高原（低氧）和高温环境下运动训练生理生化监控研究进展

赵杰修 张漓 路瑛丽 徐金成 瞿超艺 吴赵昭 徐旻霄国家体育总局体育科学研究所（北京100061）

高原（低氧）和高温环境下运动训练生理生化监控研究进展

赵杰修 张漓 路瑛丽 徐金成 瞿超艺 吴赵昭 徐旻霄
国家体育总局体育科学研究所（北京100061）

近些年，高温与高原（低氧）特殊环境下运动训练生理生化监控研究正迅速发展，涌现出一系列相关的新指标、新方法、新思路。本研究在Pubmed、Web of Science、EBSCO等外文数据库和中国期刊网、万方数据库等中文数据库中，以关键词检索方式检索关于高原（低氧）和高温环境下运动训练生理生化监控的研究文献，并将相关研究文献的研究方法、结果与结论进行分类归纳，为特殊环境下竞技体育和健身运动提供科技支撑。

高原；低氧；高温；生理生化监控

高原（低氧）和高温是特殊环境的两个重要分支，其与体育科学结合最为紧密。耐力运动员利用高原训练提高平原运动能力的方法研究与应用已近半个世纪[1-4]，除了传统的高原训练外，由于模拟低氧舱的发明，还发展出高住低训（HiLo）[5，6]、高住高练低训（HiHiLo）[7]、间歇性低氧训练（IHT）[8-10]和多元化高原训练[11，12]等方法。但是，各种高原（低氧）训练的效果可能因项而宜、因人而宜，且高原（低氧）运动训练的生理生化监控要求更高。随着全球温室效应和厄尔尼诺现象加剧，全球气候经常会出现高温的特点。目前，大多数重要的国际性赛事，如夏季奥运会、国际足联世界杯和环法自行车赛等均在北半球的夏季月份举行，通常也是在高温环境中进行[13-15]。因此，高温环境下的运动训练生理生化监控是预防热疾病风险和疾病的关键。本研究以国内外发表的高原（低氧）和高温环境下运动训练生理生化监控文献和资料为基础，整合和分析相关训练监控的进展与前沿动态，为运动训练一线教练员和运动员及运动健身爱好者提供参考。

1 高原（低氧）环境下的运动训练生理生化监控

近期（2013年1月1日至2015年12月31日），国外发表的关于低氧训练的文献明显比高原训练的文献多。美国国家医学图书馆（NLM）提供的PUBMED信息检索系统表明，低氧训练论文472篇，而高原训练论文仅349篇。可能是因为低氧设备已经比较普及，且其在使用中可以通过氧浓度的调节，使得训练方案更加多样和灵活，因此研究者和运动队更愿意进行低氧训练的研究与应用。

1.1 基因多态性与低氧训练效果表现出关联性

通过长期研究，张漓等[16]提出低氧习服能力对高原/低氧训练效果具有重要的影响，并通过人体实验证明，通过检测血压调节物质血液内皮素-1可以快速反映运动员低氧习服的情况：血液内皮素-1快速升高的运动员低氧习服能力较差，高原训练效果也差，而血液内皮素-1不升高、甚至下降的运动员低氧习服能力较强，高原训练效果则较好。这一发现可能为高原训练的训练监控新指标开发提供了新的研究思路。有意思的是，Richalet等[17]在研究老年人比年轻人更少发生高原病的机制时发现，老年人在低氧习服期间心血管功能的变化幅度很小，这一发现从另一个角度表明心血管调节机制对低氧习服具有重要的影响，且这种低氧训练效果可能与基因多态性存在着关联。

