楊俊超 陳雨揚 奧航 李新元 許春艷 邱俊強，2

1 北京體育大學(xué)（北京100084）

2 運動營養(yǎng)北京市高等學(xué)校工程研究中心（北京100084）

了解400 米跑的磷酸原、糖酵解和有氧代謝供能系統(tǒng)的代謝需求比例有助于實施訓(xùn)練計劃和優(yōu)化ATP代謝[1]，然而迄今為止，關(guān)于精確和無損計算供能比例的方法依然較為缺乏。其中有氧供能的計算方法是非常準確的，因為攝氧量和能量釋放之間存在直接的比例關(guān)系[2]，通常利用氣體代謝分析儀檢測機體吸收的氧氣間接計算。較為廣泛研究和應(yīng)用的無氧供能計算方法為最大累積氧虧法（maximal accumulated oxygen deficit，MAOD）[3]，還有另一種方法將無氧供能分為無氧乳酸和無氧非乳酸并分別進行計算，稱為磷酸肌酸-乳酸-氧氣法（phosphocreatine-lactate-oxygen，PCr-La-O2）[4]。PCr-La-O2法無氧乳酸部分根據(jù)運動中累積血乳酸換算[5]，無氧非乳酸部分則通過運動后過量氧耗（excess post-exercise oxygen consumption，EPOC）快速部分[6]或單位體重的磷酸原計算[7]。

關(guān)于MAOD 法和PCr-La-O2法計算供能比例的一致性尚存在爭議。有研究者認為，MAOD 法在建立攝氧量-輸出功率（oxygen uptake - power output，VO2-PO）預(yù)測方程時忽略無氧供能，會最終導(dǎo)致有氧供能的高估[4]，如女子200米皮劃艇[8]有氧供能比例為36.0%和30%（MAOD vs. PCr-La-O2），女子800 米跑[9]為70.1%和68.6%。但Miyagi等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，以110%或120% 最大攝氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）運動至力竭（110%VO2max：3.66 ± 0.46 min；120%VO2max：2.74 ± 0.56 min），MAOD 法和PCr-La-O2法計算的供能結(jié)果具有良好的一致性。因此，有研究者推薦采用PCr-La-O2法替代MAOD法對供能比例進行計算，這樣能大大節(jié)約計算時間且在運動隊推廣應(yīng)用[11，12]。但上述結(jié)論是否適用于田徑400 米跑仍需進一步探究，例如Duffield 等[9]在以MAOD法（41.3 ± 10.9）和PCr-La-O2法（35.2 ± 7.1）計算400 米跑有氧供能比例時即有所不同。

如前所述，MAOD 法和PCr-La-O2法在計算400米跑供能比例時可能會得到不同范圍的結(jié)果，但兩者的差值是否具有臨床或?qū)嶋H意義呢？為解答這一問題，本研究引入數(shù)據(jù)級數(shù)推斷方法[13]，進一步探索兩種方法計算400 米跑供能比例的差異程度，為運動實踐提供理論依據(jù)。

1 方法

1.1 研究對象

13名男性400米跑專項運動員，包括4名1級運動員和9 名2 級運動員。受試者基本信息為：年齡19.9± 1.4 歲，身高178 ± 5 cm，體重69.9 ± 7.2 kg，骨骼肌質(zhì)量58.0 ± 4.9 kg，體脂百分比13% ± 3%，最好成績50.49 ± 1.37 s。受試者在實驗前由實驗負責(zé)人告知實驗流程、測試風(fēng)險和測試要求等，并簽署知情同意書。本實驗獲得了北京體育大學(xué)倫理審查委員會對人體受試者進行實驗的批準。

1.2 實驗設(shè)計

所有受試者均進行3 次運動測試，包括遞增負荷測試、恒定負荷測試（5 級：50%、60%、70%、80%和90% VO2max）和400米田徑場專項測試。每2次運動測試之間至少間隔48～72小時；溫度范圍為20℃～24℃，并且測試至少在受試者餐后2小時進行。測試前48小時內(nèi)，要求受試者避免力竭運動和酒精等攝入[14]。

