對(duì)一次30km戶外登山運(yùn)動(dòng)中能量消耗、體成分變化及機(jī)能反應(yīng)的研究

張戈+陸愛發(fā)

摘要：目的：比較心率法和三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)推算能量消耗的差別，并探討一次30km登山運(yùn)動(dòng)對(duì)體成分變化和機(jī)體的反應(yīng)，為了解登山運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)提供實(shí)驗(yàn)支持。方法：采用實(shí)驗(yàn)法募集10名大學(xué)生完成一次30km、10h野外登山運(yùn)動(dòng)，測(cè)試運(yùn)動(dòng)過程中的心率和三軸加速度參數(shù)推算運(yùn)動(dòng)過程中的能量消耗，登山前和次日晨體成分及血清肌酸激酶、血尿素、尿蛋白和尿比重；采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對(duì)比各項(xiàng)指標(biāo)的差異性。結(jié)果：（1）心率法測(cè)能量消耗與三軸加速度計(jì)測(cè)能量消耗除在2個(gè)1h時(shí)間段內(nèi)有差異外（p<0.05）外，其余8h均無顯著差異，且兩種方法顯著相關(guān)（r=0.76l，p<0.05）；（2）登山后次日晨受試者體重、脂肪含量顯著下降（p<0.05），血清肌酸激酶（CK）、血尿素（BU）顯著升高（p<0.01），尿蛋白呈陽率達(dá)到80%，尿比重顯著升高。結(jié)論：（1）心率與三軸加速度計(jì)均能較好測(cè)定能量消耗，可依據(jù)需要選擇測(cè)試方法；（2）在此種登山過程中機(jī)體除消耗了大量脂肪，還引起大量的體液丟失流失；（3）經(jīng)過1晝夜休息，機(jī)體尚未完全恢復(fù)。

關(guān)鍵詞：能量消耗；心率；三軸加速度計(jì)；體成分；機(jī)能反應(yīng)

野外登山是一項(xiàng)能夠接近大自然的運(yùn)動(dòng)，不僅可以強(qiáng)身健體，還可以培養(yǎng)大學(xué)生堅(jiān)強(qiáng)的意志，對(duì)高校學(xué)生來說是較為新興的、趣味性強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。目前，多數(shù)的研究集中在高海拔登山（>4000m），中等海拔登山（2500～3800m）和攀巖運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于較低海拔的長(zhǎng)距離野外登山的研究較少。Sperlich等用MetaMax 3B對(duì)一次30km、6～9h、坡度13%的美國(guó)大峽谷野外徒步過程中能量消耗進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示總能耗達(dá)到3322kcal，平均每小時(shí)能耗達(dá)到511kcal，同時(shí)攝入能量為2 096 kcal，造成能量虧損1226kcal。田野等采用MetaMax 3B對(duì)低海拔登山運(yùn)動(dòng)能量消耗進(jìn)行了研究（坡度11.6°、19.9°、14.9°和28.6°），發(fā)現(xiàn)不同坡度下能耗在8.63～8.16Mets之間，且經(jīng)過16周每周1次（2430m）的登山運(yùn)動(dòng)后受試者體重和脂肪體重顯著降低，認(rèn)為此種運(yùn)動(dòng)形式有利于提高心血管耐力。另有研究采用運(yùn)動(dòng)心率和加速度的方法推算野外登山中的能耗。由于研究側(cè)重不同，選擇心率或三軸加速度參數(shù)分別能夠提供不同的信息，兩種方法和氣體測(cè)定的能耗有很好的相關(guān)性。雖然由于運(yùn)動(dòng)模式的不同兩種方法推算能耗有一定的局限性，但兩種方法均能長(zhǎng)時(shí)間記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，且操作相對(duì)簡(jiǎn)便，因此非常適合研究野外登山環(huán)境下的能量消耗。另外，多數(shù)研究均對(duì)野外登山的研究多集中在幾周連續(xù)運(yùn)動(dòng)人體的體成分、代謝和機(jī)能變化，但截至目前，對(duì)一次超常距離（30kin）的野外登山運(yùn)動(dòng)中人體機(jī)能的反應(yīng)研究還未見報(bào)道。

本研究采用心率和三軸加速度參數(shù)推算一次30km、10h野外登山過程中的運(yùn)動(dòng)過程中的能量消耗，同時(shí)比較登山前和次日晨體成分及血清肌酸激酶、血尿素、尿蛋白和尿比重的變化，目的在于比較心率法和三軸運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)推算能量消耗的差別，并探討一次30km登山運(yùn)動(dòng)對(duì)體成分變化和機(jī)體的反應(yīng)，為了解登山運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)提供實(shí)驗(yàn)支持，并為制定合理的運(yùn)動(dòng)處方提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

