低温环境不同强度运动能量消耗特征的研究

于瑷旗 王启荣 封文平

1云南省体育科学研究所（昆明 650000）

2北京体育大学运动人体科学学院

3国家体育总局运动医学研究所 4国家体育总局体育科学研究所

冬季运动项目一般是在外界温度较低的条件下进行，而低温环境下人体会产生一系列的生理反应，特别是在运动时机体的代谢过程和能源物质利用情况会有很大的变化。有研究表明低温环境（约0℃）会削弱耐力运动的表现[1]。此后，越来越多的学者关注并研究低温环境下静息和不同强度运动时机体的生理应答和代谢特征。有研究表明寒冷条件下，糖的供能占主导地位，大于总供能的60%以上[2-4]，但也有研究指出脂肪是主要的供能物质，占总能量供应的60%以上[5-7]。值得注意的是，这些研究所选择的运动强度并不一致，而运动强度也是影响人体能量代谢的一项重要因素，且环境温度与运动强度二者结合的影响可能比单独一项的影响更加显著。例如在低温条件下从事高强度运动时，机体能量消耗急剧增加，很容易产生疲劳，若营养补充不当，则会增加患病的风险。因此，本研究探究低温环境下不同强度运动时的能量消耗特点，为冬季室内项目运动员的运动训练和营养补充提供参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取北京体育大学竞技体育学院本科男生10名，均为田径专项，年龄最小20岁，最大24岁。训练年限3～7年，平日每周有6 h以上的中等强度训练。身体健康，均无呼吸系统、心血管系统、内分泌系统等疾病。基本情况见表1。

表1 研究对象基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 测试要求

测试前 24 h内避免大强度运动，避免摄入酒精、咖啡和药物。每次测试在早餐2 h后进行，测试期间不允许补液。每次测试都将室温控制在12±1℃，湿度为40% ±3%。受试者统一着T恤和运动单裤。

1.2.2测试流程

本研究采用交叉自身对照的实验方法，让10名受试者分别在12℃左右的环境下进行静息、65%VO2max强度跑台运动、80%VO2max强度跑台运动三次测试，每两次测试间隔时间不少于1周。

（1）运动能力测试

正式测试前1周，对受试者进行跑台的最大耗氧量（VO2max）测试。

（2）低温环境安静状态的能量消耗特点

采用气体分析仪收集受试者静息状态下的呼出气，采集时间20 min。采集前有5 min的低温暴露时间。采集前后取末端血测血乳酸。

（3）低温环境不同强度运动能量消耗特点

受试者进行低温环境下不同强度运动能量消耗与底物代谢特征实验。根据受试者进行跑台的最大耗氧量（VO2max）测试结果，低温环境下以65%VO2max和80%VO2max强度进行跑台运动，运动时间为20 min，采用气体分析仪收集受试者呼出气。测试前有5 min的低温暴露时间。测试前后取末端血测血乳酸。

1.2.3 VOVO22maxmax测试方案

VO2max测试中，受试者先以中低强度的跑台运动进行5 min热身活动，随后佩戴呼吸面罩等相关设备，按照设定方案在跑台上进行递增负荷运动测试。确定起始负荷为8 km/h，无坡度。每1 min递增1 km/h，跑台速度增加到17 km/h时不再增加速度，开始以1%/min递增坡度，直至受试者不能继续坚持该速度下的运动而终止测试。

VO2max的判断标准为摄氧量不再继续增加而出现平台，或者呼吸商达到或接近1.10，或者心率＞180次/分，同时不能保持原有的运动负荷和运动速度，在此负荷时的摄氧量即为VO2max。

1.2.4 主要测试指标及设备

（1）体温：电子体温计（欧姆龙MC-246，日本）；（2）身高：身高测试仪（鑫东华腾 GJ-II，北京）；（3）体重：电子体重计（OMRONHBF-356，日本）；（4）血乳酸：便携式血乳酸分析仪（Lactate scout，德国）；（5）血糖：便携式血糖仪（ACCU—CHEK®，日本）；（6）摄氧量、CO2呼出量、每分通气量、呼吸频率和呼吸商：固定式气体代谢仪（Cortex Metalyzer 3B，德国，硬件版本为2.7.0，软件版本为 Meta Soft3.9），配套的跑台（VIASYS LE500CE，德国）；（7）心率：Polar表（RS800CX，芬兰）；（8）体成分：双能X射线全身骨密度仪（GE公司Lunar，美国）。（9）糖和脂肪的氧化量、供能量和总能量消耗：忽略蛋白质的氧化，使用Péronnet和Massicotte 方程[8-11]计算。

