成年男性场地不同强度负重步行时的能量消耗特征研究

何美婷，张培珍，洪 平

目前健康问题频发，如糖尿病或糖尿病前期高发、心血管危险事件多发、更多的人群加入超重或肥胖的行列，主要是由机体饮食结构不合理及缺乏活动所致，如静坐少动[1]、缺乏体育运动[2]、电子产品使用增多、过多摄入高盐高脂食物等[3]，也就造成机体能量摄入高于能量支出，破坏了体内的能量平衡。

由于体育运动在慢性病的预防和治疗方面效果显著，因而许多学者致力于研究运动与能耗之间的关联性[4]，特别是，我们日常生活中便于开展的运动在提高机体代谢率领域的研究。然而，这类研究大多仅在实验室内进行，缺乏在场地或现实生活场景中的相关研究[5]。

在众多运动中，最方便且易实施的运动方式就是步行，利用好步行运动就可达到有效控制体重的目的[6]。步行的强度由速度和负重决定。在生活中随处可见各种形式的负重步行，但是对于这种常见运动形式的能耗研究屈指可数，用步行指导人群健身方面缺少相关的研究数据支撑。因而，本研究系统地测定成年男性在负重不同、速度不同的情况下步行时的能量消耗参数，探讨和分析两种体重分类下的男性在不相同的速度和负重条件下行走时能量消耗的变化特征，为指导不同强度步行提供科学依据，也可为以步行运动为主的有氧运动训练者提供科学指导，对以步行运动为减重方式的超重人群提供了可参考的研究数据。这对于指导正常体重和超重人群在量化能量消耗的基础上科学地进行运动健身具有重要意义。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象的筛选过程为:

(1)初筛:填写健康问卷，评估其健康风险及采集受试者有效信息。充分了解受试者日常生活中的活动或运动情况，睡眠及饮食状况，吸烟饮酒情况，疾病及用药情况等，第一轮筛出达标的受试者。

(2)第一轮筛选结束后，进入健康检测环节，测定其静态收缩压和舒张压、静态心率和静态心电图，测量目前的体重和身高；检查血常规、肝肾功能、甲状腺功能等。诊断为贫血、甲状腺功能异常、肝肾功能异常的受试者将被排除在外。

合格的研究对象标准如下:正常饮食行为；健康状况良好；身体检测指标正常；可以正常参与体力活动；目前没有服用特殊的药物从而引起机体代谢异常或产生改变；具有稳定的体重；未受过竞走方面的相关运动训练。

共有50 名20～30 岁的男性参加了本研究，剔除4 位不符合本试验要求的受试者，最终完成全部测试者为46 位。基于体重指数(BMI)分组，其中正常体重组为25 人，BMI 为18.5～23.9 kg/m2；超重组18 人，BMI 为24.0～27.9 kg/m2。基本情况见表1。

表1 研究对象的基本情况()Table 1 Basic information of subjects

表1 研究对象的基本情况()Table 1 Basic information of subjects

注:与正常体重组相比,^P<0.05,^^P<0.01。

1.2 研究方法

1.2.1 静息能耗测定

本研究所有的测试均是通过德国Cortex MetaMax 3B 气体代谢分析仪完成。

在安静能耗测试前一晚至测试时要保证良好的休息和禁食12 h。特别提醒受试者在测试前一天不能进行剧烈的活动，不能饮用和服用对能量代谢产生影响的药物、酒或者咖啡，禁止吸烟。测试是在安静且室温恒定(20～25 ℃)的房间内进行。

在测试开始前，由实验员给受试者正确佩戴好特定的呼吸面罩和心率带，然后以舒适的仰卧体位平静地躺15 min左右，且禁止身体活动和有言语行为。当观测到受试者的摄氧量(ˑVO2) 呈现平稳变化趋势时(变异系数不能超过10%)，开始收集15 min 的摄氧量的数据，并选择5 min 处于平稳变化的数据，作为安静时摄氧量。

1.2.2 负重步行时能耗测定

负重步行能耗测试前一天不能进行剧烈的活动，不能饮用和服用对能量代谢产生影响的药物、酒或者咖啡，禁止吸烟。测试是在北京市某大学室温恒定(20～25℃)的室内场地进行的，设定步行的速度为4.0、5.0、6.0 km/h；负重形式为背包负重，设定步行的负重为:0、1、2、3、4、5 kg。

