無氧能力檢測方法的信效度研究

李　釗

(清華大學 體育部，北京　100084)

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無氧能力檢測方法的信效度研究

李釗

(清華大學 體育部，北京100084)

無氧能力在競技訓練與比賽過程中具有重要意義，但對其研究仍然薄弱、局限性強。鑒于此，歸納與梳理了最大氧虧積累測試、最大血乳酸水平測試、運動后過量氧耗測試、臨界功率測試與總效率測試等無氧能力評價方法的原理、可靠性及有效性。認為，最大氧虧積累測試、最大血乳酸測試和臨界功率測試可以作為定性評價運動員無氧能力的有效方法；運動后過量氧耗受眾多因素影響，在評價無氧能力方面存在較大誤差；在對運動員無氧能力進行調控時，總效率測試能夠表達運動過程中有氧與無氧能量的分配問題，同時該方法考慮了長時間運動過程中能量利用率降低的問題，對于進一步理解疲勞與評價運動節奏是有利的；由于存在個體差異及項目專項性特征，應根據實際情況進行評價，五種測試方法在測試過程中不能交叉使用。

無氧能力檢測；最大氧虧積累；最大血乳酸水平；運動后過量氧耗；臨界功率；總效率；信度；效度

人體運動能力是身體各個系統機能協調活動的集中體現。根據運動過程中能源物質分解供能的方式及其比例可以分為有氧運動和無氧運動。無氧能力(AnaerobicworkCapacity)是指運動中的人體通過無氧代謝途徑提供能量進行運動的能力。其供能系統分別由非乳酸能(ATP-CP分解供能)和乳酸能(糖的無氧酵解供能)兩部分組成。在短跑、投擲、跳躍、短道速滑、擊劍以及足球等諸多運動項目中，無氧能力占主導地位，決定運動員的比賽成績。FosterC等人[1]研究發現，在1 500m自行車比賽中，無氧供能比例達到了50%左右；Spencer和Gastin[2]在200m、400m、800m和1 500m的比賽項目研究中發現，無氧供能比例分別達到71%、57%、34%和16%。同時，在長距離運動項目比賽的后程沖刺階段，無氧能力是比賽制勝的重要保障。

與有氧能力檢測方法相比，無氧能力檢測方法在運動訓練實踐中還面臨著諸多困境。在方法學層面，無氧能力檢測方法在較準確確定非乳酸能和乳酸能供能比例問題上仍未得到廣泛認同；在操作層面，不存在針對某一專項所進行的無氧能力的檢測方法，測試結果存在較大誤差；在基礎研究層面，體適能與健康研究者更傾向于使用有氧能力測試方法評價身體機能與健康狀態，測定功率輸出時，優先選擇亞強度以及平均功率而非最大功率作為評價指標。無氧能力的測試方法雖然在國內外文獻資料中出現較多，但是到目前為止還并不存在一種方法既可以作為無氧能力評價的科學指示器，也可以解決目前存在的諸多問題。

基于無氧能力在各個運動項目制勝中體現出的重要性，以及各測試方法在科學性、項目針對性、研究基礎方面所呈現的特點，本文從提出背景、測試原理與方法、可靠性及使用效度等方面對各種方法進行縱向梳理與橫向對比。

1　無氧能力檢測指標與方法

依據測試性質劃分，無氧能力檢測可以分為生理學檢測和動力學檢測。根據測試的內容，無氧能力檢測可分為無氧能力檢測和無氧功率檢測兩部分。無氧能力從宏觀的角度強調運動員在無氧代謝系統供能下所表現出來的運動能力或運動成績，從微觀角度指人體肌肉通過無氧供能代謝系統能夠提供能量的總量或完成無氧功的總量[3]。其檢測多是通過生理指標對機體所完成的總功進行測量。無氧功率是指機體在最短時間內，在無氧條件下發揮最大力量和速度的能力[4]，多從動力學角度，通過測試與計算數據對機體在無氧條件下完成的功率進行評價。具體測試方法與指標如圖1所示。本文所談的無氧能力檢測指的是生理學方面的檢測。

