能量消耗C指标在评价乒乓球运动员多球练习中能量消耗的应用*

黎涌明， 李 博， 王欣欣， 王 艳， 顾 楠

(1. 上海体育学院体育教育训练学院， 2. 上海体育学院中国乒乓球学院， 上海 200438)

能量消耗C(energy cost)是指身体每前进单位距离所消耗的高于安静值的能量，其单位为J·m-1、kJ·km-1、J·m-1·kg-1或kJ·km-1·kg-1[1]。当运动强度低于无氧阈时，无氧部分的能量供应可以忽略不计，能量供应几乎全部来自有氧供能系统，因此能量消耗C的单位也可用ml O2·m-1·kg-1[2]。鉴于Energy Cost和Energy Expenditure都可翻译为能量消耗，本文分别使用能量消耗C和能量消耗将二者予以区分。研究表明，陆上周期类运动方式(步行除外)的能量消耗C随速度的增加而增加(考虑空气阻力)或保持不变(忽略空气阻力)[3]，水上/中周期类运动方式的能量消耗C随速度的增加而增加(考虑水阻)[4]。这一指标可以反映人类不同运动方式或同一运动方式不同运动水平的运动效率[1]，也可用于更为准确地计算周期类体力活动的能量消耗E[3]。自1919年首次报道人类步行的能量消耗C以来，有关能量消耗C的研究涵盖了陆上和水上/中的多种周期类运动项目[4, 5]，但并未涉及非周期类运动项目。

相比于周期类运动项目的单一动作重复，非周期类运动项目的技术复杂性更强，其比赛过程往往是多个不同动作的组合。为了提高比赛中技术的精准性和有效性，非周期类运动项目在训练中经常将复杂动作分解为单一动作，然后进行重复性练习。乒乓球属于典型的非周期类运动项目，运动员在比赛中需要根据对手的回球使用不同的步法和击球动作[6]。在众多技术动作中，正手前冲弧圈是运动员主要的进攻和得分技术。为了提高这一技术的成功率和得分率，运动员常采用多球练习(如>100球或>3 min)[7]，且这一类型的练习可占高水平运动员训练的～30%之多[8]。因此，乒乓球正手前冲弧圈多球练习为将周期类运动项目中的能量消耗C指标拓展到非周期类运动项目提供了可能。相比于周期类运动项目中能量消耗C的定义，乒乓球多球练习的能量消耗C的定义可以修改为身体每击1次球所消耗的高于安静值的能量(单位可为J·stroke-1或J·stroke-1·kg-1，这一定义同样适用于其他持拍类运动项目的多球练习)。

鉴于此，本研究拟选取具有较高运动水平的大学乒乓球运动员进行正手前冲弧圈技术的递增频率测试，探究运动员在不同击球频率下正手前冲弧圈每击1球所消耗的能量(能量消耗C)。为了进一步比较正手与反手前冲弧圈多球练习能量消耗C的差异，本研究也安排了反手测试。鉴于周期类运动项目在不考虑风阻或水阻情况下的能量消耗C随速度的增加保持不变，本研究假设乒乓球正手和反手前冲弧圈多球练习的能量消耗C随击球频率的增加保持不变，且正手前冲弧圈多球练习的能量消耗C高于反手。

1 对象与方法

1.1 研究对象

来自某大学乒乓球代表队的11名健康大学生乒乓球运动员(5女6男，18±1 yrs，171±8 cm，65±8 kg，峰值摄氧量[VO2peak] 44.5±6.1 ml·min-1·kg-1)自愿参加本次研究，并签署知情同意书。所有运动员运动等级都≥国家二级，平均具有10年的乒乓球训练年限，目前周训练量为>15 h。所有受试者熟悉测试流程，知晓测试可能存在的风险和不适，并被要求在研究期间保持日常饮食习惯，测试前1 d避免进行高强度体力活动，测试前2 h避免进食(但可正常补液)。

1.2 测试流程

受试者在1周内都进行了1次跑台(pulsar 3p, h/p/cosmos, Germany)递增负荷测试和2次乒乓球发球机(V-989H, TaiDe, China)多球递增频率测试，每两次测试间间歇>24 h。3次测试过程中，运用便携式气体代谢仪(K4b2, Cosmed, Italy)和心率监控仪(Polar Accurex Plus, Polar Electro Oy, Finland)对运动员的呼吸气体和心率进行测量。测试前严格按照厂家要求对气体代谢仪进行校准(校准气筒为3 L，校准标准气体浓度为：O2: 16.00 %，CO2: 5.09 %)。测试所处的海拔、温度、湿度和气压分别为～5 m、20 ℃、～60 %和～1 015 mbar。

