marine Corps，2011）。两栖作战能力是海军核心战备力的重要体现，对体能要求较高。根据临床观察与医务监督报告，其中多项军事技能有损伤风险，如不适当的举拖船动作易引发胸椎/腰椎损伤；长时间高强度的游泳训练易导致髋屈肌/腓骨肌腱炎；重复性、快速的颈部/下腰前屈动作与颈腰部损伤相关性显著（Eagle et al.，2016）。美国海军水中训练强调在军事专项技能训练之前，强化髋屈肌、腓骨肌群、下腰部、颈肩部等易感部位的肌肉力量和肌肉耐力，对预防训练伤起到了明显效果（Wykle，2014）。

2 应用模式

2.1 深水跑

2.1.1 最大强度与次最大强度下的生理效应

经济且高效的跑步能力对军事人员至关重要。跑步训练是军事体育训练的主要内容，也是军事体能必考项目之一。目前高强度的陆上军事训练使军事人员疲劳程度加重，出现各种程度的伤病问题。研究表明，在停止或降低军事训练强度的2～4周内，会出现有氧能力与心血管功能下降，并影响毛细血管密度、线粒体呼吸酶的活性、运动前肌糖原的储备与脂肪利用率（Reilly et al.，2003）。对已产生训练伤的军事人员来说，浸入水的直接生理效应使体液在组织间转换的速度加快，有助于减轻组织肿胀，增加心输出量，帮助代谢产物排出，促进骨骼肌损伤修复（Killgore et al.，2006）。通过采用与陆上跑步相似的动作可在全面提高有氧能力的同时，增进与跑步专项表现相关的多项技术指标，并易于军事人员掌握（Burns et al.，2001）。

由于深水跑比陆上跑台时V.O2max和最大心率明显下降，因此在水中只能依赖练习者自主提高强度到所能够感知的极限值，且当接近极限值时会不自觉地缩短步长以保持步频、降低疲劳度，Wilder等（1993a）认为，水中训练无法达到真正意义上的最大强度。但是，Dowzer等（1999）认为，尽管无法达到最大值，但深水跑的训练刺激足够产生积极的生理适应。Michaud等（1995）指出，深水跑训练后血乳酸浓度升高，并发现深水跑者有更高的呼吸换气率、碳水化合物氧化率以及较低的脂肪利用率。在次最大强度练习中，Davidson等（2000）观察到深水跑技术的熟练度可产生的生理效应影响，具体表现为熟练的深水跑者在练习中可达到与陆上相似的摄氧量值，且心率值较低。

2.1.2 生物力学特点

有研究表明，大量的陆上耐力性长跑训练与军事人员的高损伤率显著相关（Knapik et al.，2006b）。为了避免“以跑代练”传统方法的弊端，水中跑步被视为具有极强可替代性的军事体能训练方式。与陆上训练中的重力作用不同，水中训练时的浮力作用使趋向水面的运动得到支持，而趋向池底的运动受到阻力，导致水陆训练之间的力学差异。由于水的密度约为空气的800倍，深水跑训练时对移动的肢体施加的阻力比陆上跑步大，不同的速度和体表面面积还会产生不同的附加阻力（So et al.，2019）。

Masumoto等（2013）对比了深水跑与陆上跑步时肌肉活动状态与模式。通过陆上跑步测试确定深水跑的速度与适宜步频。表面肌电结果显示，深水跑时股直肌和股二头肌的激活程度显著高于陆上跑步，但腓肠肌活动程度显著降低，并发现深水跑的下肢肌肉活动程度随着步频的增加而提高。在躯干肌肉活动方面，Billy等（2019）研究显示，深水跑时腹横肌的最大随意收缩（%MVC）显著高于陆上跑步。腹横肌为骨盆脊柱提供稳定的肌筋膜带，对于运动中的姿态稳定十分重要。在深水跑的重复性髋屈动作中，躯干不断绕纵轴旋转，使腹横肌持续激活，帮助躯干克服水的阻力维持脊柱与骨盆稳定。Kaneda等（2009）发现，髋关节活动度在深水跑中显著增大，并解释为在非稳定漂浮状态下骨盆对于股骨的稳定性需求（图1）。

