從能量角度探討高強度間歇訓練在高校短跑訓練中的意義①

李杰 梁偉嫦 潘紅英 黃橋賢

(華南師范大學體育科學學院 廣東廣州 510006)

高強度間歇訓練（High intensive interval training，HIIT）是發展有氧、磷酸鹽和無氧糖酵解供能混合代謝系統的供能能力，以及無氧糖酵解供能系統的供能能力的一種重要訓練手段。近年來，HIIT因其省時高效的特點逐漸受到普通人群和高水平運動員的青睞，與此同時，眾多學者對它的認識也不斷深入。黎勇明總結多篇文獻并提出HIIT是以大于或等于無氧閾或最大乳酸穩態的負荷強度進行多次持續時間為幾秒到幾分鐘的練習，且組間間歇時間有限，安排使練習者不足以完全恢復的靜息或低強度練習[1-2]；在該訓練中，通常能使訓練者的心率達到190次/min左右，能量代謝主要動用的是磷酸鹽系統及無氧糖酵供能系統。

在關于HIIT的研究中，國內外學者主要圍繞如肥胖等慢性病、高水平運動員、動物實驗和血液研究等方面開展，發現HIIT有眾多益處。不論是在普通人群中（包括健康及患有相關健康疾病的人群）還是在有較高運動水平人群或專業運動員中，研究人員均發現HIIT要比其他運動模式（包括中強度間歇、持續性有氧運動等）在改善心肺適應性、運動能力、心血管功能等方面起到明顯的效果，并且均無急性損傷的報告[3-9]。

綜上所述，學者們嘗試從不同角度、不同群體來探討、發現并解釋高強度間歇訓練的獨特之處，總結得出了高強度間歇訓練的普遍益處的同時，也給出了一系列具有特定群體特點的發現或結論。但是，卻鮮有學者嘗試從能量消耗的角度對高強度間歇訓練進行探討。

而關于如何提高能量的利用效率，實現運動中的能量節省化這一問題，一直是各教練員及運動員所追求的，同時也是學者們探討的熱點話題。同時，相較于田徑中的中長跑和長跑這些耐力項目來說，高強度間歇訓練法在短跑領域的開展似乎并沒有受到大家太多的關注，其效果及作用也就無從談起了。因此，如果能將該方法與短跑訓練相結合，便能改善短跑運動員的能量儲備能力或利用效率，或將為探究如何提高短跑成績提供一個新的思路和新的途徑。

在衡量高強度間歇訓練的研究中，心率和血乳酸是兩項重要的指標。吳瑕等人[10]認為，作用在運動員身上的外部負荷能引起其機體的生理變化。通常，大多數引起這些變化的相關指標都只能通過實驗研究測定，但心率指標卻因其實用、易監測且無創傷性的特點而有所不同。所以，其他實驗指標從及時性和實用性來說都不及心率，因此，心率便成為評價運動強度常用的指標。但是，在用心率指標衡量運動強度的時候，大多數學者往往忽略了個體差異的存在，為了減少由個體差異所帶來的影響，該研究將采用運動強度值I=（運動后心率-安靜心率）/（最大心率-安靜心率）來衡量運動員達到的運動強度（I∈[0,1]）。

除此以外，有研究表明[11-12]，最大心率、次最大心率（達到85%最大心率值時的心率）由于受不同程度的訓練狀況或者測定方式的影響，其數值具有很大的不穩定性，還與個人的身體狀況密切相關，從而造成心率的失真和指導訓練的局限性。所以在訓練實踐中還需要把心率指標與其他生理生化指標相接合來實施訓練和調控運動強度。由于血乳酸是無氧糖酵解供能系統的產物之一，同時血乳酸和心率之間還存在著高度的相關性[13]，是間接衡量此高強度間歇訓練中受試運動員能量代謝變化及反映運動員機體疲勞及恢復情況的不二選擇。因此，在高強度運動監控時，配合使用了血乳酸指標。

總之，關于高強度間歇訓練的優勢之處，前人已做了大量對比研究并得到了驗證。但鑒于高強度間歇訓練在短跑領域的應用情況，該研究主要集中探討此種訓練模式對從事短距離項目的高校田徑運動員所能帶來的益處，并嘗試從能量的角度去深入解析其運作規律，從而為高校田徑運動隊短距離項目訓練提供科學的理論依據，并為提高運動員的運動成績提供新的訓練思路。

1 研究對象

該研究選取華南師范大學田徑隊5名新入隊的男性運動員（專項為短跑項目的體育教育專業學生，均為國家二級運動員）作為受試對象。無科學系統的訓練經歷，無遺傳病史，身體各項機能正常，入隊成績經單樣本t檢驗，P＞0.05，即無顯著性差異。表1為運動員基本情況。

