不同速度滑冰项目的能量供应特征研究

张马森 ，马沐佳，刘卉

（1.西北工业大学 体育部，陕西 西安 710072；2.北京体育大学 运动人体科学学院，北京 100084；3.北京体育大学 中国运动与健康研究院，北京 100084）

速度滑冰是冰上项目中历史最悠久、开展最广泛的项目，也是冬奥会产生金牌数目最多的分项。随着速度滑冰世界纪录的不断刷新，运动员正在逼近滑冰速度的极限，其中装备改进对成绩提高的贡献约为50%，剩余50%主要来自运动员自身能力的提高（蔡旭旦 等，2020；李博等，2021a； 魏惠琳 等，2019）。作为一项体能主导类项目，速度滑冰对运动员的能量供应有着非常高的要求。速度滑冰单人项目按照比赛距离分为短距离项目（500 m、1 000 m）、中距离项目（1 500 m）和长距离项目（3 000 m、5 000 m、10 000 m），不同项目的运动强度、持续时间不同，运动员的能量供应特征也不同，而能量供应特征是认识专项特征和制定训练计划的重要依据（黎涌明 等，2017；Konings et al.，2015）。针对跑、骑、游、划等运动项目能量供应特征的实测研究，促进了人们对这些项目专项特征的认识，并在一定程度上使得训练计划得到优化和运动成绩得到提升（黎涌明 等，2014，2017）。一般认为，短距离速滑运动员以无氧供能为主，要求机体高功率输出；中距离速滑运动员的无氧和有氧供能系统相对均等地协同供能；长距离速滑运动员以有氧供能为主，以恒定的功率输出更容易取得优异成绩（李博 等，2021a；米靖，2012； Konings et al.，2015）。但在当今决胜于毫厘之间的高水平比赛中，不能仅仅依靠简单的定性分类，应进一步量化不同速度滑冰项目的能量供应量和供应比例，以正确认识其专项生理学特征，科学合理地制定训练计划。

目前，对速度滑冰项目能量供应特征的研究非常有限。Astrand 等（1970）研究指出，10 s、1 min、2 min 和4 min大肌肉群参与的全力运动中，有氧供能比例分别为20%、30%、50%和70%。Foster 等（2003）研究速度滑冰运动员蹬踏1 500 m 功率自行车的能量特征，发现有氧供能比例约为48%。De Koning 等（1992）通过建立能量模型，提出速度滑冰500 m、1 500 m 和5 000 m 的有氧供能比例分别为18%、46%和68%。上述观点被运动生理学、运动训练学教材广泛引用（米靖，2012； 朱志强 等，2010； Powers et al.，2014），也是目前速度滑冰国家集训队制定训练计划的主要依据，然而这些结论并不是来自对速度滑冰项目的实测研究。尽管李博等（2021b）采用磷酸-乳酸-氧气法对青年速滑运动员在短、中距离模拟比赛中的供能比例进行研究，但由于受试者竞技水平整体偏低，也未区分男、女运动员，所得结果可能不适用于更高水平运动员，也不能推广到长距离项目。准确了解运动项目的能量供应特征是制定训练计划的基础，因此本研究旨在通过测量速度滑冰运动员在冰上模拟比赛中的能量代谢数据，确定不同速度滑冰项目的能量供应量和比例，为教练员和运动员正确认识速度滑冰项目专项特征和优化训练计划提供依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

招募15 名一级水平以上速度滑冰男运动员作为研究对象［年龄（22.2±2.1）岁，身高（178.3±5.7） cm，体重（72.4±7.3） kg，训练年限（8.3±3.3）年］，所有受试者半年内无伤病，且自愿参加测试。受试者根据自己的运动能力和参赛项目选择2～3 个项目，分别有8、8、12、7 名运动员参加500 m、1 000 m、1 500 m 和5 000 m 的速度滑冰模拟比赛。

1.2 数据采集

受试者在一周内随机进行速度滑冰模拟比赛，每两次测试间隔一天，测试当天保持正常饮食，且进食离测试时间≥2 h，测试期间只进行恢复性训练。根据教练员的建议，为抵消佩戴呼吸面罩对模拟比赛成绩的影响，在500 m、1 000 m、1 500 m、5 000 m 速度滑冰模拟比赛时分别由其他队员领滑0.5、1、1、3 圈。

