走跑運(yùn)動(dòng)能量消耗的研究進(jìn)展

邱 凌，張培珍

人類(lèi)活動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是能量代謝的行為和性質(zhì)，其包涵了人類(lèi)內(nèi)在物質(zhì)的微觀運(yùn)動(dòng)以及外部的宏觀活動(dòng)。眾所周知，能量是不能被創(chuàng)造出來(lái)的，當(dāng)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(dá)的方式上也可以相互轉(zhuǎn)換[1]。人類(lèi)的生命活動(dòng)例如日常生活學(xué)習(xí)以及體育鍛煉都需要能量來(lái)維持。由于當(dāng)代人健康意識(shí)的不斷加深，大眾健身風(fēng)靡世界，減少靜坐少動(dòng)，增加身體活動(dòng)變成一種健康的追求，人們對(duì)身心健康有了進(jìn)一步的關(guān)注[2]。多運(yùn)動(dòng)，不僅有助于減肥，而且對(duì)促進(jìn)身體健康和預(yù)防疾病也有積極的一面。走、跑之所以受到大眾的歡迎，是因?yàn)樗鼈儗⒊Ｒ?jiàn)的身體活動(dòng)方式運(yùn)用于健身鍛煉，不僅能隨時(shí)隨地鍛煉，而且也無(wú)需專(zhuān)門(mén)的場(chǎng)地器材[3]。步行是貫穿于日常活動(dòng)的基本身體活動(dòng)，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(huì)給健康帶來(lái)許多負(fù)面影響。了解不同運(yùn)動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)的能量消耗量，可以為合理鍛煉提供科學(xué)的依據(jù)。在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)和運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)學(xué)等學(xué)科中，運(yùn)動(dòng)量及能耗的研究都是比較受關(guān)注的部分[4]。走、跑作為比較常見(jiàn)的身體活動(dòng)方式，也是構(gòu)成日常生活能耗的重要部分[5]。對(duì)不同環(huán)境條件下的走、跑運(yùn)動(dòng)模式的能量消耗進(jìn)行研究，可為生活中常見(jiàn)鍛煉方式提供適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和能量消耗量[6]。探討運(yùn)動(dòng)中的能耗，對(duì)了解運(yùn)動(dòng)與健康的關(guān)系、制定個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方而言都十分重要，對(duì)提供科學(xué)的運(yùn)動(dòng)建議和改善健康有著重要的意義。

1 能量消耗及測(cè)量方式

身體活動(dòng)指的是任何由骨骼肌收縮引起的導(dǎo)致能量消耗的身體運(yùn)動(dòng)，主要包括職業(yè)性、交通性、家務(wù)性以及休閑時(shí)的身體活動(dòng)[4]。能量消耗不僅對(duì)于肥胖的預(yù)防和治療有積極的作用，而且對(duì)日常活動(dòng)也很有意義，是否達(dá)到能量平衡是可以從攝入和消耗的能量值直接反映出來(lái)的[6]。

測(cè)量能耗的方法種類(lèi)繁多，有直接測(cè)熱法、間接測(cè)熱法、雙標(biāo)水法、心率監(jiān)測(cè)法、運(yùn)動(dòng)傳感器法以及調(diào)查法，其中調(diào)查法包括了問(wèn)卷法和觀察法[4]。20世紀(jì)初研究者們用行為觀察法和問(wèn)卷調(diào)查法依據(jù)受試者的反應(yīng)和回答來(lái)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，能耗測(cè)量方法不斷發(fā)展。直接測(cè)熱法是按照能量守恒定律，先測(cè)得機(jī)體自身向外部環(huán)境發(fā)出的熱量值，然后再計(jì)算體內(nèi)消耗的熱量值，雖然這是得到廣泛認(rèn)可的一種方式，但由于測(cè)試設(shè)備的復(fù)雜性，不適合普及；間接測(cè)熱法指的是通過(guò)在密閉的空間或者佩戴呼吸面罩來(lái)測(cè)定氣體代謝，測(cè)量和分析受試者的攝氧量和二氧化碳呼出量，從而計(jì)算出能量消耗，具有很高的準(zhǔn)確性，氣體代謝裝置的使用就是按照間接測(cè)熱法的原理進(jìn)行的，可獲得運(yùn)動(dòng)中的能量消耗情況，氣體代謝測(cè)試是一種科學(xué)研究的實(shí)用價(jià)值比較高的測(cè)試方法[7]。隨著科技的發(fā)展而出現(xiàn)的雙標(biāo)水法精準(zhǔn)度高，然而測(cè)試的費(fèi)用也高，并且只能反應(yīng)一個(gè)能耗總值，基于上述原因，雙標(biāo)水法的普及是不現(xiàn)實(shí)的；心率監(jiān)測(cè)法即利用心率與攝氧量之間的關(guān)系來(lái)推算一定時(shí)間之內(nèi)的氧耗情況，心率作為人體的一項(xiàng)基本生理指標(biāo)，對(duì)周?chē)h(huán)境變化的反應(yīng)比較靈敏，但是諸多外界因素會(huì)對(duì)心率產(chǎn)生影響，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)許多不可避免的偏差[6]。

