400米跑两种能量供应计算方法比较研究

杨俊超 陈雨扬 奥航 李新元 许春艳 邱俊强，2

1 北京体育大学（北京100084）

2 运动营养北京市高等学校工程研究中心（北京100084）

了解400 米跑的磷酸原、糖酵解和有氧代谢供能系统的代谢需求比例有助于实施训练计划和优化ATP代谢[1]，然而迄今为止，关于精确和无损计算供能比例的方法依然较为缺乏。其中有氧供能的计算方法是非常准确的，因为摄氧量和能量释放之间存在直接的比例关系[2]，通常利用气体代谢分析仪检测机体吸收的氧气间接计算。较为广泛研究和应用的无氧供能计算方法为最大累积氧亏法（maximal accumulated oxygen deficit，MAOD）[3]，还有另一种方法将无氧供能分为无氧乳酸和无氧非乳酸并分别进行计算，称为磷酸肌酸-乳酸-氧气法（phosphocreatine-lactate-oxygen，PCr-La-O2）[4]。PCr-La-O2法无氧乳酸部分根据运动中累积血乳酸换算[5]，无氧非乳酸部分则通过运动后过量氧耗（excess post-exercise oxygen consumption，EPOC）快速部分[6]或单位体重的磷酸原计算[7]。

关于MAOD 法和PCr-La-O2法计算供能比例的一致性尚存在争议。有研究者认为，MAOD 法在建立摄氧量-输出功率（oxygen uptake - power output，VO2-PO）预测方程时忽略无氧供能，会最终导致有氧供能的高估[4]，如女子200米皮划艇[8]有氧供能比例为36.0%和30%（MAOD vs. PCr-La-O2），女子800 米跑[9]为70.1%和68.6%。但Miyagi等[10]的研究发现，以110%或120% 最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）运动至力竭（110%VO2max：3.66 ± 0.46 min；
120%VO2max：2.74 ± 0.56 min），MAOD 法和PCr-La-O2法计算的供能结果具有良好的一致性。因此，有研究者推荐采用PCr-La-O2法替代MAOD法对供能比例进行计算，这样能大大节约计算时间且在运动队推广应用[11，12]。但上述结论是否适用于田径400 米跑仍需进一步探究，例如Duffield 等[9]在以MAOD法（41.3 ± 10.9）和PCr-La-O2法（35.2 ± 7.1）计算400 米跑有氧供能比例时即有所不同。

如前所述，MAOD 法和PCr-La-O2法在计算400米跑供能比例时可能会得到不同范围的结果，但两者的差值是否具有临床或实际意义呢？为解答这一问题，本研究引入数据级数推断方法[13]，进一步探索两种方法计算400 米跑供能比例的差异程度，为运动实践提供理论依据。

1.1 研究对象

13名男性400米跑专项运动员，包括4名1级运动员和9 名2 级运动员。受试者基本信息为：年龄19.9± 1.4 岁，身高178 ± 5 cm，体重69.9 ± 7.2 kg，骨骼肌质量58.0 ± 4.9 kg，体脂百分比13% ± 3%，最好成绩50.49 ± 1.37 s。受试者在实验前由实验负责人告知实验流程、测试风险和测试要求等，并签署知情同意书。本实验获得了北京体育大学伦理审查委员会对人体受试者进行实验的批准。

1.2 实验设计

所有受试者均进行3 次运动测试，包括递增负荷测试、恒定负荷测试（5 级：50%、60%、70%、80%和90% VO2max）和400米田径场专项测试。每2次运动测试之间至少间隔48～72小时；
温度范围为20℃～24℃，并且测试至少在受试者餐后2小时进行。测试前48小时内，要求受试者避免力竭运动和酒精等摄入[14]。

受试者身体成分采用数字化双能量X 线检测仪（iDxa，General Electric Company，Fairfield，United States）测定。递增负荷测试、恒定负荷测试和400 m跑专项测试过程中的代谢气体采用便携式气体代谢仪（MetaMax 3B，Cortex Biophysic，Leipzig，Germany）收集。测试前按照仪器使用要求进行气压、气体（标准气体浓度O2为15.00%，CO2为5.00%）和气量（气筒容积为3 L）校准。采集受试者递增负荷测试结束后1 min，以及田径场400 m跑专项测试前和测试后1、4、7、10 min 的指尖血，使用血乳酸分析仪（Biosen S-line lab ，EKF Diagnostic，Barleben，Germany）分析。