1.2 间歇性低氧训练可以改善运动员过度训练的症状

间歇性低氧训练是在体育领域中兴起的一种模拟训练方法，它是利用低氧仪在平原条件下模拟不同海拔高度的高原低氧环境，对运动员产生间歇性的低氧刺激，以提高运动员有氧代谢能力和抗缺氧能力的一种训练方法[18]。其在体育领域中应用广泛，如低氧面罩的应用。间歇性低氧训练与普通高原训练的区别如表1所示[19]。间歇性低氧训练的主要特点包括：在白天安静休息时重复吸入低氧和常氧气体；每次低氧刺激的时间很短，仅持续几分钟，低氧间歇常氧，反复多次，每天低氧暴露时间不超过90 min；低氧刺激的氧浓度比其他低氧训练模式都低，氧含量相当于海拔4000～6500 m。间歇性低氧训练常见安排为：低氧混合气体的氧体积分数为9%～16%（大致相当于海拔2000～6500 m），先给予5 min低氧刺激，然后正常呼吸5 min，接着再给予5 min低氧刺激，如此循环，每次持续1～ 1.5 h，每天进行1～2次，持续15～20天为一个阶段，可根据不同训练目的和个体差异对间歇性低氧训练方案进行调整[18]。

表1 间歇性低氧训练与高原训练方式比较[19]

关于低氧训练的作用，Susta[20]等研究认为，在间歇的低氧与高氧暴露环境中进行低强度训练能够改善运动员过度训练的症状，并提高运动员的训练水平。间歇性的低氧环境已经被证明可以有效提高运动能力[20]。在Susta等[20]的研究中，实验对象为34名田径运动员，其中15人为实验组，另外19人为对照组。实验组进行1周3次的间歇低氧（10%O2）与间歇高氧（30% O2）暴露干预，每次6～8个循环，每次时间为45～60 min，并在暴露干预之后的1.5 h～2 h进行低强度的有氧训练（共2部分，每部分30 min，进行50%VO2max运动强度的跑步运动，2部分中间休息10 min），共持续4周。而对照组19名运动员按照其正常的计划训练，不施加任何干预。结果显示，通过对干预前后的运动能力、心率变异性、血液指标参数的分析比较，实验组运动员经过4周间歇低氧与高氧暴露与低强度运动相结合的方法，与干预前相比，机体的运动能力得到一定提高。PWC170测试结果：干预前为170.8±44.8 W、干预后为191.9±26.9 W。心率变异性分析结果：干预后机体的交感-副交感神经指数得到改善，中枢疲劳症状得以减轻（干预前8.01±7.51，干预后1.45±1.71）。血液指标参数没有显著性变化。其最后得出结论：通过间歇的低氧与高氧环境，并且结合低强度的运动，能够在相对短的时间内促进运动员恢复，改善过度训练的程度[20]。

1.3 低氧训练可以提高运动员的无氧能力

Kasai等[21]的研究中，实验对象为32名女大学生运动员，其中16人为低氧训练组，16人为常氧训练组。在不同氧分压环境下，进行相同的运动干预。低氧训练组氧浓度为14.5%，常氧训练组氧浓度为20.9%。运动方案为热身10 min，5 min之后进行20组7秒的快速折返冲刺，组间可休息30秒，10组过后休息10 min，再进行剩下的10组。一周进行2次练习，每次20组，共持续4周。之后对干预前后的冲刺能力、输出功率与VO2max值进行测量。结果显示，与干预前的基础值相比，干预后低氧组的平均功率显著提高，且低氧组的快速折返跑最大功率与平均功率远优于常氧组（低氧组最大功率与平均功率：9.7±0.9%，6.0±0.8%；常氧组最大功率与平均功率：5.0±0.7%，1.5±0.9%）。而两组间VO2max并没有显著性差异。其最后得出结论：女运动员经过4周低氧环境下快速折返跑训练后，其最大无氧功率和平均无氧功率相比常氧环境得到显著改善，提示通过低氧的快速折返跑训练，可能会提高机体的反复冲刺能力[21]。

