軍人水中訓練研究進展

廖 婷 ，王 斌 ，宋小波 ，趙 華

體能訓練是形成部隊戰斗力的重要因素，是磨練軍事人員意志的核心手段。隨著現代軍事訓練對體能不斷提出的更高挑戰，軍事人員傷病問題凸顯，嚴重影響作戰能力（李欣 等，2019；欒曉維 等，2018；馬龍 等，2018；Zakowski et al，2019）。美國、澳大利亞、挪威、英國相關研究表明，低水平有氧能力、較差的柔韌性、肌肉力量與耐力的下降，是造成軍事訓練傷的主要風險因素（Blacker et al.，2008；Harman et al.，2008；Heir et al.，1997；Pope et al.，1999）。在軍事跑步訓練、行軍訓練與負重訓練中激增的訓練強度與量度，易導致骨骼肌過度使用而產生損傷（如應力性骨折）（Dijksma et al.，2019）。高強度的心理壓力也是軍事人員面臨的重要問題，如睡眠紊亂、恢復不足產生的焦慮等（Greeves，2013；Wilkinson et al.，2008），并常伴隨免疫系統的下降而受到傳染性疾病的威脅。

水中訓練（aquatic training）是在獨特的水環境中，充分利用水的物理特性，以直立身體姿勢狀態下的主動運動為標志的嶄新訓練方法（Brody et al.，2009）。由于水環境為平衡失調、負重減輕及其他陸上無法或難以完成的動作提供了可行性，水中訓練在軍事人員訓練傷預防（Wykle，2014）、康復（Wykle，2013）及體能提升（Eagle et al.，2016）上的效果越來越受到關注，尤其在軍事訓練的實踐領域被廣泛應用并不斷擴大范圍。

本研究在梳理軍事人員水中訓練發展現狀的基礎上，針對上述問題的成因、軍事訓練的適用程度與功能效益，在應用模式上著重介紹了深水跑、水中抗阻訓練和極冷環境下的水中適應性訓練，并對相關機制及在我國軍事體能訓練中的應用可行性進行了研究。

1 發展現狀

水中訓練是針對不同訓練目的與需求的多樣化水中運動，主要涵蓋水中康復與水中健身兩大領域。水中康復（aquatic therapy）是“通過水中具有治療性效益的運動實踐以改善患者功能的治療過程”（Becker，2009）。水中健身（aquatic fitness）將以游泳為代表的傳統水中運動延展為在淺水與深水中進行的直立運動（Aquatic Exercise Association，2017）。其中，以水中有氧、抗阻訓練為主，許多現代訓練理念，如高強度間歇訓練（high intensity interval training，HIIT）（Nagle et al.，2017）、快速伸縮復合練習（Asadi et al.，2012）、本體感受訓練（Thein et al.，2000）、平衡訓練（Roth et al.，2006）、功能性訓練（Tsourlou et al.，2006）等也在水環境中創造性地實踐，衍生出新方法。水中浮力、重力、阻力器材的研制，使水的特性得到了強化，更大化水中訓練的效能（Katsura et al.，2010）。

近年來，隨著軍事領域中的康復需求和政府的財政資助，軍事人員水中訓練發展迅速。2005年，美軍康復醫療部隊啟動了“水中康復和水中士兵訓練項目”（Aquatic Rehabilitation and Aquatic Warrior Exercise Programs）（U.S.Army，2010），其主要目的是為美國陸軍中肌肉骨骼損傷的士兵提供現代水中訓練的標準化訓練程序。根據美國軍醫處對軍事水中訓練提出的3項要求：1）定期進行足夠強度和持續時間的運動以全面提高身體素質，無負作用；2）多層面解決負重問題；3）對軍事體能訓練的能力提升進行水陸結合的補充，制定并實施了“受傷士兵的水中康復訓練項目”（Army's Aquatic Rehabilitation Program）和“水中士兵體能提升項目”（Aquatic Warrior Exercise Program）。2011年，美國海軍引進了該項目并改良為“水中最大爆發力強度訓練體系”（AMP-ITTM），將其與HIIT相結合，發展為海軍專項體能訓練的核心內容（U.S.Marine Corps，2011）。兩棲作戰能力是海軍核心戰備力的重要體現，對體能要求較高。根據臨床觀察與醫務監督報告，其中多項軍事技能有損傷風險，如不適當的舉拖船動作易引發胸椎/腰椎損傷；長時間高強度的游泳訓練易導致髖屈肌/腓骨肌腱炎；重復性、快速的頸部/下腰前屈動作與頸腰部損傷相關性顯著（Eagle et al.，2016）。美國海軍水中訓練強調在軍事專項技能訓練之前，強化髖屈肌、腓骨肌群、下腰部、頸肩部等易感部位的肌肉力量和肌肉耐力，對預防訓練傷起到了明顯效果（Wykle，2014）。