本研究的场地设定为(5 +15) m×2 的长方形场地，将8个彩色标志桶放在每5 m 的位置处。通过便携式仪器实时测量所需指标，并由训练有素的助走员引导受试者行走，按音频节奏的提示沿标志好的场地外侧以恒定的速度步行。受试者合适的步行节奏是每次音频提示时完成5 m 的距离。每一级速度的运动时间为6 min，每一级运动后取坐位进行休息，以便受试者在每级测试后各项指标能够恢复至安静状态时的水平。待人体监测指标恢复后，再进行下一级强度的测试。每一级运动后第5～6 min 的ˑVO2和二氧化碳呼出量(VCO2)的数据为本研究所需数据，计算出它们的平均值，根据公式求出总的能量消耗。再用总的能量消耗与安静时静息能耗的差值求出运动时的净能量消耗。

1.2.3 最大摄氧量测定

穿戴好便携式仪器并选择改良Bruce 跑台程序进入测试，得到最大摄氧量(ˑVO2max)。在测试期间实时监测ˑVO2和ˑVCO2的变化，记录每1 min 结束时的心率及每3 min 的收缩压和舒张压，评估并记录受试者在每个运动强度下的主观疲劳感觉(rating of Perceived exertion，RPE)。

当达到以下一个标准及以上即可终止试验:(1)摄氧量值处于平台期；(2)呼吸商超过1.1；(3)心率处于最大心率(HRmax)稳定期，或者达到的心率与HRmax 相差<10 次/min；主观感觉非常吃力或力竭(RPE 为19～20)。

1.3 数据分析方法

本研究的实验数据采用Excel 2016 与SPSS 18.0 处理分析，实验数据通过正态分布、方差齐性检验，采用平均值和标准差()的组合形式表述。独立样本t 检验用于比较本研究的两组男性指标之间的差异。多因素方差分析用于分别比较本研究的两组内指标之间的差异。P<0.05 为存在差异。

2 研究结果

2.1 研究对象基本情况

表2 显示，两组间安静时摄氧量、安静时CO2呼出量和安静时能耗不存在差异；体重正常者的最大摄氧量明显高于超重者。

表2 研究对象的安静时指标和最大摄氧量()Table 2 Resting indexes and Maximal oxygen uptake of subjects

表2 研究对象的安静时指标和最大摄氧量()Table 2 Resting indexes and Maximal oxygen uptake of subjects

注:与正常体重组相比,^P<0.05。

2.2 正常体重组与超重组负重步行时摄氧量的比较

2.2.1 正常体重组在负重步行时摄氧量的情况

图1 显示，通过不同速度与负荷组合间的两两对比，发现以相同的速度、不同的负荷重量行走时，正常体重组的摄氧量没有统计学意义上的变化；而以不同的速度、不同的负荷重量下行走时，摄氧量发生了明显的改变。当以6 km/h的速度、5 kg 的负荷行走时，摄氧量达到最高值；当以4 km/h 的速度、无负荷行走时，摄氧量处于最低水平。

2.2.2 超重组在负重步行时摄氧量的情况

通过不同速度与负荷组合间的两两对比，发现当速度为6 km/h、负荷重量为5 kg 与速度为6 km/h、无负荷行走时超重组的摄氧量存在差异；当以其他相同的速度水平、不同的负荷情况下行走时，该组的摄氧量不存在统计学意义；当以不同的速度、不同的负荷重量行走时，该组的摄氧量有明显差异。当以6 km/h 的速度、5 kg 的负荷行走时，摄氧量达到最高值(见图1)。

2.2.3 正常体重组与超重组负重步行时摄氧量的比较

当步行速度为4 km/h、负荷重量为2 kg 时，两组间行走时的摄氧量具有明显不同，前者显著高于后者，当以其他相同的速度与负荷强度下行走时，两组间的摄氧量只有数值上的不同，却没有统计学上的意义(见图1)。

图1 负重步行时正常体重组与超重组摄氧量的情况(ml/kg/min)Figure 1 Oxygen uptake during walking with load in normal weight group and overweight group

当背包负重不同的重量行走时，两组的摄氧量跟随速度的增加而逐渐增加。当速度处于不同水平时，两组行走时产生的摄氧量与负荷重量的增加关系不大，而速度的变化能够引起两组摄氧量更敏感的变化。

