青年速度滑冰运动员500m、1000m和1500m模拟比赛的能量供应特征

李 博,王欣欣,杨 威,尚 磊,付 乐,陈小平,黎涌明,

速度滑冰按照比赛距离可分为短距离(500 m、1 000 m)、中距离(1 500 m)和长距离(3 000 m、5 000 m和10 000 m),运动员在比赛中的最高速度可以达到60 km/h,是目前为止人类在除了自行车以外以人力驱动的方式在平坦的地面上达到的最快速度的运动方式[1]。当运动员在冰面上快速滑行时约有80%的阻力来自风阻[2]。为了尽可能地减小风阻,运动员必须采取低坐位的滑冰姿势。此外,滑冰动作中长期处于单腿滑行阶段,腿部的张力持续时间占比高于其他运动方式,这都增加了运动员下肢肌肉血流限制的程度,从而增加了对无氧供能的募集[3-5]。速度滑冰的最大乳酸稳态为6.65 mM,显著高于赛艇和自行车[6]。因此,低姿滑行造成的血流限制可能导致速度滑冰的能量供应特征有异于其他运动项目。

国内外对速度滑冰的研究文献整体上并不多[7]。对速度滑冰能量供应的报道可追溯到Monte 在1983年的研究,其认为速度滑冰500 m 能量供应全部来自于无氧供能(磷酸原95%,糖酵解5%),随着比赛距离的增加有氧供能比例逐渐增加,10 000 m有氧供能比例达到80%[8]。之后,Van IngenSchenau[2]、Foster[9]和de Koning[10]等人利用能量平衡模型,通过自行车和冰上模拟对速度滑冰不同比赛距离的能量供应特征进行了推算。2013年Hermsdorf 等人首次采用实验法对速度滑冰1 500 m、3 000 m和5 000 m冰上模拟比赛的能量供应特征进行了探究[11]。这些推算和实验研究一致表明Monte 的研究低估了有氧供能比例。然而,Monte 报道的能量供应比例数据仍存在于《周期——运动训练理论与方法》一书[8]。该书也被翻译成中文,成为国内教练员(包括速度滑冰项目)认识项目特征的重要依据之一[12]。

我国速度滑冰运动员的参赛项目主要集中在500 m、1 000 m和1 500 m这3 个距离上[13]。然而,速度滑冰500 m和1 000 m的能量供应特征还未见冰上实验研究,这不利于我国速度滑冰教练员形成有关项目特征的正确认识[14]。鉴于此,本研究拟以我国青年速度滑冰运动员为对象,采用实验法对500 m、1 000 m和1 500 m冰上模拟比赛进行探究,为教练员认识速度滑冰项目特征提供参考。

1 研究方法

1.1 研究对象

某省滑冰训练中心8 名男性和8 名女性速度滑冰运动员,自愿参加本研究并签署知情同意书,受试者运动等级均在一级以上。测试前与教练和运动员讨论选取参与测试项目,部分运动员参加了1 个以上的项目测试,每个项目的受试者基本情况见表1。测试位于运动员进入冬训的初期,所有受试者均熟知测试的流程、要求和可能存在的风险,测试前1 天未进行大强度的训练,测试当天保持正常的饮食习惯,且测试前1.5 h 内未进食,每2 次测试的间隔不小于24 h。

表1 受试者基本信息(±s)Table 1 Characteristics of the Subjects (±s)

表1 受试者基本信息(±s)Table 1 Characteristics of the Subjects (±s)

项目 N 性别年龄/yrs 身高/cm 体重/kg 训练年限/yrs 500 m 5 男 18 ±4 180 ±4 69.86 ±6.21 9 ±4 4女21 ±3 169 ±3 56.45 ±7.03 10 ±2 1 000 m 2 男 17 ±1 175 ±1 67.65 ±6.35 7 ±3 5女20 ±3 169 ±3 59.30 ±7.25 9 ±3 1 500 m 4 男 19 ±3 177 ±6 67.97 ±8.53 10 ±4 2女17 ±1 166 ±1 58.75 ±2.75 6 ±2

