走跑运动能量消耗的研究进展

邱 凌，张培珍

人类活动的实质就是能量代谢的行为和性质，其包涵了人类内在物质的微观运动以及外部的宏观活动。众所周知，能量是不能被创造出来的，当然也不能随意消失。物质之间的能量可以相互传递，在表达的方式上也可以相互转换[1]。人类的生命活动例如日常生活学习以及体育锻炼都需要能量来维持。由于当代人健康意识的不断加深，大众健身风靡世界，减少静坐少动，增加身体活动变成一种健康的追求，人们对身心健康有了进一步的关注[2]。多运动，不仅有助于减肥，而且对促进身体健康和预防疾病也有积极的一面。走、跑之所以受到大众的欢迎，是因为它们将常见的身体活动方式运用于健身锻炼，不仅能随时随地锻炼，而且也无需专门的场地器材[3]。步行是贯穿于日常活动的基本身体活动，而跑步是全民健身中的一种主要方式，二者都得到不少大众的青睐。

能量摄入值与消耗值的失衡，会给健康带来许多负面影响。了解不同运动在一定时间内的能量消耗量，可以为合理锻炼提供科学的依据。在运动训练学、运动生理学和运动营养学等学科中，运动量及能耗的研究都是比较受关注的部分[4]。走、跑作为比较常见的身体活动方式，也是构成日常生活能耗的重要部分[5]。对不同环境条件下的走、跑运动模式的能量消耗进行研究，可为生活中常见锻炼方式提供适当的运动强度和能量消耗量[6]。探讨运动中的能耗，对了解运动与健康的关系、制定个性化运动处方而言都十分重要，对提供科学的运动建议和改善健康有着重要的意义。

1 能量消耗及测量方式

身体活动指的是任何由骨骼肌收缩引起的导致能量消耗的身体运动，主要包括职业性、交通性、家务性以及休闲时的身体活动[4]。能量消耗不仅对于肥胖的预防和治疗有积极的作用，而且对日常活动也很有意义，是否达到能量平衡是可以从摄入和消耗的能量值直接反映出来的[6]。

测量能耗的方法种类繁多，有直接测热法、间接测热法、双标水法、心率监测法、运动传感器法以及调查法，其中调查法包括了问卷法和观察法[4]。20世纪初研究者们用行为观察法和问卷调查法依据受试者的反应和回答来推算能耗，这样得到的数据误差较大，信度和效度都不高[2]。随着科学技术的不断发展，能耗测量方法不断发展。直接测热法是按照能量守恒定律，先测得机体自身向外部环境发出的热量值，然后再计算体内消耗的热量值，虽然这是得到广泛认可的一种方式，但由于测试设备的复杂性，不适合普及；间接测热法指的是通过在密闭的空间或者佩戴呼吸面罩来测定气体代谢，测量和分析受试者的摄氧量和二氧化碳呼出量，从而计算出能量消耗，具有很高的准确性，气体代谢装置的使用就是按照间接测热法的原理进行的，可获得运动中的能量消耗情况，气体代谢测试是一种科学研究的实用价值比较高的测试方法[7]。随着科技的发展而出现的双标水法精准度高，然而测试的费用也高，并且只能反应一个能耗总值，基于上述原因，双标水法的普及是不现实的；心率监测法即利用心率与摄氧量之间的关系来推算一定时间之内的氧耗情况，心率作为人体的一项基本生理指标，对周围环境变化的反应比较灵敏，但是诸多外界因素会对心率产生影响，这会给测量带来许多不可避免的偏差[6]。

运动传感器一般指的是计步器以及加速度计，其中计步器只能用来计算步数，对于机体的运动强度是无法检测到的，它的体积小，价格低，比较适用于测量较为简单的体力活动的能量消耗；加速度计的型号分为：单轴、双轴和三轴加速度计，三轴加速度计的测量效果最为准确，而且测试功能比较多种，目前已经被广泛使用[8]。此外，也有一些机体能量消耗的推算方法，例如用步行速度、心率、步频、主观感觉疲劳程度等推算运动机体的能量消耗值。研究者在不同的实验中可以按照研究对象和目的以及实际情况等，采用适宜的方式，对身体活动与健康的关系展开进一步的研究。

2 场地走跑的能量消耗

场地走跑作为一种有氧运动模式，不仅运动形式简单，而且便于在群众中展开。步行是最普遍锻炼方式，适宜强度的步行可以减少慢性疾病的发生率，它也是大众最经常进行的一种运动模式，对步行过程中的能耗展开测量与评估，了解不同人群在不同步速下行走的能耗特点及其变化规律，可以为身体活动和健康的关系提供依据[9]。此外，全民健身研究领域中也需要某些指标的具体量化，从而监测、比较、评估身体活动水平。通过不同的计算方法实现锻炼目标，比如步速、步频、步行时间、行走步数以及步行距离，进一步建立了与中等和大运动强度相对应的步频临界值。