受试者充分进行陆上热身后，穿着自己的比赛服和冰鞋在冰场进行10 min 的准备活动。期间测试人员按照标准流程对便携式心肺功能测试仪（MetaMax 3B，Cortex Biophysic，莱比锡，德国）进行标准预热、空气校准、流量校准和气体校准。受试者完成准备活动后安静休息5 min，佩戴心率表和与个人脸型贴合的呼吸面罩，并进行漏气检查。测试开始前，受试者先在安静状态下呼吸1 min，待通气水平稳定后开始正式测试。按照比赛规则，受试者做好准备姿势，在听到发令枪响后进行模拟比赛。受试者采用自主节奏策略，并得到教练员的口头鼓励，以尽可能地模拟比赛的真实情况。使用心率表（Polar RS800CX，Finland）监控受试者的心率。使用便携式心肺功能测试仪收集运动员模拟比赛过程中及比赛后6 min 的呼吸气体。模拟比赛前及比赛后1、3、5、7、10 min 采集指尖血10 μL，使用乳酸分析仪（Biosen S-line lab，EKF Diagnostic，巴尔莱本，德国）检测血乳酸浓度。

1.3 数据处理

采用基于三大能源系统的能量供应计算方法（磷酸-乳酸-氧气法）（黎涌明，2013）计算不同速度滑冰项目的能量供应量和比例。该方法根据运动后氧债的快速部分、运动中累计血乳酸和运动中累计摄氧量对磷酸原系统、糖酵解系统和有氧氧化系统的能量供应量进行计算。三大供能系统的能量计算公式为：磷酸原系统供能量=氧债快速部分（mL）×能量当量（J·mL-1）；糖酵解系统供能量=乳酸净增量（mmol·L-1）×O2-乳酸换算系数（mL·kg-1·mmol·L-1）×体重（kg）×能量当量（J·mL-1）；有氧氧化系统供能量=运动摄氧量（mL）×能量当量（J·mL-1）；总能量等于三大供能系统能量供应量的总和。其中，氧债的快速部分为运动后前3 min 的实际摄氧量减去由后3 min的实际摄氧量曲线倒推前3 min 所得到的摄氧量（即快速部分=前3 min 实际摄氧量-前3 min 慢速部分）（黎涌明等，2018）。当呼吸商＞1.0 时，能量当量为1 mL 氧气所产生的热量（21.131 J）（黎涌明 等，2018）。氧气-乳酸换算系数为3.0 mL·mmol/L-1·kg-1。本研究统一选取4.0 mL·min-1·kg-1的安静摄氧量（黎涌明 等，2018）。

1.4 数据分析

采用非参数Kruskal-Wallis 单因素方差分析法对运动员在不同速度滑冰项目的生理学特征、能量供应量和比例进行统计分析，P＜0.05 表示主效应有显著性，P＜0.017表示相邻组间的后继检验有显著性，统计分析使用SPSS 20.0 软件（SPSS，Chicago，IL，USA）完成。

2 结果

滑冰距离对运动员的峰值摄氧量（P＜0.001）、相对峰值摄氧量（P＜0.001）、累计摄氧量（P＜0.001）、峰值血乳酸（P=0.012）影响的主效应显著。后继检验结果显示，峰值摄氧量、相对峰值摄氧量随着滑冰距离的增加逐渐增加，但仅在1 000 m vs 500 m（P=0.002，P＜0.001）时表现出统计学差异。累计摄氧量随着滑冰距离的增加依次增加（P≤0.002）。最大心率随着滑冰距离的增加呈现增加的趋势，但相邻组间差异不显著（P＞0.017）。峰值血乳酸随着滑冰距离的增加呈现先增加后降低的趋势，在1 500 m比赛结束后血乳酸浓度最高，但相邻组间差异不显著（P＞0.017，表1）。

表1 不同速度滑冰项目的生理学特征Table 1 The Physiological Characteristics in Different Speed Skating Races

滑冰距离对总能量绝对值（P＜0.001）、相对值（P＜0.001）影响的主效应显著。后继检验结果显示，总能量绝对值随着滑冰距离的增加依次增加（P＜0.001），总能量相对值随着滑冰距离的增加依次降低（P≤0.002）。滑冰距离对磷酸原系统能量供应量影响不显著，对糖酵解系统（P=0.012）、有氧氧化系统（P＜0.001）能量供应量影响的主效应显著。后继检验结果显示，糖酵解系统能量供应量随着滑冰距离的增加呈现先增加后降低的趋势，但相邻组间差异不显著（P＞0.017），有氧氧化系统能量供应量随着滑冰距离的增加依次增加（P＜0.001）。滑冰距离对三大能源系统能量供应量相对值影响的主效应显著（P＜0.001）。后继检验结果显示，磷酸原系统（P≤0.013）、糖酵解系统（P≤0.001）能量供应量的相对值随着滑冰距离的增加依次降低，有氧氧化系统能量供应量的相对值在500 m 至1 000 m 时显著增加（P=0.002），在之后相邻组间无显著差异（P＞0.017，表2）。

表2 不同速度滑冰项目的能量供应量和比例Table 2 The Energy System Contributions and Proportion in Different Speed Skating Races