運(yùn)動(dòng)傳感器一般指的是計(jì)步器以及加速度計(jì)，其中計(jì)步器只能用來(lái)計(jì)算步數(shù)，對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度是無(wú)法檢測(cè)到的，它的體積小，價(jià)格低，比較適用于測(cè)量較為簡(jiǎn)單的體力活動(dòng)的能量消耗；加速度計(jì)的型號(hào)分為：?jiǎn)屋S、雙軸和三軸加速度計(jì)，三軸加速度計(jì)的測(cè)量效果最為準(zhǔn)確，而且測(cè)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(jī)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(jué)疲勞程度等推算運(yùn)動(dòng)機(jī)體的能量消耗值。研究者在不同的實(shí)驗(yàn)中可以按照研究對(duì)象和目的以及實(shí)際情況等，采用適宜的方式，對(duì)身體活動(dòng)與健康的關(guān)系展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

2 場(chǎng)地走跑的能量消耗

場(chǎng)地走跑作為一種有氧運(yùn)動(dòng)模式，不僅運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單，而且便于在群眾中展開(kāi)。步行是最普遍鍛煉方式，適宜強(qiáng)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(jìn)行的一種運(yùn)動(dòng)模式，對(duì)步行過(guò)程中的能耗展開(kāi)測(cè)量與評(píng)估，了解不同人群在不同步速下行走的能耗特點(diǎn)及其變化規(guī)律，可以為身體活動(dòng)和健康的關(guān)系提供依據(jù)[9]。此外，全民健身研究領(lǐng)域中也需要某些指標(biāo)的具體量化，從而監(jiān)測(cè)、比較、評(píng)估身體活動(dòng)水平。通過(guò)不同的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)鍛煉目標(biāo)，比如步速、步頻、步行時(shí)間、行走步數(shù)以及步行距離，進(jìn)一步建立了與中等和大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的步頻臨界值。

在當(dāng)今的研究背景下，有不少針對(duì)走、跑運(yùn)動(dòng)機(jī)體能量消耗的研究。朱琳等人[10]關(guān)于青少年運(yùn)動(dòng)能量消耗的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(yùn)動(dòng)項(xiàng)目以及相同速度運(yùn)動(dòng)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(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，肥胖和正常青少年運(yùn)動(dòng)的能耗消耗和代謝當(dāng)量不同，這些研究結(jié)果對(duì)青少年減肥有一定的促進(jìn)作用。屈金亭等[11]研究不同體重和步速的能耗特點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，能量消耗與運(yùn)動(dòng)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(méi)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(jìn)行比較，體重與單位體重的能量消耗值之間存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

當(dāng)下，應(yīng)用加速度計(jì)來(lái)研究運(yùn)動(dòng)和能耗也成為炙手可熱的一方面，越來(lái)越多的研究者認(rèn)為加速度計(jì)是客觀測(cè)量身體活動(dòng)的優(yōu)選方式。例如管培培等人[12]探究走跑運(yùn)動(dòng)中加速度計(jì)數(shù)與能耗之間的相關(guān)性，不同性別條件下加速度計(jì)數(shù)的變化，以及不同身體指標(biāo)的加速度計(jì)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(jì)數(shù)均有明顯的區(qū)別，但是冠狀軸、矢狀軸計(jì)數(shù)和攝氧量之間不存在明顯不同。

評(píng)估人體多項(xiàng)生理指標(biāo)，進(jìn)而推算場(chǎng)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(dòng)和健康的關(guān)系提供依據(jù)[13]。

3 跑臺(tái)走跑的能量消耗

當(dāng)今社會(huì)，能量攝入量與能量消耗之間的平衡備受關(guān)注，健步走和跑步也越來(lái)越流行。在過(guò)去的30年間，運(yùn)動(dòng)參與者的指數(shù)不斷上升，這其中有許多復(fù)雜的因素(例如動(dòng)機(jī)、心理和策略)在發(fā)揮著重要的作用[14]。走、跑運(yùn)動(dòng)作為全民健身的便捷方法，對(duì)人體健康產(chǎn)生積極影響，也是廣大學(xué)生群體在課余時(shí)間鍛煉身體的主要活動(dòng)項(xiàng)目之一。

