競技體育項目的專項供能比例——亟待糾正的錯誤

黎涌明，毛 承

1 前言

人體運動是一個生物能轉(zhuǎn)化為機械能的過程。機體通過分解能源物質(zhì)（糖、脂肪、蛋白質(zhì)和磷酸肌酸），產(chǎn)生肌肉收縮所需的三磷酸腺苷（ATP）。根據(jù)有無氧氣的參與，這種生物能的產(chǎn)生途徑可以分為有氧供能和無氧供能兩種，后者又可根據(jù)有無乳酸的生成分為無氧無乳酸供能和無氧乳酸供能。這三大供能系統(tǒng)在人體運動過程中始終同時運轉(zhuǎn)，只是由于強度和持續(xù)時間的不同，來自這三大供能系統(tǒng)的能量比例不同。三大供能系統(tǒng)在體育運動中的供能比例是體育運動的一個重要特征，有關(guān)這一特征的一個常用指標是有氧供能比例，即來自有氧供能系統(tǒng)的能量占來自三大供能系統(tǒng)的總能量的百分比。

對不同體育運動有氧供能比例的描述是眾多運動生理學(xué)和運動訓(xùn)練學(xué)教材的必有內(nèi)容。這類報道最早可追溯到瑞典生理學(xué)家Astrand等人1970年所著的《Textbook of Work Physiology》［3］。盡管此后出現(xiàn)了大量有關(guān)不同體育運動供能比例的研究文獻，但是，眾多教材仍然延用了Astrand等人的供能比例數(shù)據(jù)。這些教材中對體育運動供能比例的描述成為眾多教練員和科研人員認識體育運動的重要理論依據(jù)。然而，這些教材中對供能比例的描述不同程度地低估了有氧供能［13，22］。因此，本文擬從現(xiàn)有教材中有關(guān)供能比例的描述出發(fā)，通過綜述有關(guān)供能比例的實證研究和介紹常用的供能比例計算方法，糾正現(xiàn)在教材中有關(guān)供能比例描述的錯誤，并重新給出不同體育運動的相對正確的供能比例。

2 現(xiàn)有教材中有關(guān)供能比例的描述

相比于需要同行評審（peer－reviewed）的期刊研究文獻，教材或著作能夠全面提供某一專業(yè)方向（如運動生理學(xué)）或某一專題（如周期訓(xùn)練）的研究信息。教練員和科研人員（包括相關(guān)專業(yè)的教師和學(xué)生）無需在浩瀚的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中自己去尋找相關(guān)知識，更不用通過付費獲取一些期刊文章。正是由于這些可能存在的便利，教材或著作成為教練員和科研人員最為直接的理論來源。鑒于教材或著作對于教練員和科研人員信息獲取的重要性，編著者需要盡量確保教材或著作內(nèi)容的準確性。當(dāng)然，由于教材和著作本身是對以往知識的歸納和整理，并且，從撰寫到出版往往需要數(shù)月到數(shù)年之久，因此，知識的滯后性是教材和著作不可避免的缺陷。2000年以后的眾多運動生理學(xué)［4，5，17，18，28，33，35］和 運 動 訓(xùn) 練 學(xué)［8，32］教 材 和 著 作 在 體 育 運 動供能比例的描述上仍然延用三十幾年前的數(shù)據(jù)，而對供能比例的認識在過去三十幾年內(nèi)恰恰發(fā)生了重大變化。

根 據(jù) Astrand 等 人［3］1970 年 的 數(shù) 據(jù) ，10s、1min、2 min和4min有大肌肉參與的高強度運動中，有氧供能比例分別為20%、30%、50%和70%（圖1）。盡管這些數(shù)據(jù)在后續(xù)版本教材中有所修改，但是，有氧供能主導(dǎo)和無氧供能主導(dǎo)（50%）的分界點仍然為2min［4］。其他學(xué)者在1970年代也嘗試給出不同持續(xù)時間下的供能比例，但這些數(shù)據(jù)中有氧供能主導(dǎo)和無氧供能主導(dǎo)的分界點甚至＞2min［12，19］。1970年代的這些學(xué)者給出的數(shù)據(jù)被后期的運動生理學(xué)和運動訓(xùn)練學(xué)教材和著作廣為引用（表1）［4，5，8，17，18，28，32，33，35］，Powers和 Howley（2007）甚 至 根 據(jù) 這些數(shù)據(jù)給出了各個體育項目的供能比例，該比例也被Bompa和Haff在其2009年版《周期訓(xùn)練——理論和方法》中引用。根據(jù)這些數(shù)據(jù)［28］，體操、摔跤、擊劍、足球、籃球、排球等項目的有氧供能比例為10%左右，100m游泳、400m跑為20%左右，網(wǎng)球、曲棍球、足球等項目為30%左右，拳擊、速度滑冰1 500m為50%左右，賽艇為60%左右。

