有氧运动强度下不同运动方式的能量消耗及健身锻炼效果评价

周德超， 周长根

(安徽机电职业技术学院 公共基础部，安徽 芜湖 241002)

引言

运动方式的不同是否会导致能量消耗的差异是运动促进健康领域的热点之一[1-6]。因为不同的人群，选择的运动方式也不尽相同，有依据自己的喜好来进行选择，有参考相关健身书籍推荐，也有跟着周围人一起运动。目前，健身锻炼主要围绕健身[7-14]和健康[12-22]开展，年轻人重在健身，常采用力量练习塑身和有氧锻炼减肥[11，16，19]，中老年人重在健康，采用的锻炼方式以广场舞、慢跑、快走、传统武术为主[7-8，15，17]。因此，不同人群对不同运动方式的选择也不同。从健身减肥或控制体重的角度分析，花最少的时间达到健身减肥或控制体重的目的，效果最佳。基于此目的，本文拟在有氧运动强度下，采取不同运动方式，通过测量耗氧量推算能量消耗，研究不同运动方式能耗是否存在差异，以此为依据进行八周健身锻炼，评价健身锻炼效果，为健身锻炼提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

48名男性大学生参与三个阶段的实验，12人/组，共4组，分别为跑步组、单车组、健身舞组、太极拳组。太极拳组的大学生需要有一定的太极拳练习基础，从公体课太极拳班级挑选。健身舞组从公体课有氧健身操班级挑选。跑步组和单车组随机挑选编组。所有被试参与实验期间均无心肺功能及关节疾病问题。被试各种基础指标均在正常范围，组间均无差异，p>0.05，详见表1所示。

表1 被试基本情况一览表

1.2 研究方法

1.2.1 实验仪器 德国产Cortex MetaMax 3B CPX型便携式运动心肺测试仪、芬兰产Polar团队系统(20人)、德国产WLP-904功率自行车、德国产h/p/cosmos专业运动跑台(型号：Pulsar：190*65cm)、韩国产人体成分分析仪InBody370、国产身高体重计、若干国产跑步机、功率自行车。

1.2.2 研究指标 身高(cm)、体重(kg)、BMI、体脂%、VO2(ml/min)、VO2max(ml/min)、功率(w)、心率(b/min)、最大心率(220-年龄)、能耗(kcal/min)、速度(km/h) 、通气无氧阈。

1.2.3 测试步骤及方法 GXT测试：所有被试均进行GXT测试，测试分适应测试和正式测试。间隔3天。GXT方案选择跑台，采用5级负荷(不超过6级)，每级3分钟，坡度为0，每级速度的设定依据适应测试的数据进行设置。采样时间设为20秒/次。最大摄氧量判断标准参考：1)筋疲力尽；2)呼吸商>1.05；3)达到或超过个人最大心率的95%[23]。通气无氧阈的判定：以VO2和VCO2曲线出现交叉，且交叉后无再交叉现象。无氧阈时的心率判定：以出现通气无氧阈时被试的心率为准[23]。

有氧运动强度测量：以通气无氧阈对应的心率为依据，选择的有氧心率范围均低于无氧阈心率。参考四组无氧阈心率情况，本研究选择以有氧心率范围115-150b/min为有氧运动强度，跑步组在专业跑台上佩戴POLAR团队发射器，精确测量出心率在115-150b/min范围对应的速度范围。单车组佩戴POLAR团队发射器后在功率自行车上递增负荷运动，精确测量心率在115-150b/min范围对应的功率范围。健身舞组有氧运动强度的测量先由健美操教练选择合适的有氧健身操或健身舞，通过测量动态心率后，确定适合在115-150b/min范围的2～3套操或舞，然后再由健身舞组佩戴好POLAR团队发射器，测量适合被试的舞或操。太极拳组佩戴POLAR团队发射器，由太极拳老师领队，按竞技太极拳套路要求进行，每套6分钟。依据整个过程的心率变化，个体在适当的动作上加大力度或强度，以维持有氧运动强度。