受試者身體成分采用數(shù)字化雙能量X 線檢測儀（iDxa，General Electric Company，F(xiàn)airfield，United States）測定。遞增負荷測試、恒定負荷測試和400 m跑專項測試過程中的代謝氣體采用便攜式氣體代謝儀（MetaMax 3B，Cortex Biophysic，Leipzig，Germany）收集。測試前按照儀器使用要求進行氣壓、氣體（標準氣體濃度O2為15.00%，CO2為5.00%）和氣量（氣筒容積為3 L）校準。采集受試者遞增負荷測試結(jié)束后1 min，以及田徑場400 m跑專項測試前和測試后1、4、7、10 min 的指尖血，使用血乳酸分析儀（Biosen S-line lab ，EKF Diagnostic，Barleben，Germany）分析。

1.3 遞增負荷測試

受試者在實驗室的跑臺（（Stratos med，H/p/cosmos，Traunstein，Germany）上進行測試，以8 km/h 的速度熱身5 min 后進行拉伸。遞增負荷測試方案：受試者以10 km/h 開始，每2 min 增加1 km/h，運動至力竭后停止[15]。遞增負荷測試過程中跑臺坡度設(shè)置為1%[16]，受試者佩戴便攜式氣體代謝分析儀。受試者測試結(jié)果需滿足3個標準方可判斷為力竭[17]：（1）連續(xù)2 min或以上VO2增加≤2.1 ml/kg/min；（2）運動后血乳酸≥8.0 mmol/L；（3）呼吸交換率≥1.10；（4）最大心率≥110% HRmax（220-年齡）。

1.4 恒定負荷測試

受試者到達實驗室，休息5 min 后，佩戴便攜式氣體代謝分析儀測定坐姿安靜VO2[18]。根據(jù)遞增負荷測試的最大攝氧量強度，受試者完成5 級恒定負荷測試（50%、60%、70%、80%和90%VO2max），每級持續(xù)10 min，跑臺坡度設(shè)置為1%[16]。每完成一級負荷后，立即取下面罩，在1 min 內(nèi)完成指尖血采集。休息4 min后，受試者戴上面罩，直到VO2恢復(fù)至與上級運動前VO2差值在3 ml/kg/min 以內(nèi)，才令受試者進行下一級恒定負荷測試[19]。取每級負荷的8～10 min VO2的均值與其對應(yīng)的負荷強度（速度）進行線性擬合。

1.5 400米田徑場專項測試

測試地點為田徑場，受試者按照正式比賽程序準備測試。為保證運動員發(fā)揮最佳成績，測試時間點和熱身程序都由受試者決定。受試者正式測試前5～10 min 佩戴氣體代謝分析儀，到達400 米終點后6 min 取下。采集受試者運動前，運動后1、4、7、10 min 指尖血[20]，運動中累積血乳酸為運動后4個采集點的血乳酸峰值與運動前血乳酸的差值。

1.6 供能比例計算

1.6.1 MAOD法

理論攝氧量是由VO2-PO 預(yù)測方程推算而來，實際攝氧量則是受試者在超大強度運動中的VO2，采用便攜式氣體代謝分析儀分析。本研究采用“5+Y”方法擬合Y=aX+b 方程（VO2-PO方程），其中a為回歸方程線的斜率，參數(shù)b 即“Y”截距，代表安靜時受試者的VO2。利用VO2-PO方程計算400米跑時的理論需氧量（theoretical oxygen demand，TOD），累積氧虧（accumulated oxygen deficit，AOD）為TOD 與實際攝氧量（actual oxygen uptake，AOU）的差值。有氧供能比例（%）=AOU/TOD×100%，無氧供能比例（%）= AOD/TOD×100%，其中有氧供能比例與無氧供能比例相加為1（圖1）。

