成年男性場地不同強度負重步行時的能量消耗特征研究

何美婷，張培珍，洪 平

目前健康問題頻發，如糖尿病或糖尿病前期高發、心血管危險事件多發、更多的人群加入超重或肥胖的行列，主要是由機體飲食結構不合理及缺乏活動所致，如靜坐少動[1]、缺乏體育運動[2]、電子產品使用增多、過多攝入高鹽高脂食物等[3]，也就造成機體能量攝入高于能量支出，破壞了體內的能量平衡。

由于體育運動在慢性病的預防和治療方面效果顯著，因而許多學者致力于研究運動與能耗之間的關聯性[4]，特別是，我們日常生活中便于開展的運動在提高機體代謝率領域的研究。然而，這類研究大多僅在實驗室內進行，缺乏在場地或現實生活場景中的相關研究[5]。

在眾多運動中，最方便且易實施的運動方式就是步行，利用好步行運動就可達到有效控制體重的目的[6]。步行的強度由速度和負重決定。在生活中隨處可見各種形式的負重步行，但是對于這種常見運動形式的能耗研究屈指可數，用步行指導人群健身方面缺少相關的研究數據支撐。因而，本研究系統地測定成年男性在負重不同、速度不同的情況下步行時的能量消耗參數，探討和分析兩種體重分類下的男性在不相同的速度和負重條件下行走時能量消耗的變化特征，為指導不同強度步行提供科學依據，也可為以步行運動為主的有氧運動訓練者提供科學指導，對以步行運動為減重方式的超重人群提供了可參考的研究數據。這對于指導正常體重和超重人群在量化能量消耗的基礎上科學地進行運動健身具有重要意義。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

研究對象的篩選過程為:

(1)初篩:填寫健康問卷，評估其健康風險及采集受試者有效信息。充分了解受試者日常生活中的活動或運動情況，睡眠及飲食狀況，吸煙飲酒情況，疾病及用藥情況等，第一輪篩出達標的受試者。

(2)第一輪篩選結束后，進入健康檢測環節，測定其靜態收縮壓和舒張壓、靜態心率和靜態心電圖，測量目前的體重和身高；檢查血常規、肝腎功能、甲狀腺功能等。診斷為貧血、甲狀腺功能異常、肝腎功能異常的受試者將被排除在外。

合格的研究對象標準如下:正常飲食行為；健康狀況良好；身體檢測指標正常；可以正常參與體力活動；目前沒有服用特殊的藥物從而引起機體代謝異?；虍a生改變；具有穩定的體重；未受過競走方面的相關運動訓練。

共有50 名20～30 歲的男性參加了本研究，剔除4 位不符合本試驗要求的受試者，最終完成全部測試者為46 位。基于體重指數(BMI)分組，其中正常體重組為25 人，BMI 為18.5～23.9 kg/m2；超重組18 人，BMI 為24.0～27.9 kg/m2?；厩闆r見表1。

表1 研究對象的基本情況()Table 1 Basic information of subjects

表1 研究對象的基本情況()Table 1 Basic information of subjects

注:與正常體重組相比,^P<0.05,^^P<0.01。

1.2 研究方法

1.2.1 靜息能耗測定

本研究所有的測試均是通過德國Cortex MetaMax 3B 氣體代謝分析儀完成。

在安靜能耗測試前一晚至測試時要保證良好的休息和禁食12 h。特別提醒受試者在測試前一天不能進行劇烈的活動，不能飲用和服用對能量代謝產生影響的藥物、酒或者咖啡，禁止吸煙。測試是在安靜且室溫恒定(20～25 ℃)的房間內進行。

在測試開始前，由實驗員給受試者正確佩戴好特定的呼吸面罩和心率帶，然后以舒適的仰臥體位平靜地躺15 min左右，且禁止身體活動和有言語行為。當觀測到受試者的攝氧量(?VO2) 呈現平穩變化趨勢時(變異系數不能超過10%)，開始收集15 min 的攝氧量的數據，并選擇5 min 處于平穩變化的數據，作為安靜時攝氧量。

1.2.2 負重步行時能耗測定

負重步行能耗測試前一天不能進行劇烈的活動，不能飲用和服用對能量代謝產生影響的藥物、酒或者咖啡，禁止吸煙。測試是在北京市某大學室溫恒定(20～25℃)的室內場地進行的，設定步行的速度為4.0、5.0、6.0 km/h；負重形式為背包負重，設定步行的負重為:0、1、2、3、4、5 kg。

