递增负荷运动对不同海拔高原人群通气量与心率变化的影响*

张宇娇，石 彤，李 婷，党相琛，陆俊宇，陈学伟△，马 强△

（1.天津体育学院社会体育与健康科学学院，天津 301617；2.军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所，天津 300050）

高原低压低氧环境会对身体机能产生不良影响［1，2］，军人在高原地区进行与平原相当的体力劳动时，劳动强度及负荷强度会较平原加大［3，4］。目前，我军只有适用于平原的军事体力劳动强度分级标准（军事体力劳动强度分级GJB 1336-92）［5］，没有适用于高原的军事体力劳动强度标准，导致高原军人在从事体力劳动时，对劳动强度评价无标准可依。为此，研究建立高原军事体力劳动强度分级标准是现实的需求，非常必要。

通气量与心率是评价体力劳动强度分级的常用指标，该二指标在平原递增负荷运动中呈递增变化特征，负荷越高通气量和心率越高，且无上限值，已被列入国军标军事体力劳动强度分级（GJB 1336-92）的评价指标。我们设想，通气量和心率在高原环境下也可能成为体力劳动强度的评价指标。截止目前，有关通气量与心率在高原环境下递增负荷运动中变化特征的资料较少，为此，我们通过运动人体试验，分析不同海拔高原递增负荷运动中通气量与心率的变化特征，以此探讨其作为高原体力劳动强度分级评价指标的可行性；同时，进一步探讨在高原体力劳动中肺功能和心功能的作用。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择3 000 m（林芝）、3 700 m（拉萨）和4 300 m（当雄）三个不同海拔高原驻地的共88名男性青年军人作为研究的受试者，其中，3 000 m 30人，3 700 m 30人，4 300 m 28人。所有受试者均在高原驻地驻守1年以上，达到完全习服程度，且受试者身心健康，无训练伤病，受试前均签署知情同意书并按要求开展测试。测试时间在夏季。三个不同海拔军人年龄、体重均无显著性差异。其基本情况如表1所示。

Tab.1 The basic information of subjects（±s）

Tab.1 The basic information of subjects（±s）

Altitudes（m） Number Age（y） Weight（kg）3 000 30 21.7±1.4 63.7±7.3 3 700 30 21.2±1.7 61.8±5.6 4 300 28 21.6±1.7 61.7±7.5

1.2 研究方法

采用功率自行车（德国ergoline 100P）进行递增负荷运动试验，受试者在功率自行车上，运动负荷从30 W开始，以60 r/min的速度连续踏车，每5 min增加30 W至下一负荷，直至受试者不能继续坚持为止。测试指标包括：通气量和心率。试验过程中受试者全程佩戴呼吸面罩和心率表，运动时的通气量采用COSMEDK5运动肺功能仪（意大利Cosmed公司）、心率用Polar V800心率表进行实时监测，并计算每一级各指标的平均值。

1.3 统计学处理

2 结果

2.1 不同海拔递增负荷运动完成情况

不同海拔递增负荷运动完成情况如下表2所示。所有受试者都能完成120 W负荷的运动，之后随着运动负荷的不断递增，不同海拔的相同运动负荷的完成人数出现明显差异，且海拔越高，能承受的运动负荷越低。其中，在海拔3 000 m，15人能完成210 W的运动负荷，占总人数的50%；在海拔3 700 m和4 300 m，仅有5人和2人能完成210 W的运动负荷，占总人数的16.7%和7%。因此，不同海拔的通气量和心率的递增负荷运动只统计到180 W。

Tab.2 The number of people completed the incremental exercise at different altitudes

2.2 相同海拔递增负荷运动通气量和心率变化情况

不同海拔递增负荷运动通气量和心率变化特征如表3、表4所示。同一海拔，随着运动负荷梯度的增加，受试者的通气量和心率也会逐渐增加，且运动负荷越大，通气量和心率越高。在30～180 W运动负荷区间，3 000 m，3 700 m和4 300 m三个不同海拔，随着负荷梯次增高，通气量和心率也都梯次增高，并且后一负荷的通气量和心率明显高于前一负荷（P＜0.05）；以180 W作为最高负荷，该负荷的通气量和心率明显高于之前任何负荷的数值（P＜0.05），且各级负荷间心率的增幅相似，而通气量增幅逐渐增大。进一步提示，在递增负荷运动中，通气量和心率没有上限值。

2.3 不同海拔相同负荷运动通气量和心率变化情况

从总体来看，同一负荷，海拔越高，受试者的通气量和心率也越高。在30～180 W运动负荷区间，同一负荷下，3 700 m的通气量和心率数值上高于3 000 m，但无显著差异（P＞0.05），而4 300 m的通气量和心率则显著高于3 000 m和3 700 m（P＜0.05）。

Tab.3 Changes of heart rates during incremental exercise at different altitudes（beat/min，±s）

Tab.3 Changes of heart rates during incremental exercise at different altitudes（beat/min，±s）

*P＜0.05 vs different load at the same altitude；#P＜0.05 vs 3 000 m；△P＜0.05 vs 3 700 m