圖1　無氧能力檢測指標與方法

2　無氧能力檢測方法與原理

2.1最大氧虧積累(MAOD)檢測

1920年Krogh和Lindhard發表文章《從工作到休息轉變時呼吸的改變》[5]提出了“氧債”的概念；Hermansen于1969年重新界定“氧債”； 1988年，Medb?等人研究表明最大氧虧積累是無氧能力測試的定量表達方法。此后經過20多年的發展，最大氧虧積累測試已經成為無氧能力評價的黃金標準。最大氧虧積累(Maximalaccumulatedoxygendeficit，MAOD)是指人體從事極限強度運動時(一般持續2—3min)，完成該項目的理論需氧量與實際耗氧量之差[4]。

MAOD測試方法以個人跑臺速度(亞極量強度)或者功率輸出與攝氧量的關系為基礎，建立線性方程。通過外推法，在超極限強度負荷下求得該負荷的理論需氧量，在此期間連續收集呼出的氣體，以求得在此過程中實際消耗的氧量。最大氧虧積累可以通過極限負荷理論上需要的氧量減去實際需要的氧量求得，如圖2所示。按照Medb?等人的研究，亞極量強度的選取在35%—100%VO2max，維持20次，每次持續10min，測試穩態耗氧量取自運動最后1—2mim；超極限強度的持續時間為2—3min。

圖2　MAOD 檢測方法線性關系

2.1.1MAOD測試的可靠性

MAOD測試方法評價無氧能力主要基于以下兩個假設：①最大強度運動的需氧量可以通過線性關系外推亞最大強度與耗氧量的關系求得；②恒定運動強度下所需要的氧量是一個常數。然而，根據Hansen等人[6]的研究結果，亞最大強度活動肌肉的效率高于最大強度功率輸出時的活動肌肉效率，此研究表明根據假設①所測的結果要小于實際需氧量與氧虧積累值。在Bangsbo[7]的一項研究中，令受試者在5%坡度的跑步機上做6min不同跑速運動，結果發現在亞最大強度條件下，較快速度所產生的吸氧量比較慢速度的回歸曲線預測值大，表明吸氧量并不是隨著運動速度的增加而成線性的單調遞增。同時研究關于定量運動人體活動肌肉所需要的能量是在不斷變化的，并非假設②中所提及的需氧量恒定不變。

2.1.2MAOD測試的有效性

目前關于MAOD測試無氧能力的方法有效性存在較大爭議，主要集中在運動肌肉數量與MAOD大小的關系和肌肉運動無氧產生ATP與MAOD的關系上。Bangsbo等人[7]讓無訓練經歷的男性測試者進行恒定的超極限強度單腿伸膝運動，在此過程中只有股四頭肌被動員釋放無氧能量，通過肌肉活檢測定了ATP、磷酸肌酸含量、肌苷-磷酸、乳酸濃度的變化。結果表明MAOD與極限強度單腿無氧代謝供能高度相關，以此證明了對單一肌群運動而言，MAOD可以作為無氧能力檢測的定量方法。Green[8]以有良好訓練經歷的男性運動員作為研究對象，研究了MAOD、無氧代謝產生的ATP以及肌肉無氧潛力測試三者的關系，從股側肌群取樣分析了ATP、磷酸肌酸、乳酸濃度、ADP的含量，通過公式1計算了運動前后無氧代謝產生的ATP總量。

anATPm=1.5Δ[La-]+Δ[PCr]+(2Δ[ATP]-Δ[ADP])

公式1

在受試對象的測試中沒有發現無氧代謝產生的ATP與MAOD存在相關性，但發現無氧代謝產生的ATP與相關酶活動存在高度相關，由此斷定測定肌肉無氧代謝產生ATP總量的方法是有效的。然而Green并不贊同Medb?等人的測試方法(公式2)，因為Medb?等人認為在測定運動肌無氧代謝產生的ATP與全身所產生的ATP存在較高的相關性。

anATPm=1.5Δ[La-]+Δ[PCr]+[ATP]

公式2

Green和Medb?等人的研究存在不同之處，所以研究結果存在差異。Green所用公式1為公式2的擴展版，但是兩個公式都沒有計算釋放入血的乳酸量。根據Bangsbo的研究，釋放入血的乳酸所產生的ATP占總ATP的5%—38%，所以所測結果小于實際產生的ATP。此外，兩者的研究并沒有明確指出參加運動肌肉的質量占身體總質量的百分比。Medb?研究認為當活動肌肉占身體質量的25%時，活動肌肉能量(ATP)釋放數據才與MAOD存在高度相關性，他用此數據分析與探討了跑步運動員MAOD的代謝部分。但是估算的活動肌肉質量沒有經過直接測試，也沒有考慮性別、體脂上的差異。

