从能量角度探讨高强度间歇训练在高校短跑训练中的意义①

李杰 梁伟嫦 潘红英 黄桥贤

(华南师范大学体育科学学院 广东广州 510006)

高强度间歇训练（High intensive interval training，HIIT）是发展有氧、磷酸盐和无氧糖酵解供能混合代谢系统的供能能力，以及无氧糖酵解供能系统的供能能力的一种重要训练手段。近年来，HIIT因其省时高效的特点逐渐受到普通人群和高水平运动员的青睐，与此同时，众多学者对它的认识也不断深入。黎勇明总结多篇文献并提出HIIT是以大于或等于无氧阈或最大乳酸稳态的负荷强度进行多次持续时间为几秒到几分钟的练习，且组间间歇时间有限，安排使练习者不足以完全恢复的静息或低强度练习[1-2]；在该训练中，通常能使训练者的心率达到190次/min左右，能量代谢主要动用的是磷酸盐系统及无氧糖酵供能系统。

在关于HIIT的研究中，国内外学者主要围绕如肥胖等慢性病、高水平运动员、动物实验和血液研究等方面开展，发现HIIT有众多益处。不论是在普通人群中（包括健康及患有相关健康疾病的人群）还是在有较高运动水平人群或专业运动员中，研究人员均发现HIIT要比其他运动模式（包括中强度间歇、持续性有氧运动等）在改善心肺适应性、运动能力、心血管功能等方面起到明显的效果，并且均无急性损伤的报告[3-9]。

综上所述，学者们尝试从不同角度、不同群体来探讨、发现并解释高强度间歇训练的独特之处，总结得出了高强度间歇训练的普遍益处的同时，也给出了一系列具有特定群体特点的发现或结论。但是，却鲜有学者尝试从能量消耗的角度对高强度间歇训练进行探讨。

而关于如何提高能量的利用效率，实现运动中的能量节省化这一问题，一直是各教练员及运动员所追求的，同时也是学者们探讨的热点话题。同时，相较于田径中的中长跑和长跑这些耐力项目来说，高强度间歇训练法在短跑领域的开展似乎并没有受到大家太多的关注，其效果及作用也就无从谈起了。因此，如果能将该方法与短跑训练相结合，便能改善短跑运动员的能量储备能力或利用效率，或将为探究如何提高短跑成绩提供一个新的思路和新的途径。

在衡量高强度间歇训练的研究中，心率和血乳酸是两项重要的指标。吴瑕等人[10]认为，作用在运动员身上的外部负荷能引起其机体的生理变化。通常，大多数引起这些变化的相关指标都只能通过实验研究测定，但心率指标却因其实用、易监测且无创伤性的特点而有所不同。所以，其他实验指标从及时性和实用性来说都不及心率，因此，心率便成为评价运动强度常用的指标。但是，在用心率指标衡量运动强度的时候，大多数学者往往忽略了个体差异的存在，为了减少由个体差异所带来的影响，该研究将采用运动强度值I=（运动后心率-安静心率）/（最大心率-安静心率）来衡量运动员达到的运动强度（I∈[0,1]）。

除此以外，有研究表明[11-12]，最大心率、次最大心率（达到85%最大心率值时的心率）由于受不同程度的训练状况或者测定方式的影响，其数值具有很大的不稳定性，还与个人的身体状况密切相关，从而造成心率的失真和指导训练的局限性。所以在训练实践中还需要把心率指标与其他生理生化指标相接合来实施训练和调控运动强度。由于血乳酸是无氧糖酵解供能系统的产物之一，同时血乳酸和心率之间还存在着高度的相关性[13]，是间接衡量此高强度间歇训练中受试运动员能量代谢变化及反映运动员机体疲劳及恢复情况的不二选择。因此，在高强度运动监控时，配合使用了血乳酸指标。

总之，关于高强度间歇训练的优势之处，前人已做了大量对比研究并得到了验证。但鉴于高强度间歇训练在短跑领域的应用情况，该研究主要集中探讨此种训练模式对从事短距离项目的高校田径运动员所能带来的益处，并尝试从能量的角度去深入解析其运作规律，从而为高校田径运动队短距离项目训练提供科学的理论依据，并为提高运动员的运动成绩提供新的训练思路。

1 研究对象

该研究选取华南师范大学田径队5名新入队的男性运动员（专项为短跑项目的体育教育专业学生，均为国家二级运动员）作为受试对象。无科学系统的训练经历，无遗传病史，身体各项机能正常，入队成绩经单样本t检验，P＞0.05，即无显著性差异。表1为运动员基本情况。

