步行能量消耗影響因素的研究綜述

（浙江大學教育學院體育系，浙江 杭州 310012）

【摘要】：本文從目前國內外的研究現狀出發面對文中涉及到的步行活動、能量消耗的基本概念做了界定，進而指出了測試者的生物學因素、環境因素對其能量消耗影響的重要性。然后通過對運動強度的分析，引出了速度并不是影響能耗變化的唯一負荷因子。在同一速度下，人們可以通過步頻和步幅的變換，有不同的步行方式，進而可能帶來能量消耗上的變化。最后，論述了用步頻界定運動強度，對指導步行健身活動有著重要的實踐價值。

【關鍵詞】：步行活動；能力消耗；影響因素

1、引言

近些年美國、日本及歐洲部分國家針對學生體質下降進行了大幅的報道[1]。大量研究表明，學生體質存在比較嚴峻的問題，大多數的學生都自評存在不同程度的體質下降、心理抗壓能力降低、社會適應能力降低等亞健康狀態。眾多科學研究數據證實，充足的身體活動能夠帶來很多健康效益，如體重控制、增強心肺功能，預防多種慢性疾病等[2] [3] [4]。

國際上健康權威機構制定了身體活動指南，提出“每位成年人為獲得健康效益確保每周進行5天、每次至少30min的中等強度的有氧運動”，“更大的運動強度會帶來 更多的健康益處”。在各種身體活動中，步行是最簡單、實用的一項活動，顯然，探索怎樣走、走多少步才能滿足指南要求將是很有意義的研究領域[5]。有研究者已經建立了以步數為參數的步行指導建議[6]，其中最廣為人知的是“每日步行10000 步 ”。但是，步行10000步是在非常有限的證據上建立，且實現每日10000萬步的目標對大多數人來講不大現實[7]。最重要的一點，該步行建議沒有包含運動強度。 運動強度是構建身體活動指南非常重要的一個參數，因為運動能帶來多少健康益處很大程度上依賴活動的強度[8]。本文就步行活動的能量消耗影響因素作一綜述，以期為未來國內的步行研究提供理論依據。

2、概念界定

2.1步行活動概述

體力活動（physical activity，PA）的概念很廣，被人們普遍接受的是Caspersen CJ等人[9]提出的定義：由骨髂肌收縮引起能量消耗增加的各種身體活動。主要包括職業性、交通性、家務性和休閑性體力活動四種類型。日常生活中的體力活動常可分為基礎活動和提高健康水平的活動即鍛煉。基礎活動指的是每天都進行的低強度體力活動，如站立、電腦操作、手持輕物等，而鍛煉指的是有最終和階段目標的，有計劃的，有組織的，重復的，以保持或提高體適能為目的的體力活動[10]，通常包括跑步、武術、瑜伽、各種球類運動等等。而步行是一個由包括神經、生理感知、骨骼和視覺等多個系統同時配合的連續過程，步行也是所有運動技巧中最熟練的一種，它是一種既有益健康又非常普遍的體力活動方式，也是簡單、經濟且有效的健身活動，世界衛生組織甚至在1992年提出：步行是最好的運動。步行訓練不需要專門的訓練場地以及特殊的器械，是深受大眾喜愛的鍛煉方式。

2.2能量消耗

人體各種生命活動都與能量代謝的過程密切相關，通常把生物體內物質代謝過程中所伴隨的能量釋放、轉移、貯存和利用稱為能量代謝（energy metabolism）。人體所需的能量來源于食物中的糖（CHO）、脂肪（Fat）、和蛋白質（Protein），來維持體溫和新陳代謝的不斷進行。能源物質在體內氧化時所釋放的能量約 50%直接轉化為熱能，用于維持體溫，其余 50%是可被機體利用的自由能，以化學能的形式儲存在三磷酸腺苷的高能磷酸鍵內，可轉化成機械能供肌肉利用，另外也可轉化成大眾的生物能量，供細胞活動利用[11]。

能量消耗一般分為基礎代謝、體力活動能量代謝和食物的特殊動力作用三類。基礎代謝是維持生命活動的最低能量消耗，約占總能量消耗的 60%～75%，是總能量消耗的主要部分。個體間的基礎代謝率值受身高、體重、年齡、性別、環境等影響，一般男性比女性高，兒童、青少年比成年人高，寒冷時比溫暖時高。個體在正常情況下基礎代謝率比較恒定，但同年齡、同體重、同性別的正常成年人基礎代謝率差別大部分在 25%以內。體力活動能量代謝是每日日常能量消耗的最重要組成部分，占人體總能量消耗20%-30%，是機體能量消耗變化最大的部分，也是最容易調節的部分2。