在運動訓練實踐領域，MAOD作為項目測試方法在準確測量無氧能力時仍存在較多問題。例如，Green和Wenger認為最大氧虧積累與400—1 000 m的成績存在低度相關(r=0.05—0.21)，項目的優異成績部分取決于無氧能力，運動技術被認為是決定性的因素。然而Scott等人研究了短跑運動員的MAOD和Wingate無氧功率值，發現300 m成績與MAOD相關性為-0.76(p≤0.01)，而與Wingate最大功率相關性為-0.54，表明MAOD在無氧能力檢測上有較好的效度[9]。

2.2最大血乳酸水平檢測

通常在在體的情況下，血乳酸分解成H+和乳酸根負離子，乳酸根離子與血液中的K+、Na+形成鹽存在于血液中。依據血乳酸濃度檢測原理與方法的不同，可以分為化學分光度法、紫外分光酶法、熒光酶法、氣相酶法以及酶電極法。目前酶電極法的血乳酸自動分析儀是生理學基礎和應用研究的主要檢測工具。最大血乳酸水平作為一種評價無氧能力的方法在早期的研究中被用于鍛煉和運動生理學中，然而在使用上仍然存在爭議。該方法的運用主要基于以下兩方面的理論支持：①最大血乳酸水平與依靠無氧供能的短距離項目運動成績存在高度相關性；②短跑運動員的最大血乳酸值明顯高于耐力運動員和無訓練者。

2.2.1最大血乳酸水平測試的可靠性

最大血乳酸水平檢測結果的可靠性首先表現在取樣的位置上，Margaria等人[10]的研究表明，10 min大強度運動的血乳酸水平在股部與上肢靜脈中所測值高度相似，然而也有研究表明股部的血乳酸水平是頭部和肘前靜脈的兩倍，同時指尖毛細血管處的血乳酸要比前臂靜脈高8%，但在指尖處可以測到與耳垂處的相似值。此種結果可能是由測試方案與活動肌肉的選擇及個體差異所致，所以在進行測試時要選擇不同測試對象的同一位置選樣。其次表現在測試與取樣的時間上，最大血乳酸水平測試結果容易受到前一次運動形成的肝糖原水平及緩沖對的影響，所以測試之前要確定機體是否從上次的運動中恢復過來(恢復時間一般為24—48 h)。血乳酸濃度主要由肌乳酸的釋放以及血乳酸的再利用決定，在大強度運動過程中，肌乳酸的生成速率較快，但其擴散速率較慢，眾多研究也已經表明，肌肉乳酸的生成速率是其擴散速率的三倍(Bangsbo，et al.1990；Juel，et al.1990； Hultman 1986)。雖然肌肉乳酸的擴散過程可以延遲酸中毒，但是多數乳酸仍停留在肌肉組織中，根據Sahlin和Sjoholm的研究[11]，30 s急速自行車運動后，運動員肌肉血乳酸值達到28—35 mmol/L，然而血乳酸的濃度僅僅為8—12 mmol/L；同時隨著運動強度的進一步增加，肌乳酸濃度增加，但擴散速率下降，導致血乳酸濃度與肌乳酸濃度失去線性關系。Maglischo等人[12]也研究認為，在3 min極限強度運動后，當肌乳酸<5 mmol/kg時，肌乳酸與血乳酸呈線性增加；當肌乳酸為10 mmol/kg時，血乳酸為4.3 mmol/L，肌乳酸繼續增加時，血乳酸降低。因此血乳酸濃度并不能真正反映肌乳酸的生成。