滑冰距离对三大能源系统供能比例影响的主效应显著（P≤0.002）。后继检验结果显示，磷酸原系统的供能比例在500 m 至1 000 m 时无明显变化（P=0.030），在之后相邻组间显著降低（P＜0.003），糖酵解系统的供能比例随着滑冰距离的增加依次降低（P≤0.001），有氧氧化系统的供能比例随着滑冰距离的增加依次增加（P＜0.001，表2）。

有氧供能比例与全力滑冰时间的最佳回归方程为y=22.807·ln（x）-58.046，R²=0.992（图1）。根据该方程可得，速度滑冰10 000 m 中（960 s，国家一级运动员成绩标准）有氧供能比例为98.57%，冰上项目无氧、有氧供能主导（y=50）的临界点为114.14 s。

图1 有氧供能比例与全力滑冰时间的关系Figure 1.The Relationship between Relative Aerobic Energy Contributions and Skating Time

3 讨论

速度滑冰属于体能主导类项目，该项目要求运动员既要有较高的无氧能力，又要有较高的有氧能力。不同速度滑冰项目对应的运动强度不同，对运动员的生理学刺激也不尽相同，本研究对速度滑冰运动员在模拟比赛中的能量供应特征进行研究。运动员的峰值摄氧量在短距离项目（500 m、1 000 m）比赛间表现出统计学差异，而在中距离（1 500 m）、长距离（3 000 m、5 000 m、10 000 m）比赛间未表现出统计学差异，提示运动员在全力运动时逐渐克服生理惰性，在1～2 min 后即可激发有氧代谢潜能，以维持高速滑行。Hettinga 等（2009）对自行车运动员不同距离全力骑行的摄氧动力学研究也表明，全力运动2 min足以达到机体的最大摄氧量。本研究中，1 500 m 速度滑冰比赛后的血乳酸浓度最高，但相邻组间差异不显著。有研究显示，世界级速度滑冰运动员在1 500 m 比赛后的血乳酸浓度明显高于其他项目（朱志强 等，2010；Konings et al.，2015）。也有研究表明，无氧功率尤其平均无氧功率（反映无氧耐力）是决定速度滑冰1 500 m 比赛成绩的主要因素（张马森 等，2021；Hofman et al.，2017），揭示了糖酵解水平对1 500 m 比赛成绩的重要影响，也提示我国运动员的糖酵解水平亟待提高。本研究结果还表明，随着滑冰距离的增加，总能量依次增加，累计摄氧量和有氧氧化系统能量供应量也依次增加，而磷酸原系统和糖酵解系统的能量供应量无明显变化，表明总能量增加的需求主要通过有氧氧化系统完成。随着滑冰距离的增加，磷酸原系统和糖酵解系统的能量供应量相对值依次下降，有氧氧化系统的能量供应量相对值呈上升趋势，表明三大能源系统的供能效率依次下降，同时无氧供能的比重下降，有氧供能的比重提高，这与赛艇、跑步等运动项目的研究结论一致（黎涌明 等，2017；Duffield et al.，2005b）。

本研究结果显示，随着滑冰距离的增加，磷酸原系统供能比例由32.28%降至6.19%，糖酵解系统供能比例由43.83%降至9.43%，有氧氧化系统供能比例由23.89%增至81.39%，进一步说明有氧供能对中、长距离速度滑冰项目的重要性。本研究不同速度滑冰项目500 m、1 000 m、1 500 m、5 000 m 的有氧供能比例分别为23.89%±2.13%、42.04%±2.58%、54.36%±3.42%、81.39%±4.52%，明显高于Astrand等（1970）、Foster等（2003）和Koning等（2002，2015）的研究结果。Astrand 等（1970）假设受试者的能量利用效率为25%，但针对速度滑冰项目的研究表明，速度滑冰运动员的能量利用效率约为15%（Foster et al.，2003； Koning et al.，2005）。有氧供能比例是有氧氧化系统能量供应量与总能量的商，对能量利用效率的高估会导致有氧供能比例的低估。Foster 等（2003）的研究明确了速度滑冰运动员蹬踏功率自行车的有氧供能比例，但由于运动方式和能量利用效率不同，与冰上滑行的有氧供能比例存在差异。De Koning 等（1992）建立的能量模型没有考虑疲劳对动作技术、乳酸堆积和比赛成绩的影响，使得计算的有氧供能比例存在偏差。李博等（2021b）采用与本研究同样的实验方法测量了青年男、女速度滑冰运动员在短、中距离模拟比赛中的能量供应特征，有氧供能比例整体上略高于本研究。分析其中原因，一方面可能是由于并未对男、女运动员进行分组，而女运动员的运动时间、有氧供能比例高于男运动员（Duffield et al.，2005a，2005b），导致男、女运动员整体统计时有氧供能比例偏高；另一方面，受试者的年龄较小，运动成绩较差，而有氧供能比例与运动时间密切相关，水平越低的运动员滑行同样的距离耗时更长，有氧供能比例更大。鲜见针对长距离速度滑冰项目能量供应特征的实测研究，因此，很难将本研究5 000 m 模拟比赛中能量供应结果与他人的冰上项目研究进行对比，而只能与耗时相似的其他运动项目进行比较。黎涌明等（2017）对赛艇运动员模拟赛艇2 000 m 比赛中的能量供应特征研究显示，其有氧供能比例为83%±3%。Duffield 等（2005b）对3 000 m 跑的能量供应特征研究显示，有氧供能比例为93%±7%。本研究中速度滑冰运动员在5 000 m 模拟比赛的成绩为480.33±27.93 s，有氧供能比例为81.39%±4.52%，低于上述运动项目。

