3种最大摄氧量实验室直接测试方法结果比较、回归分析与应用

林岭 吴文腾 罗嘉铭 樊凯文 王华叶 李志广 段小平

1 宁波大学体育学院（宁波 315211）

2 内蒙古自治区冬季运动项目管理中心（呼和浩特 010000）

3 广东省体育科学研究所（广州 510663）

国内外冬季、夏季耐力运动项目普遍采用最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）测试来进行运动选材、评估运动员有氧耐力水平及阶段有氧耐力训练效果，甚至以该指标来预测运动员的运动成绩[1-2]。有关研究认为，最大摄氧量在个体间的遗传度差异较大，平均总体遗传度约为70%～80%左右，可训练潜力约为20%～30%，通过系统的有氧耐力训练，最大摄氧量个体提高幅度可达20%～40%，甚至更高[3-5]。因具有高遗传度及较大的可训练潜力，VO2max成为耐力项目优秀运动员选材及阶段有氧训练质效评估的金指标[6]。

自Hill 等[7]提出并建立最大摄氧量测试方法以来，有关研究者或实验室分别探索建立了不同的最大摄氧量测评方法，包括不同运动模式的基于气体代谢分析的直接测试法和众多基于有关指标数量关系推算的间接测试法，间接测试法结果的准确性、可信度不如直接测试法[6，8]。对于从事竞技训练的高水平运动员而言，实验室直接测试法仍是不可替代的最大摄氧量首选测试方法。目前，在国内外竞技体育界应用最多的最大摄氧量直接测试方法包括经典的Bruce法、功率自行车90 秒递增负荷法[6，9]和跑台1 分钟递增负荷法[10-11]等。尽管各种成熟的基于实验室标准化的最大摄氧量测试方法均具有较好的信效度[12-13]，但由于受异地转训等不可控因素影响，运动员会经常在不同实验室进行不同方法的测试，导致最大摄氧量测试结果有所不同，甚至差异较大，一定程度上制约了测试结果间的可比性及应用效度，难以有效进行不同方法测试结果间的横向比较及阶段训练效果的纵向评估。

目前关于最大摄氧量测试方法的研究报告主要集中于不同间接测试方法间的结果比较或某些间接测试方法与某一种直接测试方法结果间的比较[6，14]，关于不同最大摄氧量直接测试法比较的文献较少。

从高水平运动员训练实践及科学研究需要角度看，目前需要解决的主要问题是3 种方法中哪种方法在评估运动员最大有氧耐力潜能方面效果最好、不同测试方法间结果差异的分布特征如何，以及不同方法测试结果间可否基于线性关系而互相预测。这些问题均未见研究报告。

鉴于此，我们招募了20 名二级以上男子越野滑雪运动员，进行3 种主要最大摄氧量直接测试方法的测试，比较不同测试方法结果间的差异，以期为速度耐力运动项目提供最有效的方法来评估运动员最大摄氧量；并基于不同方法测评结果间的线性关系探讨实现不同测试方法结果间互相预测的可行性。此外，本研究还探索了不同测试方法间个体结果差异分布特征，为教练员等进行不同方法测试结果间的便捷换算提供参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 实验设计

采用组内交互设计的准实验研究。选取能满足最大摄氧量测评要求的20 名越野滑雪男运动员参与本次实验。每名被试根据随机安排原则先后进行3 种不同方法的最大摄氧量测试。自变量为3 种不同递增负荷的跑台跑和自行车运动；因变量为最大摄氧量。

1.2 被试的选取与要求

1.2.1 被试选取的原则

（1）已经开始夏季恢复性训练3 周且测试时间为减量调整阶段（过短的恢复训练可能难以承受有关测试负荷，过长的则可能导致疲劳积累），无伤病且能配合完成最大摄氧量测试任务；

（2）所有被试均获得过全国青年锦标赛和全国成年冠军赛前3 名的成绩，均达到二级以上运动等级，能代表国内目前越野滑雪较优秀运动员水平；

（3）基本不影响运动队系统训练计划（每名被试分3 次进行最大摄氧量测试，每周仅1 次，测试间歇可进行技术、中低强度力量等训练）。

基于上述原则，经过与有关教练沟通，从某省队（冠军赛后放假休整近两个月，并已开始夏季恢复性训练3周）在训的越野滑雪男运动员中选取能满足实验要求的20名男队员作为本研究被试。其中一级以上8名（含3名健将级），二级12名。运动员基本信息见表1。

