高温高湿环境下预冷对有氧运动表现的影响及机制研究进展

许毅枭 赵永才 高炳宏

1 上海体育学院运动科学学院（上海200438）

2 上海体育学院体育教育训练学院（上海200438）

高温高湿环境下运动会加重体温调节和体液平衡等生理调节的负担，对有氧运动表现产生不利影响，情况严重的甚至增加患热相关疾病的风险[1]。研究表明，东京夏季炎热天气的黑湿球温度（wet bulb globe tem⁃perature，WBGT）在29.9℃至31.5℃之间，WBGT 最高估计将达到34.7℃[2]。WBGT是基于环境的温度、湿度、风速和太阳辐射计算的环境热指数[3，4]，在世界范围内被用作评估环境热负荷的经典指标[5]。在WBGT> 28℃的环境下运动极有可能产生热相关疾病[5，6]。

冷却被定义为对身体施加不同的冷却手段以排除热量[7]。根据实施冷却措施的时间可将冷却分为预冷、运动中冷却、预冷结合运动中冷却和运动后冷却。运动员早已使用各种预冷措施来降低体温以应对高温高湿环境带来的挑战，预冷已被证实能改善高温高湿环境下的有氧运动表现[8]，有氧运动被定义为持续时间为76 秒或更长时间的运动[9]。但目前预冷改善有氧运动表现的更优实践策略还未达成共识，预冷的作用机制还有待进一步阐明。

本文对高温高湿环境下预冷和有氧运动表现的关系进行综述，比较不同预冷措施间的差异，总结更优的预冷措施，讨论预冷的相关机制，为选择更优的预冷措施提供参考，帮助运动员和教练员更好地在高温高湿环境下备战训练和比赛。

1 文献检索

从PubMed，Google Scholar，Web of Science 和中国知网等数据库检索以下关键词：“预冷”或“pre cool⁃ing”，“高温”或“heat”，“高湿”或“humid”，“有氧”或“aerobic”，“冰浆”或“ice slurry”，“生理机制”或“physi⁃ology mechanisms”等，并通过以下标准筛选文献：首先选择以成人为研究对象的文献；其次是高温环境条件＞30℃；此外，研究还需包含预冷对核心温度影响的报道。

2 预冷方法

预冷指在运动前从身体中快速排出热量以产生更大的蓄热能力[8]。了解不同的预冷措施之间的差异，有利于根据实际的需求选择合适的预冷措施。如表1所示，根据预冷部位不同可将预冷措施分为内部预冷、外部预冷和混合预冷。

内部预冷被定义为通过口腔、鼻子将降温媒介或物质吸入体内，包括吸入冷空气以及摄入冷饮或冰浆[10，11]。冷饮的温度通常在1℃～5℃。相较于冷饮，等量冰浆的吸热能力更强，更能降低核心温度[12，13]。冰浆是运动饮料中混合不同比例的糖浆[14]，当水中含有溶解物时，冰点会降低。溶解物浓度越高，冰点越低。冰浆温度通常低于0℃。

外部预冷被定义为将降温媒介或物质应用于身体表面[15]，主要措施包括降温服装、冷空气暴露和冷水浸泡。冷空气暴露是指运动前长时间暴露在0℃～5℃的空气中，有研究表明冷空气暴露是降低运动前体温的有效措施[16，17]。但由于冷空气暴露受限于设备，其在运动实践中普及有一定难度。冷水浸泡是将身体浸入水中逐渐降温的方法，由于冷水浸泡有较好的预冷效果，已成为冷空气暴露的替代方法[18]。冰比水具备更强的吸热能力，且冰是一种便携、快速降温的材料，有研究表明冰服装是比其他降温服更有效的预冷策略[19]。手部负压利用亚大气压施加在无毛皮肤的手掌，可以增加手掌的血流量[20]，加速外周血液循环，增加外周和核心之间的热传递，提高传热速率。