1.4 低氧训练可以提高运动员的有氧能力

目前，国内外体育界出现了一些简易低氧设备，实际上是一种可以限制通气量的口罩。有人认为，通过限制通气量可以达到人工低氧设备的使用效果。Sell⁃ers等[22]在一些军校学员中进行了功效实验，学员们在日常体育课中配戴限制通气量口罩（低氧程度模拟海拔2750米）进行运动，训练共6周，结果发现学员们的有氧运动能力和无氧运动能力均无变化，证明这种简易低氧设备不能替代人工低氧发生设备。

高原训练尽管在实践应用中不如人工低氧训练简便易行，但高原环境具有低压特点，以及气候、环境等方面等人工低氧设备无法模拟的整体特征，使其在对运动员的身体刺激以及内环境改造方面具有人工低氧设备无法比拟的优势。多个对比研究[23，24]都显示出高原训练比低氧训练效果更为显著，体现在受试者的生理指标变化更为明显，并且往往有显著性差异。因此，大多数运动员在有条件的情况下，仍然愿意选择高原训练。

2 高温环境下的运动训练生理生化监控

机体长期处于高温高湿环境等危险因素中，而没有采取有效的措施预防，将导致机体出现一系列的不良反应与症状，称之为热疾病[25]。热疾病是导致美国高中运动性猝死的第三大原因[25]。近年，高温与运动的关系愈来愈成为研究的热点，美国国家医学图书馆（NLM）提供的PUBMED信息检索系统表明：在2013年1月1日至2015年12月31日期间，高温与运动相关研究论文1009篇；仅2015年1月1日至2015年12月31 日1年，高温与运动相关研究论文达到421篇。2015年，国际权威体育学术期刊《运动医学》（Sports Medi⁃cine）、《英国运动医学杂志》（British Journal of Sports Medicine）、《斯堪的纳维亚运动医学与科学杂志》（Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports）均刊发了Racinais教授研究团队的“高温环境中训练和比赛的共识性建议”[13-15]，成为运动与高温环境研究的一部“红宝书”。

2.1 运动人群在高温环境下的运动建议与危险因素

热环境中运动可提高机体热适应能力，但如果应用不当将会对机体造成损伤[26]。由于机体在热环境中代谢产热以及从热环境中吸收、传输热量的比例较高，将会导致汗液分泌速率增加，心跳加快，外周阻力增加，使机体水分和电解质损失，出现脱水症状，影响内环境稳态。运动中，体液每丢失1%体重，机体的核心温度将会上升0.15～0.2℃。核心温度增幅过快也是造成热疾病的主要原因[25]。运动员对热环境做好充分的准备能够最大限度减少甚至消除炎热环境对机体带来的负面影响，从而为运动员在热环境中的训练与比赛提供便利[26]。美国体育教练员协会声明对热疾病的多个方面进行了阐述[27]，不同热疾病具有不同的临床表现特点（表2），其综合高温环境中活动与休息指南[27，28]的观点（表3），认为高温环境下运动相关热疾病主要受到以下6个因素的影响：环境条件、运动强度、热习服状况、装备与服装、个体适应、年龄[27]，其各项危险因素又包括外在风险因素和内在风险因素两个方面[27]（表4）。

表2 热疾病的主要临床区别[27]

表3 综合热指数指南[27-29]

表4 热疾病的各项危险因素[27]

2.2 湿球温度指数（Wet Bulb Global Temperature inn⁃ddeexx，WWBBGGTT）修正性应用可以有效评估热应激诱导的运动风险

WBGT指数由美国军队凭经验发展而来并被美国运动医学学会在运动医学中进行推广[30]，已被不同的运动协会所采纳（表5）。但是，当汗液蒸发受到限制时（即高湿度和/或较低的空气流动），WBGT可能低估了热应激的风险[31]，进而有学者提出了修正性建议[32]（表6）。此外，WBGT是一个气候指数且不能说明代谢产热或穿衣着装，因此不能预测热量的散失情况[33]。所以，下文中的建议为不同体育活动提供了指南而非基于WBGT指数的固定分界点。

