高校高水平男子短跑运动员有氧能力与无氧能力特征研究——以大连理工大学为例

刘 昕，夏培玲，姜广富

（大连理工大学体育教学部，辽宁 大连 116024）

短跑是典型的以无氧代谢为主的运动项目，关于短跑无氧代谢方面的研究一直备受关注[1-3]。然而，近几年随着我国优秀短跑运动员频频在世界大赛中崭露头角，研究者们发现，我国优秀百米运动员从起跑到加速阶段的水平已经接近世界顶级水平[4-5]，可是对于最大速度的保持以及百米后程阶段的速度耐力等方面的表现，与世界顶级水平还存在一定差距。许多研究者和教练员已经意识到短跑不仅需要很好的肌肉爆发力、速度和专项技术，而且还要有较高的速度耐力水平[6]，这需要一定的有氧代谢能力作为基础[7]。

肌肉做功的能量来源有2个途径，首先是无氧代谢供能，包括无乳酸供能和乳酸供能，其中无乳酸供能是指体内存储的磷酸原供能过程，供能物质包括ATP和磷酸肌酸，乳酸供能是糖原进行糖酵解产生乳酸的供能过程。其次是有氧代谢供能，是指有氧气参与的糖原和脂肪氧化产生能量的过程。无氧代谢供能的特点是在短时间内提供大量能量，而有氧代谢的特点是能量供应时间较长，但是单位时间内供应量小[8]。国外已经有大量的研究表明，所有运动的能量供应都是由这3种能量供应方式共同参与，只是相应的比例不同而已[9-10]。而对于短时大强度运动中有氧和无氧供能的比例，国外学者Gastin也综述了相关研究，发现从6s到90s力竭运动中有氧供能比例为5%～58%[9]。

对于短跑运动员无氧能力的研究已经非常广泛了，比较经典的研究内容就是对短跑运动员进行30sWingate无氧能力测试，分析其相关指标的变化特点等。而国内对于短跑运动员有氧能力的研究并不多见。高新友等人研究了女子短跑运动员在有氧递增测试中的呼吸代谢变化特征，结果发现女子短跑运动员的呼吸代谢机能具有阶段性变化的特征[11]。随后高新友对男子短跑运动员在有氧能力测试中的气体代谢变化与普通大学生进行对比研究，发现短跑运动员的摄氧量、CO2呼出量、呼吸商及氧脉搏绝对值及增加速度都明显高于普通大学生[12]。这些研究代表了目前国内关于短跑运动员有氧能力的研究现状。如果在无氧测试中加入心肺功能测试，则能够很好地反映机体在达到无氧疲劳过程中有氧代谢的水平。同时结合短跑运动员的最大摄氧量测试，可以进一步评估短跑运动员的心肺功能和无氧做功情况，进而了解短跑运动员的有氧能力和无氧能力生理特征。

1 测试对象与方法

1.1 测试对象 受试者均为大连理工大学校田径队短跑组12名在训男子运动员（年龄20.2±1.3岁，身高178.7±5.4cm，体重68.8±4.9kg），4人专项为100m,3人专项为200m，2人专项为400m，1人专项为100m栏，均为国家二级运动员以上水平，平均训练年限约为5年，所有受试者无伤病和抽烟史。在测试前，已经向受试者详细说明整个测试过程及注意事项，所有受试者均签署《知情同意书》，同意并自愿参加本研究。本研究所有测试均在大连理工大学运动人体科学实验室进行。大连理工大学生物与医学伦理委员会已经审核和批准所有测试程序。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法 通过中国知网、万方、Elsevier以及web of science等数据库大量引用几十年来的文献资料，其中以“无氧能力 短跑”“wingate 短跑”“有氧能力 短跑”“心肺功能 短跑”“气体代谢 短跑”“递增负荷 短跑”为关键词查阅了约80篇中文文献，以”wingate sprinter”“gas metabolism sprinter”“VO2sprinter”为关键词查阅了约60篇英文文献。通过对文献资料的分析、整理以及总结，对国内外运动员有氧能力特征及无氧能力特征有了进一步的了解和掌握，为分析高校高水平短跑运动员的有氧和无氧能力特征方面起到一定的参考依据。