表1 被试基本信息

1.2.2 实验过程中对被试要求

测试间歇期不进行任何大负荷量的有氧、无氧耐力训练，只进行中低强度的技术训练和力量或核心力量等训练；测试前一天停止任何体能训练；测试期间全体队员实施全封闭管理，戒烟酒，防止误服兴奋剂，杜绝任何额外营养补剂摄入；测试前一天保证充足的睡眠。告知参与本次测试的潜在风险和可能利益后，所有被试签署知情同意书。

1.3 最大摄氧量测试方法与安排

1.3.1 测试方法

1.3.1.1 方法一：Bruce法[6]

（1）准备活动15 分钟后跑台适应跑3 分钟（跑台坡度为6°，速度3～5 km/h，每分钟递增1 km/h）；（2）跑台坡度起始为10.5%（= 6°），每级负荷增加1度；（3）跑台启动前运动员做好测试准备（如佩戴气体分析仪面罩等）；（4）跑台起始速度为5 km/h，每级负荷强度增加1 km/h，每3分钟递增一级负荷至力竭。

1.3.1.2 方法二：功率自行车90秒递增负荷法[9]

（1）准备活动15 分钟后功率自行车适应3 分钟（负荷为0～50 W，每分钟递增25 W）；（2）功率自行车座椅高度的调整以运动员正常坐在座椅上、足跟部将脚踏板踩到底、膝关节完全伸展为标准；（3）运动员做好测试准备（如佩戴气体分析仪面罩等）后在自行车上保持静息90 秒；（4）起始功率为50 W，每90 秒提高25 W；（5）每秒转速需要维持在70 至80 转，当运动员无法维持最低30转/分钟或力竭时测试停止。

1.3.1.3 方法三：跑台1分钟递增负荷法[10]

（1）准备活动15 分钟后跑台适应跑3 分钟（跑台坡度为6°，速度3～5 km/h，每分钟递增1 km/h）；（2）跑台以恒定的坡度（6°）运行；（3）跑台启动前运动员做好测试准备（如佩戴气体分析仪面罩等之后）；（4）跑台起始速度设定为5 km/h，每分钟速度增加1 km/h至力竭。

1.3.2 测试过程中血乳酸、心率、自觉疲劳程度（rating of perceived exertion，RPE）数据采集

测试前、每级负荷后即刻、测试结束后1 分钟采集7 微升指尖静脉血进行乳酸测试。每级负荷后用彩色RPE 板让运动员报告疲劳感并评分，从轻松到力竭感分别赋分6～20 分。用polarV800 采集全程心率。全程采集呼吸气体，用配套气体分析设备和软件进行开放式气体分析（呼吸自然空气）。力竭判断标准[15]：（1）摄氧量曲线出现平台或下降；（2）呼吸商高于1.10；（3）运动员难以继续保持运动。满足其中两个以上条件可判断为力竭。

1.3.3 测试安排

每天安排8 名被试进行1 种方法测试，共3 天完成一轮测试，被试的测试日期和排序随机（抽号）安排，顺推一周后分别进行第二、三轮测试。测试方法排序均为方法1、2、3。

1.3.4 测试指标

测试指标：最大摄氧量、有氧阈和无氧阈速度、血乳酸、心率。

1.3.5 测试设备与型号

跑台型号：RUN-7410；功率自行车型号：CUSTOMED；气体分析设备型号：CORTEX-METALYZER 3B；气体代谢分析软件系统：Cortex-Metalyzer；乳酸仪型号：德国EKF-LACTATE SCOUT；心率表：POLAR V800。

1.3.6 测试地点与环境

某省体育科学研究所运动生理实验室。海拔250米，室温26.5度，空气湿度35%～45%左右。

1.4 统计学方法

应用SPSS23软件对3种方法测试结果间个体差值进行频数统计；就3 种不同最大摄氧量测试方法有关指标的组间均值差异进行方差分析及有关指标的相关分析；以方法1 结果为因变量，以方法2、方法3 结果为自变量分别进行回归分析，P＜0.05为具有统计学意义。