表5 不同运动管理机构基于WBGT的建议措施示例

表6 基于WBGT的运动性中暑风险的校正估计——将WBGT低估高湿度下的热应激考虑在内

2.3 高温训练类似高原训练可以提高运动员的有氧运动能力

Lorenzo[35]等对12名专业自行车运动员进行热适应的实验研究，具体方法为：40℃与30%相对湿度的高温环境下进行为期10天、50%最大摄氧量（VO2max）的有氧运动，每天进行包括两组45分钟、中间间歇10分钟的自行车练习。实验前后分别在凉爽环境（13℃、30%相对湿度）和高温环境（38℃、30%相对湿度）下进行最大摄氧量、60分钟运动试验能力及乳酸阈等指标的测试。结果表明：这种热适应训练显著提高了研究对象在凉爽环境和高温环境下的最大摄氧量。由此证明，运动员在高温环境内热适应训练可以提高其在高温与凉爽环境（如13℃）下有氧运动能力。这提示高温环境下热适应训练和“高住低练”训练方法一样，其能够提高机体在常温和常温环境下的运动能力。

2.4 高温环境有助于运动后肌肉酸痛症状的消除

Petrofsky等[36]的研究认为，由于运动类型、运动强度、温度和湿度以及利用冷疗和热疗的时间不同，很难评价哪种手段对运动过后的肌肉酸痛更加有效。其实验对象为100名运动水平接近的成年人，分为对照组、立即冷疗组、24 h冷疗组、立即热疗组、24 h热疗组5组，每组20人，分别进行15 min的下蹲练习后，在运动结束后即刻，以及运动结束24 h接受热敷和冷敷的不同干预，对照组不进行任何干预。之后对其膝关节力量、膝关节被动活动力量、主观视觉模拟疼痛评分量表、肌红蛋白进行测量与评价。结果显示，对照组相比其他4组肌肉力量下降幅度更大（对照组−24%、其他4组−4%），对于力量的恢复，24 h冷疗组要优于24 h热疗组（P＜0.01），运动过后通过热敷或冷敷可以有效预防肌肉组织的损伤。与对照组相比，其他4组肌红蛋白损伤量更少，其中24 h冷疗组与24 h热疗组肌红蛋白损伤量要小于立即冷疗组与立即热疗组，（24 h冷热疗组135.1%，立即冷热疗组106.1%）。其他4组肌肉酸疼感明显低于对照组，并且冷疗组优于热疗组。因此，其最后得出结论：运动过后不论冷疗还是热疗对肌肉酸痛都具有一定的减轻作用。

2.5 去甲肾上腺素（NANA）神经递质可作为高温环境下运动生理生化监控的新指标

本研究团队综述国内外研究资料发现：泌乳素、生长激素和皮质醇是高温高湿环境下训练监控的敏感生理生化指标[37]。本研究团队以8名运动员为研究对象[37]，分别在5种环境：常温低湿（21°C/20%RH）、高温低湿（33°C/20%RH）、高温40%（33°C/40%RH）、高温60% （33°C/60%RH）、高温80%（33°C/80%RH）进行最大摄氧量和生化指标测试，应用双因素重复测量方差分析（a two-way repeated measures analysis of variance）探讨外周血神经递质和激素之间的关系。结果发现：运动对去甲肾上腺素（NA，P＜0.0001）、泌乳素（PRL，P＜0.0001）、5-羟色胺（5-HT，P=0.002）、5-羟吲哚乙酸（5-HIAA，P=0.029）和多巴胺（DA，P=0.016）的影响较为显著，在5种环境条件下，NA与运动时间显著性相关（r= 0.7721，P=0.0000002），提示外周血NA神经递质可作为高温环境下运动生理生化监控的新指标。

