走跑運動能量消耗的研究進展

邱 凌，張培珍

人類活動的實質(zhì)就是能量代謝的行為和性質(zhì)，其包涵了人類內(nèi)在物質(zhì)的微觀運動以及外部的宏觀活動。眾所周知，能量是不能被創(chuàng)造出來的，當然也不能隨意消失。物質(zhì)之間的能量可以相互傳遞，在表達的方式上也可以相互轉(zhuǎn)換[1]。人類的生命活動例如日常生活學習以及體育鍛煉都需要能量來維持。由于當代人健康意識的不斷加深，大眾健身風靡世界，減少靜坐少動，增加身體活動變成一種健康的追求，人們對身心健康有了進一步的關注[2]。多運動，不僅有助于減肥，而且對促進身體健康和預防疾病也有積極的一面。走、跑之所以受到大眾的歡迎，是因為它們將常見的身體活動方式運用于健身鍛煉，不僅能隨時隨地鍛煉，而且也無需專門的場地器材[3]。步行是貫穿于日?；顒拥幕旧眢w活動，而跑步是全民健身中的一種主要方式，二者都得到不少大眾的青睞。

能量攝入值與消耗值的失衡，會給健康帶來許多負面影響。了解不同運動在一定時間內(nèi)的能量消耗量，可以為合理鍛煉提供科學的依據(jù)。在運動訓練學、運動生理學和運動營養(yǎng)學等學科中，運動量及能耗的研究都是比較受關注的部分[4]。走、跑作為比較常見的身體活動方式，也是構成日常生活能耗的重要部分[5]。對不同環(huán)境條件下的走、跑運動模式的能量消耗進行研究，可為生活中常見鍛煉方式提供適當?shù)倪\動強度和能量消耗量[6]。探討運動中的能耗，對了解運動與健康的關系、制定個性化運動處方而言都十分重要，對提供科學的運動建議和改善健康有著重要的意義。

1 能量消耗及測量方式

身體活動指的是任何由骨骼肌收縮引起的導致能量消耗的身體運動，主要包括職業(yè)性、交通性、家務性以及休閑時的身體活動[4]。能量消耗不僅對于肥胖的預防和治療有積極的作用，而且對日?；顒右埠苡幸饬x，是否達到能量平衡是可以從攝入和消耗的能量值直接反映出來的[6]。

測量能耗的方法種類繁多，有直接測熱法、間接測熱法、雙標水法、心率監(jiān)測法、運動傳感器法以及調(diào)查法，其中調(diào)查法包括了問卷法和觀察法[4]。20世紀初研究者們用行為觀察法和問卷調(diào)查法依據(jù)受試者的反應和回答來推算能耗，這樣得到的數(shù)據(jù)誤差較大，信度和效度都不高[2]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，能耗測量方法不斷發(fā)展。直接測熱法是按照能量守恒定律，先測得機體自身向外部環(huán)境發(fā)出的熱量值，然后再計算體內(nèi)消耗的熱量值，雖然這是得到廣泛認可的一種方式，但由于測試設備的復雜性，不適合普及；間接測熱法指的是通過在密閉的空間或者佩戴呼吸面罩來測定氣體代謝，測量和分析受試者的攝氧量和二氧化碳呼出量，從而計算出能量消耗，具有很高的準確性，氣體代謝裝置的使用就是按照間接測熱法的原理進行的，可獲得運動中的能量消耗情況，氣體代謝測試是一種科學研究的實用價值比較高的測試方法[7]。隨著科技的發(fā)展而出現(xiàn)的雙標水法精準度高，然而測試的費用也高，并且只能反應一個能耗總值，基于上述原因，雙標水法的普及是不現(xiàn)實的；心率監(jiān)測法即利用心率與攝氧量之間的關系來推算一定時間之內(nèi)的氧耗情況，心率作為人體的一項基本生理指標，對周圍環(huán)境變化的反應比較靈敏，但是諸多外界因素會對心率產(chǎn)生影響，這會給測量帶來許多不可避免的偏差[6]。