糖氧化量（g/min）=4.585×VCO2（L/min）-3.226×VO2（L/min）

脂肪氧化量（g/min）=1.695×VCO2（L/min） -1.701×VO2（L/min）

糖供能量（kcal/min）=糖氧化量×4（kcal/g）

脂肪供能量（kcal/min）=脂肪氧化量×9（kcal/g）

总能量消耗（kcal/min）=糖供能量＋脂肪供能量

1.2 .5统计学方法

测试中的组间对比，取状态稳定后间隔2 min的连续7个点的数值进行重复测量方差分析；测试前后的组内对比采用配对t检验。若P＜0.05则表示具有显著性差异水平。所有数值以Mean±SE的形式表示。所有实验数据由SPSS17.0软件进行统计处理。

2 结果

2.1 低温环境下不同强度跑台运动前后体重

静息20 min前后、65%VO2max强度运动前后以及80%VO2max强度运动前后体重均无显著变化（表2）。

表2 低温环境不同强度跑台运动前后的体重情况

2.2 低温环境下不同强度运动时心肺功能指标

与安静时相比，以65%VO2max强度和80%VO2max强度进行跑台运动时，摄氧量、二氧化碳呼出量、每分通气量、心率、呼吸频率和呼吸商均显著上升（均P＜0.05）；与65%VO2max相比，以80%VO2max强度进行跑台运动时，摄氧量、二氧化碳呼出量、心率、呼吸频率和呼吸商也均有显著提高（均P＜0.05）（表3）。

2.3 低温环境下不同强度运动的能量消耗情况

2.3.1 糖、脂供能量

与安静时相比，以65%VO2max强度和以80%VO2max强度进行跑台运动时总能量消耗、糖和脂肪的氧化量和供能量均有显著增加（均P＜0.05）；与65%VO2max相比，以80%VO2max强度进行跑台运动时总能量消耗、糖的氧化量和供能量均有显著升高（均P＜0.05），而脂肪的氧化量和供能量均显著下降（均P＜0.05）（表4）。在两种强度的跑台运动中，糖在80%VO2max强度运动时供能较多，而脂肪则在65%VO2max强度运动时供能较多。

表3 低温环境下不同强度跑台运动时心肺功能指标

表4 低温环境下不同强度跑台运动糖、脂供能情况

2.3 .2糖、脂供能比例

静息时，糖和脂肪供能比例分别为51.2%和48.8%；以65%VO2max强度进行跑台运动时，糖和脂肪的供能比例分别为74.2%和25.8%；以80%VO2max强度进行跑台运动时，糖和脂肪的供能比例分别为88.5%和11.5%。与静息状态相比，以65%VO2max、80%VO2max强度运动时糖的供能比例均显著升高（均P＜0.05），脂肪的供能比例显著下降（均P＜0.05）。与65%VO2max强度相比，以80%VO2max强度运动时糖的供能比例显著升高，脂肪的供能比例显著下降（均P＜0.05）（表5）。

表5 低温环境下不同强度跑台运动糖、脂供能比例

2.4 血乳酸变化情况

静息20 min前后、65%VO2max强度跑台运动前后血乳酸值均无显著变化，80%VO2max强度跑台运动后血乳酸值显著升高（P＜0.05）（表6）。

表6 低温环境不同强度运动后血乳酸的变化情况

3 讨论

3.1 低温环境下不同强度跑台运动后体重变化情况

低温环境下运动训练容易发生失水，主要原因有：（1）低温引起交感神经兴奋，肾上腺激素分泌增多，外周血管收缩，血容积减少，导致尿量增加。（2）由于服装的保温作用，在训练中有相当的汗液排出。（3）寒冷环境中，呼吸道丢失的水分增加。（4）口渴受到抑制。虽然机体已经失水较多，但口渴感不明显，容易造成补水不足[12]。当脱水量达到体重的2%时即属于轻度脱水，可能会影响到运动能力[13]。本研究结果显示，三次测试前后，体重变化差别不大，无统计学意义。这可能因为本研究时间较短，且受试者没有穿着较厚的衣服所致。