2 研究方法

2.1 實驗主要測試儀器

該研究主要運用到的測試儀器包括：用于心率監控的運動心率監測系統Polar表（芬蘭）、便攜式血乳酸儀、秒表（控制訓練強度）。

2.2 測試方法

在實驗前獲取運動員相關基礎數據（包括身高、體重、安靜時心率、最大心率、運動經歷等），進行實驗設計，并進行為期1周的預實驗，以實驗高強度間歇訓練的方案的可行性（確定方案中訓練的天數、時間、訓練強度等），再結合預實驗情況調整正式實驗時高強度間歇訓練計劃。

正式實驗訓練方法為：8組200m間歇跑，組間休息1min，每周3次，強度因人而異但相對一致且在平均應達運動強度值區間范圍。在訓練后的第2周、第6周、第16周收集相關數據。測試時，受試者在研究隊伍成員的幫助下佩戴好Polar心率表，并時刻記錄好受試運動員的安靜心率、每次運動后的心率等心率數據。此外，在受試者安靜和運動后3～5min內，對受試者進行指尖末端取血（每次采集血樣的具體操作方法為：先用沾有酒精的棉球對受試者手指進行消毒，然后再用干棉球擦拭，而后擠壓手指扎取血液，待血液流出后迅速用已調好的便攜式乳酸儀對其進行測試并時刻記錄數值）。

2.3 數據處理

將數據導入計算機，利用Excel和SPSS 25.0對受試運動員在心率、血乳酸水平、運動成績與自我感受等方面的數據進行前后差異的比較。

3 研究結果

從表2可以看到，大部分運動員在前兩次測試中實際運動強度值都能達到所預定的運動強度（即平均應達運動強度值）。另外，該數值隨著訓練的進行呈現出下降趨勢，到第三次訓練時該數值均小于或等于平均應達到的運動強度值。

利用3次實際運動強度值數據進行運動員自身縱向分析，經配對樣本t檢驗發現，無顯著性差異（P＞0.05），即運動員間3次實際運動強度值總體呈下降的趨勢沒有統計學差異；而在次數間的比較分析發現，第一、二次間P=0.096，第一、三次間P=0.004，第二、三次間P=0.039。即除第一、二次間無顯著性差異外（P＞0.05），第一、三次間變化存在極顯著性差異（P＜0.01），第二、三次間變化存在顯著差異（P＜0.05）。

由此可見，高強度間歇跑能提高運動員機體運動能力，實際運動強度值的變化間接反映出能量消耗往“節省化”方向發展，表現為受試者能夠更加輕松地以相同的速度要求去完成相同的訓練內容，同樣的訓練內容對心臟的刺激也有所減小。

表3顯示了3次測試血乳酸平均值的變化情況，存在一定個體差異。對安靜值進行單樣本t檢驗（檢驗值=2），P=0.452，說明這5名受試者的安靜血乳酸與一般健康人安靜時正常的血乳酸值（2mmol/L）無顯著差異。在3次訓練中，除受試者A、E平均值較高外（達到20mmol/L左右），其余均在14～19mmol/L之間，且隨著訓練的進行，數值呈現出下降趨勢。

利用3次血乳酸平均值進行運動員自身縱向分析，經配對樣本t檢驗發現P＞0.05沒有顯著性差異，與表2結果一致；而在次數間的比較分析同樣與表2結果相似，除第一、二次間（P＞0.05）沒有顯著性差異外，第一、三次和第二、三次（P＜0.05）訓練間均存在顯著性差異（P值分別為：P=0.293，P=0.024，P=0.010）。

由此可見，在高強度間歇跑的干預下，對機體清除乳酸，節省能量消耗的能力上有明顯的正向影響，受試者在完成相同訓練任務后的疲勞程度相較于實驗初期有明顯降低，疲勞恢復的速度也得到加快。

