對一次30km戶外登山運動中能量消耗、體成分變化及機能反應的研究

張戈+陸愛發

摘要：目的：比較心率法和三軸運動加速度計推算能量消耗的差別，并探討一次30km登山運動對體成分變化和機體的反應，為了解登山運動的特點提供實驗支持。方法：采用實驗法募集10名大學生完成一次30km、10h野外登山運動，測試運動過程中的心率和三軸加速度參數推算運動過程中的能量消耗，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；采用數理統計法對比各項指標的差異性。結果：（1）心率法測能量消耗與三軸加速度計測能量消耗除在2個1h時間段內有差異外（p<0.05）外，其余8h均無顯著差異，且兩種方法顯著相關（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），尿蛋白呈陽率達到80%，尿比重顯著升高。結論：（1）心率與三軸加速度計均能較好測定能量消耗，可依據需要選擇測試方法；（2）在此種登山過程中機體除消耗了大量脂肪，還引起大量的體液丟失流失；（3）經過1晝夜休息，機體尚未完全恢復。

關鍵詞：能量消耗；心率；三軸加速度計；體成分；機能反應

野外登山是一項能夠接近大自然的運動，不僅可以強身健體，還可以培養大學生堅強的意志，對高校學生來說是較為新興的、趣味性強的運動項目。目前，多數的研究集中在高海拔登山（>4000m），中等海拔登山（2500～3800m）和攀巖運動，而對于較低海拔的長距離野外登山的研究較少。Sperlich等用MetaMax 3B對一次30km、6～9h、坡度13%的美國大峽谷野外徒步過程中能量消耗進行了測定，結果顯示總能耗達到3322kcal，平均每小時能耗達到511kcal，同時攝入能量為2 096 kcal，造成能量虧損1226kcal。田野等采用MetaMax 3B對低海拔登山運動能量消耗進行了研究（坡度11.6°、19.9°、14.9°和28.6°），發現不同坡度下能耗在8.63～8.16Mets之間，且經過16周每周1次（2430m）的登山運動后受試者體重和脂肪體重顯著降低，認為此種運動形式有利于提高心血管耐力。另有研究采用運動心率和加速度的方法推算野外登山中的能耗。由于研究側重不同，選擇心率或三軸加速度參數分別能夠提供不同的信息，兩種方法和氣體測定的能耗有很好的相關性。雖然由于運動模式的不同兩種方法推算能耗有一定的局限性，但兩種方法均能長時間記錄運動數據，且操作相對簡便，因此非常適合研究野外登山環境下的能量消耗。另外，多數研究均對野外登山的研究多集中在幾周連續運動人體的體成分、代謝和機能變化，但截至目前，對一次超常距離（30kin）的野外登山運動中人體機能的反應研究還未見報道。

本研究采用心率和三軸加速度參數推算一次30km、10h野外登山過程中的運動過程中的能量消耗，同時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動加速度計推算能量消耗的差別，并探討一次30km登山運動對體成分變化和機體的反應，為了解登山運動的特點提供實驗支持，并為制定合理的運動處方提供實驗依據。

1研究對象與方法

1.1研究對象

隨機選取10名在校學生為研究對象，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%。所有受試者經過體檢報告確認身體健康，無重大疾病，且身體素質通過測定達到要求（規定時間內完成3000m跑）。所有受試者具有一定的戶外徒步經驗，了解基本的戶外徒步知識與急救常識。受試者在詳細告知測試流程及實驗細節后同意進行實驗，并簽署相關保險文件和知情同意書。

1.2研究方法

1.2.1數據采集與儀器10名受試者在登山過程中需全程佩戴心率監測器以及三軸加速度計。登山路線起點為北京門頭溝靈山停車場，終點為柏峪，登山途經東靈停車場一上山的石碑一北靈頂一落葉谷埡口一長城（實心樓）一柏峪停車場一柏峪村，各受試者負重4kg（含背包及水和食物），在每個節點隊伍停留并稍作休息。登山整個過程中工作人員需定時詢問受試者主觀疲勞感覺，一旦出現過分疲勞和難以堅持的情況應停止運動，并進行記錄。路線全長30km，耗時12.28h，海拔上升為1233m，海拔降落為l 944m。當地環境溫度為26℃～32℃，相對濕度為54%～60%。

登山前后和次日晨測定體成分，登山前和登山后次日晨分別測定血清肌酸激酶（CK）、血尿素（BU）及尿10項。其中，三軸加速度計為ActigraphGT3x（Manufacturing Technology，Inc.，MTI），使用前要對儀器進行設置并格式化內存，將受試者個人情況輸入，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團隊訓練系統記錄運動中心率（Po-lar Tear02 Pro，Finland），采樣頻率為lHz；體成分測定采用Inbody 720體成分分析儀（Biospace，Ko-rea）；血清BU、CK測定采用REFLOTRON plus干式生化分析儀（German），試劑條為德國羅氏公司產品；尿10項測定采用自動尿十項分析儀P202M178632（Pocket Chem，Japan）。

1.2.2能量消耗數據推算

（1）心率法測能量消耗。實驗完成后導出心率的數據，代入預測方程計算能量消耗，具體公式為：

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

（2）三軸加速度計測能量消耗。測試完成后，通過軟件下載數據，提取GT3X三軸原始數據（垂直軸活動計數ACaxisl、冠狀軸活動計數ACaxis2、矢狀軸活動計數ACaxis3），三軸向量幅值VM3=（ACaxisl+ACaxis2+ACaxis3）。使用Freed-son VM3 Combination（VM3C）方程推算運動能耗：endprint

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

能量消耗（kcals）=動作數×0.0000191×體重，（動作數≤s×2453）。公式（1）（2）中：s=持續活動時間（s）/60s，動作數（steps）為步數。