1.2.2 测试法 受试者在功率自行车（PowerMax VIII，Combi Wellness, Japan）上进行有氧能力测试和无氧能力测试。功率自行车的座椅根据受试者的身高进行调节，当受试者的单侧脚踩在最低点时，同侧腿膝关节角度基本保持稍微弯曲状态，以至于运动时腿部能够完全伸展。在测试前，受试者佩戴呼吸面罩和心率带（Polar，芬兰），使用心肺功能测量仪（MetaLyzer 3B，Cortex Biophysik，Leipzig，Germany）对心肺功能参数进行测量。采集呼吸气体并对其进行分析，从而评估受试者能量代谢特征。呼吸面罩每次使用后用酒精消毒，气体分析仪在测试前均按照使用要求进行校准。心肺功能记录仪采集的每次呼吸数据、输出数据为5s平均数据。

1.2.2.1 有氧能力特征测试（最大摄氧量测试，VO2max测试）

1）热身活动

在测试开始前，安排受试者进行3个热身运动，即固定阻力变转速、固定转速变阻力，以及设置测试时相同的转速在短时间内变换7个阻力。热身活动是模拟VO2max测试自行车阻力和转速的变化而设置的。安排热身运动，一方面是为了降低受试者肌肉的粘滞性，防止运动损伤；另一方面，也是为了让受试者提前适应测试当中设置的负荷和转速，使其在正式测试时取得最佳的测试效果。

2）测试方案

受试者热身后休息5～8min，进行正式测试环节。测试方案：自行车转速保持80rpm，阻力分别设置为0.5kp、2.5kp、3.0kp、3.5kp，每个阻力持续3min，运动至力竭。在测试前静止3min，运动至力竭后恢复3min，测量气体代谢指标和心率变化情况。在测试中，受试者达到以下4项标准中的2项，可判定为受试者力竭[13]：①呼吸交换率在1.10以上；②最大心率达到220-年龄；③随着自行车功率增加，受试者最大摄氧量（VO2max）呈下降趋势；④经口头鼓励3次以上不能继续保持80rpm。

3）测试指标

心肺功能指标：摄氧量（VO2）、CO2呼出量（VCO2）、呼吸商（RQ）、每分通气量（VE）、氧脉搏（VO2/HR）、呼吸当量（VE/VO2）、呼吸频率（RR）、潮气量（TV）以及心率（HR）。

1.2.2.2 无氧能力特征测试（30sWingate测试）

Wingate功率自行车测试是一种经典的无氧运动能力测试，其平均输出功率与速度性项目的运动成绩之间存在相关性，因此采用Wingate无氧功率测试对短跑运动员进行基础能力和训练状态评定是国内外常用的一种方法[10]。

1）热身活动及测试

功率自行车阻力设定：功率自行车阻力=阻力系数×体重，阻力系数为0.075[14]。测试前，受试者在未设置阻力的功率自行车上进行2～3min热身活动，然后休息3～5min。设置功率自行车阻力，调整座椅高度，受试者佩戴呼吸面罩和心率带，用全力蹬踏自行车30s。测试过程始终对受试者进行口头鼓励，使其尽最大努力和最大速度进行蹬踏。与VO2max测试相同，测试前静止2min，测试后恢复3min，测量气体代谢指标和心率变化情况。

2）测试指标

①30sWingate无氧能力指标：最大输出功率（PP），是指30sWingate测试中每5s最高功率输出（单位：W），本研究使用W和W/kg来表示绝对值和相对值；平均功率（MP），是指WT测试中30s平均功率输出，也使用W和W/kg来表示；疲劳指数（AFI）。功率自行车每一圈骑行的距离是6m，无氧能力相关指标的计算公式为[15]：

最大输出功率=阻力×距离/时间（每5s）（1）

平均功率=阻力×距离/时间（30s）（2）

无氧疲劳指数=（最大输出功率-最小输出功率）/最大输出功率×100%（3）

②心肺功能测试指标同有氧能力中的测试指标。

1.3 数理统计法 本文数据均采用平均数±标准差（Mean±SD）。数据的统计分析在IBM SPSS21.0软件环境下完成。对短跑运动员VO2max测试和30s Wingate测试的所有气体代谢指标（包括VO2、VCO2、RQ、VE、VO2/HR、VE/VO2、RR、TV、HR）采用配对样本t检验，对30sWingate测试中无氧功率指标（PP、PP/kg、MP、MP/kg）和气体代谢所有指标进行皮尔逊相关性分析。显著性水平定义为P＜0.05。