2.2.2最大血乳酸測試的有效性

盡管1985年Berg&Keul[13]、1990年Lacour等人[14]、1987年Cheetham & Williams[15]以及1977年Komi等人[16]研究認為短跑運動員的運動成績、400 m跑成績、800 m跑成績、跑臺30—60 s成績以及Wingate最大無氧功率與最大血乳酸之間存在高度相關性，Komi還對Ⅱ型肌纖維與最大血乳酸相關性(r=0.24)進行了研究，表明最大血乳酸可以作為評定運動員與非運動員無氧能力的定性與定量方法。然而依然有很多研究認為血乳酸濃度并不能真正作為無氧能力測試的定量方法，Graham[17]認為乳酸在運動后處于從肌肉向血液擴散的過程，使得血乳酸濃度不斷變化；Gastin等人[18]研究了全力1 min自行車運動所測得的血乳酸值高于1.5—3.5 min定量至疲勞運動的值；同一時間還有Koziris和Montgomery[19]關于90 s的全身運動與定量至疲勞運動的測試，結果顯示兩者輸出功率相同但血乳酸存在較大差異，推測造成差異可能是由于運動強度與持續時間的關系。較有說服力的是Bro-Rasmussen等人[20]的另外一項研究，通過對在2 700 m高度訓練的滑雪運動員的研究表明，體現運動員無氧能力指標的肌肉緩沖對、氧債能力、跑臺成績有較大的提高，但是血乳酸減少8%。其他研究也證明了訓練強度的提高并沒有導致在高強度運動中血乳酸的升高。

2.3運動后過量氧耗檢測

機體的攝氧量由能量代謝率決定，盡管運動結束后，多數肌肉已經停止活動，由于能量代謝率未恢復到運動前的水平，機體的攝氧量也不能立即恢復到運動前水平。這種運動后恢復期機體的耗氧量水平高于運動前(或安靜狀態)耗氧水平的現象稱為運動后過量氧耗[4]，如圖3所示。早在20世紀20年代，Hill、Meyerhof和Margria等人就將此種現象定義為氧債，傳統氧債理論認為，劇烈運動時，由于機體所提供的能量滿足不了運動的需要，此時機體要進行無氧代謝，產生乳酸形成氧債，運動結束后，機體仍保持較高的耗氧量水平，以氧化乳酸，償還氧債。

圖3　運動及恢復期的氧氣需求

運動后過量氧耗生成曲線常被用來劃分為兩個不同的部分：運動結束后的初期快速恢復部分和后續的慢速恢復部分。2002年，Beneke[21]在綜合前人研究的基礎上，提出運動后3 min為快速恢復部分與慢速恢復部分的臨界點，利用氧債的快速部分可以計算無氧非乳酸部分的能量供應，其公式為：無氧非乳酸能量=運動后攝氧量的快速部分(ml)×能量當量(J/ml)。無氧乳酸部分能量通過運動中血乳酸的凈增加量計算獲得，無氧乳酸能量=運動中生成的血乳酸(mmol/L)×氧氣—乳酸換算系數(ml/kg/mmol·l)×體重(kg)×能量當量(J/ml)。

自20世紀80年代以來，Brooks、Gasser和Bang等人認為運動后過量氧耗并不是完全用于償還運動中所欠下的氧債，特提出了三點理論依據來質疑傳統氧債觀點：①短時間大強度力竭運動之后恢復早期，血乳酸持續升高，此時耗氧量已恢復到安靜水平；②從事長時間力竭性運動過程中血乳酸已經達到峰值，并隨著運動的繼續逐漸降低到安靜水平，運動恢復期耗氧量仍高于安靜水平；③McArdle癥患者由于缺乏磷酸化酶運動過程不能產生乳酸，但運動后仍出現運動后過量氧耗現象。以上三點理論依據表明運動后過量氧耗與乳酸不存在線性關系。此外，體溫的升高、腎上腺素和去甲腎上素以及鈣離子等的恢復都需要消耗一定量的氧氣。所以單純用運動后過量氧耗來評價無氧能力并不可靠。

運動后過量氧耗并不完全用來償還運動中所欠下的氧量，測試方法的理論基礎與最大氧虧積累相同，但結果由眾多因素導致，不能作為測試與評價無氧能力的科學方法手段。

2.4臨界功率(CP)檢測

定量運動負荷的持續時間與運動負荷的強度有關。1965年，Monod和 Scherrer最先提出了臨界功率(CP)，認為當以不同強度運動負荷進行實驗時，定量功率輸出與疲勞時間存在線性關系，CP強度是維持單一肌肉或肌肉群持續長時間不疲勞運動的強度[22]。實驗方法通過對受試者進行4次以上的定量功率輸出測試至疲勞，測試強度選擇遞增范圍75%—105%，每次測試保證運動員完全恢復。此種測試方法較為簡單，對運動員沒有創傷性。眾多的研究也表明兩參數模型所代表的P-t關系可以較好地描述無氧能力(Green，1995)。P-t關系的曲線以及W-t的直線關系如圖5所示，W’代表無氧作功能力，CP×t代表有氧作功能力。