3.2 低温环境下不同强度运动时呼吸商变化情况

一定时间内机体的CO2产量与耗O2量的比值被称为呼吸交换率或呼吸商。通常情况下所测定的呼吸商，实际上是非蛋白呼吸商，即以糖类和脂质为氧化分解的底物时所测定的呼吸商。当糖完全氧化分解时呼吸商等于1，当脂质完全氧化分解时，由于其分子中氢对氧的比例较糖分子中高，氧既需用于碳氧化，也要用于与氢氧化，需消耗较多的氧，故呼吸商小于1（0.69～0.73）；但是在低氧条件下，由于无氧呼吸的存在，特别是以糖类作为呼吸底物时，呼吸商会大于1。所以呼吸商的测试结果也能从一定程度上反映底物代谢情况。张勇等[14]让受试者在常温条件下（20～25℃）以65%VO2max强度进行跑台运动，测得呼吸商为0.87±0.01。本研究让受试者在低温环境下以65%VO2max强度进行跑台运动，所测得呼吸商为0.91±0.05。对比可得出初步结论：与常温环境相比，低温环境下进行中等强度运动时呼吸商较高。Layden[15]的研究也证明在一定范围内（.10～20℃），温度越低，糖的氧化速率就越快，而脂肪的氧化速率逐渐减慢，这可能是呼吸商在低温环境下高于常温环境的重要原因。但本研究关于脂肪氧化速率的结论与Layden的看法不一致，本研究结果表明低温环境下糖和脂肪的氧化速率均显著上升，但糖的供能比例显著大于常温同等强度运动时，脂肪的供能比显著降低，导致呼吸商升高。此外，还有一部分学者认为低温环境下外周血管收缩，骨骼肌血供减少，乳酸消除能力下降，导致一定程度的乳酸堆积，因此呼吸商的升高与乳酸堆积有关。但本研究只在80%VO2max强度运动后观察到血乳酸值有显著升高，这并不能解释低温环境下静息和中低强度运动时呼吸商升高的原因。

3.3 低温环境下不同强度运动时糖、脂代谢特征

张勇等[14]让受试者在外界温度为20～25℃条件下以65%VO2max强度进行跑台运动，所得糖供能量、脂肪供能量和总供能量分别为 81.71±11.57（cal/min/kg）、54.96 ±8.59（cal/min/kg）和136.67 ±14.90（cal/min/kg）。屈金涛等[16]让受试者在常温环境下（23±2℃）以80%VO2max强度运动，所测得的糖供能量、脂肪供能量和总供能量分别为204.8±48.0（cal/min/kg）、35.0 ±37.2（cal/min/kg）和239.8 ±12.9（cal/min/kg）。本研究受试者在环境温度为12℃条件下，以65%VO2max和80%VO2max两种强度运动所测得的糖氧供能量和总供能量均高于上述在常温下同等强度运动的实验结果，但以80%VO2max强度运动时的脂肪供能量小于前人研究结果。这进一步证实了低温环境下运动产生的总能耗较常温环境下明显增多，这可能是由于人体暴露于冷环境时，机体散热加快，需要增加自身的产热量以维持体温，所以总的能量消耗增加。此外，在低温环境下呼吸时，吸入的气体温度较低，呼吸道会对其进行加热，也造成一部分热量流失，从而消耗更多的能量。但在低温环境下进行高强度运动时，脂肪供能量较常温环境有所降低，这有待进一步证实和研究。

健康男性在低温环境静息状态下，平均动脉压和心输出量有所升高[17]，伴随着糖的氧化量显著增加，以及脂肪的氧化量略有增加[18，19]。而在低温环境下运动，会对机体代谢的刺激进一步加强，从而使脂肪氧化量显著增加[20]。这提示我们冬季运动项目也许是减脂人群的更好选择，但关于进行何种强度的冬季项目运动减脂效果更好却鲜有报道。Romijn等[21]在常温下选取静息、25%VO2max、65%VO2max、80%VO2max三种强度蹬功率自行车，结果显示，随着运动强度的增加，糖的氧化速率逐渐升高，脂肪的氧化速率在65%VO2max强度时最大。本研究结果显示，糖的氧化量和供能量随运动强度的加大而升高，而脂肪的氧化量和供能量呈先升高后降低的趋势，即低温环境中等强度（12℃；65%VO2max）运动时消耗脂肪的速率较快，减脂效果更好。这也与Romijn等在常温环境下所得实验结果一致。

本研究结果显示，随着运动强度增加，糖的供能比例逐渐增加，脂肪的供能比例逐渐降低。静息状态时糖的供能略高于脂肪，而65%VO2max强度运动时，糖的供能占主导地位，80%VO2max强度运动时几乎全部为糖供能。这也与许多研究中寒冷条件下糖供能占主导地位[2-4]的结论相一致。

综上，当环境温度为12℃时，与65%VO2max强度的跑台运动相比，以80%VO2max强度运动时，心率、摄氧量、呼吸商、总能耗、糖供能量和供能比例均显著升高，脂肪供能量和供能比例显著下降。

4 结论

（1）在12℃的低温环境下，静息时糖脂供能比例相当，以中等强度运动时糖的供能比例较高，以高强度运动时几乎全由糖供能；（2）在12℃的低温环境下，以高强度运动时总供能和糖供能最高，以中等强度运动时脂肪供能最高。