自重HIT对高校大学生心肺适能及有氧运动能力的研究

朱士玉，高 冰，周红伟，冯祎中，钟海波

（1.浙江农林大学 体育军训部，浙江 杭州311300；2.湖北省体育科学研究所，湖北 武汉430205；3.山东体育学院 竞技体育与体育教育学院，山东 济南250102）

有氧运动能力是机体维持体力活动的基础，同时，也反映着人体的心肺适能和耐力情况［1］，心肺耐力（cardio respiratory fitness，CRF）是体质健康的核心要素［2］，与心血管疾病死亡率、全因死亡率及多种癌症有重要关联［3］。有研究发现，高强度间歇训练（high-intensity interval training，HIT）有助于心肺适能及有氧运动能力的提高［4］，HIT是多次运动强度为≥无氧阈或最大乳酸稳态的运动，并且运动之间间隔一段恢复期的训练方法［5］，其运动强度通常为≥80%HRmax［6］，且间歇训练者在训练中不需恢复至静息状态［7］。当前，国内学者研究主要集中在专业运动员、肥胖/超重人群、老年人或慢性病群体［5，7-9］，而对普通大学生鲜有研究，我国大学生的有氧运动能力普遍偏低，严重影响学生的体质健康［10］，提高大学生的有氧运动能力，改善学生的体质健康是我国学校体育工作者迫在眉睫需要解决的问题。因此，本文以高校大学生为研究对象，采用自重HIT运动干预法，研究HIT对其身体的心肺适能和有氧运动机能的影响，探讨大学生有氧运动能力的提升方法。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

募集浙江农林大学60名（男女各30名）在校大学生。所有受试者均满足以下标准：1）18～22岁在校大学生；2）平时无规律运动训练至少2个月以上；3）近1个月无患感染性疾病；4）无高血压、心脏病及糖尿病等慢性疾病；5）无家族性遗传病史；6）无肢体疾病；7）可完成一次极量运动试验。

实验开始前按照《国家学生体质健康标准》要求和实验需要，首先对所有学生的有氧运动能力指标进行测试，测试内容包括：肺活量、静息心率、最大摄氧量（VO2max）、男子1 000m和女子800m，并测量受试者的年龄、身高和体重。根据测试结果将60名受试者分成3组，每组20人，分别为：对照组（CK，Cotrol Check）、中等强度持续训练组（MCT，Moderate-intensity Continuous Training）和高强度间歇训练组（HIT，High-interval Interval Training）。3组供试对象的男女比例、年级分布、年龄、身高、体重以及有氧运动能力指标组间无显著差异（详见表1）。实验正式开始前，所有受试者充分了解实验风险及义务，并签订知情同意书。

表1 实验分组情况表

1.2 实验设计

为确保试验结果的可控性及准确性，所有受试者均来自同一体育老师班级，以保证平时教学内容及运动量相同，与此同时，严格监控受试者的课外运动情况，以防其它干扰因素的影响。3组受试者分别在干预前（Pre）和干预后（Post）进行实验测试，每次测试包含4个项目，分别为：1）肺活量；2）安静心率；3）最大摄氧量（VO2max）；4）男子1 000m/女子800m。全部试验结束后，统计并分析实验前后数据，并最终得到实验结论。

实验各处理均控制为16周，CK组仅在课间进行正常体育活动，课外无任何体育活动，MCT组和HIT组除正常体育课外，另需每周进行2次，每次30min的课外体育锻炼，训练时间均为每周二、周五19:00～20:00。两组在每次正式实验开始前集体进行10min的基础热身，热身结束后分别进行不同科目的训练活动。MCT组同学在田径场进行2km中等强度持续跑，强度控制在60%～65%HRmax（表2）。HIT组同学则进行2组自重HIT训练，每组持续时间3～4min，组间间歇5min，每组的运动强度控制在80%～90%HRmax［11-12］（表3），实验中的运动强度采用最大心率百分比法来监控受试者的运动强度负荷，此种方法已被芬兰学者Karvone验证具有较高的准确性［13］。在试验期间，MCT组和HIT组受试者全部佩戴团队心率监控仪，随时监测学生在运动中的心率情况，以便控制运动强度。