2.4.1CP測試的可靠性

根據Hill[23]的研究，CP測試理論主要基于以下四點重要的假設：①從能量代謝角度分析，人體三大供能系統分別為磷酸原、糖酵解和氧化能。依據供能過程是否有氧的參與可以分為有氧供能與無氧供能系統。②有氧供能是無限的，但供能比例是有限的；限制參數即為臨界功率CP。因為有氧供能過程中需要能源底物參與，這些能源底物并不是無限制的，所以有氧供能無限性的生理表達是不準確的，只是建立在數學模型的可能性。③無氧供能比例是不受限制的，但無氧能力受限于無氧做功能力。無氧供能同樣需要能源底物參與供能，所以無氧能力受到限制是合理的。④當疲勞發生時，無氧能量被耗竭，同時運動終止。眾所周知，當人體發生疲勞時，體內仍然有大量的能源物質可以參與供能，無氧能量被耗竭是不太正確的表達方法，依據此假設求出的無氧能力比實際無氧能力要低。理論上通過描述功率輸出與時間的線性關系，只需要測試兩個指標參數(P、t)即可求出臨界功率與無氧做功值；實踐中必須通過對受試者進行多次測試以減少測試誤差，例如測試次數，CP實驗測試過程要求受試者進行多次運動至疲勞，間隔休息充分，使受試者完全恢復才可進行下一次測試，多數實驗測試要求受試者次間隔休息時間為30 min[24]，然而多數研究表明機體疲勞恢復至少需要24 h[25-26]。如果在機體尚未完全恢復的情況下進行下一次測試，累積的疲勞會縮短受試者達到疲勞的時間，從而低估了無氧能力。

圖4　P-t與W-t兩參數模型

2.4.2CP測試的有效性

為了評價CP測試無氧能力的有效性，眾多的研究通過CP與Wingate試驗作比較，如Nebelsick-Gullett等人[27]對25名女性受試者通過W-t的線性關系評價了無氧能力，認為無氧能力與30 s的Wingate試驗結果存在高度相關(r=0.74)；Hill等人用CP與最大氧虧積累作比較以此評價無氧能力，研究發現13男與13女的W’與MAOD無明顯統計學差異，并且具有較好的相關性(r=0.55-0.62)。為此Hill贊成W’可以作為評價無氧能力的可靠參數[28]。

2.5總效率(GE)檢測

通過總效率方法評價機體無氧能力是建立在通過計算有氧機械功率和總輸出功率減去有氧功率求得無氧功率的理論基礎之上的，如圖5所示[29]。有氧機械功率可以通過代謝輸入功率PI計算求得，即PI×GE。GE通常被定義為機械輸出功率(PO)與代謝輸入功率(PI)的比值，PI可以通過PI=VO2×((4940RER)+16040)公式計算求得，在確定GE時，需讓受試者進行亞最大強度的穩態訓練，在公式中，RER代表呼吸交換率(≤1.0)，只要求得PO、VO2、RER、GE，無氧機械功率便可以求得[30-31]。

2.5.1GE測試的可靠性

國內外研究文獻較少涉及GE作為評價無氧能力的指標方法，同時缺少測定GE方法的標準。Koning等人[32]讓有訓練經歷的受試者(n=28)進行了1 min、3 min和6 min的漸增負荷運動，以此確定了測試GE所需要的運動時間及相對強度，工作能力通過GE和最大功率輸出(PPO)評價。與此相對應的研究為9名受試者，GE的測試強度為50%PPO，測試前不進行漸增強度負荷。在3-和6-min時，GE值相似(19.7±2.8%和19.3±2.0%)，但在1 min時，測試值偏高(21.1±2.7%)。在50%PPO以及通氣閾強度以前，GE隨著強度增加而增大，然后處于穩定狀態。同時該研究表明工作能力與GE不存在相關性。