步行是最常見的身體活動，其消耗的能量占日常總能耗的比例很高，影響著每日總能耗水平。影響步行能耗的因素很多，包括人的生物學因素，比如年齡、性別、身高、體重、鍛煉水平、體質狀況等，還有步行的方式，比如強度、時間、步行姿勢、步幅大小等，當然環境、場地等外在因素也會影響步行能耗。

3、步行能耗的影響因素

3.1 測試對象的生物學因素

盡管從事相同運動，不同人消耗的能量有差別。研究證明，年齡、性別、體重等生物學因素影響著能量消耗水平。

年齡是靜息能量消耗的獨立影響因素，隨著年齡增長，靜息代謝率逐步降低。中年及老年人靜息能量消耗減少，且這種能量消耗的改變是獨立于體重和體脂量變化而存在的[12]。年齡對運動中能耗水平也有影響，多數研究認為，相同運動下老年人的能耗成本要高于年輕人。Pearce 等的研究中 55～66 歲男性與 19～29歲男性相比，同樣速度的跑步時能量消耗不同[13]。也有很多文獻指出，健康的老年人特別是 65 歲以上的人群步行時的能量消耗高于年輕人[14]。但是也有研究發現，在同一強度下行走時年齡和體重并不對能耗有影響[15]。

由于男性和女性身體結構和生理功能存在差異，女性的靜息能耗低于男性，即使除去了體重和去脂體重的影響，這種性別差異仍然存在。同樣，男女在運動能量消耗和底物利用特征上可能存在一定程度的差異[16]，在相同速度下，男性的絕對能耗（kcal）大于女性，毋庸置疑，男女絕對能耗之間的差別與體重密切相關。王麗的研究結果顯示，性別對步行能耗的影響較小，男性與女性在不同速度下的身體活動能耗（AEE）皆無統計學差異[17]。

國內對 8 名普通男大學生和 10 名普通女大學生進行的自行車能量消耗測定實驗中，機體總能量消耗和底物代謝存在一定性別特征，在相同運動強度（%VO2max）下，女生脂肪供能比例高于男生；總能量消耗、糖供能比例和糖氧化量均低于男生；每公斤體重脂肪氧化量和供能量無性別差異[18]。研究顯示，與相同運動水平的男性相比，女性可以利用較少的肌肉糖原完成同樣的工作負荷。此外，女性骨骼肌細胞內的脂肪含量顯著高于男性[19]，肌纖維的組成以及肌肉組織中脂質物含量有性別差異，導致了能量消耗的差異體重與身體成分：能耗和體型關系密切。

研究表明，做相同強度運動時肥胖者靜息狀態和總能量消耗明顯高于正常體重者，這可能與肥胖者有較大的體表面積有關。雖然正常人和肥胖者的能量代謝差異顯著，但以去脂體重來衡量的話，兩者之間差異不明顯[20]。Aull 等把 55 名女性分為肥胖組（11 人）、超重組（16 人）和正常體重組（28 人），對她們的多種活動方式進行了能量消耗的測定，研究結果表明，各種活動的絕對能量消耗為肥胖組>超重組>正常體重組，但各組之間攝氧量/去脂體重沒有顯著差異[21]。

3.2測量環境與場地

3.2.1地面材質、坡度

步行活動的地形是可以影響能量消耗的。跑步或步行在沙灘上可以增加能量消耗接近一倍，而在軟雪上進行同樣的活動能量消耗會更多[22]。研究表明，從水平走到斜坡走之間轉換的過程中會發生很多生理變化，如神經肌肉控制模式的變化、拮抗肌之間協同收縮、軀干姿勢的變化、步幅步態的變化，這些都會影響到耗能效率[23]。地面材質和坡度的多樣性給步行能耗的準確測量帶來了困難。現在使用最多的傳感器（加速度計和計步器等）在估算平地走時還比較準確，當評估在不同地面進行的步行活動時其效度并不令人滿意[24]。未來步行測量儀器的發展方向首先要使感應器既能識別步行速度又能識別走的坡度，其次在軟件上配備科學的活動量計算公式，才能準確評估生活中的步行活動水平。