1.2.1 跑台递增负荷测试 跑台递增负荷测试采用Bruce测试方案，起始速度和坡度分别为1.7 mph和10%，每3 min进行速度或坡度的递增，详细运动方案和运动终止标准参见文献[9]。运动员跑步过程中使用安全带进行保护。运动终止前30 s的平均摄氧量(VO2)被定义为VO2peak。运动前、运动结束后第1、3、5、7、10分钟从耳垂各采血10 μl，并运用乳酸分析仪(Biosen C_line, EKF Diagnostic, Germany)进行分析。

1.2.2 发球机3 min × 6级多球递增频率测试 受试者分别使用正手和反手前冲弧圈技术进行2次测试。测试用球为中国乒乓球协会认证用球(塑料球：40 mm/白色/一星，DHS，中国)。测试方法参照Zagatto等人的方法[10]，由6级组成，每级3 min，级间间歇1 min。使用发球机按照特定频率进行定点发球(参数为：落点10，上旋8，下旋2，弧圈4)，落点为受试者持拍侧(正手击球)或非持拍侧(反手击球)桌面角落区域，6级发球频率分别为35、45、55、65、75、85 stroke·min-1(发球机的频率区间为20～90 stroke·min-1)。受试者被要求运用前冲弧圈技术全力将球向对面球台的对角区域回击。连续4次回击失误(未回击到指定区域)则视为疲劳，测试终止[10]。本测试中所有受试者均完成了所有6级的测试。击球过程中，受试者被要求不能有步法移动。测试前，受试者进行5 min热身，热身练习为回击发球机6种不同频率(见上)的发球。热身结束后，受试者休息5 min，之后开始正式测试。受试者全程(准备活动开始至运动终止后6 min)佩戴便携式气体代谢仪和心率监测仪，选取每级最后1 min的平均VO2和HR代表这一级的VO2和HR。受试者全程佩戴心率监测仪。准备活动前，第一级测试前即刻，每两级测试间歇，最后一级结束后1、3、5、7、10 min，采集受试者耳垂血各10 μl。运用每级结束时即刻的血乳酸减去上一级结束即刻的血乳酸即得到运动员的累积血乳酸。选用Borg 10级量表(1-10)，在每级结束后即刻询问受试者的主观疲劳感(RPE)[11]。

1.3 能量消耗C计算

运用基于每级高于安静值的累积摄氧量、每级血乳酸累积量、每级运动后摄氧量动力学的快速部分的方法对乒乓球多球递增频率测试中的每级运动进行能量供应的计算[12]。为方便确定安静摄氧量，本研究统一采用女性3.5 ml·min-1·kg-1，男性4.0 ml·min-1·kg-1的站立安静值。采用3.0 ml·kg-1·mmol/L-1的氧气-乳酸换算当量将乳酸值换算成氧气值。在Excel中采用双指数公式确定运动后过量氧耗的快速部分[13]。此外，由于每两级测试间间歇只有1 min，不足以直接进行磷酸原供能的计算，本研究假设每两级间的磷酸原再合成量一样，且与第6级结束后的第1 分钟相同[12]。采用20.9 kJ·l-1的能量当量(对应的呼吸商为0.96)将VO2换算成能量[5]。每一级的总能量供应量为三大供能系统能量供应量之和。将每一级的总能量供应量除以每一级的挥拍数和受试者的体重，可得到每一级每挥1次拍(或每击1次球)所消耗的能量(J·stroke-1·kg-1)。

1.4 统计学处理

2 结果

受试者跑台递增速度测试中得到的VO2peak为44.5±6.1 ml·min-1·kg-1,峰值血乳酸为14.3±2.5 mmol·L-1。6种击球频率下，正手击球对应的生理学强度均高于反手击球(35，75 stroke·min-1的血乳酸除外，表1)。其中，心率的差异在45、55、65和85 stroke·min-1的频率下显著(P<0.05)；VO2和%VO2peak(每级VO2占VO2peak的百分比)的差异在35、45、55、65和85 stroke·min-1时显著(65 stroke·min-1时的绝对值除外，P<0.05)。6种击球频率下，正手击球和反手击球对应的RPE相似(P>0.05)。

正反手前冲弧圈击球的能量消耗C与击球频率的乘幂回归函数分别为y=166.4x-0.731(R2= 0.9731)和y=33.21x-0.392(R2=0.8423)，其中y为能量消耗C(单位为J·stroke-1·kg-1)，x为击球频率(单位为stroke·min-1)。正手和反手前冲弧圈击球的能量消耗C随频率的增加分别从(11.8±2.8) J·stroke-1·kg-1逐渐减少到(6.5±0.7) J·stroke-1·kg-1(P<0.05)，从(7.6±2.7) J·stroke-1·kg-1逐渐减少到(5.6±1.1) J·stroke-1·kg-1(P<0.05)。6种频率下，正手前冲弧圈击球的能量消耗C高于反手，且在35、45、55、65和85 stroke·min-1时差异显著(P<0.05，图1)。