2 應用模式

2.1 深水跑

2.1.1 最大強度與次最大強度下的生理效應

經濟且高效的跑步能力對軍事人員至關重要。跑步訓練是軍事體育訓練的主要內容，也是軍事體能必考項目之一。目前高強度的陸上軍事訓練使軍事人員疲勞程度加重，出現各種程度的傷病問題。研究表明，在停止或降低軍事訓練強度的2～4周內，會出現有氧能力與心血管功能下降，并影響毛細血管密度、線粒體呼吸酶的活性、運動前肌糖原的儲備與脂肪利用率（Reilly et al.，2003）。對已產生訓練傷的軍事人員來說，浸入水的直接生理效應使體液在組織間轉換的速度加快，有助于減輕組織腫脹，增加心輸出量，幫助代謝產物排出，促進骨骼肌損傷修復（Killgore et al.，2006）。通過采用與陸上跑步相似的動作可在全面提高有氧能力的同時，增進與跑步專項表現相關的多項技術指標，并易于軍事人員掌握（Burns et al.，2001）。

由于深水跑比陸上跑臺時V.O2max和最大心率明顯下降，因此在水中只能依賴練習者自主提高強度到所能夠感知的極限值，且當接近極限值時會不自覺地縮短步長以保持步頻、降低疲勞度，Wilder等（1993a）認為，水中訓練無法達到真正意義上的最大強度。但是，Dowzer等（1999）認為，盡管無法達到最大值，但深水跑的訓練刺激足夠產生積極的生理適應。Michaud等（1995）指出，深水跑訓練后血乳酸濃度升高，并發現深水跑者有更高的呼吸換氣率、碳水化合物氧化率以及較低的脂肪利用率。在次最大強度練習中，Davidson等（2000）觀察到深水跑技術的熟練度可產生的生理效應影響，具體表現為熟練的深水跑者在練習中可達到與陸上相似的攝氧量值，且心率值較低。

2.1.2 生物力學特點

有研究表明，大量的陸上耐力性長跑訓練與軍事人員的高損傷率顯著相關（Knapik et al.，2006b）。為了避免“以跑代練”傳統方法的弊端，水中跑步被視為具有極強可替代性的軍事體能訓練方式。與陸上訓練中的重力作用不同，水中訓練時的浮力作用使趨向水面的運動得到支持，而趨向池底的運動受到阻力，導致水陸訓練之間的力學差異。由于水的密度約為空氣的800倍，深水跑訓練時對移動的肢體施加的阻力比陸上跑步大，不同的速度和體表面面積還會產生不同的附加阻力（So et al.，2019）。

Masumoto等（2013）對比了深水跑與陸上跑步時肌肉活動狀態與模式。通過陸上跑步測試確定深水跑的速度與適宜步頻。表面肌電結果顯示，深水跑時股直肌和股二頭肌的激活程度顯著高于陸上跑步，但腓腸肌活動程度顯著降低，并發現深水跑的下肢肌肉活動程度隨著步頻的增加而提高。在軀干肌肉活動方面，Billy等（2019）研究顯示，深水跑時腹橫肌的最大隨意收縮（%MVC）顯著高于陸上跑步。腹橫肌為骨盆脊柱提供穩定的肌筋膜帶，對于運動中的姿態穩定十分重要。在深水跑的重復性髖屈動作中，軀干不斷繞縱軸旋轉，使腹橫肌持續激活，幫助軀干克服水的阻力維持脊柱與骨盆穩定。Kaneda等（2009）發現，髖關節活動度在深水跑中顯著增大，并解釋為在非穩定漂浮狀態下骨盆對于股骨的穩定性需求（圖1）。

