高校高水平男子短跑運動員有氧能力與無氧能力特征研究
——以大連理工大學為例

劉 昕，夏培玲，姜廣富

（大連理工大學體育教學部，遼寧 大連 116024）

短跑是典型的以無氧代謝為主的運動項目，關于短跑無氧代謝方面的研究一直備受關注[1-3]。然而，近幾年隨著我國優秀短跑運動員頻頻在世界大賽中嶄露頭角，研究者們發現，我國優秀百米運動員從起跑到加速階段的水平已經接近世界頂級水平[4-5]，可是對于最大速度的保持以及百米后程階段的速度耐力等方面的表現，與世界頂級水平還存在一定差距。許多研究者和教練員已經意識到短跑不僅需要很好的肌肉爆發力、速度和專項技術，而且還要有較高的速度耐力水平[6]，這需要一定的有氧代謝能力作為基礎[7]。

肌肉做功的能量來源有2個途徑，首先是無氧代謝供能，包括無乳酸供能和乳酸供能，其中無乳酸供能是指體內存儲的磷酸原供能過程，供能物質包括ATP和磷酸肌酸，乳酸供能是糖原進行糖酵解產生乳酸的供能過程。其次是有氧代謝供能，是指有氧氣參與的糖原和脂肪氧化產生能量的過程。無氧代謝供能的特點是在短時間內提供大量能量，而有氧代謝的特點是能量供應時間較長，但是單位時間內供應量小[8]。國外已經有大量的研究表明，所有運動的能量供應都是由這3種能量供應方式共同參與，只是相應的比例不同而已[9-10]。而對于短時大強度運動中有氧和無氧供能的比例，國外學者Gastin也綜述了相關研究，發現從6s到90s力竭運動中有氧供能比例為5%～58%[9]。

對于短跑運動員無氧能力的研究已經非常廣泛了，比較經典的研究內容就是對短跑運動員進行30sWingate無氧能力測試，分析其相關指標的變化特點等。而國內對于短跑運動員有氧能力的研究并不多見。高新友等人研究了女子短跑運動員在有氧遞增測試中的呼吸代謝變化特征，結果發現女子短跑運動員的呼吸代謝機能具有階段性變化的特征[11]。隨后高新友對男子短跑運動員在有氧能力測試中的氣體代謝變化與普通大學生進行對比研究，發現短跑運動員的攝氧量、CO2呼出量、呼吸商及氧脈搏絕對值及增加速度都明顯高于普通大學生[12]。這些研究代表了目前國內關于短跑運動員有氧能力的研究現狀。如果在無氧測試中加入心肺功能測試，則能夠很好地反映機體在達到無氧疲勞過程中有氧代謝的水平。同時結合短跑運動員的最大攝氧量測試，可以進一步評估短跑運動員的心肺功能和無氧做功情況，進而了解短跑運動員的有氧能力和無氧能力生理特征。

1 測試對象與方法

1.1 測試對象 受試者均為大連理工大學校田徑隊短跑組12名在訓男子運動員（年齡20.2±1.3歲，身高178.7±5.4cm，體重68.8±4.9kg），4人專項為100m,3人專項為200m，2人專項為400m，1人專項為100m欄，均為國家二級運動員以上水平，平均訓練年限約為5年，所有受試者無傷病和抽煙史。在測試前，已經向受試者詳細說明整個測試過程及注意事項，所有受試者均簽署《知情同意書》，同意并自愿參加本研究。本研究所有測試均在大連理工大學運動人體科學實驗室進行。大連理工大學生物與醫學倫理委員會已經審核和批準所有測試程序。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法 通過中國知網、萬方、Elsevier以及web of science等數據庫大量引用幾十年來的文獻資料，其中以“無氧能力 短跑”“wingate 短跑”“有氧能力 短跑”“心肺功能 短跑”“氣體代謝 短跑”“遞增負荷 短跑”為關鍵詞查閱了約80篇中文文獻，以”wingate sprinter”“gas metabolism sprinter”“VO2sprinter”為關鍵詞查閱了約60篇英文文獻。通過對文獻資料的分析、整理以及總結，對國內外運動員有氧能力特征及無氧能力特征有了進一步的了解和掌握，為分析高校高水平短跑運動員的有氧和無氧能力特征方面起到一定的參考依據。