1.3 递增负荷测试

受试者在实验室的跑台（（Stratos med，H/p/cosmos，Traunstein，Germany）上进行测试，以8 km/h 的速度热身5 min 后进行拉伸。递增负荷测试方案：受试者以10 km/h 开始，每2 min 增加1 km/h，运动至力竭后停止[15]。递增负荷测试过程中跑台坡度设置为1%[16]，受试者佩戴便携式气体代谢分析仪。受试者测试结果需满足3个标准方可判断为力竭[17]：（1）连续2 min或以上VO2增加≤2.1 ml/kg/min；
（2）运动后血乳酸≥8.0 mmol/L；
（3）呼吸交换率≥1.10；
（4）最大心率≥110% HRmax（220-年龄）。

1.4 恒定负荷测试

受试者到达实验室，休息5 min 后，佩戴便携式气体代谢分析仪测定坐姿安静VO2[18]。根据递增负荷测试的最大摄氧量强度，受试者完成5 级恒定负荷测试（50%、60%、70%、80%和90%VO2max），每级持续10 min，跑台坡度设置为1%[16]。每完成一级负荷后，立即取下面罩，在1 min 内完成指尖血采集。休息4 min后，受试者戴上面罩，直到VO2恢复至与上级运动前VO2差值在3 ml/kg/min 以内，才令受试者进行下一级恒定负荷测试[19]。取每级负荷的8～10 min VO2的均值与其对应的负荷强度（速度）进行线性拟合。

1.5 400米田径场专项测试

测试地点为田径场，受试者按照正式比赛程序准备测试。为保证运动员发挥最佳成绩，测试时间点和热身程序都由受试者决定。受试者正式测试前5～10 min 佩戴气体代谢分析仪，到达400 米终点后6 min 取下。采集受试者运动前，运动后1、4、7、10 min 指尖血[20]，运动中累积血乳酸为运动后4个采集点的血乳酸峰值与运动前血乳酸的差值。

1.6 供能比例计算

1.6.1 MAOD法

理论摄氧量是由VO2-PO 预测方程推算而来，实际摄氧量则是受试者在超大强度运动中的VO2，采用便携式气体代谢分析仪分析。本研究采用“5+Y”方法拟合Y=aX+b 方程（VO2-PO方程），其中a为回归方程线的斜率，参数b 即“Y”截距，代表安静时受试者的VO2。利用VO2-PO方程计算400米跑时的理论需氧量（theoretical oxygen demand，TOD），累积氧亏（accumulated oxygen deficit，AOD）为TOD 与实际摄氧量（actual oxygen uptake，AOU）的差值。有氧供能比例（%）=AOU/TOD×100%，无氧供能比例（%）= AOD/TOD×100%，其中有氧供能比例与无氧供能比例相加为1（图1）。

图1 本研究MAOD法示例

1.6.2 PCr-La-O2法

该方法计算公式为：有氧供能比例（%）=有氧部分/（有氧部分+无氧乳酸部分+无氧无乳酸部分）×100%，无氧供能比例（%）=（无氧乳酸部分+无氧无乳酸部分）/（有氧部分+无氧乳酸部分+无氧无乳酸部分）×100%。有氧供能（ml/kg）部分即运动中实际VO2，无氧乳酸（ml/kg）部分[21]为运动中累积血乳酸量（mmol/1）与氧气-乳酸换算系数（3.0 ml/kg/mmol·l[7]）的乘积，无氧无乳酸部分根据运动后过量氧耗快速部分[6，22]（EPOCFAST）计算，将breath×breath的气体代谢数据按每1秒导出，代入公式进行拟合：

其中，VO2（b）为基线值，A为渐进幅度，τ为阶段对应的时间常数，A1×e（-t/τ1）和A2×e（-t/τ2）分别代表运动后VO2快速和慢速部分（图2）。

图2 本研究400米跑的运动中和运动后摄氧量动力学拟合曲线

1.7 统计学分析

本研究利用SPSS 21.0软件对数据进行统计处理，线性和非线性曲线采用GraphPad Prism 8 进行拟合，结果以平均数±标准差（±s）表示。采用Shapiro-Wilk 检验数据是否为正态分布。采用配对t检验判断MAOD与PCr-La-O2的差异。利用Pearson相关系数评价供能比例与测试成绩的相关性。统计的显著性水平设置为0.05。

采用数据级数推断统计方法，“最小有意义阈值”（minimal importance difference，MID）由标准化均数差（standardized mean difference，SMD）确定，采用Cohens’d法[23，24]计算SMD公式如下：