2.1.3 強度監控

監控深水跑強度的主要指標包括心率、自我疲勞感覺量表（rating of perceived exertion scale，RPE）和節奏/速率。心率（儲備心率）是常用的強度控制指標。在選用≥中性溫度水環境進行深水跑訓練時，必須考慮到浸入水產生的水中心率下降值，并使用6 s的心率計數，可避免水的快速散熱作用降低心率。Borg的RPE是練習者根據自身疲勞程度、環境和身體素質水平進行主觀感受評價的工具。Wilder等（1993b）改良了RPE，使其更適用于水中訓練，并被證明在日常訓練中具有更強的可操作性。在應用過程中，Glass等（1995）和Brown等（1996）發現，在相同跑速下深水跑的RPE水平顯著高于陸上跑臺。

節奏/速率被融入到深水跑訓練中，衍生為間歇式節奏深水跑（deep water interval cadence running）的訓練形式。Killgore等（2012）發現，節奏與RPE顯著相關，提出通過記錄心率所對應的節奏變化，可對不同節奏產生的生理效應進行預測，從而制定相應的節奏水平和間歇時間。Wykle（2014）采用水中心率監控裝置對美國陸軍士兵的深水跑適宜步頻進行測量，制定了有針對性的強度區間與30 s的間歇節奏，并每月通過“深水百步踏測試”（100 deep water step test）對訓練效果進行評估。根據美國陸軍數據統計，前測平均初始心率為92 BPM，結束心率為144 BPM，完成測試時間為85 s；12周訓練后，靜息心率平均下降49%（-4 BPM），結束心率提高62%（＋7 BPM），完成測試時間減少75%（-11 s）。

圖1 深水跑的生物力學分析示意圖（Kaneda，2009）Figure 1. The BiomechanicalAnalysis of Deep Water Running

2.2 水中抗阻訓練

在軍事野戰、武裝越野及戰役行動部署等訓練中，軍事人員必須穿戴防彈衣并攜帶必要的物資或器械。在兵種相同的情況下，不同體重的軍事人員所承載的絕對負荷一致。研究發現，承載重量相對于自身單次最大力量（1 RM）更小百分比的軍事人員，執行指定軍事任務時肌肉力量及耐力表現更優，完成情況更好。力量訓練可減少軍事人員負重期間與地面接觸所承載的相對負荷，降低相同力量輸出時機體的能量代謝需求，使其更專注于軍事技戰術的使用（Turner et al.，2016）。水中抗阻訓練（aquatic resistance training）是指在水中利用自身肢體或水中抗阻器材所造成的阻力，發展肌肉力量、耐力及爆發力的訓練方法。研究證實了水中抗阻訓練提高力量（Colado et al.，2009）、爆發力（Robinson et al.，2004）、柔韌（Kim et al.，2010）、身體成分（Colado et al.，2012）、心血管代謝危險因子（Jones et al.，2009）及降低陸上抗阻訓練損傷風險（Kevin，2014）的有效性。近年來，在軍事訓練中，水中抗阻訓練既可作為陸上抗阻訓練的有益補充，提高軍事人員戰備力并預防相關損傷，又是康復訓練項目的重要組成部分。