2 结 果

2.1 有氧能力相关指标测试结果 表1为VO2max测试与Wingate测试后最大心肺关键参数。除了呼吸频率（RR）和呼吸当量（VE/VO2）Wingate测试高于VO2max测试外，心率（HR）、潮气量（TV）、氧脉搏(VO2/HR)、每分通气量(VE)、摄氧量(VO2)、二氧化碳呼出量(VCO2)和呼吸商（RQ）相应最大值均为VO2max测试高于Wingate测试。表1同时也显示出，在Wingate测试后心肺关键参数占VO2max测试最大心肺反应的比例。

Wingate测试后VO2和VO2/kg峰值显著低于VO2max的测试中的相应最大值，所占比例均为88%；RR和VE/VO2峰值高于VO2max测试中的相应最大值，所占比例为133%和110%，并且RR峰值呈现显著性差异；Wingate测试中TV和VCO2峰值非常显著低于VO2max测试，所占比例分别为79%和83%。Wingate测试中HR、VO2/HR、VE和RER峰值占VO2max测试相应峰值的比例分别为90%、94%、89%和94%

2.2 短时运动中有氧能力和无氧能力相关指标变化

图1 30s Wingate测试中摄氧量（VO2）和无氧最大功率（PP）变化图n=11Figure 1 Changes of the peak power output and VO2 in 30 wingate tests(mean±standard error of the mean ,n=11)

表3 受试者30s Wingate测试中无氧功率相关指标测试结果 n=11Table 3 The value of anaerobic power variable in 30 wingate tests

由图1可以看出，在Wingate测试中，最大功率呈现先上升后下降的变化趋势，即在运动10s达到最大值；而摄氧量则显示出与之相反的变化趋势，即在整个测试中逐渐升高，在最后25～30s达到最大值。

表2显示30sWingate测试中平均功率（MP）的绝对值和相对值与心肺功能参数的皮尔逊相关性分析的结果，其中MP与VO2/HR为正相关（0.55），MP与HR为负相关性（-0.5）。

2.3 无氧能力相关指标测试结果 表3显示受试者参加30s Wingate测试中最大功率、相对最大功率、平均功率、相对平均功率以及疲劳指数相应测试结果。

3 分析与讨论

3.1 高校高水平男子短跑运动员无氧能力特征Wingate无氧能力测试反映的是机体在短时间内、无氧条件下发挥出的最大力量和速度。受试者一般在运动后5～10s达到最大功率，然后功率输出稳定下降直至运动结束。Wingate测试开始后5～10s达到最大功率，该阶段中以磷酸原系统供能为主，它的特点是供能速率快，但是维持时间短[16]。

最大功率（peak power,PP）是反映肌肉在单位时间内产生机械功的能力，用于评价肌肉的爆发力，是衡量无氧能力的一个重要指标。它的值越大，说明肌肉的爆发力越强，肌肉的爆发力属于快速力量或称速度力量，是短跑运动员必备的专项素质之一。本研究受试者基本都在运动后10s达到最大功率，该阶段也体现出磷酸原系统供能的特点，即供能能量大、速率快，但维持时间短。平均功率（mean power，PP）是反映肌肉维持高功率运动的耐力，是30s时间内所有运动速率的平均，用于评价速度耐力，其值越大，表明其速度耐力越强。速度耐力是保持运动员高速运动的能力，也是短距离项目保持最大速度的能力，是取得优异成绩的关键素质之一。无氧疲劳指数（anaerobic fatigue index,AFI），通过运动功率的递减率来评价无氧疲劳产生的速率，它反映了机体的抗疲劳能力[17]。

表1 VO2max 测试与30s Wingate测试中心肺关键参数最大值一览Table 1 Cardiorespiratory variable maximum value in VO2max test and 30s Wingate test

表2 30s Wingate测试中平均功率（MP）与心肺功能参数的相关性 n=11Table 1 Correlation of Absolute Value, Relative Value of Mean Power (MP) and Cardiorespiratory variable in 30s Wingate Test n=11