2.6 生理应激指数（PSIPSI）可用于高温环境下运动人群的热适应情况评价

在Moran等[38]的研究中，其首次应用生理应激指数（physiological strain index，PSI）评估热应激，此指数是基于直肠温度和心率的比率换算得出的，能够对机体的热适应情况进行有效分析。该指数的范围从0～10，其假设机体在高温热应激过程中温度的变化范围为36.5℃～39.5℃，心率变化范围为120次/分（60～180次/分）。其具体公式为：PSI=5×（运动时直肠温度−安静时直肠温度）/（39.5−安静时直肠温度）＋5×（运动时心率−安静时心率）/（180−安静时心率）。运动时的直肠温度和心率同步测量。研究进行了两组实验，第1组实验为100名男性受试者在温度为40℃、相对湿度为40%的环境下进行120 min、速度保持在1.34 m/s的跑步练习。第2组实验为7位穿着防护服的男性，在高温高湿环境下测试PSI指数的有效性[38]。结果显示，在两组实验中，PSI具有显著性差异（P＜0.05），其认为PSI指数可被进行广泛应用。

2.7 高温环境下运动员的饮食结构和营养研究

对于耐力项目来说，普遍的研究认为需进行高碳水化合物的补充，从而最大限度的提高运动能力。然而另外一些观点认为低碳水化合物的膳食补充对超耐力运动员的能量补充同样具有有益作用[39]。在Kunces 等[39]关于热环境下自行车骑行者的膳食调查中，实验对象为20位男性自行车骑行者（年龄48±8岁、体重85.1±13.4 kg、身高178.2±7.4 cm），在高温环境中进行162公里的骑行，随后记录其在骑行前、骑行中、骑行后饮食结构中碳水化合物和热量摄入的关系。结果显示，机体碳水化合物的摄入比重骑行前为384 g/day，骑行中为657 g/day，骑行后为329 g/day，碳水化合物的摄入量与热量摄入并没有显著关联。其结果提示，由于自行车骑行者饮食结构和变化量较大，因此对于其膳食安排应该具有特定化和个性化，针对个人的需求量，增加液态糖的补充，保证其运动表现。

2.8 “低温饮料复合降温服”综合预冷法是高温环境下运动能力保持的关键

综合预冷法指将降低体表体温与核心体温的方法或者是同一类的两种（或者两种以上）不同预冷手段同时叠加使用，常用的综合法有冷水浸泡加冷水饮用、冷水浸泡加降温背心和冷水饮用加冷空气等预冷方案[40]，而“低温饮料复合降温服”被认为是适用于运动员的综合预冷法[41]。Quod等[42]研究两种不同预冷方式（体表预冷与体表预冷加核心降温）对高温环境下自行车运动员的影响，结果发现，综合预冷的方法，即浸泡在冷水中的同时配合着降温背心的使用，可以产生降低直肠温度的效果，从而提高在高温实验条件下自行车运动成绩。Ross等[43]对11名训练有素的男性自行车运动员进行研究，在炎热和潮湿的环境（32℃～35℃，相对湿度50%）下进行自行车时间竞速比赛测试，实验结果表明：综合预冷法（饮用4℃冷水和冰毛巾）可以作为耐力运动员在炎热和潮湿的条件下准备训练和比赛的一种实用、有效的降温措施。Clarke等[41]以12名足球运动员为研究对象，进行了高温环境（30.5°C，相对温度42.2%）下90分钟间歇跑运动能力实验，实验过程中进行了补糖、预冷的干预方法，结果表明，补糖与预冷结合可以有效提高足球运动能力（速度和疲劳时间）。

3 小结

近些年，高温与高原（低氧）特殊环境下运动训练生理生化监控研究正迅速发展，涌现出一系列相关的新指标、新方法、新思路，为竞技体育和健身运动提供了较为科学的保障。但是，高温与高原（低氧）特殊环境下运动训练生理生化监控仍然需要进一步完善。

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2016.06.03

国家自然科学基金（31371195），国家科技部公益性研究院所专项基金项目（基本15-08和16-22）共同资助

赵杰修，Email：zhaojiexiu@ciss.cn