2.2.1 減重環境與損傷預防

由于骨骼肌過度使用而造成的損傷是軍事環境下最為高發的訓練傷類型。Finestone等（2008）調查了以色列輕步兵基礎作戰訓練周期中訓練傷情況，發現應力性骨折（女兵）、前膝疼和腰背痛最為普遍。美國步兵損傷調查報告指出，在訓練導致的骨骼肌損傷中，52%為下肢損傷，26%為下腰痛/損傷，22%為上肢損傷。Jones等（1993）揭示了高強度的行軍訓練和負荷承重與骨骼肌損傷的高相關性。水中抗阻訓練所處的獨特減重環境被認為是肌肉力量、耐力和爆發力素質安全有效提高的理想特性。受阿基米德定律（Archimedes principle）的影響，浸入水所造成的減重與浸入深度直接相關。在頸部深度浸入時減重90%，恥骨聯合深度浸入，水有效地減輕了人體體重的40%，當進一步浸入臍時達到50%，劍突浸沒可減輕體重60%。此減重效應使水中抗阻訓練的關節損傷及跌倒風險最小化，成為提高力量及心肺耐力安全的有效方式（Colado et al.，2012）。由于水環境的浮力作用，關節間壓縮力降低，運動損傷風險大幅度減少，尤其適合于緩解膝痛（Waller et al.，2013）及腰背痛（Waller et al.，2009）等問題。Pantoja等（2009）對比了水中與陸上抗阻訓練對肌肉創傷的影響，在相同強度與持續時間的情況下，血漿肌酸激酶在陸上訓練48 h后顯著提高（2倍），而水中訓練組無顯著差異，顯示水中抗阻訓練的加速恢復效果使其訓練頻度多于陸上。

軍事體能訓練的目的是為軍事作戰的多樣化任務提供身體素質的全方位保障。現代軍事任務需求復雜，對發力率提出了更高要求，爆發力訓練越來越受到重視。水中快速伸縮復合訓練（aquatic plyometrics）是以提高運動員爆發力、速度與跳躍能力為目的的水中抗阻訓練類型（Martel et al.，2005；Jurado et al.，2018）。Colado 等（2010）提出，水中抗阻訓練中單腿跳躍比陸上沖擊力較低，且峰值向心力較高，是提高跳躍能力的理想訓練方式。Alberton等（2013）證實，水中跳躍訓練在爆發力與速度素質的應用上可獲得與陸上訓練相媲美的提高效果，且肌肉酸痛度降低，關節壓力減少。Wertheimer等（2018）探索了8周陸上與水中快速伸縮復合練習組采用相同干預動作后對肌肉微損傷多項指標的影響，結果表明，水中干預組在肌酸激酶（creatine kinase，CK）、血清尿素（serumurea，SU）、乳酸脫氫酶（lactic dehydrogenase，LDH）指標上具有較低水平（P＞0.05）。本研究認為，水的天然阻力特性使離心收縮減少，并加快跳躍過程中離心收縮轉換為向心收縮的速度，因此增加了向心收縮阻力，降低急性肌肉損傷。

2.2.2 應用要素

軍事人員長期在各種形式的壓力之下，導致時常失眠、能量負平衡等（Henning et al.，2011）。根據一般適應理論，長期處于壓力狀態下時，機體難以產生超量恢復效應，出現力竭。血漿皮質醇等應激激素的增加，抑制人體免疫系統，導致軍事人員易受傳染、糖異生增加、肌肉萎縮（Kraemer et al.，2005）。因此，為了避免長期慢性受壓所產生的過度訓練現象，應高度重視周期訓練的應用。在軍事體能訓練環境下，水中抗阻訓練所采用的量、強度、頻率和訓練方式都對訓練效果具有重要影響，降低局部疲勞并促進超量恢復是主要目的。de Souza等（2012）提出，在訓練量與練習動作上，每周2次，每次10～15 min，3～6個目標大肌肉群的練習動作進行1～2組，每組20～25次即可；后期逐漸進階到每周3次，每次15～45 min，6～12個練習動作進行3～5組，每組8～15次最佳。Pinto等（2014）報道，在有氧訓練之前進行水中抗阻訓練才能更好地達到增肌效果和力量增長。雖然水中器材的使用可增加能量消耗，但徒手訓練仍能取得良好的訓練效果。間歇時間的設置與重復次數直接相關，但需考慮到低強度訓練中核心體溫的保持，以保障高強度訓練時的肌肉血流灌注（da Silva et al.，2010）。