2.3 正常体重组与超重组负重步行时能量消耗的比较

2.3.1 正常体重组在负重步行时能量消耗的情况

图2 为不同速度与负荷组合间的两两对比，发现当速度5 km/h 且分别负重1、3、4 kg 与速度5 km/h、负重为0 行走时比较，还有当速度4 km/h 且分别负重1、2、5 kg 与速度4 km/h、负重为0 行走时比较，及当速度6 km/h 且分别负重2、5 kg 与速度6 km/h、负重为0 行走时比较，正常体重组的能量消耗存在统计学差异；当以其余相同的速度、不同负荷强度行走时，该组的能量消耗不存在差异；当处于不同速度、不同负荷的水平行走时，该组的能量消耗具有明显不同。当以6 km/h 的速度、5 kg 的负荷行走时，能量消耗达到最高值；当以4 km/h 的速度、无负荷行走时，能量消耗处于最低水平。

2.3.2 超重组在负重步行时能量消耗的情况

通过对不同速度与负荷组合间的两两对比，发现当速度为6 km/h、负荷重量为1、2、3 kg 与速度为6 km/h、无负荷行走时比，超重组的能量消耗存在差异；当以其他相同的速度水平、不同的负荷情况下行走时，该组的能量消耗不存在统计学意义；当以不同的速度、不同的负荷重量行走时，该组的能量消耗出现统计学差异。当以6 km/h 的速度、3 kg 的负荷行走时，能量消耗达到最高值；当以4 km/h 的速度、无负荷行走时，能量消耗处于最低水平(见图2)。

2.3.3 正常体重组与超重组负重步行时能量消耗的比较

当步行速度为4 km/h、负荷重量为0、1、2、3、4 kg 时，以及速度为5 km/h、负荷为2、4、5 kg 时，两组间行走时的能量消耗有明显不同，前者显著低于后者，当以其他相同的速度与负荷强度下行走时，两组间的能量消耗只有数值上的不同，然而这种差异并不具有统计学上的意义(见图2)。

图2 负重步行时正常体重组和超重组能量消耗的情况(kcal/min)Figure 2 Energy consumption during walking with load in normal weight group and overweight group

当背包负重不同的重量行走时，两组的能量消耗跟随速度的增加而逐渐增加。当速度处于不同水平时，两组行走时产生的能量消耗与负荷重量的增加关系不大，而速度的变化能够引起两组能量消耗更敏感的变化。

2.4 正常体重组与超重组负重步行时的净能量消耗比较

2.4.1 正常体重组在负重步行时的净能量消耗情况

通过不同速度与负荷组合间的两两对比，发现当速度为4 km/h、负荷重量为5 kg 行走与速度为4 km/h、负荷为0 kg行走时比，以及当速度为6 km/h、负荷重量为5 kg 行走与速度为6 km/h、无负荷行走时比，正常体重组的净能量消耗存在明显不同；在其他速度相同、负荷不同水平行走时，正常体重组的净能量消耗没有统计学差异；以不同的速度、不同的负荷重量下行走时，净能量消耗发生了明显的改变。当以6 km/h 的速度、5 kg 的负荷行走时，净能量消耗达到最高值；当以4 km/h 的速度、无负荷行走时，净能量消耗处于最低水平(见图3)。

图3 负重步行时正常体重组和超重组净能量消耗的情况(kcal/min)Figure 3 Net energy consumption during walking with load in normal weight group and overweight group

2.4.2 超重组在负重步行时净能量消耗的情况

通过不同速度与负荷组合间的两两对比，当速度为6 km/h、负荷重量为3 kg 与速度为6 km/h、无负荷行走时的净能量消耗，超重组的指标存在差异；当以其他相同的速度水平、不同的负荷情况下行走时，该组的净能量消耗不存在统计学意义；当以不同的速度、不同的负荷重量行走时，该组的净能量消耗出现统计学差异。当以6 km/h 的速度、3 kg的负荷行走时，净能量消耗达到最高值；当以4 km/h 的速度、无负荷行走时，净能量消耗处于最低水平(见图3)。

2.4.3 正常体重组与超重组负重步行时净能量消耗的比较

如图3 所示，当步行速度为4 km/h、负荷重量为0、1、3、4 kg，以及速度为5 km/h、负荷为2 kg 时，两组间行走时的净能量消耗具有明显不同，前者显著低于后者，当以其他相同的速度与负荷强度下行走时，两组间的净能量消耗只有数值上的不同，并不存在统计学上显著性的差异。

当背包负重不同的重量行走时，两组的净能量消耗跟随速度的增加而逐渐增加。当速度处于不同水平时，两组行走时产生的净能量消耗与负荷重量的增加关系不大，而速度的变化能够引起两组净能量消耗更敏感的变化。