2 研究方法

2.1 实验主要测试仪器

该研究主要运用到的测试仪器包括：用于心率监控的运动心率监测系统Polar表（芬兰）、便携式血乳酸仪、秒表（控制训练强度）。

2.2 测试方法

在实验前获取运动员相关基础数据（包括身高、体重、安静时心率、最大心率、运动经历等），进行实验设计，并进行为期1周的预实验，以实验高强度间歇训练的方案的可行性（确定方案中训练的天数、时间、训练强度等），再结合预实验情况调整正式实验时高强度间歇训练计划。

正式实验训练方法为：8组200m间歇跑，组间休息1min，每周3次，强度因人而异但相对一致且在平均应达运动强度值区间范围。在训练后的第2周、第6周、第16周收集相关数据。测试时，受试者在研究队伍成员的帮助下佩戴好Polar心率表，并时刻记录好受试运动员的安静心率、每次运动后的心率等心率数据。此外，在受试者安静和运动后3～5min内，对受试者进行指尖末端取血（每次采集血样的具体操作方法为：先用沾有酒精的棉球对受试者手指进行消毒，然后再用干棉球擦拭，而后挤压手指扎取血液，待血液流出后迅速用已调好的便携式乳酸仪对其进行测试并时刻记录数值）。

2.3 数据处理

将数据导入计算机，利用Excel和SPSS 25.0对受试运动员在心率、血乳酸水平、运动成绩与自我感受等方面的数据进行前后差异的比较。

3 研究结果

从表2可以看到，大部分运动员在前两次测试中实际运动强度值都能达到所预定的运动强度（即平均应达运动强度值）。另外，该数值随着训练的进行呈现出下降趋势，到第三次训练时该数值均小于或等于平均应达到的运动强度值。

利用3次实际运动强度值数据进行运动员自身纵向分析，经配对样本t检验发现，无显著性差异（P＞0.05），即运动员间3次实际运动强度值总体呈下降的趋势没有统计学差异；而在次数间的比较分析发现，第一、二次间P=0.096，第一、三次间P=0.004，第二、三次间P=0.039。即除第一、二次间无显著性差异外（P＞0.05），第一、三次间变化存在极显著性差异（P＜0.01），第二、三次间变化存在显著差异（P＜0.05）。

由此可见，高强度间歇跑能提高运动员机体运动能力，实际运动强度值的变化间接反映出能量消耗往“节省化”方向发展，表现为受试者能够更加轻松地以相同的速度要求去完成相同的训练内容，同样的训练内容对心脏的刺激也有所减小。

表3显示了3次测试血乳酸平均值的变化情况，存在一定个体差异。对安静值进行单样本t检验（检验值=2），P=0.452，说明这5名受试者的安静血乳酸与一般健康人安静时正常的血乳酸值（2mmol/L）无显著差异。在3次训练中，除受试者A、E平均值较高外（达到20mmol/L左右），其余均在14～19mmol/L之间，且随着训练的进行，数值呈现出下降趋势。

利用3次血乳酸平均值进行运动员自身纵向分析，经配对样本t检验发现P＞0.05没有显著性差异，与表2结果一致；而在次数间的比较分析同样与表2结果相似，除第一、二次间（P＞0.05）没有显著性差异外，第一、三次和第二、三次（P＜0.05）训练间均存在显著性差异（P值分别为：P=0.293，P=0.024，P=0.010）。

由此可见，在高强度间歇跑的干预下，对机体清除乳酸，节省能量消耗的能力上有明显的正向影响，受试者在完成相同训练任务后的疲劳程度相较于实验初期有明显降低，疲劳恢复的速度也得到加快。

4 分析与讨论

4.1 心率与能量消耗

通常，心率被认为是判断运动训练强度的可靠性指标[14]和测定能量代谢的指标[15]。借助心率的变化特点，在该种运动模式下运动员能量代谢的特点也便能被间接地反映出来。而且，目前的心率测试非常简便，易操作，加上测试的无创性，该技术被广泛应用于各训练队的训练甚至是比赛中，大大减少了人为因素所带来的不利影响，提高用心率来衡量运动强度的准确性[16]。但是，用传统的心率监测方法来检测运动强度存在弊端，不能很好地减少个体差异[17]。因此，该研究采用已被芬兰学家Karvone所验证的运动强度值来衡量受试者的运动强度负荷，用此方法来衡量运动强度负荷要比用最大摄氧量百分比表示法准确度高10%[18]。从结果来看，通过高强度间歇训的干预，受试者的平均运动强度值均呈下降趋势，且在后期训练中相同负荷的训练已不能达到预期的运动强度，尤其是第三次测试，与第一次测试相比运动强度值有了极显著的变化（P＜0.01），说明受试者的运动能力得到提升，心率明显降低，每搏输出量增加[19]。由此可见，高强度间歇训练对人体心脏有较大的的刺激，对增强心脏的泵血功能效果显著[20]，这不仅与心脏中miRNA差异表达的诱导有关[21]，还可能与心脏附近血管的弹性增大有关，从而减少其外周阻力。但需要指出的是，运动时，心率的降低和每搏输出量的增加是具有积极意义的。首先，陆柳等人[22]通过数学建模的方法，从函数关系式中揭示了心输出量与每搏输出量和心率的关系。她指出，心率在90次/min以下时每搏输出量的变化不大。但当心率大于90次/min时，随着心率的增加，每搏输出量在不断减少，当心率达到150次/min时，每搏输出量下降到60%左右。在高强度间歇训练中，受试者心率至少在160次/min左右，每搏输出量的下降幅度甚至更大。由此可见，通过训练来提高每搏输出量在提高营养、能量物质、氧气等物质的输出能力上具有重要意义，从而确保机体持续完成高强度的运动训练。