2 结果

2.1 3种最大摄氧量测试方法结果比较

2.1.1 3种最大摄氧量测试方法结果组间差异方差分析

对3 种测试方法测得的最大摄氧量结果进行描述统计和组间均值方差分析，结果见表2。

表2 3种测试方法最大摄氧量结果描述（ml/min·kg）

方差齐性检验显示3 组数据满足方差齐性，P＞0.05，方差检验结果及多重比较结果见表3、4。结果显示，3 种方法最大摄氧量测试结果大小排序为：方法1＞方法3＞方法2，均P＜0.05。提示方法1最能有效评价运动员阶段最大摄氧量最大值。

表3 方差检验

表4 多重比较

2.1.2 3种最大摄氧量测试方法个体结果间差值的频数分布

为基于某一测试方法的结果便捷估计另外测试方法的结果，实现不同测试方法结果间的相对可比性，对上述3 种方法的个体测试结果间差值分布特征进行频数统计，结果见表5。测试方法1 的最大摄氧量高于方法2（6 ml/min·kg，约10%），高于方法3（3 ml/min·kg，约5%），方法3高于方法2（3 ml/min·kg，约5%）。

表5 不同测试方法最大摄氧量差值的频数统计量（单位：ml/min·kg）

2.2 测试方法1、方法3的血乳酸变化趋势比较

本研究中测试方法1、方法3 均采用跑台递增负荷的运动模式，为探索导致两种方法测试结果差异的可能原因，将两种测试方法同等跑台跑速下的平均乳酸值绘制折线图（图1）。结果显示，同等跑速下方法3 的平均血乳酸高于方法1，且方法3 达有氧阈、无氧阈的跑速低于方法1约一个速度单位（1 km/h）。

图1 同等速度下测试方法1、方法3的血乳酸比较

2.3 3种测试方法最大摄氧量结果间回归分析

为进一步探索不同测试方法的最大摄氧量间关系，对有关结果进行相关分析，结果显示3 种最大摄氧量测试方法测得结果间均呈高度正相关，R均大于0.9，且均P＜0.001。相关分析结果提示3 种测试方法结果间可能存在某种较可靠的数量关系，进一步以测试方法1 的最大摄氧量为因变量（代表阶段最大值），分别进行方法1 与方法2（建立线性回归模型1）、方法1 与方法3（建立线性回归模型2）结果的回归分析。

以测试方法2结果为自变量，以测试方法1为因变量形成散点图（图2）。由图2 可知，方法2 与方法1 间的数据呈较典型的线性关系，可进行线性回归分析，结果见表6、7。

图2 最大摄氧量测试方法1、2结果散点图

表6 方差检验b

线性模型1检验拟合度R2为9.25，回归模型与回归系数检验均具有显著的统计学意义（P＜0.001），可以建立可信度较高的回归方程，并通过VO2max2来有效预测VO2max1。

表7 回归系数a

表8 方差检验b

表9 回归系数a

回归方程1：VO2max1=6.121+0.976×VO2max2。

以测试方法3结果为自变量，以测试方法1为因变量，形成散点图（图3）。方法3 与方法1 间的数据呈较典型的线性关系，可进行线性回归分析，结果见表8、9。

图3 最大摄氧量测试方法1、3结果散点图

线性模型2检验拟合度R2为9.05，回归模型与回归系数检验均具有显著的统计学意义（P＜0.001），可以建立可信度较高的回归方程，并通过VO2max3 有效预测VO2max1。