1.2.3數據處理與統計學分析采用SPSS19.0統計軟件對數據進行統計學分析，三軸加速度計與心率法測能量消耗比較、登山前后各指標比較采用采用重復方差分析，相關分析采用Person相關分析，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研究結果

2.1兩種方式測能量消耗方式的對比

表1為10名受試者從7：00到17：00間每小時的平均能量消耗測定結果。總體而言，兩種方法測定的平均能耗和總能耗并無顯著差異（p>0.05）。按時間段比較，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）三軸加速度計推算的能耗外，在其他時段兩種方法推算的能量消耗并無顯著差異（p>0.05）。此外，Pearson相關分析表明心率法推算的能耗和三軸加速度計推算能耗結果顯著相關（r=0.761，p=0.017）。

2.2登山運動前后體成分變化以及機體反應

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定結果。總體而言，登山后受試者體重顯著降低（2.6kg，p<0.05），次日晨恢復至登山前水平（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、尿蛋白陽性率測定結果，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的登山運動后機體產生較強烈的反應，經過1晝夜恢復受試者仍然有一定程度的脫水、機能尚未完全恢復。

3分析討論

3.1爬山過程中的能量消耗

登山時的能耗是反映登山運動強度的指標之一。我們的結果顯示，在一次30km持續時間11h的野外登山過程中，每小時平均能耗在310～450kcal，與Sperlich和田野等采用氣體代謝分析測得的結果相近。這一數值相當于40%～80%VO，max，顯示出本次登山的運動強度在中等到大強度之間。本研究中lO名受試者從7：00～17：00間每個小時的平均能量消耗心率法和三軸加速度計法測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）三軸加速度計推算的能耗外，在其他時段兩種方法推算的能量消耗并無顯著差異（p>0.05）。Pearson相關分析表明兩種方法推算能耗的結果顯著相關（r=0.761，p=0.017）。結合登山路線，7：00～8：00為出發后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的差異主要是因為在途中有做了2次休息停留（每次約5～10min），造成心率在較低的水平上時間較長，因此推斷的能耗小于實際消耗量。

三軸加速度計雖然體積小、重量輕、方便佩戴、記錄時間長，有研究認為三軸加速度計是一種評估人體活動水平和能量消耗的可靠工具，但由于不能反映上肢運動、人體推力和遇到的阻力，因而其精確性與運動方式有很大關系。研究表明，三軸加速度計測定快走、慢跑和快速跑時與氣體代謝測定的能耗相關系數在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，受試者運動模式為步行，此種方法能較好反映運動過程中的能量消耗。當然，如果能結合坡度進一步對能耗進行矯正，有利于減少測定的誤差。心率是最容易測量的生理指標之一，并且與人體機能活動狀態、能量代謝密切相關，所以心率法是監測和評價能量消耗的常用方法。登山的能量消耗影響因素主要有：登山運動的速度、登山的時間、受試者的性別、年齡、體質量等，但心率預測能量消耗的方程中只涉及到了受試者性別、體質量、年齡、每分鐘心率的值。心率法測能量消耗能較準確推算大強度下運動的能量消耗，而高估中小強度、低估極大強度運動的能量消耗，誤差在+20%～-15%。總體而言，在長時間的登山運動中，心率法反應登山運動中整體的能耗在可接受的范圍內。

3.2體成分和機體反應

Neumayr等對3周中等海拔（1700m）和低海（200m）拔每天2h，每周4次，55%～65%HRmax強度的野外登山進行了研究，發現登山后受試者體重降低3.13kg。在長時間或幾周的連續登山運動中，受試者體重均降低，研究認為，體重的降低主要是由于攝入熱量小于消耗熱量造成的。Sperlich等對一次30km、6～9h、坡度13%的美國大峽谷野外徒步過程中能量消耗進行了測定，結果顯示總能耗達到3322kcal，攝入能量為2096kcal，造成能量虧損1 226kcal。另有研究報道，長時間長距離的野外登山運動中每日能耗在5000kcal，而攝入的熱量低于實際需要量，這種現象在負重情況下更常見。本研究結果表明，11h登山的能量消耗為4 319.98±525.95 kcal，接近國外的報道。體重和體成分的結果表明，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；經過1晝夜休息后，恢復到登山前水平。說明登山過程中主要流失的是水分和少部分的脂肪。這與報道中，長時間登山運動中主要能源物質是糖和脂肪的報道一致。另外，1次登山運動后，經過適當的休息，機體的能源物質儲量能夠基本恢復。

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的登山運動后機體產生較強烈的反應，經過1晝夜恢復受試者仍然有一定程度的脫水、機能尚未完全恢復。從總能耗和平均能耗看，本次登山形式運動量，與尿蛋白陽性檢出率結果一致。從BU變化看，說明長時間登山運動蛋白質的參與供能，在運動結束后應注意補充；而CK的高水平與海拔和上下坡有關，研究表明肌肉離心運動后CK水平顯著升高。提示在登山過程中除要保證水、糖和電解質的補充外，在登山結束后應重視總熱量的補充，保證各營養素的比例，以促進人體恢復。

4結論與建議

4.1結論

（1）心率與三軸加速度計均能較好測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實際需要選擇。

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

4.2建議

（1）在登山過程中心率可反映運動強度和身體恢復，三軸加速度計可反映步數和人體的運動狀況，在登山過程中都可測定能量消耗，但提供的信息可以互補。

（2）在長距離登山過程中每小時能耗約在3lO～490kcal，每日能耗約5000kcal，要注意補充足量的能源物質，在炎熱的氣候下還要注意補充液體。如連續進行登山，應注意充分休息便于身體恢復。endprint