其次，与曹文玲HIIT90组的研究结果（心率变化）类似[23]。心率变化的表象可能暗示着高强度间歇跑对增强迷走神经的兴奋性有正向意义，可能与其节后神经末稍乙酰胆碱的释放增加及心肌细胞膜上的M型乙酰胆碱受体数量增加有关，从而提升细胞膜上K+通道的通透性，促进K+的外向流动，使得心肌细胞静息电位与阈电位间的差距加大，心肌兴奋性的下降从而使得心率降低，有利于能量在心脏跳动上消耗的节省化。而每搏输出量的增加可能不仅暗示着能量及其物质合成的速率或效率得到提升，还意味着心脏每次搏动能够消耗更少的能量及其物质，从而使得在心脏的每一次搏动中有更多的能量及其物质被输出并提供机体完成相应的动作。

综上所述，心率的降低及每搏输出量的增加反而意味着能量物质在机体中的储存、合成及分配利用等能力得到改善和提升，而其背后原因不仅与心脏中miRNA的差异表达有关，还可能与心脏周围血管弹性的增加而导致外周阻力的减少及与迷走神经的激活有关。

4.2 血乳酸与能量消耗

此高强度间歇跑训练主要动用的是糖酵解供能系统，Buchheit[24]也提到，在缺少金标准的当前，氧亏的积累和血乳酸是衡量无氧糖酵解在高强度间歇训练中的贡献的有效方法。此外借助血乳酸指标能间接反映受试者能量消耗特点。从表3可以看出，在3次实验中，受试者血乳酸含量的变化呈现出与运动强度值相似的变化。

忽略受试者动作优化等其他原因，该文仅从能量消耗角度，相对理想化考虑。另外，由于研究对象是复杂的生命体，不能简单地套用物理学上的机械能规律。因此，在这里由功能定理可知：

其中，F动为用于人体前进的动力，F阻'为人体所需要克服的阻力。

而在该实验中，由于受试者速度得到控制，可知在前进动力及空气阻力保持不变（不考虑环境变化而影响、），同时，在人体对地面的正压力不变情况下，认为摩擦阻力也不变，由能量守恒定律则有总的能量消耗W总，在3次测试中应保持不变。那为何在能量守恒的条件下血乳酸值会呈现下降趋势呢？笔者在此从以下3个方面解释该研究中所出现的“能量节省化”的现象。

表1 运动员基本信息（n=5）

表2 实际运动强度值I变化

表3 血乳酸平均值变化（单位：mmol/L）

（1）高强度间歇跑训练不仅可以改善心脏泵血功能，还能够增强氧化酶的活性，刺激骨骼肌中肌氧恢复的能力，从而提高组织中的含氧量，促进乳酸的氧化清除从而改善受试者机体的内环境，进一步促进肌氧含量的恢复[25]。而乳酸清除速率的提升同时可以有两种解释：一是乳酸的生产量的减少，二是机体对乳酸清除能力的提升。对于第一种解释，反映的则是机体供能时对糖类物质的有氧氧化分解能力的得到提高，进行无氧糖酵解的物质的比率降低。鉴于1mol葡萄糖完全有氧氧化产生30～32molATP，而无氧糖酵解仅产生2molATP，由此可见通过高强度间歇跑训练的干预，有更多的能量物质得到充分利用并转化成能量供机体完成运动，而不是被大量用于产生乳酸却仅得到相对有限的能量。从能量守恒的角度看，若机体完成一项需要消耗100mol能量的运动时，通过彻底的有氧氧化方式仅需消耗约3.125～3.333mol的能量物质，而无氧糖酵解却需要消耗高达50mol的能量物质才能完成同样的运动。这提示，高强度间歇训练的干预在重新分配能量供应方式有着不可忽视的效果，消耗更少的能量物质以完成相同的运动则正是“能量节省化”的体现。而对于原因二，体现的则是机体在产生乳酸后进一步对其加工处理能力的提升，即进一步有氧氧化（包括氧化酶等在内的相关酶活性的增强），从而减少酸性物质氢离子在体内的数量，从而改善机体抗疲劳的能力，提高机体的耐酸能力。以上两种情况最终推迟机体在运动中疲劳出现的时间，延缓机体因乳酸堆积而引起的疲劳的程度，有助于受试者在大强度的训练甚至在激烈紧张的高强度比赛环境中稳定发挥其技术动作。