Exercise load（W）3 000 m（n=30）3 700 m（n=30）4 300 m（n=28）30 97.9±13.1*97.1±9.6*104.1±9.1*#△60 105.7±13.0*107.2±9.9*115.9±10.0*#△90 121.2±14.8*124.7±10.8*132.3±10.6*#△120 138.1±13.0*139.8±12.8*146.3±10.9*#△150 154.6±13.0*154.7±13.5*161.3±9.7*#△180 167.1±11.3*167.4±12.0*172.2±12.0*#△

Exercise load

（W）3 000 m（n=30）3 700 m（n=30）4 300 m（n=28）

Tab.4 Changes of ventilation during incremental exercise at different altitudes（L/min，±s）

Tab.4 Changes of ventilation during incremental exercise at different altitudes（L/min，±s）

*P＜0.05 vs different load at the same altitude；#P＜0.05 vs 3 000 m；△P＜0.05 vs3 700 m

30 25.14±4.28*28.73±5.57*30.89±5.96*#△60 31.47±6.01*35.75±4.49*40.19±9.05*#△90 42.91±6.86*48.94±7.32*56.32±13.24*#△120 56.45±7.73*62.33±10.63*72.56±17.20*#△150 73.99±11.62*79.36±16.17*95.92±18.79*#△180 92.87±16.79*96.22±18.38*118.85±15.20*#△

3 讨论

本文研究发现，在高原同一海拔的通气量和心率随运动负荷的增加而增加，具有显著性差异，且无上限值（平台期）出现，表明高原低氧情况下，通气量与心率可用差异明显的数值表示不同程度的劳动负荷，两项指标的表现与在平原相同，可作为相同海拔下高原劳动强度分级的评价指标。对于不同海拔相同运动负荷下的通气量及心率，低海拔3 000 m和3 700 m无明显差异，但两者均与高海拔4 300 m有明显差异，且海拔越高，通气量及心率也越高；结果显示，通气量和心率尽管在不同低海拔间不能明显区分相同负荷下劳动强度，但对于低海拔与高海拔间，可明显区分相同负荷下劳动强度。

低氧环境主要通过影响心肺功能降低劳动能力。高原体力劳动时，机体对氧摄取量的增加是通过心输出量和肺通气量的增加来实现的。研究表明，每搏输出量随着进驻高原时间的推移而下降［6］，但机体通过调节交感神经和副交感神经、下调β肾上腺素受体的敏感性、改变Gs蛋白与腺苷酸环化酶的耦合反应等［7-9］调节最大心率，进而维持心输出量的稳定。且持续低氧会上调缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-lα），促进血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表达［10］，使肺部血管重塑，肺动脉平滑肌增厚。进而为机体提供更多的氧气，提高肺总体通气能力［11］。因此，与高原应激相比，机体通过不断的低氧刺激，提高其心肺功能对低氧环境的适应［12］。

在平原最大运动时，心输出量可达到静息状态下的6倍，肺通气的最大值可达到静息时的20倍。所以相对于循环系统来说，呼吸系统具有较大的储备能力。而对于高原来说，本研究分析与平原类似：据此得出，限制劳动能力的因素可能不是呼吸系统，而是与心功能密切相关的循环系统。本研究结果与以往研究对比分析发现，与平原相比，180 W负荷下，三个海拔的通气量（92.87±16.79）、（96.22±18.38）、（118.85±15.2）L/min均远大于平原相同强度的（65.58±11.13）L/min［13］，而三个海拔的心率（167.1±11.3）、（167.4±12.0）、（172.2±12.0）beats/min则与平原（167.3±12.3）beats/min相差不大［14］。平原军事体力劳动强度分级GJB 1336-92显示，肺通气量＞60 L/min，心率＞169 beats/min，为极重劳动强度，由表3、表4可以看出在最高海拔最大运动强度下的通气量（118.85±15.2）L/min远远大于60 L/min，而心率（172.2±12.0）beats/min则稍高于169 beats/min，表明高强度负荷下，代表肺功能的通气量可远超平原相同强度，而代表心功能的心率则与平原相同强度相差不大。由此提示，高原低氧环境下从事高强度体力劳动时，与心功能相比，肺功能发挥功能的潜力更大，肺功能可能不是高原劳动能力的限制因素，心功能是限制因素。

综上所述，针对高原军事体力劳动强度分级标准评价指标的选择，本文采用先进设备，对近90名军人进行递增负荷运动测试，检测了通气量和心率两个指标，通过分析三个海拔高原习服军人递增负荷运动中的通气量和心率的变化特征，发现不同海拔递增负荷运动中完成最大负荷的人数差异显著，随着海拔（高与低）和负荷的增加，通气量与心率也显著增加，证明通气量和心率作为高原体力劳动强度分级评价指标的可能性，并进一步发现在高原体力劳动中，肺功能可能不是影响大强度劳动输出的限制因素，而心功能可能是限制因素。研究结果可为高原地区体力劳动的开展提供科学指导，为下一步制定高原军事体力劳动强度分级标准提供实验依据。