Frequency(stroke·min-1)IndexForehandBackhand35RPE1.1±0.90.9±0.7HR(beats/min)121±11111±13Bla(mmol·L-1)1.49±0.311.50±0.41VO2(L·min-1)1.598±0.4481.059±0.459#(ml·min-1·kg-1)24.4±5.215.9±5.4#%VO2peak(%)54.9±9.736.0±12.5#45RPE1.9±1.41.9±1.2HR(beats/min)132±10125±25#Bla(mmol·L-1)1.71±0.401.70±0.42VO2(L·min-1)1.690±0.4331.324±0.542#(ml·min-1·kg-1)25.8±5.219.9±6.4#%VO2peak(%)58.3±9.945.3±14.9#55RPE3.0±1.93.3±1.6HR(beats/min)144±15127±20#Bla(mmol·L-1)2.10±0.601.95±0.53VO2(L·min-1)1.856±0.4411.496±0.556#(ml·min-1·kg-1)28.3±4.522.4±6.1#%VO2peak(%)64.4±11.750.4±12.8#65RPE3.8±2.34.1±1.8HR(beats/min)150±18135±18#Bla(mmol·L-1)2.29±0.752.18±0.64VO2(L·min-1)1.8±0.41.6±0.5(ml·min-1·kg-1)27.9±4.923.8±4.8#%VO2peak(%)64.2±16.053.8±10.8#75RPE4.8±2.25.4±2.1HR(beats/min)152±18141±16Bla(mmol·L-1)2.43±0.932.46±0.88VO2(L·min-1)1.780±0.2661.641±0.429(ml·min-1·kg-1)27.6±4.524.9±4.0%VO2peak(%)63.4±15.456.2±8.185RPE5.5±3.06.1±2.2HR(beats/min)160±16146±15#Bla(mmol·L-1)3.02±1.002.80±0.93VO2(L·min-1)1.926±0.3231.663±0.433#(ml·min-1·kg-1)29.5±2.624.9±4.6#%VO2peak(%)67.3±9.756.1±7.9#

RPE: Rating of perceived exertion, Borg 10-scal; HR: Heart rate; Bla: Blood lactate concentration; VO2： Oxygen uptake; %VO2peak， percentage of peak oxygen uptake

#P<0.05vsforehand

Fig.1Energy cost in loop drive practice at different stroke frequencies(n=11)

*P<0.05vsbackhand

3 讨论

本研究尝试将周期类运动项目的能量消耗C指标拓展应用到非周期类持拍项目的单一技术动作的重复性练习，将能量消耗C的定义由身体前进1 m所消耗的高于安静值的能量修改为身体每击1次球所消耗的高于安静值的能量，并选取乒乓球正手和反手前冲弧圈作为运动方式，探究能量消耗C指标在乒乓球多球练习中应用的可行性。本研究的主要研究结果表明，乒乓球前冲弧圈击球的能量消耗C随频率的增加而下降，且正手的能量消耗C在大部分频率下显著高于反手。

本研究首次将周期类运动项目中的能量消耗C指标拓展应用到持拍类运动项目单一技术动作的多球练习，因此能量消耗C相关研究结果暂不能与其他持拍类同类研究进行对比，但是本研究发现的乒乓球前冲弧圈的能量消耗C随负荷强度(在本研究中为击球频率)的增加而下降，与周期类运动项目并不一致。周期类运动项目的能量消耗C与是否考虑气阻或水阻有关。陆上项目(如跑步、骑车、滑冰、滑雪)如果忽略空气阻力(如在实验室跑台或测功仪上进行运动)，能量消耗C并不受速度的增加而变化[1, 5]，但是如果考虑空气阻力(如进行场地测试)，能量消耗C随速度的增加而增加[1, 3]。水上项目由于无法忽略水阻，因此能量消耗C随速度的增加而增加[4, 14]。本研究的乒乓球前冲弧圈多球练习由于是原地击球，且动作以躯干的旋转和持拍侧上肢的前后挥动为主，因此运动过程中的空气阻力可以忽略不记。但即便如此，其能量消耗C仍随速度的增加而下降。这可能是由于发球机发球频率的增加导致受试者完成一次击球动作(包括击球前的引拍和挥拍击球)的可用时间缩短(由35 stroke·min-1时的～1.71 s减少到85 stroke·min-1时的～0.71 s)，而为了保证本研究回击球的要求(即回击到指定区域)，受试者可能减小了引拍和挥拍幅度，以及挥拍力度。尽管本研究在进行生理学能量供应相关测试的同时并未进行生物力学身体关节幅度和发力的测试，但相关推测得到了Iino等人[15]和肖丹丹等人[16]的支持。Iino等人发现高频率反手前冲弧圈击球时球拍速度更小，且这与更小幅度的髋和躯干旋转有关[15]；肖丹丹等人比较了正手弧圈球轻拉和重拉的足底力学特征，发现重拉的峰值力显著高于轻拉[16]。未来研究建议同时从生理学和生物力学角度进一步明确能量消耗C随频率增加而下降的原因，如果能量消耗C的下降确实是由动作幅度和动作发力下降导致的，那么教练员和运动员需要对高频率的多球练习给予关注，避免为了追求击球频率而牺牲了击球质量(如幅度和力度)。