混合预冷是由两种及以上的预冷措施组合的预冷方法[8]，考虑到运动规则的限制和可行性等因素，混合预冷在实践应用中具有较高的灵活性和实用性[21]。混合预冷能提供相对更大的预冷量，在降低核心温度以提高有氧运动表现方面可能有更大的潜力。使用不同的外部预冷措施能适当增加预冷覆盖面积，更好地降低皮肤温度。内部和外部预冷相结合可以直接降低核心温度和皮肤温度[8，15]。薄荷醇（2-异丙基-5-甲基环己醇）是一种天然存在的有机化合物，其本身并不是一种降温方法，但薄荷醇能激活瞬时受体电位离子通道Melastatin 8（TRPM8），以提供凉爽的感觉[22，23]。

表1 不同预冷措施分类及优缺点比较

3 预冷对有氧运动表现的影响

预冷效果受运动类型的影响。Marsh等[24]发现，冷水浸泡对70 s 自行车冲刺功率无显著影响。Sleivert等[25]研究表明，全身和躯干预冷对45 s 冲刺有不利影响。这些研究提示，预冷对无氧运动表现无显著影响，甚至会产生负面影响。而许多研究表明，预冷对有氧运动表现有积极影响[26]。

3.1 外部预冷和内部预冷

3.1.1 外部预冷和内部预冷的效果比较

外部预冷直接降低皮肤温度和外周血液温度，随着外周血液循环到身体的各处，核心温度会逐渐降低[10]。外部预冷可根据预冷面积分为大面积预冷和局部预冷。大面积预冷是指预冷范围覆盖身体的大部分面积甚至全身，主要措施包括冷水浸泡、冷空气暴露。大面积预冷的不足是预冷期间皮肤温度变化明显会抑制肌肉代谢酶活性或导致肌肉组织血管收缩，血液灌注减少，可能对肌肉和肌腱功能产生负面影响[15]。局部预冷是预冷范围集中在身体的某些部位，主要措施包括降温背心、降温毛巾、降温帽子等。颈部和头部已被认为是良好的局部预冷部位[26]。由于颈部和头部靠近体温调节控制中心下丘脑，故颈部和头部是热敏感区域[27]，对颈部和头部降温可能会更好地改善热感知和热舒适度[10]。尽管颈部和头部分别仅占体表面积的约1%和8%[28]，但研究证实预冷头颈部比身体其他部位同一表面积能更有效地缓解热应激[27]。局部预冷比大面积预冷更实用，预冷颈部及以上区域能获得更好的预冷效果。值得注意的是，预冷期间体温降低不应超过1.5℃[7]，以防止肌肉温度过度降低不利于有氧运动表现。

研究表明，预冷期间，许多内部预冷和外部措施被证明能有效降低核心温度，有利于有氧运动表现[29-31]。近些年来，一些研究比较了内部预冷和外部预冷措施对有氧运动表现的影响。Bongers 等[32]的研究表明，预冷期间摄入冰浆和冷水浸泡的效果最佳，其次是摄入冷饮和面部预冷，冰背心和薄荷醇等预冷措施的效果相对较弱。此外，Wegmann等[33]的研究表明，预冷期间摄入冰浆和冷饮的预冷效果最佳，其次是降温背心。这两项研究均表明，在预冷期间摄入冰浆是改善有氧运动表现更有效的措施。如表2所示，Siegel 等[14]以10名健康男性为研究对象，在34℃、54.9%相对湿度（rela⁃tive humidity，RH）的环境下，对照组在运动前每5 min摄入4℃的冷饮1.5 g/kg（“g/kg”指每kg体重摄入多少g的液体或冰浆），共7.5 g/kg；实验组运动前每5 min摄入-1℃的冰浆1.5 g/kg，共7.5 g/kg，两组均在预冷结束后5 min 以第一通气阈值跑至力竭。结果表明，实验组的跑步持续时间比对照组延长19%，预冷结束后的直肠温度降幅增加60%。同样，Siegel 等[34]以8 名健康男性为研究对象，在34℃、52%RH的环境下，对照组在运动前将胸骨以下部位浸泡在24℃的冷水中，实验组运动前每5 min 摄入-1℃的冰浆1.5 g/kg，共7.5 g/kg，两组均在预冷结束后10 min 以第一通气阈值跑至力竭。结果发现，实验组运动持续时间比对照组延长了7.7%。以上研究结果表明，摄入冰浆是提高有氧运动表现更有效的单独预冷措施，但冰浆的具体使用方法还有待更细致地分析讨论，为实践应用提供具体的指导和参考。