将根据SMD确定的MID 进行如下划分[13，25]：无意义微小差异＜0.2＜小差异＜0.6＜中度差异＜1.2＜大差异＜2.0＜非常大差异＜4.0＜极其大差异。

递增负荷测试结果显示所有受试者均满足力竭标准，VO2max为57.2 ± 2.5 ml/kg/min，对应的强度为16.3± 0.6 km/h，最大心率为194 ± 10 次/min，乳酸10.9± 2.5 mmol/l。

本研究受试者400 米田径场专项测试成绩为54.81 ± 1.93 s，根据MAOD法计算的有氧供能比例为47.5% ± 4.7%，无氧供能比例为52.5% ± 4.7%。采用“5+Y”法拟合摄氧量-速度线性相关方程，静息摄氧量为5.4 ± 0.8 ml/kg/min，斜率为3.3 ± 0.2，R2为0.95 ±0.03。另外，AOU 为39.3 ± 71.3 ml/kg，拟合方程外推TOD为83.1 ± 4.6 ml/kg，则AOD为43.8 ± 5.9 ml/kg。

根据PCr-La-O2法计算的有氧供能比例为36.4%± 7.6%，无氧供能比例为63.6% ± 7.6%。所有受试者400米跑场地专项测试产生乳酸为14.8 ± 2.4 mmol/l，无氧乳酸部分为44.5 ± 7.3 ml/kg，无氧无乳酸部分为28.3 ± 16.2 ml/kg。所有受试者各项参数拟合结果见表1。

表1 400米运动后摄氧量动力学模型各参数拟合结果

采用MAOD 和PCr-La-O2法计算的供能比例差值为11.1%，[95% CI（6.5%，15.7%）]。相比于PCr-La-O2法，MAOD 计算的有氧供能比例高，无氧比例低，差异有统计学意义（t=5.221，P＜0.001）。

数据级数推断结果显示：MAOD 法计算的有氧供能比例大于PCr-La-O2法计算的有氧供能比例，两者呈现出中度到非常大差异[SMD=1.70，95%CI（0.78，2.61）]；
MAOD 法计算的无氧供能比例小于PCr-La-O2法计算的无氧供能比例，两者呈现出中度到非常大差异[SMD=-1.70，95%CI（-2.61，-0.78）]（图3）。

图3 基于数据级数推断的MAOD与PCr-La-O2法计算差异结果

本研究采用Pearson相关分析评价2种方法计算的有氧或无氧供能比例和运动成绩之间的关系，结果显示，MAOD 法（r=±0.258，P=0.394）和PCr-La-O2法（r=±0.398，P=0.178）计算的有氧或无氧供能比例均与运动成绩无相关性（P＞0.05）。

本研究根据MAOD 法计算的400 米田径场专项跑的有氧比例均高于以往研究[9，16，26-29]的结果（24.1%～46%）。MAOD测试方案和运动成绩不同可能是导致计算结果差异的主要原因。本研究采用的MAOD测量方案为“5+Y”简化方案，即在建立预测方程时，只测试5级恒定负荷（每级持续时间为10 min），且固定Y 截距（静息摄氧量）。以往类似在跑道上以MAOD 法测定400米供能比例的研究中，恒定负荷次数是4～6[29]或6～9 次[9]不等。有研究发现每级恒定负荷持续时间≤6 min 会影响VO2-PO 线性关系[30]，而Duffield 等[9]采取的时间为4.5～7 min，这可能会使有氧供能比例计算结果产生误差。而固定Y截距可在减少恒定负荷级数的同时，保证MAOD 简化方案的可靠性[31]。另外，也有研究发现，减少恒定负荷次数至4～6 次也具有一定的可靠性[19]。因此，本研究采用的MAOD 简化方案一定程度上可以保证供能比例计算结果的精确性。

本研究根据PCr-La-O2法计算的有氧比例高于Duffield 等[9]的计算结果（35.2% ±7.1%），低于Hill[32]计算的结果（37.0% ±5.0%）。几乎所有研究在有氧供能和无氧乳酸供能部分的计算方法都是一致的。Duffield 等[9]和Hill[32]研究与本研究的无氧乳酸供能部分均通过运动中累积血乳酸量（mmol/1）与3.0 ml/kg/mmol·l的乘积进行换算。有研究采用的氧气-乳酸换算系数为3.3 ml/kg/mmol·l，其结果表明，与MAOD 法计算的累积氧亏相比，PCr-La-O2法同样是可靠的[33]。需要说明的是，以往研究者[9，32]在计算400 米无氧无乳酸部分时，均通过单位体重的磷酸原计算，本研究则根据摄氧量动力学模型中的运动后过量氧耗快速部分进行计算。考虑到高水平运动员的400 米运动时间，本研究只计算了运动后6 min的摄氧量[22]，而有的研究运动模式为超大强度力竭运动（100%～150% VO2max）或间歇力竭运动，则测量了更长时间的过量氧耗，如7 min[34]或10 min[33]。