關(guān)于跑臺(tái)走跑的能量消耗，國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)研究。王歡[15]研究了健康成年人在跑臺(tái)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(guò)對(duì)能耗因素進(jìn)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(guān)性，而脂肪組織與能耗不存在顯著相關(guān)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(guó)外的研究中，Ljzerman等人[16]使用生理成本指數(shù)來(lái)評(píng)估步行的能量消耗，一共進(jìn)行三次評(píng)估，其中第二次不穿鞋，其余兩次穿鞋，所測(cè)試的主要指標(biāo)有攝氧量、心率和步行速度(以一個(gè)自我感覺(jué)適宜的速度為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn))，隨后計(jì)算氧價(jià)和生理成本指數(shù)，使用生理成本指數(shù)作為一個(gè)檢測(cè)變化的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)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(jì)算生理成本指數(shù)時(shí)減去基礎(chǔ)心率產(chǎn)生的作用可能不明顯。盧偉華等人[17]對(duì)以相同速度在跑臺(tái)上走跑展開(kāi)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在主觀感覺(jué)疲勞程度(RPE)方面，當(dāng)速度小于4.0km/h時(shí)RPE值表現(xiàn)為走小于跑；速度在4.5km/h～5.0km/h時(shí)，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(guò)程跑大于走。孫泊等人[18]采用跑臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)走和跑兩種簡(jiǎn)單易行方式的健身效果進(jìn)行分析比較，對(duì)跑臺(tái)走、跑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下單位時(shí)間單位體重的能耗與運(yùn)動(dòng)速度的相關(guān)關(guān)系以及單位距離單位體重的能耗與運(yùn)動(dòng)速度的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，探討相同速度走、跑兩種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下能量消耗的特征，發(fā)現(xiàn)單位時(shí)間的能耗與走速呈較高的二次曲線關(guān)系、與跑速呈線性遞增關(guān)系。

已知的一些關(guān)于身體活動(dòng)較活躍的年輕女性在跑臺(tái)走跑的能耗方面的研究，對(duì)走和跑兩種不同運(yùn)動(dòng)模式下的攝氧量等生理方面和主觀方面的指標(biāo)進(jìn)行比較，觀察她們?cè)诓煌俣认虏煌姆磻?yīng)，可以指導(dǎo)這類(lèi)人群如何合理地健身[19]。Greiwe等人[20]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)跑臺(tái)速度≥8.5km/h時(shí)，走狀態(tài)下的能量消耗和心率均比跑步狀態(tài)下更高；當(dāng)跑臺(tái)速度≥8.0km/h時(shí)，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(dāng)以同一速度進(jìn)行走和跑兩種不同運(yùn)動(dòng)模式的測(cè)試時(shí)，和跑相比較，在主觀感覺(jué)上受試者覺(jué)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(jué)疲勞程度以及乳酸積累等指標(biāo)都有密切聯(lián)系。由于不同目標(biāo)，在進(jìn)行身體活動(dòng)的時(shí)候，可以選取不一樣的運(yùn)動(dòng)模式，例如需要減重時(shí)可選擇跑的運(yùn)動(dòng)方式，而在較長(zhǎng)距離的訓(xùn)練時(shí)，則采用快走[21]。此外還可以按照個(gè)體差異性原則對(duì)運(yùn)動(dòng)種類(lèi)進(jìn)行選擇，針對(duì)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)史的人群以及中老年人群，建議采用中低強(qiáng)度的走，避免產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)疲勞和運(yùn)動(dòng)損傷，這樣有利于長(zhǎng)期堅(jiān)持鍛煉從而達(dá)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(qiáng)度稍高的跑，即可以達(dá)到鍛煉目的，又進(jìn)一步發(fā)展自身的體能水平[22]。

在獲取了走跑過(guò)程中的能耗值之后，關(guān)于如何計(jì)算走跑過(guò)程的能耗，目前建立了在步頻基礎(chǔ)上的能量消耗數(shù)學(xué)模型和怎樣確定最佳減肥運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間等。根據(jù)性別、年齡、身高和體重等和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，來(lái)估算運(yùn)動(dòng)能耗，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中用心率和主觀感覺(jué)疲勞程度，來(lái)評(píng)價(jià)鍛煉效果和身體狀況，以便安全持久地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[23]。