本研究的場地設定為(5 +15) m×2 的長方形場地，將8個彩色標志桶放在每5 m 的位置處。通過便攜式儀器實時測量所需指標，并由訓練有素的助走員引導受試者行走，按音頻節奏的提示沿標志好的場地外側以恒定的速度步行。受試者合適的步行節奏是每次音頻提示時完成5 m 的距離。每一級速度的運動時間為6 min，每一級運動后取坐位進行休息，以便受試者在每級測試后各項指標能夠恢復至安靜狀態時的水平。待人體監測指標恢復后，再進行下一級強度的測試。每一級運動后第5～6 min 的?VO2和二氧化碳呼出量(VCO2)的數據為本研究所需數據，計算出它們的平均值，根據公式求出總的能量消耗。再用總的能量消耗與安靜時靜息能耗的差值求出運動時的凈能量消耗。

1.2.3 最大攝氧量測定

穿戴好便攜式儀器并選擇改良Bruce 跑臺程序進入測試，得到最大攝氧量(?VO2max)。在測試期間實時監測?VO2和?VCO2的變化，記錄每1 min 結束時的心率及每3 min 的收縮壓和舒張壓，評估并記錄受試者在每個運動強度下的主觀疲勞感覺(rating of Perceived exertion，RPE)。

當達到以下一個標準及以上即可終止試驗:(1)攝氧量值處于平臺期；(2)呼吸商超過1.1；(3)心率處于最大心率(HRmax)穩定期，或者達到的心率與HRmax 相差<10 次/min；主觀感覺非常吃力或力竭(RPE 為19～20)。

1.3 數據分析方法

本研究的實驗數據采用Excel 2016 與SPSS 18.0 處理分析，實驗數據通過正態分布、方差齊性檢驗，采用平均值和標準差()的組合形式表述。獨立樣本t 檢驗用于比較本研究的兩組男性指標之間的差異。多因素方差分析用于分別比較本研究的兩組內指標之間的差異。P<0.05 為存在差異。

2 研究結果

2.1 研究對象基本情況

表2 顯示，兩組間安靜時攝氧量、安靜時CO2呼出量和安靜時能耗不存在差異；體重正常者的最大攝氧量明顯高于超重者。

表2 研究對象的安靜時指標和最大攝氧量()Table 2 Resting indexes and Maximal oxygen uptake of subjects

表2 研究對象的安靜時指標和最大攝氧量()Table 2 Resting indexes and Maximal oxygen uptake of subjects

注:與正常體重組相比,^P<0.05。

2.2 正常體重組與超重組負重步行時攝氧量的比較

2.2.1 正常體重組在負重步行時攝氧量的情況

圖1 顯示，通過不同速度與負荷組合間的兩兩對比，發現以相同的速度、不同的負荷重量行走時，正常體重組的攝氧量沒有統計學意義上的變化；而以不同的速度、不同的負荷重量下行走時，攝氧量發生了明顯的改變。當以6 km/h的速度、5 kg 的負荷行走時，攝氧量達到最高值；當以4 km/h 的速度、無負荷行走時，攝氧量處于最低水平。

2.2.2 超重組在負重步行時攝氧量的情況

通過不同速度與負荷組合間的兩兩對比，發現當速度為6 km/h、負荷重量為5 kg 與速度為6 km/h、無負荷行走時超重組的攝氧量存在差異；當以其他相同的速度水平、不同的負荷情況下行走時，該組的攝氧量不存在統計學意義；當以不同的速度、不同的負荷重量行走時，該組的攝氧量有明顯差異。當以6 km/h 的速度、5 kg 的負荷行走時，攝氧量達到最高值(見圖1)。

2.2.3 正常體重組與超重組負重步行時攝氧量的比較

當步行速度為4 km/h、負荷重量為2 kg 時，兩組間行走時的攝氧量具有明顯不同，前者顯著高于后者，當以其他相同的速度與負荷強度下行走時，兩組間的攝氧量只有數值上的不同，卻沒有統計學上的意義(見圖1)。

圖1 負重步行時正常體重組與超重組攝氧量的情況(ml/kg/min)Figure 1 Oxygen uptake during walking with load in normal weight group and overweight group

當背包負重不同的重量行走時，兩組的攝氧量跟隨速度的增加而逐漸增加。當速度處于不同水平時，兩組行走時產生的攝氧量與負荷重量的增加關系不大，而速度的變化能夠引起兩組攝氧量更敏感的變化。