隨機(jī)選取10名在校學(xué)生為研究對(duì)象，平均年齡為20.0±2.1yrs，身高173.0±6.1cm，體重60.0±7.1kg，體脂率為15.01±3.73%。所有受試者經(jīng)過體檢報(bào)告確認(rèn)身體健康，無重大疾病，且身體素質(zhì)通過測(cè)定達(dá)到要求（規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成3000m跑）。所有受試者具有一定的戶外徒步經(jīng)驗(yàn)，了解基本的戶外徒步知識(shí)與急救常識(shí)。受試者在詳細(xì)告知測(cè)試流程及實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)后同意進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并簽署相關(guān)保險(xiǎn)文件和知情同意書。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)采集與儀器10名受試者在登山過程中需全程佩戴心率監(jiān)測(cè)器以及三軸加速度計(jì)。登山路線起點(diǎn)為北京門頭溝靈山停車場(chǎng)，終點(diǎn)為柏峪，登山途經(jīng)東靈停車場(chǎng)一上山的石碑一北靈頂一落葉谷埡口一長(zhǎng)城（實(shí)心樓）一柏峪停車場(chǎng)一柏峪村，各受試者負(fù)重4kg（含背包及水和食物），在每個(gè)節(jié)點(diǎn)隊(duì)伍停留并稍作休息。登山整個(gè)過程中工作人員需定時(shí)詢問受試者主觀疲勞感覺，一旦出現(xiàn)過分疲勞和難以堅(jiān)持的情況應(yīng)停止運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行記錄。路線全長(zhǎng)30km，耗時(shí)12.28h，海拔上升為1233m，海拔降落為l 944m。當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度為26℃～32℃，相對(duì)濕度為54%～60%。

登山前后和次日晨測(cè)定體成分，登山前和登山后次日晨分別測(cè)定血清肌酸激酶（CK）、血尿素（BU）及尿10項(xiàng)。其中，三軸加速度計(jì)為ActigraphGT3x（Manufacturing Technology，Inc.，MTI），使用前要對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)置并格式化內(nèi)存，將受試者個(gè)人情況輸入，通過彈性尼龍帶將GT3X固定在受試者右腋窩中線和髂嵴水平線的交界處，采樣模式為60s；采用polar團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)記錄運(yùn)動(dòng)中心率（Po-lar Tear02 Pro，F(xiàn)inland），采樣頻率為lHz；體成分測(cè)定采用Inbody 720體成分分析儀（Biospace，Ko-rea）；血清BU、CK測(cè)定采用REFLOTRON plus干式生化分析儀（German），試劑條為德國(guó)羅氏公司產(chǎn)品；尿10項(xiàng)測(cè)定采用自動(dòng)尿十項(xiàng)分析儀P202M178632（Pocket Chem，Japan）。

1.2.2能量消耗數(shù)據(jù)推算

（1）心率法測(cè)能量消耗。實(shí)驗(yàn)完成后導(dǎo)出心率的數(shù)據(jù)，代入預(yù)測(cè)方程計(jì)算能量消耗，具體公式為：

能量消耗EE（KJ/min）=性別系數(shù)×（-55.0969+0.6309×心率+0.1988×體重+0.2017×年齡）+（1-性另0系數(shù)）×（-20.4022+0.4472×心率-0.1263×體重+0.074×年齡）。其中，性別系數(shù)男性為1，女性為0，心率單位為次/min，體重單位為kg。

（2）三軸加速度計(jì)測(cè)能量消耗。測(cè)試完成后，通過軟件下載數(shù)據(jù)，提取GT3X三軸原始數(shù)據(jù)（垂直軸活動(dòng)計(jì)數(shù)ACaxisl、冠狀軸活動(dòng)計(jì)數(shù)ACaxis2、矢狀軸活動(dòng)計(jì)數(shù)ACaxis3），三軸向量幅值VM3=（ACaxisl+ACaxis2+ACaxis3）。使用Freed-son VM3 Combination（VM3C）方程推算運(yùn)動(dòng)能耗：endprint

能量消耗（kcals）=s×[0.00097×VM3+（0.08793×體重）]-5.01582，（動(dòng)作數(shù)≥s×2453）；

能量消耗（kcals）=動(dòng)作數(shù)×0.0000191×體重，（動(dòng)作數(shù)≤s×2453）。公式（1）（2）中：s=持續(xù)活動(dòng)時(shí)間（s）/60s，動(dòng)作數(shù)（steps）為步數(shù)。

1.2.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，三軸加速度計(jì)與心率法測(cè)能量消耗比較、登山前后各指標(biāo)比較采用采用重復(fù)方差分析，相關(guān)分析采用Person相關(guān)分析，以p<0.05為有顯著性差異，以p<0.01為有非常顯著性差異。