回归方程2：VO2max1=4.336+0.938×VO2max3。

2.4 最大摄氧量测试过程中有氧阈与无氧阈对应的跑速、心率变化区间

为便于训练过程中精准化、个体化把控运动员有氧耐力训练强度，对本次Bruce 法测试中有氧阈、无氧阈对应的跑速、心率的变化区间进行描述统计，结果见表10。

表10 有氧阈、无氧阈对应跑速、心率的描述统计

参与本次测试的越野滑雪男运动员有氧阈、无氧阈平均心率分别为150.4、171.6 b/min，对应平均跑台跑速分别为6.5、8.4 km/h。

3 讨论

3.1 3种最大摄氧量测试方法结果比较与原因分析

有研究认为一般需要2～3 月的系统化训练才能实现有氧耐力的改善[16-17]，耐力项目运动员在长期训练过程中需要阶段性（2～3 月）进行最大摄氧量测试。但受经常在不同地点转训等各种客观条件局限，不同训练阶段会在不同地点、不同实验室并采用不同的测试方法，这将会导致不同方法测试结果间的不可比性。

为解决不同方法测试结果间难以直接比较的问题，本研究通过实验来比较3 种主要测试方法结果间的差异及其可能存在的数量关系。本次实验采用的3种最大摄氧量测试方法包括经典的Bruce法、功率自行车90秒递增负荷法及跑台1分钟递增负荷法。前两种方法均已在体育科研领域得到较为广泛的应用[9，18]。方法3 为近些年引进的北欧滑雪强国采用的针对世界级优秀耐力运动员的测试方法，目前在部分冰雪项目国家队及跨界跨项选材测试中得到应用。

从表2～4 的描述与方差统计结果看，Bruce 法的最大摄氧量结果最高，方法3（1 分钟跑台递增负荷）次之，方法2（功率自行车90 秒递增负荷）最小，且组间差异显著。

对上述3 种方法的个体测试结果间差值分布特征进行的频数统计结果也呈现相同趋势（表5），即测试方法1的最大摄氧量＞方法3＞方法2。

分析其原因可能为：测试方法1和3为在跑台上进行递增负荷跑步，跑动过程中下肢要承担全身重量，动作更复杂，负荷更大，需要全身主要肌群参与耗氧，耗氧量更大；方法2 主要为下肢运动，无需克服自身体重，动作更简单，总体耗氧量相对会更低。另外，测试过程中单纯依赖下肢克服自行车递增阻力更易于导致下肢疲劳，难以保持恒定转速而更早达到力竭状态，这可能是导致方法1、3 高于方法2 的主要原因之一。本研究结果与Millet等【15】的研究结果比较一致。

Hertmann[19]认为，人体进行匀速运动时必须持续8 分钟以上才能达到稳态。杜忠林等[20]的一项比较研究认为，4 分钟匀速运动测试方法是一种更实用、便捷的测定无氧阈的方法；固定负荷强度的运动持续时间越短越不利于能量代谢稳态的形成。但在跑台或自行车递增负荷运动模式下进行最大摄氧量测试过程中，每级负荷持续时间太长则可能导致运动员在中低负荷强度时就会产生疲劳积累，难以保持更高强度下的运动持续能力，在增加测试时间成本的同时还可能影响最大摄氧量测试结果。目前国内外实验室在应用递增负荷运动模式进行最大摄氧量测试时普遍采用的每级运动负荷持续时间基本为1～3分钟之间[21]。

为进一步探索导致测试方法3 结果低于方法1 的可能影响因素，本研究采集了两种方法测试过程中每级负荷（跑速）的血乳酸。从两种测试方法的乳酸曲线（图1）看，除第一级负荷（5 km/h）外（方法3、1 的血乳酸分别为1.6 mM/L、1.4 mM/L），在其余各级同等负荷下，方法3的血乳酸均高于方法1约1.5 mM/L以上，最大差距高达3.3 mM/L。这表明方法3 测试过程中乳酸升高速度更快、幅度更大。分析其可能原因为方法3只持续1 分钟就增加负荷强度，在每级负荷强度下尚未形成能量代谢稳态就进入下一级负荷强度，有氧代谢供能稳态不足，导致血乳酸堆积更快。

另外，参与本次测试的运动员在冠军赛后调整近2个月，刚恢复训练3 周，尚未进行高强度训练，耐乳酸能力训练不足，难以适应1 分钟快速递增负荷运动方式下的高乳酸水平，这或许也是导致方法3 测试结果低于方法1的主要原因之一。