1.2.2 測試法 受試者在功率自行車（PowerMax VIII，Combi Wellness, Japan）上進行有氧能力測試和無氧能力測試。功率自行車的座椅根據受試者的身高進行調節，當受試者的單側腳踩在最低點時，同側腿膝關節角度基本保持稍微彎曲狀態，以至于運動時腿部能夠完全伸展。在測試前，受試者佩戴呼吸面罩和心率帶（Polar，芬蘭），使用心肺功能測量儀（MetaLyzer 3B，Cortex Biophysik，Leipzig，Germany）對心肺功能參數進行測量。采集呼吸氣體并對其進行分析，從而評估受試者能量代謝特征。呼吸面罩每次使用后用酒精消毒，氣體分析儀在測試前均按照使用要求進行校準。心肺功能記錄儀采集的每次呼吸數據、輸出數據為5s平均數據。

1.2.2.1 有氧能力特征測試（最大攝氧量測試，VO2max測試）

1）熱身活動

在測試開始前，安排受試者進行3個熱身運動，即固定阻力變轉速、固定轉速變阻力，以及設置測試時相同的轉速在短時間內變換7個阻力。熱身活動是模擬VO2max測試自行車阻力和轉速的變化而設置的。安排熱身運動，一方面是為了降低受試者肌肉的粘滯性，防止運動損傷；另一方面，也是為了讓受試者提前適應測試當中設置的負荷和轉速，使其在正式測試時取得最佳的測試效果。

2）測試方案

受試者熱身后休息5～8min，進行正式測試環節。測試方案：自行車轉速保持80rpm，阻力分別設置為0.5kp、2.5kp、3.0kp、3.5kp，每個阻力持續3min，運動至力竭。在測試前靜止3min，運動至力竭后恢復3min，測量氣體代謝指標和心率變化情況。在測試中，受試者達到以下4項標準中的2項，可判定為受試者力竭[13]：①呼吸交換率在1.10以上；②最大心率達到220-年齡；③隨著自行車功率增加，受試者最大攝氧量（VO2max）呈下降趨勢；④經口頭鼓勵3次以上不能繼續保持80rpm。

3）測試指標

心肺功能指標：攝氧量（VO2）、CO2呼出量（VCO2）、呼吸商（RQ）、每分通氣量（VE）、氧脈搏（VO2/HR）、呼吸當量（VE/VO2）、呼吸頻率（RR）、潮氣量（TV）以及心率（HR）。

1.2.2.2 無氧能力特征測試（30sWingate測試）

Wingate功率自行車測試是一種經典的無氧運動能力測試，其平均輸出功率與速度性項目的運動成績之間存在相關性，因此采用Wingate無氧功率測試對短跑運動員進行基礎能力和訓練狀態評定是國內外常用的一種方法[10]。

1）熱身活動及測試

功率自行車阻力設定：功率自行車阻力=阻力系數×體重，阻力系數為0.075[14]。測試前，受試者在未設置阻力的功率自行車上進行2～3min熱身活動，然后休息3～5min。設置功率自行車阻力，調整座椅高度，受試者佩戴呼吸面罩和心率帶，用全力蹬踏自行車30s。測試過程始終對受試者進行口頭鼓勵，使其盡最大努力和最大速度進行蹬踏。與VO2max測試相同，測試前靜止2min，測試后恢復3min，測量氣體代謝指標和心率變化情況。

2）測試指標

①30sWingate無氧能力指標：最大輸出功率（PP），是指30sWingate測試中每5s最高功率輸出（單位：W），本研究使用W和W/kg來表示絕對值和相對值；平均功率（MP），是指WT測試中30s平均功率輸出，也使用W和W/kg來表示；疲勞指數（AFI）。功率自行車每一圈騎行的距離是6m，無氧能力相關指標的計算公式為[15]：

最大輸出功率=阻力×距離/時間（每5s）（1）

平均功率=阻力×距離/時間（30s）（2）

無氧疲勞指數=（最大輸出功率-最小輸出功率）/最大輸出功率×100%（3）

②心肺功能測試指標同有氧能力中的測試指標。

1.3 數理統計法 本文數據均采用平均數±標準差（Mean±SD）。數據的統計分析在IBM SPSS21.0軟件環境下完成。對短跑運動員VO2max測試和30s Wingate測試的所有氣體代謝指標（包括VO2、VCO2、RQ、VE、VO2/HR、VE/VO2、RR、TV、HR）采用配對樣本t檢驗，對30sWingate測試中無氧功率指標（PP、PP/kg、MP、MP/kg）和氣體代謝所有指標進行皮爾遜相關性分析。顯著性水平定義為P＜0.05。