在当今的研究背景下，有不少针对走、跑运动机体能量消耗的研究。朱琳等人[10]关于青少年运动能量消耗的研究发现，对青少年而言，3km/h速度属于散步，4 km/h、5km/h 属于慢步行走，6 km/h属于快走，而7 km/h、8 km/h属于跑；此外研究显示，同一运动项目以及相同速度运动下，肥胖青少年能量消耗均显著高于正常青少年；相同定量负荷运动时，肥胖和正常青少年运动的能耗消耗和代谢当量不同，这些研究结果对青少年减肥有一定的促进作用。屈金亭等[11]研究不同体重和步速的能耗特点时发现，能量消耗与运动速度的增加成正比，并且男性的能耗高于女性；随着速度的增加，男性和女性单位体重的能耗也都有一定的增加，可是二者单位体重能耗值在变化上基本没有区别；能量消耗与体重的增加亦成正比；将不同体重的能耗值进行比较，体重与单位体重的能量消耗值之间存在着负相关关系。

当下，应用加速度计来研究运动和能耗也成为炙手可热的一方面，越来越多的研究者认为加速度计是客观测量身体活动的优选方式。例如管培培等人[12]探究走跑运动中加速度计数与能耗之间的相关性，不同性别条件下加速度计数的变化，以及不同身体指标的加速度计数与能耗变化的差异，研究发现男性和女性在不同速度下的摄氧量、垂直轴以及合矢量计数均有明显的区别，但是冠状轴、矢状轴计数和摄氧量之间不存在明显不同。

评估人体多项生理指标，进而推算场地走跑的能耗量，寻求在不同步速下的能耗和它的变化规律，可为探索身体活动和健康的关系提供依据[13]。

3 跑台走跑的能量消耗

当今社会，能量摄入量与能量消耗之间的平衡备受关注，健步走和跑步也越来越流行。在过去的30年间，运动参与者的指数不断上升，这其中有许多复杂的因素(例如动机、心理和策略)在发挥着重要的作用[14]。走、跑运动作为全民健身的便捷方法，对人体健康产生积极影响，也是广大学生群体在课余时间锻炼身体的主要活动项目之一。

关于跑台走跑的能量消耗，国内外都有相关研究。王欢[15]研究了健康成年人在跑台上以四种步行速度分别为 4.0km/h、4.8km/h、5.6km/h和 6.4km/h，每种速度连续走6分钟的能量消耗，通过对能耗因素进行探讨，发现肌肉、体表面积、体重、瘦体重与能耗存在较显著相关性，而脂肪组织与能耗不存在显著相关性，并且推荐男性一天的步行量不低于8000步，女性不低于8900步。而在国外的研究中，Ljzerman等人[16]使用生理成本指数来评估步行的能量消耗，一共进行三次评估，其中第二次不穿鞋，其余两次穿鞋，所测试的主要指标有摄氧量、心率和步行速度(以一个自我感觉适宜的速度为测量标准)，随后计算氧价和生理成本指数，使用生理成本指数作为一个检测变化的标准和测试结果的统计意义，研究发现生理成本指数的再生性在摄氧量方面的差别是微小的，而且在计算生理成本指数时减去基础心率产生的作用可能不明显。卢伟华等人[17]对以相同速度在跑台上走跑展开对比研究，发现在主观感觉疲劳程度(RPE)方面，当速度小于4.0km/h时RPE值表现为走小于跑；速度在4.5km/h～5.0km/h时，RPE值表现为走大于跑；在能量消耗方面，表现为递增式全过程跑大于走。孙泊等人[18]采用跑台实验对走和跑两种简单易行方式的健身效果进行分析比较，对跑台走、跑运动状态下单位时间单位体重的能耗与运动速度的相关关系以及单位距离单位体重的能耗与运动速度的相关关系进行研究，探讨相同速度走、跑两种不同的运动状态下能量消耗的特征，发现单位时间的能耗与走速呈较高的二次曲线关系、与跑速呈线性递增关系。

已知的一些关于身体活动较活跃的年轻女性在跑台走跑的能耗方面的研究，对走和跑两种不同运动模式下的摄氧量等生理方面和主观方面的指标进行比较，观察她们在不同速度下不同的反应，可以指导这类人群如何合理地健身[19]。Greiwe等人[20]的研究发现，当跑台速度≥8.5km/h时，走状态下的能量消耗和心率均比跑步状态下更高；当跑台速度≥8.0km/h时，走状态下的乳酸积累量和呼吸交换率显著高于跑步状态；当以同一速度进行走和跑两种不同运动模式的测试时，和跑相比较，在主观感觉上受试者觉得走更加吃力。能量消耗的增加与呼吸交换率、心率、主观感觉疲劳程度以及乳酸积累等指标都有密切联系。由于不同目标，在进行身体活动的时候，可以选取不一样的运动模式，例如需要减重时可选择跑的运动方式，而在较长距离的训练时，则采用快走[21]。此外还可以按照个体差异性原则对运动种类进行选择，针对没有运动史的人群以及中老年人群，建议采用中低强度的走，避免产生运动疲劳和运动损伤，这样有利于长期坚持锻炼从而达到最大的健身效益；建议身体素质较好以及有减肥目的的人群，选择强度稍高的跑，即可以达到锻炼目的，又进一步发展自身的体能水平[22]。