3.2.2氣溫、溫度

Dauncy 研究以 9 名體重正常的女性為研究對象將環境溫度從 28℃降到 22℃時，產熱量明顯增長 7%[25]。BlazaGarrow 研究了 5 名偏瘦及 5 名肥胖女性熱量損失的不同，研究的溫度在高溫（25.0℃～28.0℃）和低溫（22.0℃～24.5℃）兩個極端溫度之間，發現偏瘦的女性熱損失在低極限溫度下比高極限溫度下平均高出 7.1%，而肥胖女性則低了 5.8%[26]。，關于男性在適中的溫度下 24 小時能耗的報道幾乎沒有，但是高溫度下能耗增加的可能性由 Consolazio 等人提出[27]。沙漠環境中，氣溫達到 40℃的地方，軍隊人員進行輕度活動時，攝入的能量比預計需要的能量大約多出 4MJ/d。認為在高溫環境中能耗增加是因為流汗的額外做功和大眾可能的原因。然而環境溫度增加對經常暴露于這些溫度中的受試者的能量需要影響很大的可能性受到近期一項研究的質疑，研究表明 34℃時，經過 10 天對環境適應了的年輕男子的能耗在 2h 內逐漸下降[28]。還有一種更加間接的方法研究氣候對能耗的影響，研究人員將許多世界不同地方的受試者的 BMR 值與不同年溫度及濕度結合起來。這項研究表明存在一種趨勢，BMR隨著增加的濕度及下降的溫度而增加。

3.3步行方式

影響步行能耗最主要的因素是強度，在一定范圍內，隨著步行速度的加快，能耗水平成比例增加。有研究者認為，能耗與運動速度之間的增長關系不成比例，因為隨著速度的增加需要額外的能量帶動四肢和軀干[29]。其中涉及到很多機械性因素，包括上身前傾需要保持更快速度下的平衡以及重心的垂直振動。相同速度下，不同步頻和步幅動作做功不同，能耗也會有差異。在步頻和步幅的最佳組合下步行，能量消耗可以達到最小化。 相關研究報道，增加上肢擺臂運動后，能耗比不加手臂動作多消耗 40%以上。在最新的研究中顯示，在2英里速度下行走時如果加上擺臂動作，那么其能耗比在3英里下行走不加擺臂動作時的能耗要高。這一數據說明，當使用雙動力跑臺進行測試時，可能有利于那些行走速因自身限制而達不到要求的人（如肥胖者、關節炎患者、老年人等）。此外，Franklin 指出，人們在訓練中應更好的運用手臂以使其訓練效果達到最優化[30]。

影響步行能耗的大眾因素如姿勢、步態等，也會造成能耗計算結果的個體差異。近期，但在“在健康老年人群（65 歲以上和 80 歲以上）中走的能量消耗與步態穩定性的關系”一文中[31]，作者將關注點放在了健康老年人行走中的步態與能耗的問題。假設步態的不穩定會增加能量的消耗。在研究中作者將老年人與年輕人進行比較，結果表明，能耗的大小和步態是無關的。

4、結論

總結國內外步行運動與能量代謝的研究，得出測量身體活動能量代謝的技術方法很多，每種方法都有自己的優勢和不足，其中便攜式肺功能儀采用測量每次呼吸的方法，對呼吸中氣體的流量、O2濃度、CO2濃度及環境的溫度、氣壓、心率等技術參數時時進行數據采集，通過專業的分析軟件，采用不同的分析方法來測量人體的心肺功能。其次，前人研究中都是以速度作為能耗預測公式的主要因子。不過，速度并不是影響能耗變化的唯一負荷因子。在同一速度下，人們可以通過步頻和步幅的變換，有不同的步行方式，進而可能帶來能量消耗上的變化。用步頻界來定運動強度，對指導步行活動研究有著重要的實踐價值。總之，速度是構建步行能耗預測方程最主要的因素，步頻和步幅作為描述大眾日常步行活動最簡便的指標在構建方程時有獨特的價值。同時，身高、體重、年齡、性別、下肢長等因子在增加預測方程效度的貢獻度不盡相同。高精度的能量消耗評估是步行運動健身科學化的基石，雖然國外生理學家已經建立了一些步行能量消耗參數，但這些參數是否適合中國人群尚沒有相關數據支持。

綜上所述，可以發現步行能量代謝研究一直受到關注。盡管從 20 世紀 60 年代開始了相關研究，并取得很多研究成果，但是仍有很多研究領域存在一些疑問，尚需要進一步論證。

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作者簡介：王健，男，1992年6月生，浙江省臺州人，浙江大學教育學院2015級體育系研究生，研究方向：運動訓練。