1.2 速度滑冰模拟比赛测试

受试者分别进行500 m、1 000 m和1 500 m的冰上模拟比赛。测试场地为标准的速度滑冰场地。2 名速度滑冰裁判员分别负责发令与计时。裁判员发令枪响后运动员自选配速策略以最短的时间到达终点。为了激励受试者积极参与比赛,选取成绩相近的2 名受试者同时进行测试。受试者在10 min 自选强度的冰上热身后佩戴便携式气体代谢仪(K4b2,Cosmed,Italy)和心率带(Polar,N2965,Finland)。采集受试者模拟比赛全程摄氧量和心率数据。测试当天按照仪器使用要求进行气压、气体浓度和气体量的校准(标准气体中O2浓度为15.00%,CO2浓度为5.00%,其余N2补充;校准气筒容积为3 L)。选取测试结束前15 s 的摄氧量和心率的平均值为受试者的峰值摄氧量和峰值心率。受试者在冲过终点后随惯性继续滑行200 m 抵达血乳酸采集点。采集受试者测试结束后静坐期间的摄氧量。采集测试准备活动前后、测试开始前、测试结束后第1、3、5、7、10 min 的耳血各10 μl,运用血乳酸分析仪(BiosenC_Line,EKF,Germany)对血乳酸进行分析。

1.3 能量供应计算方法

运用基于运动中高于安静值的累积摄氧量、运动中的累积血乳酸,以及运动后摄氧量动力学的快速部分的方法对速度滑冰模拟比赛的能量供应进行计算[15-16]。其中磷酸原供能量=运动后摄氧量动力学的快速部分(ml)×能量当量(J/ml),糖酵解供能量=累积血乳酸(mM)×氧气-乳酸换算系数(ml/mM/kg)×体重(kg)×能量当量(J/ml),有氧供能量=净累积摄氧量(ml)×能量当量(J/ml)。无氧供能量=磷酸原供能量+糖酵解供能量,总供能量=有氧供能量+无氧供能量。磷酸原供能比例、糖酵解供能比例、有氧供能比例分别等于各自供能量除以总供应量得到供能比例。当呼吸商>1.0 时,能量当量为1 ml 氧气所产生的热量21.13 J[17]。氧气-乳酸换算系数为3.00 ml/mM/kg[18]。本研究统一选取4.50 ml/min/kg(男)和4.00 ml/min/kg(女)的安静摄氧量。

1.4 统计方法

速度滑冰500 m、1 000 m和1 500 m模拟比赛的耗时、心率、摄氧量、血乳酸和能量供应数据均通过平均值± 标准差(mean±SD)的形式呈现。采用非参数Kruskal-Wallis 单因素方差分析法对速度滑冰不同距离模拟比赛的结果进行统计检验。选取P<0.05 为显著水平。

2 研究结果

速度滑冰500 m、1 000 m和1 500 m模拟比赛的持续时间、达到运动员上赛季最佳成绩的比例见表2所示。不同比赛距离之间模拟比赛的峰值心率、峰值摄氧量和峰值血乳酸均不存在显著差异(P>0.05)(表2)。

表2 速度滑冰模拟比赛的生理学与能量供应量(±s)Table 2 Performance and physiological responses of simulated speed skating races (±s)

表2 速度滑冰模拟比赛的生理学与能量供应量(±s)Table 2 Performance and physiological responses of simulated speed skating races (±s)

项目(N) 耗时/s 相对最佳/% 峰值心率/bmp 峰值摄氧量/ml/min/kg 峰值血乳酸/mM 500 m(9) 42.20 ±2.17 92.40 ±1.64 178.82 ±7.21 40.97 ±5.58 12.29 ±1.65 1 000 m(7) 89.39 ±6.19 91.04 ±2.54 174.96 ±6.26 37.02 ±3.35 12.67 ±1.77 1 500 m(6) 135.67 ±11.13 90.58 ±1.94 179.25 ±10.98 42.74±6.55 13.34 ±2.61

图1所示为速度滑冰模拟比赛的能量供应。结果表明,不同比赛距离的磷酸原(31.32 ±8.23kJ～36.65 ±5.46 kJ)和糖酵解(37.99 ±12.97kJ～45.71 ±11.92 kJ)供能量无显著差异(P>0.05),但更长的比赛距离对应的有氧供能量显著更大(26.27 ±6.10 kJ<55.87 ±7.18kJ<105.73 ±23.68 kJ,P<0.05)。更长的比赛距离对应的磷酸原(32.91% ±5.70%<27.39% ± 4.39%<18.84 ±2.67%)和糖酵解(39.23% ± 5.82%<30.99% ± 6.34%<24.40% ±2.88%)供能比例均更小,有氧供能比例均(27.86% ±4.65%<41.63% ±5.02%<56.76% ±2.14%)更大,但只有500 m 与1 500 m对应的糖酵解与有氧供能比例存在显著差异(P<0.05)。