運動傳感器一般指的是計步器以及加速度計，其中計步器只能用來計算步數(shù)，對于機體的運動強度是無法檢測到的，它的體積小，價格低，比較適用于測量較為簡單的體力活動的能量消耗；加速度計的型號分為：單軸、雙軸和三軸加速度計，三軸加速度計的測量效果最為準確，而且測試功能比較多種，目前已經(jīng)被廣泛使用[8]。此外，也有一些機體能量消耗的推算方法，例如用步行速度、心率、步頻、主觀感覺疲勞程度等推算運動機體的能量消耗值。研究者在不同的實驗中可以按照研究對象和目的以及實際情況等，采用適宜的方式，對身體活動與健康的關系展開進一步的研究。

2 場地走跑的能量消耗

場地走跑作為一種有氧運動模式，不僅運動形式簡單，而且便于在群眾中展開。步行是最普遍鍛煉方式，適宜強度的步行可以減少慢性疾病的發(fā)生率，它也是大眾最經(jīng)常進行的一種運動模式，對步行過程中的能耗展開測量與評估，了解不同人群在不同步速下行走的能耗特點及其變化規(guī)律，可以為身體活動和健康的關系提供依據(jù)[9]。此外，全民健身研究領域中也需要某些指標的具體量化，從而監(jiān)測、比較、評估身體活動水平。通過不同的計算方法實現(xiàn)鍛煉目標，比如步速、步頻、步行時間、行走步數(shù)以及步行距離，進一步建立了與中等和大運動強度相對應的步頻臨界值。

在當今的研究背景下，有不少針對走、跑運動機體能量消耗的研究。朱琳等人[10]關于青少年運動能量消耗的研究發(fā)現(xiàn)，對青少年而言，3km/h速度屬于散步，4 km/h、5km/h 屬于慢步行走，6 km/h屬于快走，而7 km/h、8 km/h屬于跑；此外研究顯示，同一運動項目以及相同速度運動下，肥胖青少年能量消耗均顯著高于正常青少年；相同定量負荷運動時，肥胖和正常青少年運動的能耗消耗和代謝當量不同，這些研究結果對青少年減肥有一定的促進作用。屈金亭等[11]研究不同體重和步速的能耗特點時發(fā)現(xiàn)，能量消耗與運動速度的增加成正比，并且男性的能耗高于女性；隨著速度的增加，男性和女性單位體重的能耗也都有一定的增加，可是二者單位體重能耗值在變化上基本沒有區(qū)別；能量消耗與體重的增加亦成正比；將不同體重的能耗值進行比較，體重與單位體重的能量消耗值之間存在著負相關關系。

當下，應用加速度計來研究運動和能耗也成為炙手可熱的一方面，越來越多的研究者認為加速度計是客觀測量身體活動的優(yōu)選方式。例如管培培等人[12]探究走跑運動中加速度計數(shù)與能耗之間的相關性，不同性別條件下加速度計數(shù)的變化，以及不同身體指標的加速度計數(shù)與能耗變化的差異，研究發(fā)現(xiàn)男性和女性在不同速度下的攝氧量、垂直軸以及合矢量計數(shù)均有明顯的區(qū)別，但是冠狀軸、矢狀軸計數(shù)和攝氧量之間不存在明顯不同。

評估人體多項生理指標，進而推算場地走跑的能耗量，尋求在不同步速下的能耗和它的變化規(guī)律，可為探索身體活動和健康的關系提供依據(jù)[13]。

3 跑臺走跑的能量消耗

當今社會，能量攝入量與能量消耗之間的平衡備受關注，健步走和跑步也越來越流行。在過去的30年間，運動參與者的指數(shù)不斷上升，這其中有許多復雜的因素(例如動機、心理和策略)在發(fā)揮著重要的作用[14]。走、跑運動作為全民健身的便捷方法，對人體健康產(chǎn)生積極影響，也是廣大學生群體在課余時間鍛煉身體的主要活動項目之一。