在获取了走跑过程中的能耗值之后，关于如何计算走跑过程的能耗，目前建立了在步频基础上的能量消耗数学模型和怎样确定最佳减肥运动强度和时间等。根据性别、年龄、身高和体重等和运动强度，来估算运动能耗，同时在运动过程中用心率和主观感觉疲劳程度，来评价锻炼效果和身体状况，以便安全持久地进行运动[23]。

4 跑台走跑与场地走跑能量消耗的比较

走、跑不仅是人类最常见的两种基本形式，而且也是最便捷、最普遍的身体锻炼活动方法，在这两种运动模式中有相似的也有不同的动力学和运动学基础[24、25]。二者中有一个最明显的差异就是跑步存在飞跃阶段，在走的过程中是一个双支持阶段，这说明在跑的过程中需要肌肉形成更大的支撑力，所以准确测量走、跑过程中的能量消耗非常重要。江崇民等人[13]根据成年男性以不同速度在跑台和场地进行走和跑运动的相关能耗指标，分析可知在相同速度下走跑模式的肌肉功能是有差异的，不同肌肉贡献机械能的多少是不同的，将相同速度走和跑过程中支撑身体前进的功能进行量化，用动态模拟来阐述两种不同步态模式之间肌肉功能的差别，最主要的区别是和走相比，跑步模式中比目鱼肌向前推推进的贡献有所减少，在跑步过程中更大的功率输出是由比目鱼肌、髋关节和膝关节共同产生的。

需要注意的是，跑台测试和场地测试是存在区别的。随着便携式气体代谢仪的不断更新发展，走、跑的能量消耗不仅可以在跑台上进行，而且也可以在场地环境中展开测试。刘洵[26]的研究表明，虽然跑台和场地走、跑的运动形式基本一致，但是由于二者有不同的气体环境、不同的地面材质，这些因素的不同对其气体代谢和能耗的指标测定会带来不一样的影响，二者的能耗趋势是场地跑大于跑台跑。例如在跑台上步行时，用来抬起肢体的一部分动力可能来自于跑台发动机。体育锻炼运动中走、跑运动的能耗状况与场地走、跑的能耗显得更相近[27]。虽然场地测试结果的重复性不如实验室测试，但是更加接近真实环境，所得的数据更为真实。采用跑台测试得到的结果与场地走、跑的实际能耗可能有一定的偏差，在体现场地走、跑的用力程度方面存在劣势，因而不建议用跑台测试代替场地测试[28]。

随着越来越多老年人有了锻炼的意识，今后也应该关注老年人场地和跑台上步行的能量代谢消耗的研究。此外关于何种运动方式带来更多的能耗，研究者有不同的意见，总结其可能的原因大概有三种：其一，机体本身或外界环境因素带来的反馈(跑台是否匀速)；其二，空气形成的阻力因素；其三，利用视觉带来的讯息从而进一步加强身体的平衡性和稳定性。但是主流趋势是场地步行比跑台步行的能耗更多。此外还评估了两种模式之间的联系，结果显示，跑台上步行的能量消耗不一定适用于日常场地步行活动，快走带来的能量消耗量远大于慢跑[29]。

5 负重步行的能量消耗

在增加能耗的相关研究中，刘永智[30]在关于不同负重条件下步行能耗的研究当中，让受试者在足、小腿、大腿、手、前臂和上臂分别负重0.5kg、1kg、1.5kg，然后在跑步机上开始测试，得出的结论是在小重量负重条件中，负重的部位对于能耗率的影响比负重重量明显，在上肢和下肢选择增加能耗率的负重部位时应该以下肢为主；而在下肢中应该以足部为主，上肢差异不明显；此外，手持重物步行对于能耗率的影响不显著。

当前探讨较多的是负重会增加能量消耗，但是具体在不同的部位进行不同负重以及引起这种差异的生物力学原因还有待继续深入探讨，把一系列问题展开研究，从而给负重能量消耗与体重控制等方面带来更深远的影响。

6 小结与展望

随着社会和科学技术不断在发展，人类生活方式也产生了翻天覆地的改变，在享受舒适生活的同时，身体活动的机会也相对减少。令人欣慰的是，当下的人们已经意识到运动是良医，运动与健康之间有着密不可分的关系。在如今快节奏忙碌的工作生活状态下，更需要正视运动的重要性。

走、跑是最容易被接受和推广的体育锻炼方式。对于增加能量消耗而言，步行和跑步均是常见的运动模式。对不同性别，不同体重以及不同年龄段的人群走跑的能量消耗研究是走跑健身科学化的基石，在之后的研究中要继续对走跑运动的能耗展开进一步的探索，将走和跑运动的指标具体量化，进一步建立与中等和大强度运动相对应的步频临界值，从而监测、比较、评估身体活动水平，以及探讨不同部位进行不同负重步行的能耗以及引起这种差异的机制，进而用于指导人们的运动，提供优化建议，改善群众健康。