2.5 正常体重组与超重组在负重步行时的心率比较

2.5.1 正常体重组在负重步行时心率的情况

图4 为不同的速度与不同的负荷组合间的两两对比，发现以相同的速度、不同的负荷重量行走时，正常体重组的心率没有统计学意义上的变化；而以不同的速度、不同的负荷重量下行走时，心率发生了明显的改变。当以6 km/h 的速度、5 kg 的负荷行走时，心率达到最高值。

2.5.2 超重组在负重步行时心率的情况

通过不同速度与负荷组合间的两两对比，发现以相同的速度、不同的负荷重量行走时，超重组的心率没有统计学意义上的变化；而以不同的速度、不同的负荷重量下行走时，心率发生了明显的改变。当以6 km/h 的速度、4 kg 和5 kg 的负荷行走时，心率达到最高值(见图4)。

图4 负重步行时正常体重组和超重组心率的情况(次/min)Figure 4 Heart rate during walking with load in normal weight group and overweight group

2.5.3 正常体重组与超重组负重步行时心率的比较

如图4 所示，当以相同的速度与负荷强度下行走时，两组间的心率只有数值上的不同，并不存在显著差异。当背包负重不同的重量行走时，两组的心率跟随速度的增加而逐渐增加。当速度处于不同水平时，两组行走时产生的心率与负荷重量的增加关系不大，而速度的变化能够引起两组心率更敏感的变化。

3 分析与讨论

为了贴近真实状况的步行环境，本文采用室内场馆的场地及小重量的负荷进行负重行走的测试，测定成年男性在负重不同、速度不同的情况下步行时的能量消耗参数，探讨和分析两种体重分类下的男性在不相同的速度和负重条件下行走时能量消耗的变化特征。

3.1 体重与负重步行时的能量消耗

在本研究中，受试者分为正常体重组的男性和超重组的男性，在相同速度、相同负荷重量水平下比较两组行走期间的能量消耗的改变状况，结果表明，超重的人负重步行时产生的能量消耗和净能量消耗要高于正常体重的人。21 世纪初Browning[6]等在其研究中论证了体重与能耗的关系，该研究以20 名男性(10 名正常体重，20.6 ±1.3 岁；10 名肥胖，25.6 ±7.0 岁)和19 名女性(10 名为正常体重，27 ±6 岁；9名为肥胖者，25 ±7 岁)为研究的受试者，测量这39 位男性和女性以速度分别为1.8、2.7、3.6、4.5、5.4、6.3 km/h 在跑步机上步行时的ˑVO2、ˑVO2max、ˑVCO2以及最佳的步行速度，此研究的结果表明，肥胖的男性和女性行走时的净代谢率比正常体重的男性和女性高了10%，因而需消耗的能量也更多。随后，2013 年Browning[7]等学者发布了新的研究结果，以19 名体重正常的女性(22.8 ±3.6 岁)和32 名肥胖的女性(28.5 ±7.6 岁)为该研究的受试者，测量她们分别以1.8、2.7、3.6、4.5、5.4、6.3 km/h 的速度及-3°、0°、6°、9°的坡度下组合步行时的摄氧量、生物力学方面相关的数据变化，算出在不同速度、不同坡度的情况下步行时，两组的代谢率和步幅动力学的变化，并探讨净代谢率与下肢重量之间的关系，结果表明与正常体重组相比，肥胖组消耗的能量更多；下肢重量不同，净代谢率会有不同。在本研究中，研究结果进一步证实体重决定了运动期间的能量消耗的变化趋势，超重与体重正常的人群相比运动时消耗的能量有所不同，下肢重量大者(超重者)要完成相同的活动时需要比下肢重量轻者(正常体重者)消耗更多的能量。

3.2 负重与步行时的能量消耗

根据相关运动知识可知，不同的运动方式均有不同的能量代谢当量，进行不同运动时身体所消耗的能量会有所差异。当选择步行或跑步的运动方式，速度、负荷重量、负重形式及坡度都可决定运动时的强度，对于能量消耗的变化也会产生直接的影响。当步行强度增加时，躯干和下肢的肌骨会产生额外的负担，导致身体额外的能量消耗。