關于跑臺走跑的能量消耗，國內(nèi)外都有相關研究。王歡[15]研究了健康成年人在跑臺上以四種步行速度分別為 4.0km/h、4.8km/h、5.6km/h和 6.4km/h，每種速度連續(xù)走6分鐘的能量消耗，通過對能耗因素進行探討，發(fā)現(xiàn)肌肉、體表面積、體重、瘦體重與能耗存在較顯著相關性，而脂肪組織與能耗不存在顯著相關性，并且推薦男性一天的步行量不低于8000步，女性不低于8900步。而在國外的研究中，Ljzerman等人[16]使用生理成本指數(shù)來評估步行的能量消耗，一共進行三次評估，其中第二次不穿鞋，其余兩次穿鞋，所測試的主要指標有攝氧量、心率和步行速度(以一個自我感覺適宜的速度為測量標準)，隨后計算氧價和生理成本指數(shù)，使用生理成本指數(shù)作為一個檢測變化的標準和測試結果的統(tǒng)計意義，研究發(fā)現(xiàn)生理成本指數(shù)的再生性在攝氧量方面的差別是微小的，而且在計算生理成本指數(shù)時減去基礎心率產(chǎn)生的作用可能不明顯。盧偉華等人[17]對以相同速度在跑臺上走跑展開對比研究，發(fā)現(xiàn)在主觀感覺疲勞程度(RPE)方面，當速度小于4.0km/h時RPE值表現(xiàn)為走小于跑；速度在4.5km/h～5.0km/h時，RPE值表現(xiàn)為走大于跑；在能量消耗方面，表現(xiàn)為遞增式全過程跑大于走。孫泊等人[18]采用跑臺實驗對走和跑兩種簡單易行方式的健身效果進行分析比較，對跑臺走、跑運動狀態(tài)下單位時間單位體重的能耗與運動速度的相關關系以及單位距離單位體重的能耗與運動速度的相關關系進行研究，探討相同速度走、跑兩種不同的運動狀態(tài)下能量消耗的特征，發(fā)現(xiàn)單位時間的能耗與走速呈較高的二次曲線關系、與跑速呈線性遞增關系。

已知的一些關于身體活動較活躍的年輕女性在跑臺走跑的能耗方面的研究，對走和跑兩種不同運動模式下的攝氧量等生理方面和主觀方面的指標進行比較，觀察她們在不同速度下不同的反應，可以指導這類人群如何合理地健身[19]。Greiwe等人[20]的研究發(fā)現(xiàn)，當跑臺速度≥8.5km/h時，走狀態(tài)下的能量消耗和心率均比跑步狀態(tài)下更高；當跑臺速度≥8.0km/h時，走狀態(tài)下的乳酸積累量和呼吸交換率顯著高于跑步狀態(tài)；當以同一速度進行走和跑兩種不同運動模式的測試時，和跑相比較，在主觀感覺上受試者覺得走更加吃力。能量消耗的增加與呼吸交換率、心率、主觀感覺疲勞程度以及乳酸積累等指標都有密切聯(lián)系。由于不同目標，在進行身體活動的時候，可以選取不一樣的運動模式，例如需要減重時可選擇跑的運動方式，而在較長距離的訓練時，則采用快走[21]。此外還可以按照個體差異性原則對運動種類進行選擇，針對沒有運動史的人群以及中老年人群，建議采用中低強度的走，避免產(chǎn)生運動疲勞和運動損傷，這樣有利于長期堅持鍛煉從而達到最大的健身效益；建議身體素質(zhì)較好以及有減肥目的的人群，選擇強度稍高的跑，即可以達到鍛煉目的，又進一步發(fā)展自身的體能水平[22]。

在獲取了走跑過程中的能耗值之后，關于如何計算走跑過程的能耗，目前建立了在步頻基礎上的能量消耗數(shù)學模型和怎樣確定最佳減肥運動強度和時間等。根據(jù)性別、年齡、身高和體重等和運動強度，來估算運動能耗，同時在運動過程中用心率和主觀感覺疲勞程度，來評價鍛煉效果和身體狀況，以便安全持久地進行運動[23]。

4 跑臺走跑與場地走跑能量消耗的比較

走、跑不僅是人類最常見的兩種基本形式，而且也是最便捷、最普遍的身體鍛煉活動方法，在這兩種運動模式中有相似的也有不同的動力學和運動學基礎[24、25]。二者中有一個最明顯的差異就是跑步存在飛躍階段，在走的過程中是一個雙支持階段，這說明在跑的過程中需要肌肉形成更大的支撐力，所以準確測量走、跑過程中的能量消耗非常重要。江崇民等人[13]根據(jù)成年男性以不同速度在跑臺和場地進行走和跑運動的相關能耗指標，分析可知在相同速度下走跑模式的肌肉功能是有差異的，不同肌肉貢獻機械能的多少是不同的，將相同速度走和跑過程中支撐身體前進的功能進行量化，用動態(tài)模擬來闡述兩種不同步態(tài)模式之間肌肉功能的差別，最主要的區(qū)別是和走相比，跑步模式中比目魚肌向前推推進的貢獻有所減少，在跑步過程中更大的功率輸出是由比目魚肌、髖關節(jié)和膝關節(jié)共同產(chǎn)生的。