表1 本研究專項供能比例存在錯誤的國外教材和著作舉例一覽表Table 1 Selected International Textbooks with Incorrect Description of Specific Energy Contributions

圖1 Astrand等［3］和研究文獻中有關(guān)有氧供能比例的數(shù)據(jù)示意圖Figure 1. Data of Aerobic Energy Contribution from Astrand et al.and Literatures

3 對供能比例的實證研究

隨著對人體能量供應(yīng)過程認識的深入以及耗氧量和血乳酸測試技術(shù)的完善，對體育運動的供能特征研究自1980年代起迅速增加。圖1是對39篇文章的156個供能比例數(shù)據(jù)進行的分析，其中涉及跑步、自行車、游泳、皮劃艇和賽艇5種運動方式［1］。結(jié)果表明，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)［y＝22.404＊Ln（x）＋45.176，R2＝0.9334，y為有氧供能百分比（%），x為持續(xù)時間（min）］，其中，有氧供能主導(dǎo)和無氧供能主導(dǎo)的分界點為74.4s。盡管這個發(fā)現(xiàn)是來自對不同研究文獻數(shù)據(jù)的綜述，但是對同一運動方式不同時間或距離的研究［2，26，30］，以 及 同 一 運 動 時 間 或 距 離 不 同 運 動 方 式 的 研究［1］，都表明有氧供能比例與高強度運動的持續(xù)時間確實成指數(shù)正相關(guān)。通過比較實證研究和Astrand等人（1970）有關(guān)有氧供能比例的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)低估了有氧供能。

對非周期性項目供能比例的研究同樣表明，以Astrand等人（1970）的數(shù)據(jù)為依據(jù)給出的非周期性項目的供能比例同樣低估了有氧供能。對花樣滑冰（4min17s）［16］、空手道格斗（4min27s）［6］、激 流 回 旋 皮 劃 艇 （85.7s）［36］、藝 術(shù)體操（90s）［14］等項目能量供應(yīng)特征的研究表明，這些非周期性項目的有氧供能比例分別為74.1%、77.8%、45.2%和49%。而Bompa和 Haff（2009）在《周期訓(xùn)練——理論和方法》中提及花樣滑冰和體操的有氧供能比例只有20%和0%。由于供能特征研究方法的局限性，無法運用氣體代謝儀對一些非周期性項目進行測試（如無法讓摔跤和擊劍運動員戴上呼吸面罩進行模擬比賽）。因此，很難對這些體育運動直接進行供能特征的研究。但是，這些體育項目的供能比例仍然可以參照圖1中的公式進行推測，并且，由于大多數(shù)非周期性項目的運動形式為多種動作方式組合下的間歇性運動，運動員在這一過程中有靜止和慢速運動時刻（如格斗對抗類項目的非接觸環(huán)節(jié)，球類項目的走動環(huán)節(jié)），因此，非周期性項目的有氧供能比例要大于或等于將該項目相應(yīng)持續(xù)時間代入圖1公式得到的有氧供能比例值。例如，男子柔道每局的持續(xù)時間為5min，將5min代入圖1公式，得到有氧供能比例為81.2%，因此，柔道每局運動的有氧供能比例≥81.2%，而Bompa和Haff（2009）在《周期訓(xùn)練——理論和方法》提及的有氧供能比例為0%。另外，由于圖1公式的來源數(shù)據(jù)中最長持續(xù)時間為10min，因此，圖1公式的適用范圍為持續(xù)時間≤10 min的高強度運動。當(dāng)持續(xù)時間為10min時，計算得到的有氧供能比例為96.8%。對于持續(xù)時間＞10min的周期性和非周期性項目來說，其有氧供能比例都可認為＞96.8%，而Bompa和Haff（2009）提及的幾種球類項目的有氧供能比例分別為0%（足球、冰球、排球）、10%（籃球、手球、網(wǎng)球）、20%（曲棍球）、30%（水球）。