表4 受试者和其他文献中优秀男子运动员无氧功率比较Table 4 The comparison of anaerobic power to different subjects in 30 wingate tests

从表4可以看出，国外学者P.Granier等人[18]研究法国省级优秀短跑运动员在PP、PP/kg、MP、MP/kg方面都高于本研究受试者。相对于全美大学体育协会(NCAA)一级运动员平均水平来说[19]，本研究受试者PP、MP均低于NCAA一级运动员平均水平，说明本研究受试者在爆发力和肌肉平均做功方面与其还有一定差距，磷酸原和糖酵解供能能力有待加强；在PP/kg、MP/kg以及AFI指标上都略高于其平均水平，说明本研究受试者在速度耐力和抗疲劳方面与NCAA一级运动员平均水平相当。与不同运动项目对比中，短跑运动员在无氧做功方面优于其它项目优秀运动员[20-22]，也显示出短跑无氧代谢为主的项目特点。

3.2 高校高水平男子短跑运动员有氧能力特征 本研究结果显示，30sWingate测试中绝对和相对VO2峰值均占VO2max测试VO2max的88%，HR峰值占比为90%，这与Yagesh Bhambhani等人的研究结果相似（VO2占比86.7%，HR占比94%）。据文献记载，VO2是由Fick等式确定的，这个等式把心输出量和动静脉氧差用数学量化出来[13]。对于这个量化数据，曾经有大量的研究用来评估在运动中是心输出量（中心）还是动静脉氧差（外周）限制了VO2max。Yagesh Bhambhani等人通过近红外光谱（NIRS）对30sWingate测试和VO2max测试的肌氧动态进行评估，发现2种测试的组织脱氧水平相似，进而说明30sWingate测试中VO2峰值低于VO2max测试并不是因为外周原因造成。他们发现，相对于VO2max测试，Wingate测试中HR较低，2个测试间VO2最大值的差异可能是因为HR的差异造成的。他们通过氧脉搏来进行分析。心脏每次搏动输出的血量所摄取的氧气，称为氧脉搏（VO2/HR），它是由每分输出量（即心输出量）和动静脉氧差确定的。由表1得出，相对于VO2max测试，30sWingate测试中的氧脉搏稍微低一些。Yagesh Bhambhani等人经过研究发现，相对于VO2max测试，30sWingate测试中氧脉搏低5%～7%，但是组织脱氧水平相似，就间接说明了30sWingate测试中VO2峰值相对较低是由于心输出量较低造成的，而心输出量的这种差异他们猜测有可能是30sWingate运动时间太短产生的[22]。

Fontana P等人[23]假设如果一个30sWingate能够明显提高每搏输出量和心输出量，那么最大摄氧量的提高就可能解释为氧传递的提高。他们在对受试者进行持续2～3周Wingate测试训练项目后，进行了30sWingate和VO2max测试，受试者最大摄氧量提高了，30sWingate测试中VO2和HR峰值低于VO2max测试，他们测量并计算了受试者的心输出量和每搏输出量，计算的结果与Yagesh Bhambhani分析有差异。Fontana P等人发现，相对于VO2max测试最大运动来说，30sWingate测试后心输出量是相似的，每搏输出量相对较高，心率较低。他们认为这说明一个30sWingate产生了血液动力学反映。笔者认为这2个研究产生差异的原因是受试者，前者研究对象为高水平运动员，而后者研究对象为普通人，显然运动员的心肺功能要强于普通人，所以前者分析认为30sWingate测试中心输出量低于VO2max测试，而后者研究结果为2个测试心输出量相似。

心输出量（cardiac output），一般是指每分钟左心室射入主动脉的血量。通常所说的心输出量是指每分输出量，每分输出量等于每搏输出量与心率的乘积。每搏输出量（stroke volume）是一侧心室每次收缩所射出的血量，简称搏出量，而每搏输出量又决定于心肌收缩力和静脉回流量[24]。众所周知，30sWingate测试是无氧功率测试，可是测试后心肺功能指标接近VO2max测试中相应指标的最大值，若2种测试的组织脱氧水平相似，肌肉中肌红蛋白贮藏的氧气量极少，那么产生这种情况的原因可能主要就是心肌收缩力，进而说明30sWingate测试后期心肺有氧代谢可能参与供能。