(3)能量消耗测试方案：四个组按确定的有氧心率范围对应的有氧运动强度分别进行运动，跑步组(6.9-9.3km/h，20分钟，通过polar系统监控心率，依据心率变化在速度范围内进行适当调整)，单车组(125-190w，20分钟，通过polar系统监控心率，依据心率变化在功率范围内进行适当调整)，健身舞组(选择有氧健身操Ⅱ、活力健身操、减脂活力操，25分钟，教练依据polar系统监控心率)，太极拳组(太极拳竞技套路，18分钟，练习2-3套，教练依据polar系统监控心率)。测试分两次进行，第一次为适应性测试，第二次为正式测量期。如第二次测试不理想，则再次进行测试，每次测试间隔一天。被试佩戴便携式运动心肺仪，同时佩戴POLAR团队发射器进行心率监控，分别在跑台、功率自行车、健美操房、武术馆按要求进行测试，测试结束后导出VO2数据。

(4)能量消耗计算：四组被试在有氧心率范围内分别运动了20、20、25、18分钟，采集此期间的VO2(取每分钟均值)，参考能量公式“能量= VO2(l/min)*5kcal(VO2/L)*T(min)”[24]计算出每组能量消耗，由于本研究中能量计算最后采用的单位是(kcal/min)，故能量公式中的T取值为1分钟。

(5)健身效果评价：四组分别进行八周健身锻炼(八周运动时间：2019.10.8—2019.12.3，12.4测试三项指标)，6天/周，30分钟/天(准备活动5分钟和整理活动5分钟除外)。跑步组和单车组分别按各自第一阶段测量对应的速度或功率进行锻炼，每次每组由一名教练进行监控和指导，速度、功率可逐步调整。健身舞组(1～2套，也可重复1套)和太极拳组(练习4～5遍)分别在健美操房和武术馆由各自的指导老师进行指导。四组在健身锻炼的期间，科研小组不定期用便携式POLAR团队系统进行有氧心率监控。八周后，测量各组被试体重、体脂%、BMI进行健身效果评价。

(6)膳食控制：要求所有参与测试的人员，在锻炼期间，均正常在学校食堂进行常规饮食，每次三餐，以正常的饱腹感为标准，严禁过饱或额外加餐，严禁摄入各种含糖或类似的饮料。

1.2.4 数理统计 所有测试的原始数据均采用spss15.0和2007Excel进行统计分析，各组实验前后对比采用Paired-Samples T Test)锻炼健身效果评价，以跑步组为参考组，单车组、健身舞组、太极拳组分别与跑步组进行组间对比，选择Independent-Sample T Test)，显著水平为p<0.05、p<0.01。

2 结果

2.1 有氧心率范围对应的有氧运动强度

通过GXT测试，四组通气无氧阈对应的心率分别为165±4.7、162±5.6、164±5.1、160±4.6b/min，无氧阈心率在160b/min左右。参考ACSM制定的以53% VO2max和65%HRmax的强度锻炼作为改善心血管系统功能的最低强度(最低限度为40% VO2max和55%HRmax)[24]标准，四组无氧阈VO2/VO2max分别为59.1%、58.7%、58.0%、57.4%；无氧阈对应的HR/HRmax分别为82.5%、81.0%、82.0%、80.0%。结合无氧阈对应的VO2和HR，以及ACSM标准，把跑步组、单车组、健身舞组、太极拳组的有氧心率范围定在无氧阈心率以下(太极拳最低160b/min)，考虑被试非运动员情况，在160b/min基础上，以75%HRmax为安全上限，定位150b/min。有氧心率范围的下限，参考ACSM的最低限度为40% VO2max和55%HRmax[25]，考虑到被试均为青年男性，在最低标准110b/min基础上，定为115b/min。在确定的有氧心率范围115-150b/min内进行对应项目有氧运动强度的确定，四个组强度的单位表达分别以速度、功率、健美操套路节奏(通过心率监控掌控节奏快慢)、太极拳套路力度(通过心率监控掌控动作发力程度)为标准，每个小组测试所需要的时间及运动形式要求见表2。