3.2 3种最大摄氧量测试方法结果间回归分析

无论是文献阅读还是训练实践过程中，科研人员或教练通常面临的主要问题是文献报告的运动员最大摄氧量结果经常源自不同的测试方法，其结果可比性较差，难以进行科学的横向比较及纵向动态评价运动员的阶段有氧耐力训练效果。为探索不同测试方法所得结果间的数学关系，实现不同测试结果间的相对可比性，本研究对3 种主要最大摄氧量实验室直接测试方法结果进行线性回归分析。

相关分析显示，3种测试方法结果间均呈高度正相关，且散点图（图2、3）显示方法2、3 的结果均与方法1结果呈现较为典型的直线性分布趋势，提示可以进行线性回归分析。线性回归分析结果发现，方法1 与方法2、方法1 与方法3 间的回归模型和回归系数的检验结果均具有十分显著的统计学意义（P＜0.001），且两个方程的线性拟合度均为高度拟合，表明其数学关系均稳定可信。这提示运动员无论采用哪种测试方法都可以通过有关回归方程通过方法2 或3 的测试结果来预测方法1 的结果，实现基于方法1 结果的横向、纵向可比性。

尽管统计结果显示有关方程的可信度、可靠性较好，但受本研究被试的项目来源、样本量及运动员训练状态等因素的影响，该回归方程的外推效度难免会存在一定局限性。另外，从训练实践过程可操作性角度出发，考虑到教练员或科研人员难以直接应用有关方程进行不同方法测试结果间的互相推算、预测，本研究对运动员个体不同测试方法结果间的差值进行了频数分布统计，得出了不同方法间测试结果差异特征（表5）。据此，教练员可以十分便捷地基于某测试方法结果粗略估计另一测试方法的结果范围，进而实现不同测试结果间的相对可比性。

但需要注意的是，基于有关回归模型及差值分布特征进行的预测或换算出的结果只能是运动员最大摄氧量可能范畴的预测值，不等于个体真值。

3.3 3种最大摄氧量测试方法的适用性分析

就本次研究结果看，尽管相关分析结果显示，3 种最大摄氧量测试方法的结果均呈高度正相关，表明3种测试方法均可作为运动员最大摄氧量的有效测试方法，但方差分析及差值分布特征结果均表明测试方法1是最能有效评估运动员阶段有氧耐力最大潜能的方法。

国外冬季体能类项目对世界级运动员的最大摄氧量测试经常采用方法3，因其速度递增节奏更快（1 分钟递增1 km/h），对运动员的有氧耐力、耐乳酸能力要求均较高，更适用于已经系统进行了更高强度的耐乳酸能力训练的高水平运动员在专项准备期或赛前期进行有氧耐力评估。但鉴于我国越野滑雪等耐力项目运动员体能与世界高水平运动员差距较大[22]，结合本次测试结果看，在基础准备期采用方法3 可能难以有效测试出运动员的最大摄氧量峰值。但如果经过一段时间的系统化有氧、无氧耐力训练，运动员的有氧能力和耐乳酸能力得到有效提高，其承受高负荷强度能力得到改善后，或许方法3 的测试结果会得到有效提升，与方法1 的差距会减小，甚至无差异，但这还需要后续研究检验。

尽管方法2 平均测试结果最低（低于方法1 约10%，低于方法3 约5%），但对于某些不太适应跑台跑测试的不同项目运动员而言也是一种十分有效的最大摄氧量测评方法[23-24]。特别是对于自行车、游泳等项目运动员而言（长跑训练较少），建议最好采用方法2 进行最大摄氧量测试。另外，该方法相对运动难度更低、风险更小、设备成本更低，更便于在省市级体科所、大学有关实验室推广应用，适用于不太适应跑台测试的不同水平的成年、青少年运动员乃至大众健康人群的最大摄氧量测评。

综上分析，3 种测试方法的适用对象分别为：测试方法1 适用于能适应跑台跑的耐力项目优秀运动员；方法2 适用于所有项目运动员及大众锻炼人群；方法3适用于具备良好有氧和无氧耐力的高水平田径、越野滑雪等室外耐力项目优秀运动员。