2研究結(jié)果

2.1兩種方式測(cè)能量消耗方式的對(duì)比

表1為10名受試者從7：00到17：00間每小時(shí)的平均能量消耗測(cè)定結(jié)果?？傮w而言，兩種方法測(cè)定的平均能耗和總能耗并無顯著差異（p>0.05）。按時(shí)間段比較，除7：00和13：00心率推算的能耗顯著高于（p=0.030）和低于（p=0.028）三軸加速度計(jì)推算的能耗外，在其他時(shí)段兩種方法推算的能量消耗并無顯著差異（p>0.05）。此外，Pearson相關(guān)分析表明心率法推算的能耗和三軸加速度計(jì)推算能耗結(jié)果顯著相關(guān)（r=0.761，p=0.017）。

2.2登山運(yùn)動(dòng)前后體成分變化以及機(jī)體反應(yīng)

表2為登山前后和次日晨受試者體重、脂肪含量和瘦體重的測(cè)定結(jié)果?？傮w而言，登山后受試者體重顯著降低（2.6kg，p<0.05），次日晨恢復(fù)至登山前水平（p>0.05）；脂肪含量減少l%，但與登山前比較均無顯著差異（p>0.05），次日晨恢復(fù)到登山前水平（p>0.05）。另外，瘦體重在登山過程中變化不大（p>0.05），說明登山過程中主要流失的是水分和少部分的脂肪。表3為登山前和次日晨血清CK、BU、尿比重、尿蛋白陽性率測(cè)定結(jié)果，與登山前比較，受試者次日晨血清CK、BU顯著升高（p<0.01，p<0.05），尿比重均超過1.030、尿蛋白陽性檢出率顯著升高（p<0.01）。反映出一天11h、30km的登山運(yùn)動(dòng)后機(jī)體產(chǎn)生較強(qiáng)烈的反應(yīng)，經(jīng)過1晝夜恢復(fù)受試者仍然有一定程度的脫水、機(jī)能尚未完全恢復(fù)。

3分析討論

3.1爬山過程中的能量消耗

登山時(shí)的能耗是反映登山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)之一。我們的結(jié)果顯示，在一次30km持續(xù)時(shí)間11h的野外登山過程中，每小時(shí)平均能耗在310～450kcal，與Sperlich和田野等采用氣體代謝分析測(cè)得的結(jié)果相近。這一數(shù)值相當(dāng)于40%～80%VO，max，顯示出本次登山的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度在中等到大強(qiáng)度之間。本研究中l(wèi)O名受試者從7：00～17：00間每個(gè)小時(shí)的平均能量消耗心率法和三軸加速度計(jì)法測(cè)定的平均能耗和總能耗并無顯著差異（p>0.05）；分段比較，除7：00和13：00心率推算的能耗顯著高于（p=0.030）和低于（p=0.028）三軸加速度計(jì)推算的能耗外，在其他時(shí)段兩種方法推算的能量消耗并無顯著差異（p>0.05）。Pearson相關(guān)分析表明兩種方法推算能耗的結(jié)果顯著相關(guān)（r=0.761，p=0.017）。結(jié)合登山路線，7：00～8：00為出發(fā)后1h，主要是上坡，受試者體力充沛而采用較快的速度，造成心率保持在較高水平，而由于步數(shù)少造成加速度推算的能耗較低。13：00～14：00的lh的差異主要是因?yàn)樵谕局杏凶隽?次休息停留（每次約5～10min），造成心率在較低的水平上時(shí)間較長(zhǎng)，因此推斷的能耗小于實(shí)際消耗量。

三軸加速度計(jì)雖然體積小、重量輕、方便佩戴、記錄時(shí)間長(zhǎng)，有研究認(rèn)為三軸加速度計(jì)是一種評(píng)估人體活動(dòng)水平和能量消耗的可靠工具，但由于不能反映上肢運(yùn)動(dòng)、人體推力和遇到的阻力，因而其精確性與運(yùn)動(dòng)方式有很大關(guān)系。研究表明，三軸加速度計(jì)測(cè)定快走、慢跑和快速跑時(shí)與氣體代謝測(cè)定的能耗相關(guān)系數(shù)在0.94～0.97，是一種推算能量消耗的可靠方法。本次登山過程中，受試者運(yùn)動(dòng)模式為步行，此種方法能較好反映運(yùn)動(dòng)過程中的能量消耗。當(dāng)然，如果能結(jié)合坡度進(jìn)一步對(duì)能耗進(jìn)行矯正，有利于減少測(cè)定的誤差。心率是最容易測(cè)量的生理指標(biāo)之一，并且與人體機(jī)能活動(dòng)狀態(tài)、能量代謝密切相關(guān)，所以心率法是監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)能量消耗的常用方法。登山的能量消耗影響因素主要有：登山運(yùn)動(dòng)的速度、登山的時(shí)間、受試者的性別、年齡、體質(zhì)量等，但心率預(yù)測(cè)能量消耗的方程中只涉及到了受試者性別、體質(zhì)量、年齡、每分鐘心率的值。心率法測(cè)能量消耗能較準(zhǔn)確推算大強(qiáng)度下運(yùn)動(dòng)的能量消耗，而高估中小強(qiáng)度、低估極大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的能量消耗，誤差在+20%～-15%?？傮w而言，在長(zhǎng)時(shí)間的登山運(yùn)動(dòng)中，心率法反應(yīng)登山運(yùn)動(dòng)中整體的能耗在可接受的范圍內(nèi)。