表2 MCT训练计划表

表3 自重HIT训练计划表

1.3 指标测定

1）有氧运动指标测定

有氧运动指标包含肺活量、心率和最大摄氧量测试。肺活量测试用TZCS-3型电子肺活量测试仪测量，每位受试者进行3次重复测试，取最高值作为最终成绩；心率测量与监控均采用Polar心率团队监测仪（Polar Team Pro）监控学生的心率情况；最大摄氧量（VO2max）采用YO-YO跑耐力等级测试（Team Bleep Text）测量其数值。

2）有氧运动能力评估

男子1 000m/女子800m采用人工秒表测试，成绩精确到1s，测试方法严格按照学生体质健康标准的要求进行，测试人员为田径项目国家一级以上裁判员，且计时者为同一人，保证测试数据的公正性。

1.4 数理统计

本研究所获数据均采用平均值±标准差（M±SD）表示，采用SPSS 24.0进行统计分析。训练前后的组内比较采用配对样本t检验，训练前后的组间比较采用单因素方差分析（Oneway ANOVA），同时本研究还进行了混合设计方差分析，p＜0.05具有显著性差异。

2 研究结果

2.1 心肺功能指标

重复测试方差分析表明，16周训练后各组肺活量均有所提高，且各组间效应显著（p＜0.05）。各组训练前（Pre）和训练后（Post）肺活量比较如表4所示。CK组肺活量训练前后无明显变化。与之相反，对于MCT和HIT组而言，训练后肺活量指标较训练前显著提高，其中HIT组和增加了20.2%，MCT组7.7%，表明HIT训练在大学生肺活量提升方面显著优于MCT训练。

除肺活量外，本研究同时监测了训练前后静息心率和最大摄氧量（VO2max）等指标的变化（表4）。组间分析表明，对于静息心率和VO2max相关指标，虽然MCT和HIT组训练后Post值明显低于CK组，但各组间并无显著差异（p＞0.05，表4）。组内分析表明，除CK组外，MCT和HIT组训练后每分钟的静息心率分别较训练前降低了2次和5次，两组VO2max较训练前分别提高了3.7%和9.9%。训练前后两组各指标虽有明显变化，但仅HIT组具有统计学意义（p＜0.05，表4）。

与此同时，本研究分别对CK，MCT和HIT组大学生各项心肺功能指标的前后测结果进行了2（前后测）×3（组别）×2（性别）的混合设计方差分析（表5～7），检验16周不同训练强度对在校大学生的肺活量、静息心率和VO2max的影响。肺活量和静息心率的方差分析结果分别如表5和表6所示，前后测的主效应和前后测与组别交互作用、组别、性别的主效应以及二者的交互作用显著、前后测与性别的交互作用、前后测与组别的交互作用以及3因素的交互作用均不显著。针对肺活量指标，对前后测与组别的交互作用均进行了简单效应分析，结果表明，CK组训练前后测得的肺活量指标无显著性差异，其均差值为20，p=0.334；MCT和HIT组训练前后测得值之间差异均呈现显著，均差值分别为302.30和779.45，p值均为0.000。上述结果表明，16周的MCT和HIT训练均能显著提高在校大学生的肺活量，且结合不同处理间训练后Post值可知（表5），与MCT相比，HIT训练在提高大学生肺活量方面更具成效。

表5 16周控制实验对高校大学生肺活量影响的方差分析结果

为综合评价不同训练对在校大学生静息心率的影响，本研究将性别、组别和前后测定时期3个因素引入进行分析。方差分析结果如表6所示，前后测的主效应以及与组别的交互作用、组别、性别的主效应以及二者的交互作用均显著，前后测与组别以及前后测与性别和组别3者的交互作用不显著。对前后测与组别的交互作用进行了简单效应分析，其结果显示，CK和MCT组前后测得的静息心率之间的差异不显著，其均差值分别为0.421和1.950，p分别为0.721和0.100；HIT组训练前后静息心率结果之间的差异显著，均差值为4.650，p=0.000，表明16周的HIT训练可显著提高在校大学生的静息心率。