2.1.3 强度监控

监控深水跑强度的主要指标包括心率、自我疲劳感觉量表（rating of perceived exertion scale，RPE）和节奏/速率。心率（储备心率）是常用的强度控制指标。在选用≥中性温度水环境进行深水跑训练时，必须考虑到浸入水产生的水中心率下降值，并使用6 s的心率计数，可避免水的快速散热作用降低心率。Borg的RPE是练习者根据自身疲劳程度、环境和身体素质水平进行主观感受评价的工具。Wilder等（1993b）改良了RPE，使其更适用于水中训练，并被证明在日常训练中具有更强的可操作性。在应用过程中，Glass等（1995）和Brown等（1996）发现，在相同跑速下深水跑的RPE水平显著高于陆上跑台。

节奏/速率被融入到深水跑训练中，衍生为间歇式节奏深水跑（deep water interval cadence running）的训练形式。Killgore等（2012）发现，节奏与RPE显著相关，提出通过记录心率所对应的节奏变化，可对不同节奏产生的生理效应进行预测，从而制定相应的节奏水平和间歇时间。Wykle（2014）采用水中心率监控装置对美国陆军士兵的深水跑适宜步频进行测量，制定了有针对性的强度区间与30 s的间歇节奏，并每月通过“深水百步踏测试”（100 deep water step test）对训练效果进行评估。根据美国陆军数据统计，前测平均初始心率为92 BPM，结束心率为144 BPM，完成测试时间为85 s；12周训练后，静息心率平均下降49%（-4 BPM），结束心率提高62%（＋7 BPM），完成测试时间减少75%（-11 s）。

图1 深水跑的生物力学分析示意图（Kaneda，2009）Figure 1. The BiomechanicalAnalysis of Deep Water Running

2.2 水中抗阻训练

在军事野战、武装越野及战役行动部署等训练中，军事人员必须穿戴防弹衣并携带必要的物资或器械。在兵种相同的情况下，不同体重的军事人员所承载的绝对负荷一致。研究发现，承载重量相对于自身单次最大力量（1 RM）更小百分比的军事人员，执行指定军事任务时肌肉力量及耐力表现更优，完成情况更好。力量训练可减少军事人员负重期间与地面接触所承载的相对负荷，降低相同力量输出时机体的能量代谢需求，使其更专注于军事技战术的使用（Turner et al.，2016）。水中抗阻训练（aquatic resistance training）是指在水中利用自身肢体或水中抗阻器材所造成的阻力，发展肌肉力量、耐力及爆发力的训练方法。研究证实了水中抗阻训练提高力量（Colado et al.，2009）、爆发力（Robinson et al.，2004）、柔韧（Kim et al.，2010）、身体成分（Colado et al.，2012）、心血管代谢危险因子（Jones et al.，2009）及降低陆上抗阻训练损伤风险（Kevin，2014）的有效性。近年来，在军事训练中，水中抗阻训练既可作为陆上抗阻训练的有益补充，提高军事人员战备力并预防相关损伤，又是康复训练项目的重要组成部分。