本研究的6种击球频率下，正手前冲弧圈的能量消耗C高于反手，且差异在35、45、55、65和85 stroke·min-1时显著，两种击球能量消耗C与频率的关系公式分别为y=166.4*x-0.731(R2=0.9731)和y=33.21*x-0.392(R2=0.8423)，这表明周期类运动项目的能量消耗C同样可用于区分非周期类运动项目不同的技术动作。Capelli等人探究了四种泳姿的能量消耗C，发现其都随速度的增加而增加，且四种泳姿的能量消耗C存在差异，相同速度下自由泳的能量消耗C最小，其余依次为仰泳、蝶泳和蛙泳[14]。正反手前冲弧圈能量消耗C的差异可能与这两种技术动作的差异有关，正手前冲弧圈被认为需要更多的髋部和躯干的旋转[17]，而更多的关节部位(或肌肉)参与会增加使用该技术动作生理学强度(表1)和能量消耗C。同样由于正手比反手前冲弧圈涉及更多的髋和躯干旋转，且高频率下髋和躯干旋转更易受限[15]，正手前冲弧圈能量消耗C随频率增加的下降幅度要大于反手(图1，同见二者公式中的乘幂，分别为-0.731和-0.392)。依此类推，如果训练能够减小高频率下髋和躯干旋转的受限，那么可以预见正手前冲弧圈能量消耗C随频率增加的下降幅度将会减小。此外，本研究的不同频率下正手和反手前冲弧圈的能量消耗C分别为(6.5～11.8)J·stroke-1·kg-1和(5.6～7.6)J·stroke-1·kg-1，该能量消耗C值整体上要高于跑步(从儿童的～8.2 J·m-1·kg-1至成年的～3.8 J·m-1·kg-1)[5, 18]、滑冰(～1.6～2.6 J·m-1·kg-1)和自行车(～0.9～2.3 J·m-1·kg-1)，低于游泳(～8.0～25.0 J·m-1·kg-1)，与皮划艇类似(～4.0～10.7 J·m-1·kg-1)[19]。

与能量消耗C随击球频率的增加而下降不同，正手和反手前冲弧圈各项生理学强度指标随击球频率增加而增加(表1)，这表明击球频率可以用作乒乓球多球练习的强度指标。然而，在本研究的6种击球频率下，正手和反手的生理学强度都并不高。正手对应的强度只有54.9%～67.3%VO2peak(血乳酸 1.49～3.02 mmol/L，心率为121～160 beats/min)，反手对应的强度只有36.0%～56.1% VO2peak(血乳酸1.50%～2.80 mmol/L，心率为111～146 beats/min)。这一强度与文献报道的乒乓球训练和比赛强度一致[20, 21]，即乒乓球训练和比赛都属于中等强度的身体活动。综合以上能量消耗C随击球频率增加而下降，可以推测高击球频率击球质量的下降可能并不是由生理学能量供应不足导致的，而更可能是神经肌肉方面的协调性不够导致的。

本研究也存在一些不足。首先，本研究受试者的样本量只有11名，且包括5名女性和6名男性，单一性别的受试样本较小，但是来自跑步能量消耗C的研究表明，成年受试者的能量消耗C不受性别影响[5]，因此本研究的女性和男性大学生乒乓球运动员在能量消耗C方面可以视为一个群体。其次，本研究的受试者为某大学乒乓球代表队的运动员，尽管平均训练年限>10年，但由这一群体得到的结论能否拓展到其他运动水平的人群还有待进一步研究。第三，本研究只针对两种无步法的技术动作进行了研究，未来研究可以对更多的技术类型，尤其是增加步法的技术类型，进行多球练习的能量消耗C研究。

综上所述，周期类运动项目的能量消耗C可拓展应用于评价大学生乒乓球运动员单一技术动作多球练习的能量消耗，从能量代谢角度呈现大学生运动员在不同击球频率下的击球效率，并为比较乒乓球不同技术动作提供生理学依据。乒乓球正手弧圈多球练习的能量消耗C随击球频率的增加而下降，且相同击球频率下正手的能量消耗C高于反手。未来研究建议同时从能量消耗C和人体击球运动学与动力学角度进一步明确能量消耗C随频率增加而下降的机制，并考虑将能量消耗C作为评价高频率下特定技术动作效率的指标。