2.3 極冷環境下的水中適應性訓練

超越生理和物理范疇的新環境，對軍事人員的環境適應性以及作業效能提出了前所未有的高要求。極冷環境是我國軍事人員所面臨的極端環境之一，當人體核心體溫下降到32℃，極易出現自發性心室顫動并導致死亡（Keatinge et al.，2001）。即使處于低溫環境下，粗大與精細動作技能及認知能力也會大幅度下降。保持和提高軍事人員在低溫至極冷環境下的體能水平及長時間作戰能力是未來實現敢打必勝的必要條件（Cotter et al.，2017）。極冷環境下的水中適應性訓練（aquatic training in ice-cold water）是指在≤10℃的冷水中進行主動運動以提高機體適應性能力的訓練方法（Tipton et al.，1999）。通過訓練可產生的適應性機制，包括增強心腦血管功能、改善血液流變學指標（Kolettis，2003）、提高機體抗氧化能力和免疫力（Tipton et al.，1987）。

2.3.1 冷休克反應及其生理機制

對極冷環境預先有準備地進行適應性訓練可避免自損兵力，為殲滅敵軍保存實力（Phetteplace，2000）。冷休克反應（clod-shock response，CSR）是指驟然暴露在極冷環境下而產生的應激生理反應，2～3 s的冷水浸入可使心跳急劇加速。同時，動脈和靜脈壓顯著增加，動脈收縮壓與舒張壓從靜息狀態130/76 mmHg（17.3/10.1 kPa）平均增至175/93 mmHg（23.3/12.4 kPa）（Tipton，1989）。冷水浸入對心血管系統施加了沉重負擔，加大了心臟（尤其是左心室）的工作負荷，可損壞心室感受性、擾亂心臟節律、引發心室顫。有研究報道，急性冷水浸入使呼氣末氧分壓和二氧化碳引起動脈張力的急劇下降，產生不可控的換氣過度現象，出現吸氣性喘息（inspiratory gasp），嚴重威脅生存（Hayward et al.，1984）。

2.3.2 長期訓練產生的機體影響

長期進行極冷環境下的水中適應性訓練，可引發內分泌功能的重要調節作用，提高免疫功能。Dugue等（2000）研究了在浸入≤10℃的冷水中之前進行熱桑拿浴的芬蘭冬游者，通過環境溫度的巨大且快速的變化（約100℃），出現神經內分泌/心血管的顯著壓力，導致機體的適應性變化，并觀測到靜息狀態下白細胞介素6（IL-6）、白細胞和單核細胞的濃度顯著提高，可溶性IL-6受體的血漿濃度顯著降低。Hermanussan等（1995）對比了10周冷水游泳訓練后身體的適應性變化，發現血清泌乳素輕微下降，濾泡激素、黃體酮激素和生長激素保持不變，同時基礎泌乳素幾乎全部增加，血清胰島素水平下降50%，且未訓練者運動后即刻血糖升高，而訓練組無升高現象。Manolis等（2019）發現，長期暴露在冷水中并進行適量有氧運動后，身體對應激的耐受力增加，但患有心血管疾病的人群易出現因心律不齊造成的負面影響。

2.3.3 促進適應性變化的訓練要素

Cooper等（1976）發現，在冷水浸入1 min內進行低強度運動并不能防止冷休克的過度換氣現象和二氧化碳引起的呼氣末氧分壓下降的發生。但Keatinge等（1961）發現，如果采用中等強度和高強度運動，二氧化碳分壓則較少下降或不降反升，出現呼吸增強而非換氣過度現象，還探討了重復性浸入次數與適應性變化的關系，發現8次浸入15℃水中可減少或消除浸入早期的呼吸、心率和代謝反應，并增加二氧化碳潮氣末水平和溫度適應。與陸上訓練一樣，水中適應性訓練通過反復暴露于嚴重寒冷的環境下，可能導致交感神經對冷的反應降低，迷走神經反應增強。一旦建立起適應性變化，此效應可能會持續幾個月。