速度滑冰项目无氧、有氧供能主导的临界点高于其他运动项目。黎涌明（2013）通过分析39 篇文献的156 个供能比例数据（涉及跑步、游泳、自行车、赛艇和皮划艇项目），得出有氧供能比例与最大运动时间成对数关系，当最大运动时间＞74.4 s时，有氧供能比例＞50%，能量供应以有氧供能为主，但该综述中并不包含冰上项目，而冰上项目与其他运动项目存在较大区别。本研究基于有氧供能比例与最大运动时间呈对数关系以及不同速度滑冰项目对应的有氧供能比例，拟合了全力滑冰时间与有氧供能比例的方程式（R2=0.992）。虽然本研究没有测量运动员在更长距离比赛时的能量供应特征，但根据该方程可得速度滑冰10 000 m 的有氧供能比例为98.57%，冰上项目无氧、有氧供能主导的临界点为114.14 s，明显高于其他运动项目（74.4 s）。冰上滑行时运动员的蹲屈姿势使得腿部的张力持续时间比其他运动项目更长，低姿态滑行导致的血流限制增加了对无氧供能的需求（Konings et al.，2015），同时冰上运动时难以激发最大有氧代谢潜能，达到的峰值摄氧量明显低于跑步、功率自行车等项目（Kandou et al.，1987；Van et al.，1983a），这些因素可能导致速度滑冰项目的能量供应特征与其他运动项目不同。虽然不同的能量供应计算方法（杨俊超 等，2022；Duffield et al.，2005b）、竞技水平（Nummela et al.，1995）等因素可能造成不同研究中相同运动时间对应的有氧供能比例存在一定差异，但基于跑步、自行车等项目的能量特征研究表明运动方式并不影响全力运动中的有氧供能比例（黎涌明 等，2016）。本研究结果表明，冰上全力运动的有氧供能比例低于其他运动项目，无氧、有氧供能主导的临界点高于其他运动项目，因此不同运动方式的能量供应比例可能不同，不同项目的教练员在制定训练计划时应以本项目的能量供应特征为依据。

本研究存在一定的局限性。首先，仅呈现了男运动员在不同速度滑冰项目中的能量供应特征，虽然女运动员的能量供应相对值与男运动员没有差异，但在生理学特征和能量供应绝对值等方面存在差异（Duffield et al.，2005a，2005b； Van et al.，1983b），此外，顶尖水平运动员往往表现出不一样的运动特征（田慧 等，2021），今后应进一步探究不同水平男、女速度滑冰运动员不同距离比赛时的能量供应特征。

4 结论与建议

速度滑冰项目的能量供应特征与其他运动项目不同，不同速度滑冰项目的能量供应特征也不同。速度滑冰项目的有氧供能比例低于其他运动项目，无氧、有氧供能主导的临界点高于其他运动项目。随着滑冰距离增加，单位时间的能量供应量降低，但累计摄氧量和总能量需求增加，且这个需求主要通过有氧氧化系统完成。随着滑冰距离增加，磷酸原系统和糖酵解系统供能比例依次降低，有氧氧化系统供能比例依次增加。

在实践中教练员可根据各项目的能量供应特征和有氧供能比例与全力滑冰时间的量化关系制定和优化训练计划。其中短距离项目以无氧能力训练为主，中、长距离项目以有氧能力训练为主，随着滑冰距离增加，逐渐增加有氧能力训练的比例，随着竞技水平提高，逐渐增加无氧能力训练的比例。目前，对速度滑冰项目能量供应的认识整体低估了有氧供能的作用，有氧能力是供能能力的基础，各项目中都应适当增加有氧能力训练的比例。本研究结论有助于教练员和运动员更加清晰地认识不同速度滑冰项目的能量供应特征，为科学合理安排训练提供依据。