表6 16周控制实验对高校大学生静息心率影响的方差分析结果

除肺活量和静息心率外，本研究还选取了VO2max作为表征心肺适能的指标之一，同时也对CK、MCT和HIT组VO2max的前后测结果进行了混合设计方差分析（2（前后测）×3（组别）×2（性别），表7），其结果表明，前后测的主效应、前后测分别与组别和性别的交互作用以及3者间的交互作用、组别和性别的主效应均显著。对前后测、组别和性别的3因素交互作用进行简单效应检验，其结果显示，CK和MCT组男女前后测的VO2max结果之间差异不显著（CK和MCT组男女前后测均值差分 别 为0.570、0.054、0.264和0.360，p值 分 别 为0.252和0.913、0.594和0.468），仅HIT组在VO2max上的前后测结果之间的差异显著（均差值和p值分别为0.495、0.495、0.006和0.005），且不受性别影响。上述结果表明，16周的HIT训练能够显著提高VO2max，MCT训练效果不显著（p＞0.05），且与CK组无显著性差异（表4）。

表4 供试对象16周训练前后心肺功能指标测试数据对比（n=60）

表7 16周控制实验对高校大学生VO2max影响的方差分析结果

2.2 有氧运动成绩

为期16周训练中各组有氧运动成绩变化如表8所示，其中仅HIT组训练前后的有氧运动成绩呈现显著差异（p＜0.05）。由表8可知，CK组训练前后，男子1 000m和女子800m成绩均无明显变化，但对于MCT组而言，16周训练后，男子1 000m和女子800m的运动成绩分别提高了10s和14s，但尚不具统计学意义（p＞0.05）。HIT组男子1 000m和女子800m的运动成绩分别由训练前的232s和231s提高至训练后的209s和207s，相较于同阶段MCT和CK组男子1 000m提高了12s和21s，女子800m分别提高了10s和21s，表明HIT训练在提高大学生有氧运动成绩方面效果最佳。

表8 各处理训练前后有氧运动成绩变化

对CK、MCT和HIT组在校大学生男子1 000m/女子800m的前后测试结果进行了2（前后测）×2（组别）的多元方差分析，检验16周MCT和HIT训练对有氧运动成绩的影响如表9所示，男子1 000m的前后测的主效应以及前后测与组别之间的交互作用以及女子800m的前后测主效应以及前后测与组别之间的交互作用均显著。对前后测与组别的交互作用进行简单效应分析，结果显示，CK和MCT组男子1 000m前后测结果之间不显著，其均差值分别为1.400和1.000，p值分别为0.699和0.783；HIT组男子1 000m前后测结果之间的差异显著，其均差值为9.900，p=0.008；女子800m的多元方差分析结果显示，CK和MCT组女子800m前后测结果之间的差异不显著，其均差值分别为1.000和2.000，p值分别为0.728和0.478；HIT组男子1 000m前后测结果之间的差异显著，其均差值为24.000，p=0.000。上述结果表明，16周的HIT训练可显著提高男子1 000m和800m运动成绩。

表9 16周控制实验对高校大学生有氧运动成绩影响的方差分析结果

3 分析与讨论

3.1 HIT训练对心肺适能的影响

心肺适能是指人体的心脏、肺脏、血管以及血液等组织的功能［14］，通常以肺活量、心率及VO2max等指标来表征。本研究对比研究了HIT和MCT训练方式对在18~22岁在校大学生心肺适能的影响，研究结果表明，MCT和HIT训练对反映心肺适能的各指标均有提升作用，尽管研究的部分结果不具显著的统计学意义，但在心肺适能各指标的对比统计中显示，MCT和HIT组的测试结果较训练前均有不同程度的提升，且HIT组对大学生心肺适能各指标的提升效果明显优于MCT组，我们推测这可能归功于骨骼肌和心血管系统有氧代谢能力或氧利用率的增加。有研究指出，相对于中低强度运动来说，高强度运动能够通过射血量的增加，从而促进工作肌氧气传送率的提高［15］。Wisløff［12］等研究证实，90% VO2maxHIT组（46%）对心肺适能的提升显著优于70% VO2maxMCT组（14%），同时发现HIT组左心室的射血分数和肱动脉血液介导的血管内皮功能均有较大幅度改善，而MCT组则无明显变化，因此，他们推测HIT对心肺适能的提升可能与左心室重塑的逆转及血管内皮功能的提升有关。