表2 有氧运动强度的确定

2.2 能量消耗计算结果

跑步组、单车组、健身舞组、太极拳组参照各自对应的有氧运动强度进行耗氧量测试，测试所需的时间参考表2有氧运动强度的确定测试时间。四组VO2均低于通气无氧阈，分别低170、300、200、470ml/min，均在有氧心率范围；%VO2max分别为53.8±3.10、49.3±2.74、51.9±3.84、43.0±2.67，与VO2/VO2max相比，四组分别低5.3%、9.4%、6.1%、14.4%，但四组%VO2max均在ACSM推荐的范围之内(最低限度40% VO2max和55%HRmax)[25]。有氧运动强度运动时所需的平均摄氧量及能耗结果见表3，与跑步组比，健身舞组无显著差异(p>0.05)，单车组、太极拳组存在显著差异(p<0.05)。

表3 四组能量消耗计算结果

2.3 健身效果评价

八周健身锻炼后，四组体重、体脂和BMI测试结果见表4。分别对四组进行实验前后对比，跑步组、健身舞组实验前后，体重、体脂%、BMI变化显著(p<0.01)。单车组体重和体脂%变化显著(p<0.01)；BMI有一定程度变化(p<0.05)。太极拳组三项指标均有一定程度变化(p<0.05)。从统计的结果来看，跑步组和健身舞组的健身效果更好，其次为单车组和太极拳组。为了比较组间的差异，对健身锻炼效果指标体重下降、体脂%下降、BMI下降进行分析，以跑步组为标准进行对比，健身舞组(p>0.05)无显著差异，单车组(p<0.05)、太极拳组(p<0.01)存在显著差异。跑步组和健身舞组效果最佳，其次为单车组，太极拳组效果不太明显。具体情况见表5。

表4 八周健身锻炼后体重、体脂和BMI测试结果(N=48人)

表5 八周健身锻炼效果测试结果

3 分析讨论

3.1 有氧运动强度下不同运动形式能量消耗的差异分析

有氧运动强度，是指一定的运动强度范围，而不是指某一具体的强度，可用不同的参考指标进行标定，如心率[26-29]、耗氧量[30-34]、呼吸频率[31,35-36]、主观感觉[37-39]、血乳酸等[1,6,40-42]、能耗[43-44]。在本研究中，选择心率进行标定，以115～150b/min为有氧心率范围，依据为参与被试均为正常体重的男性大学生，心率最高值在200b/min左右，有氧心率范围占最大心率的57.5%～75%，在跑台上进行适应性练习时，心率在115～150b/min范围时，被试保持的时间均较长，且主观感觉表现较轻松，呼吸较均匀，属于有氧心率范围。因此，通过有氧心率范围确定的有氧运动强度，再以标定的有氧心率范围设置POLAR表报警的心率范围，以此去检验不同的运动方式准确耗氧量。运动方式的不同，机体动员心肺功能水平也不同[45-46]，有以上肢运动为主的操类、以下肢运动为主的单车类、以全身大块肌肉运动为主的跑步类、以上下肢及躯干协调配合的快节奏的武术套路或慢节奏的太极拳套路、以鲜明快节奏的健身舞类。因此，虽然都以有氧运动强度为统一标定，但其健身锻炼的侧重点都有不同。