圖5　總效率圖

2.5.2GE測試的有效性

在訓練過程中能夠準確連續地反映訓練效果是機能評定的特點之一。Hopker等人[33]研究表明，GE在一個或者多個賽季后會得到提高，主要原因是運動員在訓練量或者訓練強度方面的提高，所以Simon[34]的研究集中在了通過訓練能否改變GE上。Hopker等人讓29名耐力運動員在12周內完成三次實驗室測驗，測試了GE和最大攝氧量，受試者被隨機分成A、B兩組，在前6周中，A組運動員每周進行兩次專項高強度訓練，B組運動員未進行大強度訓練；在后6周，B組運動進行高強度訓練，A組運動員不進行強度限制，研究結果顯示，在前6周，A組GE增加(+1.6±1.4%；p<0.01)，而B組GE無顯著改變(+0.1±0.7%；p>0.05)。在后6周，B組運動員GE增加明顯(+1.4±0.8%；p<0.01)，A組運動員GE改變不大(+0.4±0.4%；p>0.05)。此研究表明高強度訓練是改變GE的重要因素，同時Hopker等人在2009、2010年的研究顯示，訓練可增加GE，但是最大攝氧量不變，這無疑為GE作為評價無氧能力方法指標提供了可靠的理論依據。

3　結論

應用具體測試方法準確反映運動員在實際運動項目中所表現出來的無氧能力是無氧能力檢測的價值追求。在五種測試方法中，MAOD、最大血乳酸、CP在測試可靠性與有效性上存在較大爭議，爭議的焦點在于能否定量準確地表達無氧能力。但是MAOD、最大血乳酸和CP可以作為定性評價運動員無氧能力的有效方法。運動后過量氧耗與MAOD作為測試方法在定義表達上存在一致性，但實際測試過程中受諸多因素影響，故不能作為評定無氧能力的科學手段。MAOD與W’在測試無氧能力方面缺少在運動過程中有氧與無氧能量產生分配比例的相關信息，GE測試方法卻能夠表達二者的分配問題，這對于評價與監控周期性耐力項目全程速度節奏意義重大，GE也是唯一考慮了長時間運動過程中能量利用率降低問題的方法，對于進一步理解疲勞是有利的。GE的耗時較少，但要求運動員在高強度運動達到穩定狀態且RER≤1.0。在對運動員無氧能力進行調控時，MAOD或GE可以作為測評方法，但W’并不能真正反映無氧能力。由于運動員個體之間存在著差異性，五種測試方法各自存在優缺點，在使用過程中要結合運動項目的動作模式，活動肌肉的質量、數量，以及運動持續時間等變量因素來進行測評。各種測試方法不能交叉使用。

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On the Reliability and the Validity of Anaerobic Capacity Testing Methods

LI Zhao

(Department of Physical Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Anaerobic capacity has important significance in sports training and competition, but the theoretical study still has some weakness and limitations. In view of this, this article induces and combs evaluation principles, reliability and validity of anaerobic capacity evaluation, including maximum oxygen deficit accumulation test, maximum blood lactate test, excessive post-exercise oxygen consumption test, gross efficiency and critical power test. It is put forward that the maximum oxygen deficit accumulation test, the maximum blood lactate test and critical power test can be effective methods for the qualitative evaluation of anaerobic capacity of athletes; while excessive post-exercise oxygen consumption is affected by many factors, thus there is a big deviation in the evaluation of anaerobic capacity; when monitoring athletes’ anaerobic capacity, the gross efficiency test is capable of expressing the distribution of anaerobic and aerobic energy in the exercise process, this method also takes energy efficiency deduction into account during the long course of exercise, so, this method is advantageous for further understanding fatigue and evaluation of exercise rhythm. Because there are individual differences and sport evens features, it should be evaluated according to the actual situation, the five test methods can not be used interchangeably in the testing process.

anaerobic capacity test; maximum oxygen deficit accumulation; maximal accumulated blood lactate; excessive post-exercise oxygen consumption; critical power; gross efficiency; reliability; validity

2016-04-27

李釗(1987-)，男，山東淄博人，在讀博士，助教，研究方向為運動訓練理論與方法。

G804

A

1008-3596(2016)05-0051-08