4 分析與討論

4.1 心率與能量消耗

通常，心率被認為是判斷運動訓練強度的可靠性指標[14]和測定能量代謝的指標[15]。借助心率的變化特點，在該種運動模式下運動員能量代謝的特點也便能被間接地反映出來。而且，目前的心率測試非常簡便，易操作，加上測試的無創性，該技術被廣泛應用于各訓練隊的訓練甚至是比賽中，大大減少了人為因素所帶來的不利影響，提高用心率來衡量運動強度的準確性[16]。但是，用傳統的心率監測方法來檢測運動強度存在弊端，不能很好地減少個體差異[17]。因此，該研究采用已被芬蘭學家Karvone所驗證的運動強度值來衡量受試者的運動強度負荷，用此方法來衡量運動強度負荷要比用最大攝氧量百分比表示法準確度高10%[18]。從結果來看，通過高強度間歇訓的干預，受試者的平均運動強度值均呈下降趨勢，且在后期訓練中相同負荷的訓練已不能達到預期的運動強度，尤其是第三次測試，與第一次測試相比運動強度值有了極顯著的變化（P＜0.01），說明受試者的運動能力得到提升，心率明顯降低，每搏輸出量增加[19]。由此可見，高強度間歇訓練對人體心臟有較大的的刺激，對增強心臟的泵血功能效果顯著[20]，這不僅與心臟中miRNA差異表達的誘導有關[21]，還可能與心臟附近血管的彈性增大有關，從而減少其外周阻力。但需要指出的是，運動時，心率的降低和每搏輸出量的增加是具有積極意義的。首先，陸柳等人[22]通過數學建模的方法，從函數關系式中揭示了心輸出量與每搏輸出量和心率的關系。她指出，心率在90次/min以下時每搏輸出量的變化不大。但當心率大于90次/min時，隨著心率的增加，每搏輸出量在不斷減少，當心率達到150次/min時，每搏輸出量下降到60%左右。在高強度間歇訓練中，受試者心率至少在160次/min左右，每搏輸出量的下降幅度甚至更大。由此可見，通過訓練來提高每搏輸出量在提高營養、能量物質、氧氣等物質的輸出能力上具有重要意義，從而確保機體持續完成高強度的運動訓練。

其次，與曹文玲HIIT90組的研究結果（心率變化）類似[23]。心率變化的表象可能暗示著高強度間歇跑對增強迷走神經的興奮性有正向意義，可能與其節后神經末稍乙酰膽堿的釋放增加及心肌細胞膜上的M型乙酰膽堿受體數量增加有關，從而提升細胞膜上K+通道的通透性，促進K+的外向流動，使得心肌細胞靜息電位與閾電位間的差距加大，心肌興奮性的下降從而使得心率降低，有利于能量在心臟跳動上消耗的節省化。而每搏輸出量的增加可能不僅暗示著能量及其物質合成的速率或效率得到提升，還意味著心臟每次搏動能夠消耗更少的能量及其物質，從而使得在心臟的每一次搏動中有更多的能量及其物質被輸出并提供機體完成相應的動作。

綜上所述，心率的降低及每搏輸出量的增加反而意味著能量物質在機體中的儲存、合成及分配利用等能力得到改善和提升，而其背后原因不僅與心臟中miRNA的差異表達有關，還可能與心臟周圍血管彈性的增加而導致外周阻力的減少及與迷走神經的激活有關。

4.2 血乳酸與能量消耗

此高強度間歇跑訓練主要動用的是糖酵解供能系統，Buchheit[24]也提到，在缺少金標準的當前，氧虧的積累和血乳酸是衡量無氧糖酵解在高強度間歇訓練中的貢獻的有效方法。此外借助血乳酸指標能間接反映受試者能量消耗特點。從表3可以看出，在3次實驗中，受試者血乳酸含量的變化呈現出與運動強度值相似的變化。

忽略受試者動作優化等其他原因，該文僅從能量消耗角度，相對理想化考慮。另外，由于研究對象是復雜的生命體，不能簡單地套用物理學上的機械能規律。因此，在這里由功能定理可知：

其中，F動為用于人體前進的動力，F阻'為人體所需要克服的阻力。

而在該實驗中，由于受試者速度得到控制，可知在前進動力及空氣阻力保持不變（不考慮環境變化而影響、），同時，在人體對地面的正壓力不變情況下，認為摩擦阻力也不變，由能量守恒定律則有總的能量消耗W總，在3次測試中應保持不變。那為何在能量守恒的條件下血乳酸值會呈現下降趨勢呢？筆者在此從以下3個方面解釋該研究中所出現的“能量節省化”的現象。

表1 運動員基本信息（n=5）

表2 實際運動強度值I變化

表3 血乳酸平均值變化（單位：mmol/L）

（1）高強度間歇跑訓練不僅可以改善心臟泵血功能，還能夠增強氧化酶的活性，刺激骨骼肌中肌氧恢復的能力，從而提高組織中的含氧量，促進乳酸的氧化清除從而改善受試者機體的內環境，進一步促進肌氧含量的恢復[25]。而乳酸清除速率的提升同時可以有兩種解釋：一是乳酸的生產量的減少，二是機體對乳酸清除能力的提升。對于第一種解釋，反映的則是機體供能時對糖類物質的有氧氧化分解能力的得到提高，進行無氧糖酵解的物質的比率降低。鑒于1mol葡萄糖完全有氧氧化產生30～32molATP，而無氧糖酵解僅產生2molATP，由此可見通過高強度間歇跑訓練的干預，有更多的能量物質得到充分利用并轉化成能量供機體完成運動，而不是被大量用于產生乳酸卻僅得到相對有限的能量。從能量守恒的角度看，若機體完成一項需要消耗100mol能量的運動時，通過徹底的有氧氧化方式僅需消耗約3.125～3.333mol的能量物質，而無氧糖酵解卻需要消耗高達50mol的能量物質才能完成同樣的運動。這提示，高強度間歇訓練的干預在重新分配能量供應方式有著不可忽視的效果，消耗更少的能量物質以完成相同的運動則正是“能量節省化”的體現。而對于原因二，體現的則是機體在產生乳酸后進一步對其加工處理能力的提升，即進一步有氧氧化（包括氧化酶等在內的相關酶活性的增強），從而減少酸性物質氫離子在體內的數量，從而改善機體抗疲勞的能力，提高機體的耐酸能力。以上兩種情況最終推遲機體在運動中疲勞出現的時間，延緩機體因乳酸堆積而引起的疲勞的程度，有助于受試者在大強度的訓練甚至在激烈緊張的高強度比賽環境中穩定發揮其技術動作。