在本研究中，有氧运动强度，跑步组对应的速度为6.9～9.3km/h，单车组对应的功率为125～190w，健身舞组对应的节律操为“有氧健身操Ⅱ”“活力健身操”“减脂活力操”，太极拳组对应的强度为6分钟的竞技太极拳套路。四组中，跑步组和单车组易于监控，通过速度和功率的范围进行个体设置，健身舞组需要被试按要求跟上节奏，且力度要与领舞教练尽量保持一致。太极拳组最难控制，被试力度一减，强度就有所下降。因此，太极拳组需要从被试的选择上进行把关，选择公共体育课太极拳班上练习较好的学生，以保证强度符合要求。四组在有氧运动强度下，耗氧量分别为1729±257ml/min、1575±233ml/min、1714±218ml/min、1406±185ml/min，与跑步组相比，单车组和太极拳组均存在显著性差异(p<0.05)，健身舞组无显著性差异(p>0.05)。能量消耗分别为8.65±1.15kcal/min、7.87±1.07kcal/min、8.57±1.23kcal/min、7.13±1.01kcal/min，与跑步组相比，单车组和太极拳组均存在显著性差异(p<0.05)，健身舞组无显著性差异(p>0.05)。从结果来看，在有氧心率范围内，不同的运动形式的耗氧量并不一致，均存在不同水平的差异。分析认为，这种差异可能与运动的方式有关，这也是本研究的目的之一。跑步运动形式主要是上下肢参与的全身性运动，全身的大块肌肉均参与动员，需要努力克服自身重力，同时跟上跑台的速度，这对被试来说，心肺的动员水平较高，全身动员的肌肉对氧的摄取动力增强。因为全身动员可使大量的骨骼肌参与收缩和舒张，降低肌肉部位的氧分压，氧合血红蛋白随血液流经骨骼肌时，激发血氧饱和度的急速下降，促使氧合血红蛋白释放更多的氧供给骨骼肌部位使用。健身舞属于广场舞的一种，本研究选择了适合年轻人的具有较强节律的全身动员的有氧健身舞，这种健身舞每套大概在15～20分钟之间，对被试有一定的要求，需要有较好的协调性、柔韧性，同时还必须要有一定的节律感。因此，健身舞对机体的氧耗也比较高。本研究中，健身舞组氧耗量及能耗与跑步组比较一致，没有显著差异。可见，全身大块肌肉参与的运动形式，在有氧强度范围具有相似的心肺功能反应。相关的文献显示[1-2,4]，快走和慢跑在同速的情况下，能耗存在显著差异，这与本研究结果一致。但单车组和太极拳组的耗氧量及能耗偏低，尤其是太极拳组，与跑步组、健身舞组均存在显著差异。分析认为，可能与以下原因有关。(1)运动形式的差异。单车运动形式主要运动部位在下肢，上肢和躯干主要起辅助参与的作用，太极拳套路上肢一直参与运动，但下肢屈膝状态时间较长，下肢肌肉持续收缩发力的时间节段较多[17,27,47]。因此，导致单车组和太极拳组虽然在有氧强度范围内运动，但氧耗却不相同。单车组下肢肌肉因大量用氧导致氧分压快速下降，氧合血红蛋白随血液流经下肢肌肉部位时，饱和度迅速下降，释放大量的氧供给下肢肌肉，但上肢和躯干上部的肌肉用氧情况就不甚理想，氧耗不及下肢。太极拳组有氧心率的稳定保持很有可能是由太极拳运动时下肢较长时间的屈膝动作强度引起[17,27]，这种运动形式对氧耗的程度可能不及动力性收缩与舒张节律较强的跑步和健身舞，同时上肢的运动形式对上肢肌肉的收缩发力存在明显的意念控制[47]。(2)可能与本研究所给的有氧心率范围有关。因本研究给定的是一个心率范围，在实验中，工作人员通过心率的即时遥测结果来提醒被试的强度或力度，让其心率在规定的范围之内，但也不可避免少部分被试在运动的某些时刻，心率虽然在范围之内，但心率却处于范围的中位值。(3)供能系统动员比例变化。四种运动形式，虽然都在有氧心率范围内，但由于运动形式的不同，其供能系统参与的比例有所不同，对全身大块肌肉参与的运动形式，有氧供能比例可能较高，但对于身体局部参与的运动，可能改变供能比例。文献报道[48]，上肢、下肢或躯干为主参与的动力性运动，如其它部位采用的是以静力运动或动静配合为主，在运动后，机体产生了一定浓度的乳酸。这与本研究中出现的现象比较吻合。表明健身运动的运动形式的选择非常重要，不仅涉及到运动爱好，也涉及到健身效果。