图1 速度滑冰模拟比赛的能量供应Figure 1 Energy contributions to simulated speed skating races

3 分析与讨论

低坐位姿势造成的血流限制对速度滑冰的能量供应可能存在影响,然而有关速度滑冰冰上模拟比赛的能量供应特征研究非常有限(尤其是500 m 和1 000 m)。本研究旨在探究速度滑冰500 m、1 000 m和1 500 m冰上模拟比赛的能量供应特征,主要研究结果表明,尽管速度滑冰不同比赛距离的峰值心率、峰值摄氧量和峰值血乳酸没有显著差异,但是更长的比赛距离会导致有氧供能量和供能比例的增加。

本研究中500 m、1 000 m和1 500 m模拟比赛的有氧供能比例分别为27.86% ± 4.65%、41.63% ± 5.02% 和56.76% ± 2.14%,明显高 于Monte 报 道的值(500 m 和1 500 m分别为0%和10%)。遗憾的是,在2018年出版的第6 版《周期——运动训练理论与方法》中,Monte 报道的速度滑冰能量供应值仍然被引用[8]。此外,本研究中1 500 m模拟比赛的有氧供能比例高于Van IngenSchenau(46%)等人[2]的研究,略高于de Koning(55%)[10]等人的研究结果,低于Foster(64%)[19]等人的研究,但是值得注意的是本研究受试者的耗时长于de Koning 等人的研究,而更长的比赛时间会增加有氧供能比例,因此本研究中1 500 m的供能比例与de Koning 等人的研究较为一致。这似乎表明利用能量平衡模型得到的有氧供能比例与实验法较为接近。与同样使用实验法的Hermsdorf 等人的研究相比,本研究中1 500 m模拟比赛的有氧供能比例偏低(56.76% vs.65.20%)[11]。值得注意的是,本研究中1 500 m的耗时(135.67 vs.138.10 s)、相对成绩(90.58% vs.94.60%)和受试者年龄(18.2 vs.18.3 yrs)均相似,但是1 500 m比赛中的峰值心率(179.25 vs.188.00 bpm)和摄氧量(42.74 vs.53.10 ml/min/kg)均低于Hermsdorf 等人的研究,同时本研究也有着更高的血乳酸(13.34 vs.12.00 mM)。因此,本研究中较低的有氧供能比例可能是由于受试者的有氧供能系统动员不足造成的。较低的有氧供能系统动员一方面可能是由于测试处于赛季初期,冰上训练不足导致运动员滑冰时的有氧供能系统动员不足,但更有可能是由于受试者的有氧训练不足导致的,对本研究中受试者的教练员访谈也表明,乳酸阈强度的训练占据较大比重。Yu 等人对中国速度滑冰国家队的研究表明,短距离项目运动员采用两极化的训练模式后成绩较上一赛季的乳酸阈训练模式有了显著的提升[20]。Orie 等人对荷兰奥运会速度滑冰运动员的研究也表明,在过去的30 多年里运动员的训练负荷模式逐渐从乳酸阈转变为两极化[21]。在两极化训练模式中,大量低强度的训练可以使受试者产生更好外周适应,从而提高有氧耐力[22]。而一直以来中国速度滑冰很难在1 500 m及以上距离取得突破,在中长距离甚至短距离比赛中普遍存在后程降速的问题,这都说明中国速度滑冰运动员的有氧能力有待进一步提升[13,23-24]。