2.2.1 减重环境与损伤预防

由于骨骼肌过度使用而造成的损伤是军事环境下最为高发的训练伤类型。Finestone等（2008）调查了以色列轻步兵基础作战训练周期中训练伤情况，发现应力性骨折（女兵）、前膝疼和腰背痛最为普遍。美国步兵损伤调查报告指出，在训练导致的骨骼肌损伤中，52%为下肢损伤，26%为下腰痛/损伤，22%为上肢损伤。Jones等（1993）揭示了高强度的行军训练和负荷承重与骨骼肌损伤的高相关性。水中抗阻训练所处的独特减重环境被认为是肌肉力量、耐力和爆发力素质安全有效提高的理想特性。受阿基米德定律（Archimedes principle）的影响，浸入水所造成的减重与浸入深度直接相关。在颈部深度浸入时减重90%，耻骨联合深度浸入，水有效地减轻了人体体重的40%，当进一步浸入脐时达到50%，剑突浸没可减轻体重60%。此减重效应使水中抗阻训练的关节损伤及跌倒风险最小化，成为提高力量及心肺耐力安全的有效方式（Colado et al.，2012）。由于水环境的浮力作用，关节间压缩力降低，运动损伤风险大幅度减少，尤其适合于缓解膝痛（Waller et al.，2013）及腰背痛（Waller et al.，2009）等问题。Pantoja等（2009）对比了水中与陆上抗阻训练对肌肉创伤的影响，在相同强度与持续时间的情况下，血浆肌酸激酶在陆上训练48 h后显著提高（2倍），而水中训练组无显著差异，显示水中抗阻训练的加速恢复效果使其训练频度多于陆上。

军事体能训练的目的是为军事作战的多样化任务提供身体素质的全方位保障。现代军事任务需求复杂，对发力率提出了更高要求，爆发力训练越来越受到重视。水中快速伸缩复合训练（aquatic plyometrics）是以提高运动员爆发力、速度与跳跃能力为目的的水中抗阻训练类型（Martel et al.，2005；Jurado et al.，2018）。Colado 等（2010）提出，水中抗阻训练中单腿跳跃比陆上冲击力较低，且峰值向心力较高，是提高跳跃能力的理想训练方式。Alberton等（2013）证实，水中跳跃训练在爆发力与速度素质的应用上可获得与陆上训练相媲美的提高效果，且肌肉酸痛度降低，关节压力减少。Wertheimer等（2018）探索了8周陆上与水中快速伸缩复合练习组采用相同干预动作后对肌肉微损伤多项指标的影响，结果表明，水中干预组在肌酸激酶（creatine kinase，CK）、血清尿素（serumurea，SU）、乳酸脱氢酶（lactic dehydrogenase，LDH）指标上具有较低水平（P＞0.05）。本研究认为，水的天然阻力特性使离心收缩减少，并加快跳跃过程中离心收缩转换为向心收缩的速度，因此增加了向心收缩阻力，降低急性肌肉损伤。

2.2.2 应用要素

军事人员长期在各种形式的压力之下，导致时常失眠、能量负平衡等（Henning et al.，2011）。根据一般适应理论，长期处于压力状态下时，机体难以产生超量恢复效应，出现力竭。血浆皮质醇等应激激素的增加，抑制人体免疫系统，导致军事人员易受传染、糖异生增加、肌肉萎缩（Kraemer et al.，2005）。因此，为了避免长期慢性受压所产生的过度训练现象，应高度重视周期训练的应用。在军事体能训练环境下，水中抗阻训练所采用的量、强度、频率和训练方式都对训练效果具有重要影响，降低局部疲劳并促进超量恢复是主要目的。de Souza等（2012）提出，在训练量与练习动作上，每周2次，每次10～15 min，3～6个目标大肌肉群的练习动作进行1～2组，每组20～25次即可；后期逐渐进阶到每周3次，每次15～45 min，6～12个练习动作进行3～5组，每组8～15次最佳。Pinto等（2014）报道，在有氧训练之前进行水中抗阻训练才能更好地达到增肌效果和力量增长。虽然水中器材的使用可增加能量消耗，但徒手训练仍能取得良好的训练效果。间歇时间的设置与重复次数直接相关，但需考虑到低强度训练中核心体温的保持，以保障高强度训练时的肌肉血流灌注（da Silva et al.，2010）。