圖1 本研究MAOD法示例

1.6.2 PCr-La-O2法

該方法計算公式為：有氧供能比例（%）=有氧部分/（有氧部分+無氧乳酸部分+無氧無乳酸部分）×100%，無氧供能比例（%）=（無氧乳酸部分+無氧無乳酸部分）/（有氧部分+無氧乳酸部分+無氧無乳酸部分）×100%。有氧供能（ml/kg）部分即運動中實際VO2，無氧乳酸（ml/kg）部分[21]為運動中累積血乳酸量（mmol/1）與氧氣-乳酸換算系數(shù)（3.0 ml/kg/mmol·l[7]）的乘積，無氧無乳酸部分根據(jù)運動后過量氧耗快速部分[6，22]（EPOCFAST）計算，將breath×breath的氣體代謝數(shù)據(jù)按每1秒導(dǎo)出，代入公式進行擬合：

其中，VO2（b）為基線值，A為漸進幅度，τ為階段對應(yīng)的時間常數(shù)，A1×e（-t/τ1）和A2×e（-t/τ2）分別代表運動后VO2快速和慢速部分（圖2）。

圖2 本研究400米跑的運動中和運動后攝氧量動力學(xué)擬合曲線

1.7 統(tǒng)計學(xué)分析

本研究利用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，線性和非線性曲線采用GraphPad Prism 8 進行擬合，結(jié)果以平均數(shù)±標準差（±s）表示。采用Shapiro-Wilk 檢驗數(shù)據(jù)是否為正態(tài)分布。采用配對t檢驗判斷MAOD與PCr-La-O2的差異。利用Pearson相關(guān)系數(shù)評價供能比例與測試成績的相關(guān)性。統(tǒng)計的顯著性水平設(shè)置為0.05。

采用數(shù)據(jù)級數(shù)推斷統(tǒng)計方法，“最小有意義閾值”（minimal importance difference，MID）由標準化均數(shù)差（standardized mean difference，SMD）確定，采用Cohens’d法[23，24]計算SMD公式如下：

將根據(jù)SMD確定的MID 進行如下劃分[13，25]：無意義微小差異＜0.2＜小差異＜0.6＜中度差異＜1.2＜大差異＜2.0＜非常大差異＜4.0＜極其大差異。

2 結(jié)果

遞增負荷測試結(jié)果顯示所有受試者均滿足力竭標準，VO2max為57.2 ± 2.5 ml/kg/min，對應(yīng)的強度為16.3± 0.6 km/h，最大心率為194 ± 10 次/min，乳酸10.9± 2.5 mmol/l。

本研究受試者400 米田徑場專項測試成績?yōu)?4.81 ± 1.93 s，根據(jù)MAOD法計算的有氧供能比例為47.5% ± 4.7%，無氧供能比例為52.5% ± 4.7%。采用“5+Y”法擬合攝氧量-速度線性相關(guān)方程，靜息攝氧量為5.4 ± 0.8 ml/kg/min，斜率為3.3 ± 0.2，R2為0.95 ±0.03。另外，AOU 為39.3 ± 71.3 ml/kg，擬合方程外推TOD為83.1 ± 4.6 ml/kg，則AOD為43.8 ± 5.9 ml/kg。

根據(jù)PCr-La-O2法計算的有氧供能比例為36.4%± 7.6%，無氧供能比例為63.6% ± 7.6%。所有受試者400米跑場地專項測試產(chǎn)生乳酸為14.8 ± 2.4 mmol/l，無氧乳酸部分為44.5 ± 7.3 ml/kg，無氧無乳酸部分為28.3 ± 16.2 ml/kg。所有受試者各項參數(shù)擬合結(jié)果見表1。

表1 400米運動后攝氧量動力學(xué)模型各參數(shù)擬合結(jié)果

采用MAOD 和PCr-La-O2法計算的供能比例差值為11.1%，[95% CI（6.5%，15.7%）]。相比于PCr-La-O2法，MAOD 計算的有氧供能比例高，無氧比例低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=5.221，P＜0.001）。