2 結 果

2.1 有氧能力相關指標測試結果 表1為VO2max測試與Wingate測試后最大心肺關鍵參數。除了呼吸頻率（RR）和呼吸當量（VE/VO2）Wingate測試高于VO2max測試外，心率（HR）、潮氣量（TV）、氧脈搏(VO2/HR)、每分通氣量(VE)、攝氧量(VO2)、二氧化碳呼出量(VCO2)和呼吸商（RQ）相應最大值均為VO2max測試高于Wingate測試。表1同時也顯示出，在Wingate測試后心肺關鍵參數占VO2max測試最大心肺反應的比例。

Wingate測試后VO2和VO2/kg峰值顯著低于VO2max的測試中的相應最大值，所占比例均為88%；RR和VE/VO2峰值高于VO2max測試中的相應最大值，所占比例為133%和110%，并且RR峰值呈現顯著性差異；Wingate測試中TV和VCO2峰值非常顯著低于VO2max測試，所占比例分別為79%和83%。Wingate測試中HR、VO2/HR、VE和RER峰值占VO2max測試相應峰值的比例分別為90%、94%、89%和94%

2.2 短時運動中有氧能力和無氧能力相關指標變化

圖1 30s Wingate測試中攝氧量（VO2）和無氧最大功率（PP）變化圖n=11Figure 1 Changes of the peak power output and VO2 in 30 wingate tests(mean±standard error of the mean ,n=11)

表3 受試者30s Wingate測試中無氧功率相關指標測試結果 n=11Table 3 The value of anaerobic power variable in 30 wingate tests

由圖1可以看出，在Wingate測試中，最大功率呈現先上升后下降的變化趨勢，即在運動10s達到最大值；而攝氧量則顯示出與之相反的變化趨勢，即在整個測試中逐漸升高，在最后25～30s達到最大值。

表2顯示30sWingate測試中平均功率（MP）的絕對值和相對值與心肺功能參數的皮爾遜相關性分析的結果，其中MP與VO2/HR為正相關（0.55），MP與HR為負相關性（-0.5）。

2.3 無氧能力相關指標測試結果 表3顯示受試者參加30s Wingate測試中最大功率、相對最大功率、平均功率、相對平均功率以及疲勞指數相應測試結果。

3 分析與討論

3.1 高校高水平男子短跑運動員無氧能力特征Wingate無氧能力測試反映的是機體在短時間內、無氧條件下發揮出的最大力量和速度。受試者一般在運動后5～10s達到最大功率，然后功率輸出穩定下降直至運動結束。Wingate測試開始后5～10s達到最大功率，該階段中以磷酸原系統供能為主，它的特點是供能速率快，但是維持時間短[16]。

最大功率（peak power,PP）是反映肌肉在單位時間內產生機械功的能力，用于評價肌肉的爆發力，是衡量無氧能力的一個重要指標。它的值越大，說明肌肉的爆發力越強，肌肉的爆發力屬于快速力量或稱速度力量，是短跑運動員必備的專項素質之一。本研究受試者基本都在運動后10s達到最大功率，該階段也體現出磷酸原系統供能的特點，即供能能量大、速率快，但維持時間短。平均功率（mean power，PP）是反映肌肉維持高功率運動的耐力，是30s時間內所有運動速率的平均，用于評價速度耐力，其值越大，表明其速度耐力越強。速度耐力是保持運動員高速運動的能力，也是短距離項目保持最大速度的能力，是取得優異成績的關鍵素質之一。無氧疲勞指數（anaerobic fatigue index,AFI），通過運動功率的遞減率來評價無氧疲勞產生的速率，它反映了機體的抗疲勞能力[17]。

表1 VO2max 測試與30s Wingate測試中心肺關鍵參數最大值一覽Table 1 Cardiorespiratory variable maximum value in VO2max test and 30s Wingate test

表2 30s Wingate測試中平均功率（MP）與心肺功能參數的相關性 n=11Table 1 Correlation of Absolute Value, Relative Value of Mean Power (MP) and Cardiorespiratory variable in 30s Wingate Test n=11