表2 不同方式摄入冰浆对有氧运动表现和核心温度影响

3.1.2 冰浆对有氧运动表现的影响

虽然预冷摄入冰浆改善有氧运动表现效果较好，但摄入冰浆的方式也直接影响预冷的效果。以下3项研究比较了不同方式摄入冰浆对有氧运动表现的影响。

Naito等[35]研究了一次性摄入和等量多次摄入冰浆的差异。7 名无热习服的健康男性在35℃、30%RH 的环境下，对照组运动前每5 min 摄入4℃的冷饮1.5 g/kg，共7.5 g/kg；实验1 组在运动前一次性摄入1℃的冰浆7.5 g/kg；实验2组在运动前每5 min摄入1℃的冰浆1.5 g/kg，共7.5 g/kg。结果显示，与对照组比较，实验2组的直肠温度下降0.6℃，降幅显著高于对照组和实验1 组，表明预冷期间，等量多次摄入冰浆比一次性摄入冰浆更能降低核心温度。

Naito等[36]研究了冰浆预冷后间歇时间对有氧运动表现的影响。7 名无热习服的健康男性在35℃、30%RH 的环境下，对照组运动前每5 min 摄入4℃的冷饮1.5 g/kg，共7.5 g/kg，预冷结束后5 min 以65%最大摄氧量骑自行车至力竭。实验1 组运动前每5 min 摄入0.5℃的冰浆1.5 g/kg，共7.5 g/kg，预冷结束后5 min以65%最大摄氧量骑自行车至力竭。实验2 组运动前每5 min摄入0.5℃的冰浆1.5 g/kg，共7.5 g/kg，预冷结束后20 min以65%最大摄氧量骑自行车至力竭。结果显示，实验2 组的运动持续时间为46 min，比实验1 组显著延长3%。运动开始前实验2组的直肠温度比实验1组显著降低0.19℃，表明在摄入冰浆后间歇较长时间（20 min）比间歇较短时间（5 min）更能提高有氧运动表现。

Takeshima等[37]研究了热身前后摄入冰浆对有氧运动表现的影响。10 名健康无热习服的男性在30℃、80%RH 的环境下，实验1 组在热身前每5 min 摄入-1℃的冰浆2.5 g/kg，共7.5 g/kg；实验2 组在热身后每5 min摄入-1℃的冰浆2.5 g/kg，共7.5 g/kg。两组预冷结束后5 min 以55%的最大输出功率骑自行车至力竭。结果发现，实验2 组的运动持续时间为60.2 min，比实验1 组显著延长5.7%。运动前实验2 组的直肠温度（37.1℃）显著低于实验1 组（37.4℃）和对照组（37.5℃），表明在热身后摄入冰浆效果更好。

目前冰浆是提高有氧运动表现更有效的单独预冷措施，建议在热身后等量多次摄入7.5 g/kg 冰浆，并在冰浆摄入结束后间歇20 min 左右开始运动，能更好地改善有氧运动表现。然而，冰浆<0℃，胃肠道的通透性会随着体温的升高而增加[38]，摄入后可能造成胃肠道的不适[32]，有胃肠道疾病的运动员不适合直接饮用冰浆，可尝试使用混合预冷替代冰浆。此外，这3项研究的研究对象多为健康成人，而有氧运动能力较好的运动员比健康成人有更好的环境适应能力，预冷的效果会受到影响，建议后续研究多以优秀运动员为研究对象，使研究成果能更好地转化应用于运动员。