需要注意的是，跑臺測試和場地測試是存在區(qū)別的。隨著便攜式氣體代謝儀的不斷更新發(fā)展，走、跑的能量消耗不僅可以在跑臺上進行，而且也可以在場地環(huán)境中展開測試。劉洵[26]的研究表明，雖然跑臺和場地走、跑的運動形式基本一致，但是由于二者有不同的氣體環(huán)境、不同的地面材質(zhì)，這些因素的不同對其氣體代謝和能耗的指標測定會帶來不一樣的影響，二者的能耗趨勢是場地跑大于跑臺跑。例如在跑臺上步行時，用來抬起肢體的一部分動力可能來自于跑臺發(fā)動機。體育鍛煉運動中走、跑運動的能耗狀況與場地走、跑的能耗顯得更相近[27]。雖然場地測試結果的重復性不如實驗室測試，但是更加接近真實環(huán)境，所得的數(shù)據(jù)更為真實。采用跑臺測試得到的結果與場地走、跑的實際能耗可能有一定的偏差，在體現(xiàn)場地走、跑的用力程度方面存在劣勢，因而不建議用跑臺測試代替場地測試[28]。

隨著越來越多老年人有了鍛煉的意識，今后也應該關注老年人場地和跑臺上步行的能量代謝消耗的研究。此外關于何種運動方式帶來更多的能耗，研究者有不同的意見，總結其可能的原因大概有三種：其一，機體本身或外界環(huán)境因素帶來的反饋(跑臺是否勻速)；其二，空氣形成的阻力因素；其三，利用視覺帶來的訊息從而進一步加強身體的平衡性和穩(wěn)定性。但是主流趨勢是場地步行比跑臺步行的能耗更多。此外還評估了兩種模式之間的聯(lián)系，結果顯示，跑臺上步行的能量消耗不一定適用于日常場地步行活動，快走帶來的能量消耗量遠大于慢跑[29]。

5 負重步行的能量消耗

在增加能耗的相關研究中，劉永智[30]在關于不同負重條件下步行能耗的研究當中，讓受試者在足、小腿、大腿、手、前臂和上臂分別負重0.5kg、1kg、1.5kg，然后在跑步機上開始測試，得出的結論是在小重量負重條件中，負重的部位對于能耗率的影響比負重重量明顯，在上肢和下肢選擇增加能耗率的負重部位時應該以下肢為主；而在下肢中應該以足部為主，上肢差異不明顯；此外，手持重物步行對于能耗率的影響不顯著。

當前探討較多的是負重會增加能量消耗，但是具體在不同的部位進行不同負重以及引起這種差異的生物力學原因還有待繼續(xù)深入探討，把一系列問題展開研究，從而給負重能量消耗與體重控制等方面帶來更深遠的影響。

6 小結與展望

隨著社會和科學技術不斷在發(fā)展，人類生活方式也產(chǎn)生了翻天覆地的改變，在享受舒適生活的同時，身體活動的機會也相對減少。令人欣慰的是，當下的人們已經(jīng)意識到運動是良醫(yī)，運動與健康之間有著密不可分的關系。在如今快節(jié)奏忙碌的工作生活狀態(tài)下，更需要正視運動的重要性。

走、跑是最容易被接受和推廣的體育鍛煉方式。對于增加能量消耗而言，步行和跑步均是常見的運動模式。對不同性別，不同體重以及不同年齡段的人群走跑的能量消耗研究是走跑健身科學化的基石，在之后的研究中要繼續(xù)對走跑運動的能耗展開進一步的探索，將走和跑運動的指標具體量化，進一步建立與中等和大強度運動相對應的步頻臨界值，從而監(jiān)測、比較、評估身體活動水平，以及探討不同部位進行不同負重步行的能耗以及引起這種差異的機制，進而用于指導人們的運動，提供優(yōu)化建議，改善群眾健康。