表4 受試者和其他文獻中優秀男子運動員無氧功率比較Table 4 The comparison of anaerobic power to different subjects in 30 wingate tests

從表4可以看出，國外學者P.Granier等人[18]研究法國省級優秀短跑運動員在PP、PP/kg、MP、MP/kg方面都高于本研究受試者。相對于全美大學體育協會(NCAA)一級運動員平均水平來說[19]，本研究受試者PP、MP均低于NCAA一級運動員平均水平，說明本研究受試者在爆發力和肌肉平均做功方面與其還有一定差距，磷酸原和糖酵解供能能力有待加強；在PP/kg、MP/kg以及AFI指標上都略高于其平均水平，說明本研究受試者在速度耐力和抗疲勞方面與NCAA一級運動員平均水平相當。與不同運動項目對比中，短跑運動員在無氧做功方面優于其它項目優秀運動員[20-22]，也顯示出短跑無氧代謝為主的項目特點。

3.2 高校高水平男子短跑運動員有氧能力特征 本研究結果顯示，30sWingate測試中絕對和相對VO2峰值均占VO2max測試VO2max的88%，HR峰值占比為90%，這與Yagesh Bhambhani等人的研究結果相似（VO2占比86.7%，HR占比94%）。據文獻記載，VO2是由Fick等式確定的，這個等式把心輸出量和動靜脈氧差用數學量化出來[13]。對于這個量化數據，曾經有大量的研究用來評估在運動中是心輸出量（中心）還是動靜脈氧差（外周）限制了VO2max。Yagesh Bhambhani等人通過近紅外光譜（NIRS）對30sWingate測試和VO2max測試的肌氧動態進行評估，發現2種測試的組織脫氧水平相似，進而說明30sWingate測試中VO2峰值低于VO2max測試并不是因為外周原因造成。他們發現，相對于VO2max測試，Wingate測試中HR較低，2個測試間VO2最大值的差異可能是因為HR的差異造成的。他們通過氧脈搏來進行分析。心臟每次搏動輸出的血量所攝取的氧氣，稱為氧脈搏（VO2/HR），它是由每分輸出量（即心輸出量）和動靜脈氧差確定的。由表1得出，相對于VO2max測試，30sWingate測試中的氧脈搏稍微低一些。Yagesh Bhambhani等人經過研究發現，相對于VO2max測試，30sWingate測試中氧脈搏低5%～7%，但是組織脫氧水平相似，就間接說明了30sWingate測試中VO2峰值相對較低是由于心輸出量較低造成的，而心輸出量的這種差異他們猜測有可能是30sWingate運動時間太短產生的[22]。

Fontana P等人[23]假設如果一個30sWingate能夠明顯提高每搏輸出量和心輸出量，那么最大攝氧量的提高就可能解釋為氧傳遞的提高。他們在對受試者進行持續2～3周Wingate測試訓練項目后，進行了30sWingate和VO2max測試，受試者最大攝氧量提高了，30sWingate測試中VO2和HR峰值低于VO2max測試，他們測量并計算了受試者的心輸出量和每搏輸出量，計算的結果與Yagesh Bhambhani分析有差異。Fontana P等人發現，相對于VO2max測試最大運動來說，30sWingate測試后心輸出量是相似的，每搏輸出量相對較高，心率較低。他們認為這說明一個30sWingate產生了血液動力學反映。筆者認為這2個研究產生差異的原因是受試者，前者研究對象為高水平運動員，而后者研究對象為普通人，顯然運動員的心肺功能要強于普通人，所以前者分析認為30sWingate測試中心輸出量低于VO2max測試，而后者研究結果為2個測試心輸出量相似。

心輸出量（cardiac output），一般是指每分鐘左心室射入主動脈的血量。通常所說的心輸出量是指每分輸出量，每分輸出量等于每搏輸出量與心率的乘積。每搏輸出量（stroke volume）是一側心室每次收縮所射出的血量，簡稱搏出量，而每搏輸出量又決定于心肌收縮力和靜脈回流量[24]。眾所周知，30sWingate測試是無氧功率測試，可是測試后心肺功能指標接近VO2max測試中相應指標的最大值，若2種測試的組織脫氧水平相似，肌肉中肌紅蛋白貯藏的氧氣量極少，那么產生這種情況的原因可能主要就是心肌收縮力，進而說明30sWingate測試后期心肺有氧代謝可能參與供能。