3.2 八周的不同运动形式的健身锻炼效果分析

在确定了四种运动形式耗氧量及能量消耗后，对四组施加八周运动，每周6次，每次40分钟(包含准备活动5分钟和整理活动5分钟)，八周运动后，通过测量体重、体脂%，计算BMI，发现四个组均有不同程度的健身效果。四组体重分别下降了2.82±0.53kg、2.12±0.44kg、2.71±0.48kg、1.41±0.33kg。体脂%分别下降了3.65±0.77%、2.79±0.83%、3.43±0.74%、2.01±0.69%。BMI分别下降了1.01±0.23、0.74±0.25、0.94±0.31、0.50±0.18。以跑步组为参考标准进行对比，健身舞组三项指标均无显著差异(p>0.05)，单车组(p<0.05)和太极拳(p<0.01)组差异显著。经过八周健身锻炼，跑步组和健身舞组的效果最佳，虽然2个月体重下降不足3kg，但考虑到被试均是正常体重的男性大学生，如果是超重或肥胖人群，可能效果会更佳。相对于跑步组和健身舞组的健身效果，单车组效果其次，对于环境、气候不适合进行室外运动的情况下，可在家里或健身房采用单车运动的形式，也能取得较好的健身效果[45]。四组中，太极拳套路效果排在最后，体重减少1.41kg，体脂%下降2.01%，效果不太显著。分析认为，太极拳套路练习的侧重点可能不像跑步、健身舞运动，重在全身肌肉对氧的消耗。从氧耗的角度分析，太极拳套路运动形式，下肢微屈，时间稍长，中间不时转换左右下肢的重心点，但这种持续的微屈[17,27]，导致下肢肌肉可能出现一定量的乳酸，而上肢及躯干的运动，加快血液运输氧的能力，还需要对产生的乳酸进行氧化[49]。但这似乎并不是太极拳练习的首要目的，这种运动的形式可能更侧重于身心协调一致性练习，强调神经对上肢、下肢动作的协调配合，在协调配合一致的前提下，肌肉收缩发力，但这种发力又不是绝对的发力[17]，而是通过神经控制的运动单位的协调动员发力，体现为个部位或左右上下，甚至整个上下肢及躯干的整理用力，这也是与其它三组运动方式截然不同的地方。在本研究中，综合四组健身锻炼的效果来看，这种差异与运动形式密切相关，运动形式决定了全身肌肉的动员方式，同时也对供能系统的动员比例有不同的要求[30-31]。因此，健身锻炼时，如何选择运动形式首先要依据自己的爱好进行选择，其次是自己的健身锻炼的目的，最后是参考不同运动形式健身功效。

4 结论

4.1有氧心率对应的强度，跑步为6.9-9.3km/h，单车为125-190w，健身舞为“有氧健身操Ⅱ”“活力健身操”“减脂活力操”，太极拳为太极拳竞技套路。

4.2有氧运动强度下，不同运动方式能量消耗存在项目差异，跑步和健身舞氧耗量及能耗最高，其次为单车运动，太极拳耗氧量及能耗最低。提示，耗氧量和能耗与运动形式及供能系统动员比例密切相关。

4.3有氧运动强度下进行较长周期的健身锻炼，跑步、单车、健身舞、太极拳均有健身效果，跑步和健身舞效果最佳，其次为单车运动和太极拳运动。提示，健身功效与运动形式的耗氧量及能耗密切相关。