4 跑臺(tái)走跑與場(chǎng)地走跑能量消耗的比較

走、跑不僅是人類(lèi)最常見(jiàn)的兩種基本形式，而且也是最便捷、最普遍的身體鍛煉活動(dòng)方法，在這兩種運(yùn)動(dòng)模式中有相似的也有不同的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)[24、25]。二者中有一個(gè)最明顯的差異就是跑步存在飛躍階段，在走的過(guò)程中是一個(gè)雙支持階段，這說(shuō)明在跑的過(guò)程中需要肌肉形成更大的支撐力，所以準(zhǔn)確測(cè)量走、跑過(guò)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(tái)和場(chǎng)地進(jìn)行走和跑運(yùn)動(dòng)的相關(guān)能耗指標(biāo)，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(xiàn)機(jī)械能的多少是不同的，將相同速度走和跑過(guò)程中支撐身體前進(jìn)的功能進(jìn)行量化，用動(dòng)態(tài)模擬來(lái)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(yú)肌向前推推進(jìn)的貢獻(xiàn)有所減少，在跑步過(guò)程中更大的功率輸出是由比目魚(yú)肌、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)共同產(chǎn)生的。

需要注意的是，跑臺(tái)測(cè)試和場(chǎng)地測(cè)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(tái)上進(jìn)行，而且也可以在場(chǎng)地環(huán)境中展開(kāi)測(cè)試。劉洵[26]的研究表明，雖然跑臺(tái)和場(chǎng)地走、跑的運(yùn)動(dòng)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(duì)其氣體代謝和能耗的指標(biāo)測(cè)定會(huì)帶來(lái)不一樣的影響，二者的能耗趨勢(shì)是場(chǎng)地跑大于跑臺(tái)跑。例如在跑臺(tái)上步行時(shí)，用來(lái)抬起肢體的一部分動(dòng)力可能來(lái)自于跑臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。體育鍛煉運(yùn)動(dòng)中走、跑運(yùn)動(dòng)的能耗狀況與場(chǎng)地走、跑的能耗顯得更相近[27]。雖然場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性不如實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，但是更加接近真實(shí)環(huán)境，所得的數(shù)據(jù)更為真實(shí)。采用跑臺(tái)測(cè)試得到的結(jié)果與場(chǎng)地走、跑的實(shí)際能耗可能有一定的偏差，在體現(xiàn)場(chǎng)地走、跑的用力程度方面存在劣勢(shì)，因而不建議用跑臺(tái)測(cè)試代替場(chǎng)地測(cè)試[28]。

隨著越來(lái)越多老年人有了鍛煉的意識(shí)，今后也應(yīng)該關(guān)注老年人場(chǎng)地和跑臺(tái)上步行的能量代謝消耗的研究。此外關(guān)于何種運(yùn)動(dòng)方式帶來(lái)更多的能耗，研究者有不同的意見(jiàn)，總結(jié)其可能的原因大概有三種：其一，機(jī)體本身或外界環(huán)境因素帶來(lái)的反饋(跑臺(tái)是否勻速)；其二，空氣形成的阻力因素；其三，利用視覺(jué)帶來(lái)的訊息從而進(jìn)一步加強(qiáng)身體的平衡性和穩(wěn)定性。但是主流趨勢(shì)是場(chǎng)地步行比跑臺(tái)步行的能耗更多。此外還評(píng)估了兩種模式之間的聯(lián)系，結(jié)果顯示，跑臺(tái)上步行的能量消耗不一定適用于日常場(chǎng)地步行活動(dòng)，快走帶來(lái)的能量消耗量遠(yuǎn)大于慢跑[29]。

5 負(fù)重步行的能量消耗

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

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

6 小結(jié)與展望

隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)不斷在發(fā)展，人類(lèi)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(shí)，身體活動(dòng)的機(jī)會(huì)也相對(duì)減少。令人欣慰的是，當(dāng)下的人們已經(jīng)意識(shí)到運(yùn)動(dòng)是良醫(yī)，運(yùn)動(dòng)與健康之間有著密不可分的關(guān)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(yùn)動(dòng)的重要性。

走、跑是最容易被接受和推廣的體育鍛煉方式。對(duì)于增加能量消耗而言，步行和跑步均是常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)模式。對(duì)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(xué)化的基石，在之后的研究中要繼續(xù)對(duì)走跑運(yùn)動(dòng)的能耗展開(kāi)進(jìn)一步的探索，將走和跑運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)具體量化，進(jìn)一步建立與中等和大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的步頻臨界值，從而監(jiān)測(cè)、比較、評(píng)估身體活動(dòng)水平，以及探討不同部位進(jìn)行不同負(fù)重步行的能耗以及引起這種差異的機(jī)制，進(jìn)而用于指導(dǎo)人們的運(yùn)動(dòng)，提供優(yōu)化建議，改善群眾健康。