2.3 极冷环境下的水中适应性训练

超越生理和物理范畴的新环境，对军事人员的环境适应性以及作业效能提出了前所未有的高要求。极冷环境是我国军事人员所面临的极端环境之一，当人体核心体温下降到32℃，极易出现自发性心室颤动并导致死亡（Keatinge et al.，2001）。即使处于低温环境下，粗大与精细动作技能及认知能力也会大幅度下降。保持和提高军事人员在低温至极冷环境下的体能水平及长时间作战能力是未来实现敢打必胜的必要条件（Cotter et al.，2017）。极冷环境下的水中适应性训练（aquatic training in ice-cold water）是指在≤10℃的冷水中进行主动运动以提高机体适应性能力的训练方法（Tipton et al.，1999）。通过训练可产生的适应性机制，包括增强心脑血管功能、改善血液流变学指标（Kolettis，2003）、提高机体抗氧化能力和免疫力（Tipton et al.，1987）。

2.3.1 冷休克反应及其生理机制

对极冷环境预先有准备地进行适应性训练可避免自损兵力，为歼灭敌军保存实力（Phetteplace，2000）。冷休克反应（clod-shock response，CSR）是指骤然暴露在极冷环境下而产生的应激生理反应，2～3 s的冷水浸入可使心跳急剧加速。同时，动脉和静脉压显著增加，动脉收缩压与舒张压从静息状态130/76 mmHg（17.3/10.1 kPa）平均增至175/93 mmHg（23.3/12.4 kPa）（Tipton，1989）。冷水浸入对心血管系统施加了沉重负担，加大了心脏（尤其是左心室）的工作负荷，可损坏心室感受性、扰乱心脏节律、引发心室颤。有研究报道，急性冷水浸入使呼气末氧分压和二氧化碳引起动脉张力的急剧下降，产生不可控的换气过度现象，出现吸气性喘息（inspiratory gasp），严重威胁生存（Hayward et al.，1984）。

2.3.2 长期训练产生的机体影响

长期进行极冷环境下的水中适应性训练，可引发内分泌功能的重要调节作用，提高免疫功能。Dugue等（2000）研究了在浸入≤10℃的冷水中之前进行热桑拿浴的芬兰冬游者，通过环境温度的巨大且快速的变化（约100℃），出现神经内分泌/心血管的显著压力，导致机体的适应性变化，并观测到静息状态下白细胞介素6（IL-6）、白细胞和单核细胞的浓度显著提高，可溶性IL-6受体的血浆浓度显着降低。Hermanussan等（1995）对比了10周冷水游泳训练后身体的适应性变化，发现血清泌乳素轻微下降，滤泡激素、黄体酮激素和生长激素保持不变，同时基础泌乳素几乎全部增加，血清胰岛素水平下降50%，且未训练者运动后即刻血糖升高，而训练组无升高现象。Manolis等（2019）发现，长期暴露在冷水中并进行适量有氧运动后，身体对应激的耐受力增加，但患有心血管疾病的人群易出现因心律不齐造成的负面影响。

2.3.3 促进适应性变化的训练要素

Cooper等（1976）发现，在冷水浸入1 min内进行低强度运动并不能防止冷休克的过度换气现象和二氧化碳引起的呼气末氧分压下降的发生。但Keatinge等（1961）发现，如果采用中等强度和高强度运动，二氧化碳分压则较少下降或不降反升，出现呼吸增强而非换气过度现象，还探讨了重复性浸入次数与适应性变化的关系，发现8次浸入15℃水中可减少或消除浸入早期的呼吸、心率和代谢反应，并增加二氧化碳潮气末水平和温度适应。与陆上训练一样，水中适应性训练通过反复暴露于严重寒冷的环境下，可能导致交感神经对冷的反应降低，迷走神经反应增强。一旦建立起适应性变化，此效应可能会持续几个月。