4 供能比例計算方法

導(dǎo)致Astrand等人低估體育運動中的有氧供能比例的主要原因，在于供能比例的計算方法。因此，有必要對供能比例計算方法的發(fā)展有一個相對全面的了解。供能比例的計算方法可以追溯到1920年氧虧（oxygen deficit）這個概念的提出［21］，高強度運動開始時由于耗氧量的滯后造成的能量空缺被認為由無氧供能來填充。此后，以氧虧為基礎(chǔ)的供能比例計算方法基本可以分為兩大類，第1類計算方法將能量供應(yīng)分為有氧部分和無氧部分，第2類計算方法則將能量供應(yīng)分為有氧、無氧乳酸和無氧無乳酸三部分。

第1類計算方法又可稱為最大累積氧虧法（maximal accumulated oxygen deficit，MAOD），它是由3個不同的研究組 于1980 年 代 提 出［11，15，25，27］，但 經(jīng) 1988 年 Medbo 等 人［25］的研究而廣為人知。這一計算方法的理論前提為［24］：1）能量供應(yīng)包括有氧和無氧兩部分；2）中等強度（35%～90%˙VO2max）運動時耗氧量（˙VO2）與運動強度成線性正相關(guān)（圖2左），由于無氧供能可以忽略不計，實際˙VO2即為此強度運動下的需氧量，將強度－˙VO2關(guān)系直線外推到≥90%˙VO2max的強度區(qū)間即可得到高強度運動下的需氧量；3）高強度運動時，由強度－˙VO2關(guān)系直線外推得到的需氧量減去實際˙VO2即得到該強度下的氧虧（圖2右），高強度運動時累積˙VO2占總需氧量的百分比即有氧供能比例。運用最大累積氧虧法計算有氧供能比例時，受試者需要進行二次測試。第1次為多級測試，需要進行8～10級（每級8～10min）強度的持續(xù)運動，以得到強度－˙VO2的關(guān)系直線（y＝ax＋b），但后期被簡化為4～8級（每級5min）；第2次為所要計算供能比例的高強度運動。相比于第2類方法，這種方法的特點在于無創(chuàng)性（無需采集血乳酸），目前這一方法為使用頻率最高的方法［22］。

與最大累積氧虧法相比，第2類方法的區(qū)別在于無氧供能部分的計算。這類方法認為無氧乳酸部分的能量供應(yīng)可以由運動中血乳酸的凈增加量計算獲得，而無氧無乳酸部分的能量供應(yīng)可以通過運動后氧債的快速部分或者單位體重的磷酸原量來計算獲得?；谘鮽目焖俨糠钟嬎銦o氧無乳酸的方法是由Beneke等人［7］在綜合前人研究基礎(chǔ)上于2002年提出來的，這種方法認為運動后的˙VO2可以分為快速部分和慢速部分（以運動后3min為分界點），二者之和即運動后實際˙VO2。而運動后前3min的實際˙VO2減去慢速部分（由運動后第2個3min的慢速部分曲線前推至第1個3min獲得）即無氧無乳酸供能部分對應(yīng)的˙VO2（圖3）。三部分能量供應(yīng)量可以由如下公式計算獲得：

圖2 最大累積氧虧法示意圖Figure 2. Illustration of Maximal Accumulated Oxygen Deficit

圖3 基于氧債快速部分計算供能比例的示意圖Figure 3. Illustration of Energy Calculation Based on Fast Compoment of Oxygen Debt

無氧無乳酸部分＝˙VO2PCR（ml）×能量當(dāng)量（J／ml）

無氧乳酸部分＝運動生成血乳酸量（mmol／l）×氧氣－乳酸換算系數(shù)（ml／kg／mmol·l）× 體重（kg）× 能量當(dāng)量（J／ml）

有氧部分＝運動 ˙VO2（ml）× 能量當(dāng)量（J／ml）

有氧供能比例＝100×有氧部分／（無氧無乳酸部分＋無氧乳酸部分＋有氧部分）

其 中 ，˙VO2PCR為 運 動 后 ˙VO2的 快 速 部 分［20，23，29］；能 量 當(dāng)量為1ml氧氣所產(chǎn)生的熱量，當(dāng)呼吸商＞1.0時，能量當(dāng)量為21.131J／ml［31］；運動生成血乳酸量為運動后最大血乳酸值減去運動前即刻血乳酸值；氧氣－乳酸換算系數(shù)為1 mmol／l乳酸對應(yīng)的氧氣量，假設(shè)乳酸在體內(nèi)分布區(qū)域所對應(yīng)的體重約為身體質(zhì)量的45%，這個系數(shù)為3.0ml／kg／mmol·l［10］；運 動 ˙VO2為 運 動 過 程 中 實 際 ˙VO2減 去 安 靜水 平 ˙VO2。