由本研究中所得到结果显示，在负重一定的情况下步行时，能量消耗会因速度的改变而产生明显变化，速度在引起能耗改变方面起到重要作用。在Falls[8]等的研究结果中也可以看到相同的现象，即在一定的范围内，步行时的能耗与速度呈线性相关，此研究测量了体育教育学院的7 名女大学生(体重约56.5 kg，身高约1.64 m)，在跑步机上分别以4.0、4.8、5.6、6.4、7.2 与8.0 km/h 的速度步行时的摄氧量和能量消耗，结果发现，行走过程中的摄氧量和能耗与速度呈正相关性。从本研究分析速度与负重对能耗的影响效应可知，不论是超重组还是正常体重组，速度都是最重要的影响因素，负重对于超重组的能耗影响并不突出，只有正常体重组的能耗受到负重因素的影响，当这两个影响因素叠加观察时，显示对能耗不产生任何影响效应，从而也进一步确立了速度在影响能耗中的重要地位。Abe[9]等的研究让健康男性(20.8 ±1.1 岁，体重60.5 ±3.0 kg，身高169.9 ±3.9 cm)分别在速度1.8、2.4、3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、6.0、6.6 与7.2 km/h 且无负重或背包负重(身体重量的15%)的情况下步行，结果表明，当速度低于4.8 km/h、承重或无承重行走时，能耗会由于速度较低而产生节省的现象；在速度高于4.8 km/h、承重或无承重行走时，能耗会因速度的增加而产生正反应。由此可知不论是否负重步行，只要速度低于某个值以下，速度和能耗之间的正相关关系就不存在了；当速度维持在一定范围时，承重步行产生的能量消耗大于无承重行走时产生的能量消耗。这也与本研究的结果有相似之处，当速度超过6.0 km/h 时，负重与否能耗都要比另外两个速度下产生的多。

在Charteris[10]等的一项研究中发现″free-ride″现象(节能现象)，这种现象意味着当负荷的重量小于身体重量的20%步行时，能量代谢与负荷的关联并不大，不会因为负荷增加或减少而呈现相应的改变。Abe[11]等的研究中选择8 名健康男性(19～25 岁，体重约62 kg，身高约172 cm)为研究对象，分别以2.4、3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、6.0、6.6 与7.2 km/h 速度步行，并加之不同形式的负重:(1)左右两手均负重1.5、3.0 和4.5 kg 的重量；(2)左右踝关节均负重1.0、1.5 和3.0 kg 的重量；(3)背包负重的重量为6.0 kg(10%BW)、9.0 kg(15%BW)和12.0 kg(20%BW)；(4)零负重。研究表明，当以低速且手部或背部负荷重量行走时，能量消耗的变化很容易出现″free-ride″现象。但是，当以高于5.4 km/h 的速度且背手部或背部负荷重量行走时，能量消耗就不会出现节省较低的现象；表明当以一定的速度行走时，负重与能耗之间并没有产生某种默契的变化关系。此外，Bastien[12]等的研究结果与上述Abe[11]等的研究结果几乎不谋而合，说明在行走时，对强度是有要求的，当行走的强度达不到阈值强度时，对于机体产生不了足够的刺激，此时能耗不会由于负重的增长而产生增多的变化；也提示步行时速度要和负重综合起来才能够对能耗产生影响。Schertzer[13]等的研究表明，身体重心的移动或变化对于能量代谢率是有影响的，当机体需要负荷外界的重量，通常会调整身体重心以保持稳定，如果负荷的重量使身体重心产生的变化较大时，机体的能量代谢也会相应增加。不论背包负重的重量如何，负重步行时能耗比无负重增多，Huang[14]等的研究中也证实了这一结论。结合本研究来看，小重量的背包负重对于身体重心的改变并不大，因而负重对能耗的改变并不显著，也造成与速度带来的改变相比逊色许多。

4 结论

综上所述，当速度为4.0 km/h、5.0 km/h，背包负重不同重量(承重范围有限定时)时行走，正常体重的人净能量消耗和能量消耗低于超重的人；不论负重或无负重，只要速度为6 km/h 时，行走时的能量消耗不受体重的影响而产生显著变化。当行走时的是速度固定时，负重与否对于个体的能量消耗、净能量消耗及心率的改变影响并不明显；当行走时的负重固定时，速度作为变量足以使能量消耗、净能量消耗、心率发生有效性变化。因而对行走时能量消耗影响较大的是速度而不是负重。采用步行为运动方式时，可以速度为主要因素，负重为次要因素的组合形式进行负重步行，从而提高机体能量代谢率，增加机体耗氧量，产生增强机体呼吸、循环功能等生理良性变化。此外成年男性还应结合自身机能状况选择适合的速度与负重组合步行。