數(shù)據(jù)級數(shù)推斷結(jié)果顯示：MAOD 法計算的有氧供能比例大于PCr-La-O2法計算的有氧供能比例，兩者呈現(xiàn)出中度到非常大差異[SMD=1.70，95%CI（0.78，2.61）]；MAOD 法計算的無氧供能比例小于PCr-La-O2法計算的無氧供能比例，兩者呈現(xiàn)出中度到非常大差異[SMD=-1.70，95%CI（-2.61，-0.78）]（圖3）。

圖3 基于數(shù)據(jù)級數(shù)推斷的MAOD與PCr-La-O2法計算差異結(jié)果

本研究采用Pearson相關(guān)分析評價2種方法計算的有氧或無氧供能比例和運動成績之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，MAOD 法（r=±0.258，P=0.394）和PCr-La-O2法（r=±0.398，P=0.178）計算的有氧或無氧供能比例均與運動成績無相關(guān)性（P＞0.05）。

3 討論

本研究根據(jù)MAOD 法計算的400 米田徑場專項跑的有氧比例均高于以往研究[9，16，26-29]的結(jié)果（24.1%～46%）。MAOD測試方案和運動成績不同可能是導(dǎo)致計算結(jié)果差異的主要原因。本研究采用的MAOD測量方案為“5+Y”簡化方案，即在建立預(yù)測方程時，只測試5級恒定負荷（每級持續(xù)時間為10 min），且固定Y 截距（靜息攝氧量）。以往類似在跑道上以MAOD 法測定400米供能比例的研究中，恒定負荷次數(shù)是4～6[29]或6～9 次[9]不等。有研究發(fā)現(xiàn)每級恒定負荷持續(xù)時間≤6 min 會影響VO2-PO 線性關(guān)系[30]，而Duffield 等[9]采取的時間為4.5～7 min，這可能會使有氧供能比例計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。而固定Y截距可在減少恒定負荷級數(shù)的同時，保證MAOD 簡化方案的可靠性[31]。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，減少恒定負荷次數(shù)至4～6 次也具有一定的可靠性[19]。因此，本研究采用的MAOD 簡化方案一定程度上可以保證供能比例計算結(jié)果的精確性。

本研究根據(jù)PCr-La-O2法計算的有氧比例高于Duffield 等[9]的計算結(jié)果（35.2% ±7.1%），低于Hill[32]計算的結(jié)果（37.0% ±5.0%）。幾乎所有研究在有氧供能和無氧乳酸供能部分的計算方法都是一致的。Duffield 等[9]和Hill[32]研究與本研究的無氧乳酸供能部分均通過運動中累積血乳酸量（mmol/1）與3.0 ml/kg/mmol·l的乘積進行換算。有研究采用的氧氣-乳酸換算系數(shù)為3.3 ml/kg/mmol·l，其結(jié)果表明，與MAOD 法計算的累積氧虧相比，PCr-La-O2法同樣是可靠的[33]。需要說明的是，以往研究者[9，32]在計算400 米無氧無乳酸部分時，均通過單位體重的磷酸原計算，本研究則根據(jù)攝氧量動力學(xué)模型中的運動后過量氧耗快速部分進行計算?？紤]到高水平運動員的400 米運動時間，本研究只計算了運動后6 min的攝氧量[22]，而有的研究運動模式為超大強度力竭運動（100%～150% VO2max）或間歇力竭運動，則測量了更長時間的過量氧耗，如7 min[34]或10 min[33]。