運用單位體重的磷酸原量計算無氧無乳酸供能的方法是由Wilkie［34］于1980年提出的，這種方法認為人體肌肉內(nèi)的磷酸原量是相對固定的。根據(jù)這種方法，三部分能量供應(yīng)量可以由如下公式計算獲得［9］：

其中，E為總能量，Ean為無氧供能量；α為能量當(dāng)量，即1ml氧氣所產(chǎn)生的熱量，當(dāng)呼吸商＞1.0時，能量當(dāng)量為21.131J／ml［31］；˙VO2max為 運 動 中 達 到 的 最 大 ˙VO2，tp為運動時間，τ為˙VO2從運動開始達到最大值的時間常數(shù)；0.418kJ／kg對應(yīng)為參與運動的肌肉量最大為體重的30%時，每kg濕肌凈分解18.5mmol磷酸原的能量當(dāng)量；β為血乳酸的能量當(dāng)量（0.0689kJ／kg／mmol）［10］；［La］b為運動中凈生成的血乳酸量；mb為受試者體重。相比于第1類方法，第2類方法測試流程相對簡單，受試者只需要進行一次測試。

Astrand等人的有氧供能比例數(shù)據(jù)是來自基于氧虧的計算方法，其假設(shè)受試者在功率自行車上的運動效率為23%，由此可以得到受試者運動時的代謝總功率（即自行車功率／23%），受試者的實際有氧功率與代謝總功率之商即有氧供能比例［13］。但是，由于實際運動效率＜23%，因此，造成對有氧供能比例的低估。

5 不同體育運動項目的供能比例

圖1中所綜述的文獻數(shù)據(jù)都是來自以上兩大類計算方法，這兩大類計算方法是目前用于研究供能特征的主要方法。因此，圖1得到的公式能夠較為準確地反映體育運動中的有氧供能特征，不同體育運動項目的供能比例能夠運用此公式進行描述。

周期類體育項目可以直接將全力運動的持續(xù)時間代入公式，如孫楊在倫敦奧運會上400m自由泳的奪冠時間為3min 40.14s，將此時間代入公式可得到孫楊該次運動的有氧供能比例74.3%。但是，該公式中x（即全力運動的持續(xù)時間）需≤10min，當(dāng)全力運動持續(xù)時間＞10min時，可以認為有氧供能比例＞96.8%，如馬拉松、公路自行車、1 500m自由泳等。格斗對抗類體育項目、武術(shù)套路和體操類項目可以將每局或每回合的持續(xù)時間代入公式得到有氧供能比例。由于這類體育項目運動過程中有低強度運動環(huán)節(jié)，因此，實際有氧供能比例要高于直接代入公式計算得到的數(shù)值，如成年武術(shù)套路的表演時間為＞1 min 20s，那么，這類項目的有氧供能比例為＞51.6%。集體球類項目和隔網(wǎng)球類項目由于每場或每局的比賽時間＞10min，因此，無需利用公式進行計算，其有氧供能比例＞96.8%。舉重、投擲、跳躍等持續(xù)時間＜10s的項目，同樣無需利用公式進行計算，其有氧供能比例＜16%（圖4）。

圖4 不同體育運動的有氧供能比例示意圖Figure 4. Aerobic Energy Contribution in Different Sports

該公式同樣可以用于制定運動能力的評價方法。當(dāng)全力運動持續(xù)時間＞5min時，有氧供能比例＞80%，決定此類運動的主要因素為有氧能力，即有氧能力好的運動員能夠在＞5min的全力運動中有好的表現(xiàn)。因此，＞5min的全力運動可以作為評價有氧能力的一種方法。當(dāng)全力運動持續(xù)時間＜20s時，有氧供能比例＜20%，無氧供能比例則＞80%，決定此類運動的主要因素是無氧能力，即無氧能力好的運動員能夠在＜20s的全力運動中有好的表現(xiàn)。因此，＜20s的全力運動可以作為評價無氧能力的一種方法。

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