3.2 混合预冷对有氧运动表现的影响

不同外部预冷措施结合能适当增加预冷覆盖面积，外部和内部预冷措施结合可以直接降低皮肤温度和核心温度，混合预冷应比单独预冷具备更大的潜力。如表3所示，Minett 等[39]研究了不同外部预冷措施组合对有氧运动表现的影响。10名训练有素的男性团体球类运动员在33℃、33%RH 的环境下，使用降温包与冰毛巾结合的外部预冷措施持续干预20 min。结果表明，降温包与冰毛巾结合使用能更有效地改善有氧运动表现。同样，Jones等[21]的研究表明，与单独的降温服装比较，外部混合预冷能更有效地改善有氧运动表现。Ross等[40]研究了内部结合外部预冷措施对有氧运动表现的影响。12名训练有素的男性自行车运动员在32℃、50%RH 的环境下，实验1 组运动员全身浸泡在10℃的冷水中10 min，然后穿降温外套20 min；实验2组运动员每15 min 摄入-1℃的冰浆7 g/kg，共14 g/kg，并穿冰背心。两组均在预冷结束后骑行46.4 km。结果发现摄入冰浆结合冰背心组的完成时间显著延长1.3%，直肠温度也显著下降。Bongers 等[41]的研究同样发现，预冷期间内部结合外部预冷的效果显著优于外部预冷措施结合的效果。这些研究表明，外部和内部预冷措施组合比不同外部预冷措施组合改善有氧运动能力的效果更好。

混合预冷是否比冰浆更能有效地提高有氧运动表现尚未达成共识。Brade 等[42]研究发现，预冷期间冰背心结合冰浆比单独摄入冰浆更能改善有氧运动表现。Schulze 等[43]的研究比较了预冷期间摄入冰浆、摄入冰浆结合冰毛巾覆盖于腿和躯干对有氧运动表现的影响。7名训练有素的男性铁人三项运动员在30℃、80%RH的环境下，实验1组运动员每15 min摄入-1℃的冰浆7.5 g/kg，共15 g/kg；实验2 组运动员每15 min 摄入-1℃的冰浆7.5 g/kg，共15 g/kg +冰毛巾覆盖于腿和躯干，结果表明摄入冰浆结合冰毛巾覆盖于腿和躯干与单独摄入冰浆的效果无明显差异。

混合预冷在实践中具备较好的可操作性，但混合预冷是否比单独摄入冰浆能更有效地改善有氧运动表现尚不明确，未来研究可以比较混合预冷与冰浆的预冷效果，探索更好的预冷实践模型。

表3 混合预冷对有氧运动表现和核心温度的影响

4 预冷对有氧运动表现影响的生理学机制

预冷通过降低运动前的核心温度以增加身体蓄热的能力[41，44]。在运动前降低核心温度可以增加运动中蓄热量，使运动员在达到核心温度临界极限前完成更多工作[15]。虽较多研究表明运动前核心温度下降后，身体蓄热能力增强有利于改善高温高湿环境下的有氧运动表现，但预冷的生理学机制仍有待深入研究。

4.1 神经调节机制

神经系统由中枢神经系统和周围神经系统组成。高温对中枢神经系统影响的研究主要是在认知功能、知觉反应和神经激活等方面。在周围神经系统方面，肌肉温度的变化会通过神经系统直接影响肌肉的收缩[45]，肌肉温度每变化1℃，其收缩性能会发生2%～5%的变化[46]。预冷对神经系统的影响可以通过知觉反应、认知功能和肌肉收缩等方面进行讨论分析。

RPE（rating of perceived exertion）是主观用力程度，被定义为对身体工作努力程度的有意识的感觉[47]。研究表明，预冷能改善运动员高温高湿环境下运动中的RPE 以提高有氧运动表现[26，48]。RPE 并不是唯一受高温运动影响的主观感觉程度。热舒适度（ther⁃mal comfort，TC）和热敏感性（thermal sensation，TS）的变化也与高温高湿环境下的运动相关[22]。热舒适度被定义为对热环境的主观感觉[49]，而热敏感性是身体感觉温度的相对强度。研究表明，预冷期间使用薄荷醇可以改善热敏感性和热舒适度[50，51]，有助于改善有氧运动表现[43，51]。将薄荷醇涂在皮肤表面或者用薄荷醇漱口可以提高热舒适度，但对体温和出汗率没有任何影响，有氧运动表现同样可提高[22，52]。另一项研究也证实，使用薄荷醇漱口使运动员产生凉爽的感觉，可提高有氧耐力运动表现[53]。