（2）肌肉組織的化學成分發生變化。如肌肉中肌球蛋白，肌動蛋白等含量的增加有助于提高肌肉的收縮能力，而安靜時肌肉中ATP及其酶活性的增加加快分解及能量供應的速度[26-27]。

（3）與機體能量有效利用率的改善有關（分配到做機械功的能量增加，無用功如產熱等的減少）。對上述關系式，再進一步深入分析，由功能定理可知人體所耗總能量W總：

由式子（1）和（5）則有：

由上述三式并結合對心率及血乳酸的討論可推測，通過高強度訓練可以提高機體合成并輸出能量的速率，即做有用功的功率P有得到了提升，可見用作機體前進的動力F動實際上是增加的，在實際中表現為受試運動員奔跑時的力量得到增強，也即教練員常說的“跑的更有力了”；而由能量守恒可知，P無減小，而在這里，由于速度得到控制因而認為保持不變，即人體所需克服的空氣阻力不變，而摩擦阻力卻變小。由式子（4）可知，是人體對地面的正壓力減少了，由此可見，在訓練后期，運動員跑動中的動作技術得到改善：在向前奔跑時，地面對人體的反作用力與水平面的夾角減小，從而使得水平分力增加，也促進了動力F動的增加，在實際中表現為受試運動員跑得“更加輕松了，更加有彈性了”。需要指出的是，根據牛頓第二定律：f=ma。那么在這里，F動的增加卻并未使得增加，豈不與之矛盾？通過進一步分析后便發現，其實并不然。以單個跑動周期為例，可簡單分為兩個階段：第一階段為動力輸出階段，第二階段為騰空減速階段。根據沖量定理可知，。在第一階段，雙腳與地面相互作用，從而產生向前的動力，此階段當t→0時，，則速度變化→0；而同理，在第二階段水平方向主要為空氣阻力起作用，當增加騰空時間，則速度的變化增加。因此，動力階段運動員通過減少與地面接觸時間來減少速度的增加，同時延長騰空階段的時間以增加速度的損失，從而使全程平均速度保持穩定?？傊?，分配到做有用功的比重增加，而分配到做無用功的比重減少，受試者消耗更少的能量物質便能取得更大得前進動力。

綜上所述，血乳酸濃度的降低意味著，通過高強度間歇訓練，運動員的能量消耗往“節省化“方向發展。而所謂的“能量節省化”，其實是能量物質儲存量的增加、合成速率和傳送速率的增加以及分配更加合理化的綜合表現。這樣一來，能量物質便能更加快速、高效地被運輸到機體有需要的地方，供機體完成高強度的運動訓練。

5 結語與建議

面對安排更加緊密的賽制，激烈的競爭對短距離競賽運動員提出了要求。充足的體能儲備、高效的能量利用及快速的恢復能力，可能成為高水平競賽中的決定性因素。而高強度間歇訓練因其有效地提高心臟泵血功能，刺激骨骼肌中的肌氧恢復能力，促進乳酸清除，提高安靜時ATP儲存量，改善機體運動時能量合成速率、傳送速率，以及提高能量利用率等作用，不僅有助于提升短跑運動員在途中跑階段保持速度的能力，還有助于運動員在大強度訓練甚至在緊張激烈且賽程緊湊的大賽中保持穩定甚至高質量的發揮。因此，以年為訓練周期的高校隊伍，筆者建議教練員應重視該方法在冬訓期間的應用，為運動員新賽季的開啟及高強度的專項訓練打下堅實基礎。同時，高強度間歇訓練的比重應隨著專項訓練的到來而逐漸減少，在進入專項訓練后可以考慮將高強度間歇訓練與專項訓練以一定的比重進行結合，豐富訓練手段；而對于沒有條件進行以年為訓練周期的高校運動隊（如以學期為周期），可考慮在開學初加大高強度間歇訓練的比重，促進學生運動員身體各項機能的恢復，并在專項訓練期間靈活運用，爭取在短期訓練中使學生運動員達到較高的競技水平。