尽管有研究认为全力运动的能量供应比例与运动方式无关[25],而该结论是基于自行车、跑步、皮划艇和游泳等项目的研究结果,但是低坐位滑冰姿势的血流限制可能会增加无氧供能比例。本研究中500 m、1 000 m和1 500 m模拟比赛的耗时分别为42.20 ±2.17 s (0.70 min)、89.39 ±6.19 s(1.50 min)和135.67 ±11.13 s (2.27 min),有氧供能比例分比为27.86% ± 4.63%、41.63% ± 5.02% 和56.76% ±2.14%。有氧供能比例小于45 s 和90 s 全力骑功率自行车(38%、58%)[26],48 s 和126 s 全力游泳(41%、63%)[27-28],也小于40 s 和135 s 全力滑皮划艇功率计(31.30%、60.40%)[29-31]和126 s 全力跑步(64.40%)的有氧供能比例。将本研究的结果带入黎涌明等人全力运动能量供应比例推算公式[y=22.40*Ln(x)+45.18,y 为有氧供能比例(%),x 为全力运动持续时间,公式来自多种运动方式的数据[15],得到的有氧供能比例分别为37.27%、54.10%和63.38%,均高于本研究得到的有氧供能比例,而采用相同方法的Hermsdorf 等人1 500 m 模拟比赛的有氧供能比例与推算值却较为接近(65.20%vs.63.38%)[11]。因此,造成本研究有氧供能比例偏低可能是由于受试者的有氧能力较差导致的,这也在本研究与其他相似持续时间的全力运动相比有着更低的摄氧量得以表现[32-33]。同时该现象是否适用于其他速度滑冰运动员还有待进一步验证。

本研究中受试者冲过终点后无法在短距离内(如跑步)停止,而是需要在惯性的作用下继续滑行至200 m(～30 s)后减速停止。这可能会增加结束后摄氧量动力学的快速部分的摄氧量,从而增加磷酸原的供能量。本研究中1 500 m的磷酸原供能量为34.37 ±5.64 kJ,高于2 min 皮划艇测功仪全力滑(32.90 kJ)[34]和2.1 min 全力游泳(31.50 kJ)[35]的磷酸原供能量。而本研究中较低的摄氧量本身就会导致较小的摄氧量动力学快速部分。因此,本研究测试方法的局限性可能导致对磷酸原供能比例的高估,从而导致有氧供能比例的偏低。

有研究认为滑冰姿势特有的血流限制会增加运动员对无氧供能的募集,这可能会影响速度滑冰的能量供应特征[3]。糖酵解供能参与的增加可以表现在运动员全力运动结束后更高的血乳酸。本研究中速度滑冰运动员的峰值血乳酸为12.29 ±1.65～13.34 ±2.61 mM,这与Hermsdorf 等人对速度滑冰1 500 m模拟比赛的血乳酸峰值血乳酸12.00 mM 类似[11]。对比其他类型的全力运动,本研究受试者的血乳酸低于Hill 等人对田径运动员800 m 跑男性18.10 mM,女性14.10 mM[36],略高于Capelli 等人对游泳运动员2.13 min 全力游的11.90 mM[35]和黎涌明等人对女子皮划艇2 min 测功仪全力划的血乳酸11.30 mM[34]。此外,Kindmann 等人对跑步和速度滑冰赛后血乳酸的研究表明,在相同耗时的比赛中,除速度滑冰在5 000 m和10 000 m赛后有着更高的血乳酸,其他距离比赛的血乳酸均低于相同比赛时间的跑步[37]。这似乎表明在本研究的速度滑冰1 500 m比赛中糖酵解供能的动员和其他全力运动方式之间的差异并不大。

本研究存在一些不足之处。首先,本研究的样本量只有16 名运动员(8 名男性和8 名女性),且模拟比赛每个距离的受试者数量均不相同,但本研究已最大程度地招募青年高水平的受试者。其次,本研究招募的大多是青年运动员,尽管受试者运动水平都高于或等于一级,但其运动水平仍处于国内一般水平,较低的运动水平可能导致本研究的有氧供能比例偏低。但这一现象的发现可能对受试者未来的训练具有启示作用,即受试者未来运动能力的进一步提升可能需要更多地发展有氧供能能力[38]。

4 结论

速度滑冰500 m、1 000 m和1 500 m的能量供应特征不同,更长的比赛距离对应的磷酸原和糖酵解供能比例更小,有氧供能比例更高。早期的研究低估了速度滑冰的有氧供能比例,有氧供能在速度滑冰不同比赛距离中均起到了非常重要的作用。本研究中速度滑冰的有氧供能比例似乎低于其他全力形式的运动,也低于国外同年龄组水平的运动员,这表明运动方式和运动水平可能都会影响有能量供应比例,建议我国青年速度滑冰运动员进一步通过加强有氧能力来提高比赛成绩。