3.3 短时运动中的有氧与无氧特征 已有研究表明，在30sWingate测试最后几秒有氧代谢参与供能[25-26]，所以笔者通过对30sWingate测试中无氧功率指标与心肺功能指标进行皮尔逊相关性分析得出，心率与平均功率MP负相关（r=-0.5）；氧脉搏与平均功率正相关（r=0.55）（见表2）。本文的研究结果与姜文凯等人[7]对优秀女子短跑运动员有氧-无氧能力的研究结果基本一致，他们通过研究发现最大有氧能力试验中的最大通气量、最大摄氧量和最大功率3个主要指标与30sWingate无氧试验中最小功和平均功率呈正相关，而与起始功和最大功率无关。由表1和图1可知，本研究把30sWingate测试后的心肺反映指标与VO2max测试得到的最大心肺指标进行对比，30sWingate最后5～10s基本为最小功率，而恰在此时，心肺指标快速增长，以至于30sWingate测试后的VO2、VE、TV、VO2/HR、VCO2以及HR峰值分别占VO2max测试最大值的88%、89%、79%、94%、83%和90%，更进一步说明了30sWingate无氧功率测试和有氧能力之间的关系。美国的学者Nico Hofman经研究发现[27]，夏训期间获得的Wingate测试结果能够很好的预测在随后冬季1500m速度滑冰运动成绩的提高。这说明Wingate测试可以很好地应用于实际的运动训练中。

从能量供应方面来看，人们普遍认为最大输出功率来源于ATP-CP能量供应，而平均功率（MP）则主要为无氧糖酵解供能。但Jimmy C.Smith等人[28]通过6名健康男性受试者30sWingate测试，对30sWingate测试中能量系统供应情况进行研究发现，ATP-CP供能在第一个5s达到最高值，从最高值到10s，ATP-CP供能快速下降。糖酵解供能在10～15s有提高，并且达到糖酵解系统的最大值。有氧供能在测试中逐渐升高，在最后5s，VO2超过了VO2max的90%（与本研究结果一致），并且有氧代谢提供了ATP再生必需能量的35%。在整个30s Wingate测试中，有氧供能占16%，糖酵解供能占56%，ATP-CP供能占28%，他们由此推论，在高能运动中，糖酵解供能在前15s达到最高值；而且，有氧代谢在“无氧”运动中反映非常快，对于运动表现有显著的贡献。

30sWingate测试中平均功率代表运动员的速度耐力，心率和氧脉搏同时与平均功率相关，也揭示了心肺功能与速度耐力之间的关系。速度耐力是一种非常重要的能力，这种能力会导致在100m或200m最后阶段或速度趋向于下降的几秒钟保持较高的跑动速度。Krzysztof Kusy等人[29]对一名国家队短跑运动员的一组短距离反复跑（60m、60m、100m、120m）中有氧和无氧供能进行研究，发现有氧、无氧无乳酸、无氧乳酸能量来源比例为11.1%、46.4%、42.5%。短距离反复跑是典型的速度耐力训练，他的研究说明了速度耐力运动中有氧和无氧能量供应的比例，从而也说明速度耐力运动依靠无氧代谢和有氧代谢。

4 结论与建议

4.1 结论 本文通过自行车VO2max测试和30s Wingate测试对短跑运动员进行了心肺功能和无氧能力测量，发现短跑运动员在30sWingate测试后的摄氧量峰值接近VO2max测试中的最大摄氧量。心肺功能参数与30sWingate测试平均功率存在相关性，进而说明，短时高强度运动中速度耐力与有氧能力有关，为短跑运动员的科学训练提供生理学理论参考。

4.2 建议 在短跑专项训练过程中有人认为过分强调有氧能力的训练有可能影响糖酵解系统供能能力的发展，不利于速度耐力的提高。这种想法可能也困扰了很多教练员，即对于短跑运动员进行有氧训练和无氧训练的“度”的问题。通过本研究，笔者认为教练员可以使用30sWingate测试对短跑运动员的阶段性训练进行检验，结合运动成绩，对训练方案进行调整和优化，从而提高运动员的专项水平。