预冷能改善主观感觉程度，提高高温高湿环境下的有氧运动持续时间[54]。但过度增加热舒适度和降低RPE 可能导致运动中代谢产热过度增加，超过体温调节范围，导致患热相关疾病风险增加。尽管鲜有文献报道过度改善高温高湿环境下主观感觉程度的不利影响，但实施预冷时仍需注意和谨慎。

4.2 体温调节

4.2.1 核心温度

体温由核心温度和外周温度组成[55]。核心温度是重要内脏器官的温度，可在全身不同部位监测[56]。而外周温度则由皮肤、皮下组织和肌肉的温度组成[57]。皮肤温度主要是由脂肪和皮肤的温度组成，并主要受到环境温度和湿度的影响[58，59]。

随着核心温度的增加，大脑中负责运动激活的区域逐渐受到抑制，再加上来自运动的肌肉和心血管系统的感觉反馈，容易导致疲劳[60]。运动引起核心温度＞40℃被定义为过热[61]，过热会导致热相关疾病甚至死亡[62]。有研究表明，核心温度超过40℃时，肌肉的输出功率会随着核心温度的升高而降低，从而减少热量的产生[63]。核心温度高于40℃可能存在神经保护机制来抑制运动[64]。以往预冷研究的主要结论是降低运动前的核心温度从而延缓过高的核心温度引起疲劳。然而，近年来研究表明，在实际比赛或训练过程中记录到的核心温度通常>40℃，在高温高湿环境下马拉松运动员在比赛过程中的核心温度甚至达到41℃[65]，过高的核心温度不是影响高温高湿环境下有氧运动表现的唯一因素。

4.2.2 核心到皮肤温度梯度

另一种预冷的可能机制是核心到皮肤温度梯度。核心到皮肤温度梯度是指核心与皮肤温度的温度差，当皮肤温度低于核心温度时，身体会散热。当皮肤温度高于核心温度时，身体会吸热[66]。核心到皮肤温度梯度被认为是影响高温高湿环境下有氧运动表现的重要因素，较大的核心到皮肤温度梯度更有利于散热[67]。Lee等[68]研究了在8 km和21 km公路跑竞赛中，尽管核心温度>40℃，但当皮肤温度保持在26℃～30℃时，仍能保持较好的有氧运动表现，维持较理想的跑步速度。此外，Ely 等[69]的研究表明，当皮肤平均温度在36℃，尽管核心温度<38.5℃，有氧运动表现也会受到不利影响。这些研究结果表明，保持较大的核心到皮肤温度梯度有利于有氧运动表现。当核心温度>40℃时，可以通过降低皮肤温度，增加核心到皮肤温度梯度，保证散热能力，维持有氧运动表现。预冷主要是降低核心温度以扩大运动中身体的蓄热能力，若预冷期间过度降低皮肤温度，会影响肌肉温度，导致肌肉收缩性能下降。而运动过程中核心温度会不可避免地升高，若能降低运动中的皮肤温度以增大核心到皮肤温度梯度，可能有助于保持机体的散热能力，从而改善高温高湿环境下的有氧运动表现。运动中降低皮肤温度可能更有利于高温高湿环境下的有氧运动表现。