（2）肌肉组织的化学成分发生变化。如肌肉中肌球蛋白，肌动蛋白等含量的增加有助于提高肌肉的收缩能力，而安静时肌肉中ATP及其酶活性的增加加快分解及能量供应的速度[26-27]。

（3）与机体能量有效利用率的改善有关（分配到做机械功的能量增加，无用功如产热等的减少）。对上述关系式，再进一步深入分析，由功能定理可知人体所耗总能量W总：

由式子（1）和（5）则有：

由上述三式并结合对心率及血乳酸的讨论可推测，通过高强度训练可以提高机体合成并输出能量的速率，即做有用功的功率P有得到了提升，可见用作机体前进的动力F动实际上是增加的，在实际中表现为受试运动员奔跑时的力量得到增强，也即教练员常说的“跑的更有力了”；而由能量守恒可知，P无减小，而在这里，由于速度得到控制因而认为保持不变，即人体所需克服的空气阻力不变，而摩擦阻力却变小。由式子（4）可知，是人体对地面的正压力减少了，由此可见，在训练后期，运动员跑动中的动作技术得到改善：在向前奔跑时，地面对人体的反作用力与水平面的夹角减小，从而使得水平分力增加，也促进了动力F动的增加，在实际中表现为受试运动员跑得“更加轻松了，更加有弹性了”。需要指出的是，根据牛顿第二定律：f=ma。那么在这里，F动的增加却并未使得增加，岂不与之矛盾？通过进一步分析后便发现，其实并不然。以单个跑动周期为例，可简单分为两个阶段：第一阶段为动力输出阶段，第二阶段为腾空减速阶段。根据冲量定理可知，。在第一阶段，双脚与地面相互作用，从而产生向前的动力，此阶段当t→0时，，则速度变化→0；而同理，在第二阶段水平方向主要为空气阻力起作用，当增加腾空时间，则速度的变化增加。因此，动力阶段运动员通过减少与地面接触时间来减少速度的增加，同时延长腾空阶段的时间以增加速度的损失，从而使全程平均速度保持稳定。总之，分配到做有用功的比重增加，而分配到做无用功的比重减少，受试者消耗更少的能量物质便能取得更大得前进动力。

综上所述，血乳酸浓度的降低意味着，通过高强度间歇训练，运动员的能量消耗往“节省化“方向发展。而所谓的“能量节省化”，其实是能量物质储存量的增加、合成速率和传送速率的增加以及分配更加合理化的综合表现。这样一来，能量物质便能更加快速、高效地被运输到机体有需要的地方，供机体完成高强度的运动训练。

5 结语与建议

面对安排更加紧密的赛制，激烈的竞争对短距离竞赛运动员提出了要求。充足的体能储备、高效的能量利用及快速的恢复能力，可能成为高水平竞赛中的决定性因素。而高强度间歇训练因其有效地提高心脏泵血功能，刺激骨骼肌中的肌氧恢复能力，促进乳酸清除，提高安静时ATP储存量，改善机体运动时能量合成速率、传送速率，以及提高能量利用率等作用，不仅有助于提升短跑运动员在途中跑阶段保持速度的能力，还有助于运动员在大强度训练甚至在紧张激烈且赛程紧凑的大赛中保持稳定甚至高质量的发挥。因此，以年为训练周期的高校队伍，笔者建议教练员应重视该方法在冬训期间的应用，为运动员新赛季的开启及高强度的专项训练打下坚实基础。同时，高强度间歇训练的比重应随着专项训练的到来而逐渐减少，在进入专项训练后可以考虑将高强度间歇训练与专项训练以一定的比重进行结合，丰富训练手段；而对于没有条件进行以年为训练周期的高校运动队（如以学期为周期），可考虑在开学初加大高强度间歇训练的比重，促进学生运动员身体各项机能的恢复，并在专项训练期间灵活运用，争取在短期训练中使学生运动员达到较高的竞技水平。