在基础准备期，建议国内所有耐力项目运动员根据自己的能力特点或不同方法的适应性采用方法1 或2进行最大摄氧量测试，对高水平的室外耐力项目运动员而言，在专项准备期和赛前期（经过系统化的有氧、无氧耐力训练，耐乳酸能力较高）则可以采用方法1 或3进行最大摄氧量测试。

3.4 最大摄氧量直接测试法有关指标在训练实践中应用的思考

最大摄氧量作为衡量运动员阶段最大有氧耐力潜能的金指标，主要适用于运动选材和阶段有氧耐力训练效果评价[25]，假如阶段耐力训练前后的最大摄氧量测试结果有一定程度提高则提示运动员的耐力水平改善，阶段耐力训练效果较好。但在训练实践过程中难以直接应用最大摄氧量来实时评价、把控有氧训练强度与质量，而有氧阈、无氧阈对应的运动强度、心率等指标则更便于直接应用其来反映、把控训练强度，提高有氧耐力训练的科学化程度[26]。 耐力项目训练过程通常基于个体最大心率的百分比把训练强度分为5 个等级[27]，其中I1～I3 级强度分别相当于再生性放松训练（I1，50%～65% HRmax）、有氧阈强度训练（I2，66%～80% HRmax）、无氧阈强度训练（I3，81%～90% HRmax）。其中，有氧阈、无氧阈强度训练在耐力项目年度训练中的占比通常分别为60%～75%、15%～25%左右[28]。

为进一步发挥最大摄氧量测试结果及其主要衍生指标的训练实践应用价值，本研究探索比较了运动员个体有氧阈与无氧阈对应的跑速、心率等指标变化区间（表10）。有关结果为在训练实践过程中基于该区间科学把控有氧阈、无氧阈负荷强度提供重要的便捷手段和方法。另外，有关结果区间还可用于纵向评价运动员阶段训练后有氧能力变化趋势。如经过一段时间的耐力训练后，若同等负荷强度下（如跑速）运动员的平均心率降低，或同等心率下对应的跑速有所提高，则提示运动员的有氧代谢利用能力得到有效提高。但需要特别指出的是，本研究结果可能只适用于较高水平的越野滑雪运动员，对于其它耐力项目运动员而言，不宜直接套用表10 所呈现的本研究结果，最好是基于有关项目、不同水平运动员的相关测试结果来界定其个体化的有关指标变化区间。

总之，本研究通过实验探索建立了3 种最大摄氧量实验室直接测试方法结果间数量关系及个体不同测试方法结果间差值分布特征，为运动队选择最优方法进行最大摄氧量测试，及基于不同方法结果间的数学关系模型与差值分布特征便捷预测不同测试方法的结果提供了科学依据，弥补了不同测试方法间结果不可比性的局限性。

但受本研究所选被试样本的代表性及样本量等因素的影响，本研究结果及其应用效度难以避免会存在一定局限性。首先，本研究选取的被试为越野滑雪男运动员，未能就其它耐力项目、不同性别乃至不同训练水平运动员等开展更宽泛的有关比较研究，本研究建立的最大摄氧量回归方程并不能代表全国越野滑雪运动员乃至其它耐力项目的常模，成果应用的外部效度受限。

另外，影响运动员最大摄氧量测试结果的因素很多，如停训后复训周期、海拔高度、运动员的阶段训练状态、瘦体重、测试方法等均会不同程度影响最大摄氧量测试结果[29-33]。故任何一次最大摄氧量测试结果都不能孤立看待或教条化用其评价运动员的有氧耐力水平，必须考虑各种可能的影响因素进行综合分析，动态评价运动员的有氧耐力水平。

4 总结

（1）3种国内常用测试方法中，Bruce法在评价运动员阶段最大有氧耐力潜能方面效果最好，其它两种方法与其存在线性关系，结合不同方法结果间差值分布特征可进行不同测试方法结果间的互相预测；（2）针对不同项目、不同水平的运动员可分别采用适合其能力特点的方法进行最大摄氧量测试；（3）有氧阈、无氧阈对应的跑速、心率变化区间可作为直接把控有氧阈、无氧阈训练强度的有效、便捷方法。