4.2.3 热量平衡

在长时间的有氧运动中，新陈代谢大幅提高，其产生的能量20%～30%转化为机械能做功，而70%～80%的能量被转化成热量，需要被散布到周围环境中以保持核心温度相对稳定[32，70，71]。为了保持核心温度的相对稳定，人体需要维持产热和散热的平衡[72]，可用热量平衡方程描述产热和散热平衡：S=M-W-E±K±C±R。其中S为蓄热量，M（metabolic energy expenditure）代表代谢产热，W（external work）表示外部做功。K（conduc⁃tion）表示热传导，C（convection）表示对流的热交换，R（radiation）表示辐射的热交换，E（evaporation）表示蒸发的热交换。蓄热量的变化取决于代谢产热（M-W）和皮肤到周围环境的净散热量（E±K±C±R）。值得注意的是，呼吸可以进行额外的对流换热，但在高温环境下的运动过程中可忽略不计[73]。传导散热、对流换热和辐射换热不是高温高湿环境下运动中散热的主要方式[74]。蒸发散热是运动中主要的散热方式，每蒸发1克汗液会释放2430 J的热量，当环境温度超过皮肤温度时，皮肤表面的热量需通过汗液的蒸发来实现[75]。高湿环境会阻碍运动中的蒸发散热，额外的汗液分泌是从身体上滴下来而无助于蒸发，蒸发散热效率降低，导致人体内部持续不断的热量积累，核心和皮肤温度持续升高。

预冷期间热量平衡方程可以表示为：蓄热量=代谢产热－身体表面散热－预冷散热[75]。通过比较蓄热量的变化，能较直接地反映不同预冷措施的效果差异。但目前用蓄热量来解释预冷效果的研究比较缺乏[49]。许毅枭等[76]的研究报道，预冷降低运动前的蓄热量，可提高运动员运动中的蓄热能力，延缓疲劳的出现，提高有氧运动表现。同样，Watkins等[77]的研究表明，预冷减少身体的蓄热量，能改善有氧运动表现。未来可尝试研究预冷温度、预冷持续时间、预冷的身体表面积等与蓄热量的关系，丰富预冷机制的研究。

4.3 心血管系统

高温高湿环境下长时间运动，心血管系统需要满足人体体温调节和新陈代谢的双重需求。运动期间大量血液会流向剧烈活动的肌肉，肌肉血液流动有助于将热量从肌肉传递到皮肤。此外，运动中皮肤血流量也会明显增加，促进排汗散热。尽管进行了血液动力学的调节，但仍无法防止高温高湿环境下长时间运动中核心温度的逐渐升高。核心温度超过40℃时，心率几乎达到最大值，缩短的心动周期会加剧心脏充盈和舒张末期容积下降，每搏输出量下降最终导致心输出量下降，平均动脉压下降，流向骨骼肌的血流量下降。这些血液动力学的改变最终影响了高温环境下的有氧运动能力。Filingeri 等[78]的研究显示，预冷期间使用降温背心不会显著降低运动中的心率。许毅枭等[76]的研究也表明，混合预冷没有显著降低运动过程中的心率，另外两项研究同样表明预冷没有显著降低运动中的心率[27，28]。预冷降低运动前的核心温度，并延缓运动中核心温度的升高，理论上核心温度降低能一定程度上延缓心率升高，从而改善高温高湿环境下的有氧运动表现，但这些研究均发现预冷并未延缓心率的升高，可能还存在其他预冷生理学机制调节高温高湿环境中的有氧运动表现。

5 结论与建议

预冷期间，摄入冰浆是目前提高有氧运动表现更有效的单独预冷措施，摄入7.5 g/kg冰浆能降低0.4℃～0.66℃的核心温度，改善有氧运动表现。热身后，等量多次摄入7.5 g/kg冰浆，再进行较长的休息间隔后开始运动，能更好地提高有氧运动表现。预冷可以降低运动前的核心温度，增加运动中的蓄热能力，延缓过高的核心温度引起的疲劳，从而提高有氧运动表现。尽管预冷能延缓运动中核心温度的升高，但运动中的心率没有明显降低，提示可能还存在其他预冷的生理学机制参与调控高温高湿环境中的有氧运动表现。

当运动员由于身体原因无法直接摄入冰浆时，可尝试采用混合预冷，哪些混合预冷措施比冰浆更能改善有氧运动表现还尚不可知。未来研究可以比较混合预冷与冰浆的预冷效果，探索更好的预冷实践模型。预冷延缓疲劳的机制研究还十分缺乏，开展此类研究将有助于建构更好的预冷模式，提高有氧运动表现。