3.2體成分和機(jī)體反應(yīng)

Neumayr等對(duì)3周中等海拔（1700m）和低海（200m）拔每天2h，每周4次，55%～65%HRmax強(qiáng)度的野外登山進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)登山后受試者體重降低3.13kg。在長(zhǎng)時(shí)間或幾周的連續(xù)登山運(yùn)動(dòng)中，受試者體重均降低，研究認(rèn)為，體重的降低主要是由于攝入熱量小于消耗熱量造成的。Sperlich等對(duì)一次30km、6～9h、坡度13%的美國(guó)大峽谷野外徒步過程中能量消耗進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示總能耗達(dá)到3322kcal，攝入能量為2096kcal，造成能量虧損1 226kcal。另有研究報(bào)道，長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離的野外登山運(yùn)動(dòng)中每日能耗在5000kcal，而攝入的熱量低于實(shí)際需要量，這種現(xiàn)象在負(fù)重情況下更常見。本研究結(jié)果表明，11h登山的能量消耗為4 319.98±525.95 kcal，接近國(guó)外的報(bào)道。體重和體成分的結(jié)果表明，受試者體重平均降低2.6kg，脂肪含量降低約1%，而瘦體重在登山過程中變化不大；經(jīng)過1晝夜休息后，恢復(fù)到登山前水平。說明登山過程中主要流失的是水分和少部分的脂肪。這與報(bào)道中，長(zhǎng)時(shí)間登山運(yùn)動(dòng)中主要能源物質(zhì)是糖和脂肪的報(bào)道一致。另外，1次登山運(yùn)動(dòng)后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男菹?，機(jī)體的能源物質(zhì)儲(chǔ)量能夠基本恢復(fù)。

另外，與登山前比較，受試者次日晨血清CK、BU顯著升高，尿比重均超過1.030、尿蛋白陽性檢出率顯著升高（80%）。反映出一天11h、30km的登山運(yùn)動(dòng)后機(jī)體產(chǎn)生較強(qiáng)烈的反應(yīng)，經(jīng)過1晝夜恢復(fù)受試者仍然有一定程度的脫水、機(jī)能尚未完全恢復(fù)。從總能耗和平均能耗看，本次登山形式運(yùn)動(dòng)量，與尿蛋白陽性檢出率結(jié)果一致。從BU變化看，說明長(zhǎng)時(shí)間登山運(yùn)動(dòng)蛋白質(zhì)的參與供能，在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后應(yīng)注意補(bǔ)充；而CK的高水平與海拔和上下坡有關(guān)，研究表明肌肉離心運(yùn)動(dòng)后CK水平顯著升高。提示在登山過程中除要保證水、糖和電解質(zhì)的補(bǔ)充外，在登山結(jié)束后應(yīng)重視總熱量的補(bǔ)充，保證各營(yíng)養(yǎng)素的比例，以促進(jìn)人體恢復(fù)。

4結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

（1）心率與三軸加速度計(jì)均能較好測(cè)定登山過程中的能量消耗，但提供的信息不同，在登山過程中可依據(jù)實(shí)際需要選擇。

（2）在長(zhǎng)距離的登山過程中機(jī)體除消耗大量脂肪，還引起大量的體液丟失流失；經(jīng)過1晝夜休息，機(jī)體尚未完全恢復(fù)。

4.2建議

（1）在登山過程中心率可反映運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和身體恢復(fù)，三軸加速度計(jì)可反映步數(shù)和人體的運(yùn)動(dòng)狀況，在登山過程中都可測(cè)定能量消耗，但提供的信息可以互補(bǔ)。

（2）在長(zhǎng)距離登山過程中每小時(shí)能耗約在3lO～490kcal，每日能耗約5000kcal，要注意補(bǔ)充足量的能源物質(zhì)，在炎熱的氣候下還要注意補(bǔ)充液體。如連續(xù)進(jìn)行登山，應(yīng)注意充分休息便于身體恢復(fù)。endprint