3 價值分析

相較于陸上體能訓練，水中訓練有其獨特的優勢，其作用機制與水的生理物理特性緊密聯系。浸入水所產生的流體靜壓可加速人體深層組織的循環，增加心容積與心輸出量，并同時降低心率，加速腎循環及尿的排泄以促進代謝廢物的排出，壓迫靜脈及淋巴系統消除水腫（Haff et al.，2008）；增加胸腔中心血流量并擠壓胸腔迫使呼吸的強度與深度加大，提高呼吸系統效率，以水的浮力幫助關節減壓促進運動恢復（Bressel et al.，2011）。

現代高強度軍事訓練中，訓練傷的預防是必須考慮的關鍵問題。研究表明，有針對性的體能訓練可產生有效的預防作用，以水中訓練最佳。相較于陸上訓練，水中運動對骨骼肌穩定性能力的需求增加，對糾正姿態異常、肌肉失衡、發展核心及小肌肉群具有明顯效果。在水中進行體能訓練可有效減小關節壓力，減少延遲性肌肉酸痛并加快機體疲勞后再生恢復的時間。水中獨特的3D阻力環境創造出低沖擊、高強度訓練的可能性，可應用于周期訓練中的基礎能力訓練，并由于對體內代謝產物的良好清除效果，也可應用于高強度訓練階段的積極性再生恢復訓練中。此外，水中訓練在損傷發生后的恢復階段價值凸顯。由浸入帶來的心血管、腎臟、肺、淋巴及骨骼肌系統等積極變化加速體內循環、廢物清除、強化肌肉做功及關節活動度，特別是流體靜壓的全程作用，加壓靜脈和淋巴系統，解決損傷部位的炎癥與腫脹。在浮力作用下進行針對損傷部位的水中運動，可提前到無法在陸上進行康復訓練的早期階段，關節無負荷的體內加壓狀態成為加速運動員損傷恢復的最佳治療環境。同時，在恢復期間進行水中訓練可使胸腔內中心血流量的增加結合流體靜壓對胸壁的壓力，呼吸做功難度加大，此效應下進行足夠刺激的水中運動而產生的提高是呼吸肌力量、耐力及整體效能的同步提高。水中訓練還可為長期陸上體能訓練增添樂趣與挑戰，成為神經肌肉適應形式的重塑良機（Silvers et al.，2007）。

需要注意的是，準確把握水中運動與陸上運動的活動模式、肌肉募集方式與心肺做功方式的異同點，并根據訓練需求適宜調整強度的特征要素，對保障水中訓練的體能促進及防傷預傷的效果至關重要。研究表明，對水性的掌握程度和發力部位用力效果的感知程度可使不同運動員對同一練習動作產生較大效果差異（de Souza et al.，2012）。

4 啟示與展望

服務于軍事戰備力需求的體能訓練，除注重有氧能力和肌肉耐力訓練外，還應強調最大力量訓練、爆發力訓練及核心穩定性訓練。在水中訓練中，深水跑具有顯著的有氧訓練效益，頸部以下浸入水所產生的生理效應，伴隨3D阻力環境下的跑動模式，不僅加速了有氧能力和肌肉耐力提高，也使姿態穩定性得到強化。水中抗阻訓練既可以獲得與陸上訓練相似的力量增長效果，同時避免重復性訓練所產生關節壓力及肌肉微損傷的加重，尤其適合復雜作戰環境下的軍事人員爆發力訓練。水環境還為軍事體能訓練提供了在復雜作戰條件下應對極端環境的解決策略。水中溫度的傳導性可迅速從皮膚、肌肉、滲入至深部器官（核心體溫），使得故意或無意地暴露于極冷水環境中對保持體內液體平衡及免疫系統的應激提出了挑戰，幫助軍事人員提高作戰能力。

我國軍事體育訓練的科學化，需要將國際先進的訓練理念與方法引入、吸收，進而整合、創新。根據國際軍事體育訓練現狀，水中訓練雖然在整體訓練中所占比重有限，但在預防訓練傷及體能提升的過程中占據獨有的價值優勢。目前，我國軍事體育領域的水中訓練研究有限，與軍事核心技術相銜接的有針對性的訓練計劃設置、訓練器材的選擇與標準化應用、強度的精確監控及訓練效果的準確評價，都是水中訓練未來不斷探索與提高的重要方向。