本研究根据MAOD 和PCr-La-O2法计算的400 米跑供能比例差值为11.10%，高于Duffield 等[9]计算的差值（6.1%），可能是由于MAOD 法计算结果的差异较大引起的。测试时间或强度也可能是两种测试方法产生差异的原因，如本研究400 米跑测试成绩低于Duffield等[9]的测试成绩（52.2 ± 1.9 s）。另外，有研究认为有氧供能比例与高强度运动的持续时间成指数正相关[21]，但本研究结果未能证实该结论。Miyagi等[10]通过两种方法计算了8 个超大强度力竭测试（100%、105%、110%、115%、120%、130%、140%和150% VO2max）的最大累积氧亏，结果只有110%和120%最大摄氧量强度的两种计算方法间表现出了较好的一致性。最后，关于供能比例是否可以作为预测400 米成绩的敏感指标，有待进一步研究探索。已有研究发现，无氧供能比例与女子400 米跑成绩（60.2 s）呈显著负相关（r=-0.87，P＜0.05）[9]。然而本研究通过两种方法计算的供能比例与400 米成绩均没有表现出相关性，即对于该运动水平（54.81 s）的男性运动员来说，并不是无氧供能比例越高成绩就越好，这与Reis 等[27]的研究结论一致。

根据数据级数推断的结果，2种方法计算的供能比例差值呈现中度至非常大差异。因此，在实际应用过程中，建议综合测试目的、对象和可行性选择合适的方法计算400 米跑供能比例。MAOD 法的测试方案包括了最大摄氧量、多次恒定负荷和超大强度（或专项）测试，计算结果除能够评价无氧能力外，还可以评价有氧能力和运动经济性，但该方法整个测试过程繁琐且耗时长。通过MAOD法还可以了解有氧和无氧供能系统的相互作用以及各分段能量相对贡献的变化[9，35]。相比之下，PCr-La-O2法可以仅通过一次超大强度（或专项）测试计算出供能比例[33]，大大节约时间，对于精英级别运动员更加友好。除此以外，PCr-La-O2法可以分别计算无氧非乳酸和无氧乳酸占比也具有较大的应用价值。例如，远端缺血预处理干预后，AOD提高但累积血乳酸不发生变化[36]，此时就可以利用PCr-La-O2法分析出无氧无乳酸部分是否发生了变化。然而，PCr-La-O2法中无氧乳酸是根据运动中累积血乳酸计算，因此采用该方法计算供能比例的结果可能受采血地点、环境温度、运动前身体酸碱平衡变化、运动前饮食、药物摄入等因素的影响[5]，还可能受到运动中乳酸扩散和消除的影响[12，37]。另外，EPOC 动力学参数拟合过程也一定程度上影响PCr-La-O2法计算供能比例的结果，例如快速部分分界点的判定以及双指数模型初始值的设定[12]。

本研究存在一定的局限性，（1）选择的运动员为中等水平运动员，对于其他水平运动员的适用性有待进一步研究；
（2）在剔除VO2异常值以及判断运动后VO2快速和慢速部分的分界点（初始值设定）时，虽然事先设定了剔除和判断标准，并采用2 个研究者“背靠背”分析，如果出现分歧则同第三位研究者共同商议的方法，但依然存在由于主观性造成的误差；
（3）本研究只计算了400米运动后6 min过量氧耗，参考了评定糖酵解供能能力的温盖特测试运动模式，但无法排除计算时间可能对拟合方程结果的影响；
（4）数据级数推断中MID 的估算可能存在争议，但从该角度思考供能比例差异与运动成绩的关系具有一定的创新性。

综上所述，与PCr-La-O2法相比，MAOD 法计算的400 米跑有氧供能比例更高，无氧供能比例更低，呈现为中度到非常大差异。同时，上述2 种方法计算的供能比例并不是预测运动成绩的敏感指标。MAOD法和PCr-La-O2法计算400米跑能量供应结果不同，提示在对运动员进行供能比例纵向或横向监控时，建议结合测试目的、对象和可行性首选MAOD法进行计算。

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