3.3 短時運動中的有氧與無氧特征 已有研究表明，在30sWingate測試最后幾秒有氧代謝參與供能[25-26]，所以筆者通過對30sWingate測試中無氧功率指標與心肺功能指標進行皮爾遜相關性分析得出，心率與平均功率MP負相關（r=-0.5）；氧脈搏與平均功率正相關（r=0.55）（見表2）。本文的研究結果與姜文凱等人[7]對優秀女子短跑運動員有氧-無氧能力的研究結果基本一致，他們通過研究發現最大有氧能力試驗中的最大通氣量、最大攝氧量和最大功率3個主要指標與30sWingate無氧試驗中最小功和平均功率呈正相關，而與起始功和最大功率無關。由表1和圖1可知，本研究把30sWingate測試后的心肺反映指標與VO2max測試得到的最大心肺指標進行對比，30sWingate最后5～10s基本為最小功率，而恰在此時，心肺指標快速增長，以至于30sWingate測試后的VO2、VE、TV、VO2/HR、VCO2以及HR峰值分別占VO2max測試最大值的88%、89%、79%、94%、83%和90%，更進一步說明了30sWingate無氧功率測試和有氧能力之間的關系。美國的學者Nico Hofman經研究發現[27]，夏訓期間獲得的Wingate測試結果能夠很好的預測在隨后冬季1500m速度滑冰運動成績的提高。這說明Wingate測試可以很好地應用于實際的運動訓練中。

從能量供應方面來看，人們普遍認為最大輸出功率來源于ATP-CP能量供應，而平均功率（MP）則主要為無氧糖酵解供能。但Jimmy C.Smith等人[28]通過6名健康男性受試者30sWingate測試，對30sWingate測試中能量系統供應情況進行研究發現，ATP-CP供能在第一個5s達到最高值，從最高值到10s，ATP-CP供能快速下降。糖酵解供能在10～15s有提高，并且達到糖酵解系統的最大值。有氧供能在測試中逐漸升高，在最后5s，VO2超過了VO2max的90%（與本研究結果一致），并且有氧代謝提供了ATP再生必需能量的35%。在整個30s Wingate測試中，有氧供能占16%，糖酵解供能占56%，ATP-CP供能占28%，他們由此推論，在高能運動中，糖酵解供能在前15s達到最高值；而且，有氧代謝在“無氧”運動中反映非常快，對于運動表現有顯著的貢獻。

30sWingate測試中平均功率代表運動員的速度耐力，心率和氧脈搏同時與平均功率相關，也揭示了心肺功能與速度耐力之間的關系。速度耐力是一種非常重要的能力，這種能力會導致在100m或200m最后階段或速度趨向于下降的幾秒鐘保持較高的跑動速度。Krzysztof Kusy等人[29]對一名國家隊短跑運動員的一組短距離反復跑（60m、60m、100m、120m）中有氧和無氧供能進行研究，發現有氧、無氧無乳酸、無氧乳酸能量來源比例為11.1%、46.4%、42.5%。短距離反復跑是典型的速度耐力訓練，他的研究說明了速度耐力運動中有氧和無氧能量供應的比例，從而也說明速度耐力運動依靠無氧代謝和有氧代謝。

4 結論與建議

4.1 結論 本文通過自行車VO2max測試和30s Wingate測試對短跑運動員進行了心肺功能和無氧能力測量，發現短跑運動員在30sWingate測試后的攝氧量峰值接近VO2max測試中的最大攝氧量。心肺功能參數與30sWingate測試平均功率存在相關性，進而說明，短時高強度運動中速度耐力與有氧能力有關，為短跑運動員的科學訓練提供生理學理論參考。

4.2 建議 在短跑專項訓練過程中有人認為過分強調有氧能力的訓練有可能影響糖酵解系統供能能力的發展，不利于速度耐力的提高。這種想法可能也困擾了很多教練員，即對于短跑運動員進行有氧訓練和無氧訓練的“度”的問題。通過本研究，筆者認為教練員可以使用30sWingate測試對短跑運動員的階段性訓練進行檢驗，結合運動成績，對訓練方案進行調整和優化，從而提高運動員的專項水平。