本研究根據(jù)MAOD 和PCr-La-O2法計算的400 米跑供能比例差值為11.10%，高于Duffield 等[9]計算的差值（6.1%），可能是由于MAOD 法計算結(jié)果的差異較大引起的。測試時間或強度也可能是兩種測試方法產(chǎn)生差異的原因，如本研究400 米跑測試成績低于Duffield等[9]的測試成績（52.2 ± 1.9 s）。另外，有研究認為有氧供能比例與高強度運動的持續(xù)時間成指數(shù)正相關(guān)[21]，但本研究結(jié)果未能證實該結(jié)論。Miyagi等[10]通過兩種方法計算了8 個超大強度力竭測試（100%、105%、110%、115%、120%、130%、140%和150% VO2max）的最大累積氧虧，結(jié)果只有110%和120%最大攝氧量強度的兩種計算方法間表現(xiàn)出了較好的一致性。最后，關(guān)于供能比例是否可以作為預(yù)測400 米成績的敏感指標，有待進一步研究探索。已有研究發(fā)現(xiàn)，無氧供能比例與女子400 米跑成績（60.2 s）呈顯著負相關(guān)（r=-0.87，P＜0.05）[9]。然而本研究通過兩種方法計算的供能比例與400 米成績均沒有表現(xiàn)出相關(guān)性，即對于該運動水平（54.81 s）的男性運動員來說，并不是無氧供能比例越高成績就越好，這與Reis 等[27]的研究結(jié)論一致。

根據(jù)數(shù)據(jù)級數(shù)推斷的結(jié)果，2種方法計算的供能比例差值呈現(xiàn)中度至非常大差異。因此，在實際應(yīng)用過程中，建議綜合測試目的、對象和可行性選擇合適的方法計算400 米跑供能比例。MAOD 法的測試方案包括了最大攝氧量、多次恒定負荷和超大強度（或?qū)ｍ棧y試，計算結(jié)果除能夠評價無氧能力外，還可以評價有氧能力和運動經(jīng)濟性，但該方法整個測試過程繁瑣且耗時長。通過MAOD法還可以了解有氧和無氧供能系統(tǒng)的相互作用以及各分段能量相對貢獻的變化[9，35]。相比之下，PCr-La-O2法可以僅通過一次超大強度（或?qū)ｍ棧y試計算出供能比例[33]，大大節(jié)約時間，對于精英級別運動員更加友好。除此以外，PCr-La-O2法可以分別計算無氧非乳酸和無氧乳酸占比也具有較大的應(yīng)用價值。例如，遠端缺血預(yù)處理干預(yù)后，AOD提高但累積血乳酸不發(fā)生變化[36]，此時就可以利用PCr-La-O2法分析出無氧無乳酸部分是否發(fā)生了變化。然而，PCr-La-O2法中無氧乳酸是根據(jù)運動中累積血乳酸計算，因此采用該方法計算供能比例的結(jié)果可能受采血地點、環(huán)境溫度、運動前身體酸堿平衡變化、運動前飲食、藥物攝入等因素的影響[5]，還可能受到運動中乳酸擴散和消除的影響[12，37]。另外，EPOC 動力學(xué)參數(shù)擬合過程也一定程度上影響PCr-La-O2法計算供能比例的結(jié)果，例如快速部分分界點的判定以及雙指數(shù)模型初始值的設(shè)定[12]。

本研究存在一定的局限性，（1）選擇的運動員為中等水平運動員，對于其他水平運動員的適用性有待進一步研究；（2）在剔除VO2異常值以及判斷運動后VO2快速和慢速部分的分界點（初始值設(shè)定）時，雖然事先設(shè)定了剔除和判斷標準，并采用2 個研究者“背靠背”分析，如果出現(xiàn)分歧則同第三位研究者共同商議的方法，但依然存在由于主觀性造成的誤差；（3）本研究只計算了400米運動后6 min過量氧耗，參考了評定糖酵解供能能力的溫蓋特測試運動模式，但無法排除計算時間可能對擬合方程結(jié)果的影響；（4）數(shù)據(jù)級數(shù)推斷中MID 的估算可能存在爭議，但從該角度思考供能比例差異與運動成績的關(guān)系具有一定的創(chuàng)新性。

綜上所述，與PCr-La-O2法相比，MAOD 法計算的400 米跑有氧供能比例更高，無氧供能比例更低，呈現(xiàn)為中度到非常大差異。同時，上述2 種方法計算的供能比例并不是預(yù)測運動成績的敏感指標。MAOD法和PCr-La-O2法計算400米跑能量供應(yīng)結(jié)果不同，提示在對運動員進行供能比例縱向或橫向監(jiān)控時，建議結(jié)合測試目的、對象和可行性首選MAOD法進行計算。