解释HIT训练对VO2max提升效果优于MCT组的另一个可能机制是外周适应的变化，如肌肉氧化能力和线粒体数量及合成的增加等［16］。已有研究证实，HIT训练对肌肉氧化能力的效果优于MCT，HIT训练通过改善脂肪氧化能力，增强骨骼肌中柠檬酸合成酶的活性，进而提高骨骼肌对糖脂物质的氧化效率［17］。骨骼肌糖代谢能力的增强，能够增加葡萄糖运载体GLUT-4含量，从而促进机体葡萄糖氧化能力的提升。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助活化因子1α（PGC-1α）是线粒体相关基因的转录辅激活因子，调控线粒体的合成及功能，在机体调节氧化代谢和能量代谢方面发挥着极其重要的作用［18］。Gibala［18］研究发现，HIT训练能够激活PGC-1α转录因子，提高线粒体基因的表达水平，增加线粒体合成，最终实现有氧代谢能力的增强。综上可知，HIT训练能够促进机体利用氧气的能力，提高VO2max，改善心肺适能。

3.2 HIT训练对有氧运动能力的影响

本研究结果发现，HIT与MCT组对于普通高校大学生有氧运动能力均呈现不同程度的提高，且HIT组的提升效果明显优于MCT组。这与以往研究结果相一致，即运动训练的效果与运动强度和总量成正相关关系，运动强度越高，运动耐量的增值越显著［19］。目前大量研究已证实，与MCT相比，HIT在提高有氧运动能力方面更具成效［20-21］。HIT训练能够促进氧化能系统主要归功于两方面原因：其一，HIT之所以能够多次重复运动取决于间歇期间的氧化能，在间歇期间机体可通过对氧气摄取产生氧化能，同时补充训练过程中高能磷酸化合物的消耗，使其机体在间歇期内快速恢复［22-23］；再者，HIT间歇期间能够补充运动期内的氧耗，完成对骨骼肌和血液进行氧气的储备［24］，为下一运动环节有氧供能的产生奠定基础。因此，HIT较MCT在提高有氧供能能力方面效果更具优势。

以往研究报道，HIT训练在改善机体有氧运动能力的机制较为复杂，机体的适应性变化涉及多个生命系统，如骨骼肌、心血管、呼吸以及神经系统等。Parra等［25］研究发现，为期2周的HIT训练能够增强骨骼肌功能，促进线粒体生物合成，增加线粒体内柠檬酸合成酶及细胞色素C氧化酶的数量及活性［25-26］，同时增加肌糖原和骨骼肌GLUT-4含量，进而实现机体运动耐量的增强［27-28］。除此之外，马继正等［29］研究发现，HIT训练在提升心血管系统功能同样发挥着重要作用，比如HIT训练可通过提高心脏的收缩和舒张功能，实现对每搏量的提高，具体表现为心肌收缩和舒张速率的提升。

4 结论与展望

1）16周的HIT和MCT训练均能改善大学生心肺适能，且HIT对大学生肺活量及VO2max指标的提升效果尤为显著；

2）HIT和MCT训练对有氧运动成绩表现出不同程度的提升效果，但在提高大学生男子1 000m和女子800m成绩方面，HIT组显著优于MCT组。

HIT是一种耗时短、效率高的训练方式，因其多样的动作形式和欢快的运动节奏极易被当代大学生群体所接受，并对大学生的心肺功能和有氧运动能力的提高有较好的促进作用。HIT已在竞技体育和大众健身中广泛应用，其安全性也得到了大样本实验和Meta分析的证实，因此，应广泛引入到高校体育课程中，成为课上体育教学和课外锻炼的重要方式，进而改善学生的有氧运动能力，提高学生体质健康。