3 价值分析

相较于陆上体能训练，水中训练有其独特的优势，其作用机制与水的生理物理特性紧密联系。浸入水所产生的流体静压可加速人体深层组织的循环，增加心容积与心输出量，并同时降低心率，加速肾循环及尿的排泄以促进代谢废物的排出，压迫静脉及淋巴系统消除水肿（Haff et al.，2008）；增加胸腔中心血流量并挤压胸腔迫使呼吸的强度与深度加大，提高呼吸系统效率，以水的浮力帮助关节减压促进运动恢复（Bressel et al.，2011）。

现代高强度军事训练中，训练伤的预防是必须考虑的关键问题。研究表明，有针对性的体能训练可产生有效的预防作用，以水中训练最佳。相较于陆上训练，水中运动对骨骼肌稳定性能力的需求增加，对纠正姿态异常、肌肉失衡、发展核心及小肌肉群具有明显效果。在水中进行体能训练可有效减小关节压力，减少延迟性肌肉酸痛并加快机体疲劳后再生恢复的时间。水中独特的3D阻力环境创造出低冲击、高强度训练的可能性，可应用于周期训练中的基础能力训练，并由于对体内代谢产物的良好清除效果，也可应用于高强度训练阶段的积极性再生恢复训练中。此外，水中训练在损伤发生后的恢复阶段价值凸显。由浸入带来的心血管、肾脏、肺、淋巴及骨骼肌系统等积极变化加速体内循环、废物清除、强化肌肉做功及关节活动度，特别是流体静压的全程作用，加压静脉和淋巴系统，解决损伤部位的炎症与肿胀。在浮力作用下进行针对损伤部位的水中运动，可提前到无法在陆上进行康复训练的早期阶段，关节无负荷的体内加压状态成为加速运动员损伤恢复的最佳治疗环境。同时，在恢复期间进行水中训练可使胸腔内中心血流量的增加结合流体静压对胸壁的压力，呼吸做功难度加大，此效应下进行足够刺激的水中运动而产生的提高是呼吸肌力量、耐力及整体效能的同步提高。水中训练还可为长期陆上体能训练增添乐趣与挑战，成为神经肌肉适应形式的重塑良机（Silvers et al.，2007）。

需要注意的是，准确把握水中运动与陆上运动的活动模式、肌肉募集方式与心肺做功方式的异同点，并根据训练需求适宜调整强度的特征要素，对保障水中训练的体能促进及防伤预伤的效果至关重要。研究表明，对水性的掌握程度和发力部位用力效果的感知程度可使不同运动员对同一练习动作产生较大效果差异（de Souza et al.，2012）。

4 启示与展望

服务于军事战备力需求的体能训练，除注重有氧能力和肌肉耐力训练外，还应强调最大力量训练、爆发力训练及核心稳定性训练。在水中训练中，深水跑具有显著的有氧训练效益，颈部以下浸入水所产生的生理效应，伴随3D阻力环境下的跑动模式，不仅加速了有氧能力和肌肉耐力提高，也使姿态稳定性得到强化。水中抗阻训练既可以获得与陆上训练相似的力量增长效果，同时避免重复性训练所产生关节压力及肌肉微损伤的加重，尤其适合复杂作战环境下的军事人员爆发力训练。水环境还为军事体能训练提供了在复杂作战条件下应对极端环境的解决策略。水中温度的传导性可迅速从皮肤、肌肉、渗入至深部器官（核心体温），使得故意或无意地暴露于极冷水环境中对保持体内液体平衡及免疫系统的应激提出了挑战，帮助军事人员提高作战能力。

我国军事体育训练的科学化，需要将国际先进的训练理念与方法引入、吸收，进而整合、创新。根据国际军事体育训练现状，水中训练虽然在整体训练中所占比重有限，但在预防训练伤及体能提升的过程中占据独有的价值优势。目前，我国军事体育领域的水中训练研究有限，与军事核心技术相衔接的有针对性的训练计划设置、训练器材的选择与标准化应用、强度的精确监控及训练效果的准确评价，都是水中训练未来不断探索与提高的重要方向。