2.3 正常體重組與超重組負重步行時能量消耗的比較

2.3.1 正常體重組在負重步行時能量消耗的情況

圖2 為不同速度與負荷組合間的兩兩對比，發現當速度5 km/h 且分別負重1、3、4 kg 與速度5 km/h、負重為0 行走時比較，還有當速度4 km/h 且分別負重1、2、5 kg 與速度4 km/h、負重為0 行走時比較，及當速度6 km/h 且分別負重2、5 kg 與速度6 km/h、負重為0 行走時比較，正常體重組的能量消耗存在統計學差異；當以其余相同的速度、不同負荷強度行走時，該組的能量消耗不存在差異；當處于不同速度、不同負荷的水平行走時，該組的能量消耗具有明顯不同。當以6 km/h 的速度、5 kg 的負荷行走時，能量消耗達到最高值；當以4 km/h 的速度、無負荷行走時，能量消耗處于最低水平。

2.3.2 超重組在負重步行時能量消耗的情況

通過對不同速度與負荷組合間的兩兩對比，發現當速度為6 km/h、負荷重量為1、2、3 kg 與速度為6 km/h、無負荷行走時比，超重組的能量消耗存在差異；當以其他相同的速度水平、不同的負荷情況下行走時，該組的能量消耗不存在統計學意義；當以不同的速度、不同的負荷重量行走時，該組的能量消耗出現統計學差異。當以6 km/h 的速度、3 kg 的負荷行走時，能量消耗達到最高值；當以4 km/h 的速度、無負荷行走時，能量消耗處于最低水平(見圖2)。

2.3.3 正常體重組與超重組負重步行時能量消耗的比較

當步行速度為4 km/h、負荷重量為0、1、2、3、4 kg 時，以及速度為5 km/h、負荷為2、4、5 kg 時，兩組間行走時的能量消耗有明顯不同，前者顯著低于后者，當以其他相同的速度與負荷強度下行走時，兩組間的能量消耗只有數值上的不同，然而這種差異并不具有統計學上的意義(見圖2)。

圖2 負重步行時正常體重組和超重組能量消耗的情況(kcal/min)Figure 2 Energy consumption during walking with load in normal weight group and overweight group

當背包負重不同的重量行走時，兩組的能量消耗跟隨速度的增加而逐漸增加。當速度處于不同水平時，兩組行走時產生的能量消耗與負荷重量的增加關系不大，而速度的變化能夠引起兩組能量消耗更敏感的變化。

2.4 正常體重組與超重組負重步行時的凈能量消耗比較

2.4.1 正常體重組在負重步行時的凈能量消耗情況

通過不同速度與負荷組合間的兩兩對比，發現當速度為4 km/h、負荷重量為5 kg 行走與速度為4 km/h、負荷為0 kg行走時比，以及當速度為6 km/h、負荷重量為5 kg 行走與速度為6 km/h、無負荷行走時比，正常體重組的凈能量消耗存在明顯不同；在其他速度相同、負荷不同水平行走時，正常體重組的凈能量消耗沒有統計學差異；以不同的速度、不同的負荷重量下行走時，凈能量消耗發生了明顯的改變。當以6 km/h 的速度、5 kg 的負荷行走時，凈能量消耗達到最高值；當以4 km/h 的速度、無負荷行走時，凈能量消耗處于最低水平(見圖3)。

圖3 負重步行時正常體重組和超重組凈能量消耗的情況(kcal/min)Figure 3 Net energy consumption during walking with load in normal weight group and overweight group

2.4.2 超重組在負重步行時凈能量消耗的情況

通過不同速度與負荷組合間的兩兩對比，當速度為6 km/h、負荷重量為3 kg 與速度為6 km/h、無負荷行走時的凈能量消耗，超重組的指標存在差異；當以其他相同的速度水平、不同的負荷情況下行走時，該組的凈能量消耗不存在統計學意義；當以不同的速度、不同的負荷重量行走時，該組的凈能量消耗出現統計學差異。當以6 km/h 的速度、3 kg的負荷行走時，凈能量消耗達到最高值；當以4 km/h 的速度、無負荷行走時，凈能量消耗處于最低水平(見圖3)。

2.4.3 正常體重組與超重組負重步行時凈能量消耗的比較

如圖3 所示，當步行速度為4 km/h、負荷重量為0、1、3、4 kg，以及速度為5 km/h、負荷為2 kg 時，兩組間行走時的凈能量消耗具有明顯不同，前者顯著低于后者，當以其他相同的速度與負荷強度下行走時，兩組間的凈能量消耗只有數值上的不同，并不存在統計學上顯著性的差異。

當背包負重不同的重量行走時，兩組的凈能量消耗跟隨速度的增加而逐漸增加。當速度處于不同水平時，兩組行走時產生的凈能量消耗與負荷重量的增加關系不大，而速度的變化能夠引起兩組凈能量消耗更敏感的變化。

2.5 正常體重組與超重組在負重步行時的心率比較

2.5.1 正常體重組在負重步行時心率的情況

圖4 為不同的速度與不同的負荷組合間的兩兩對比，發現以相同的速度、不同的負荷重量行走時，正常體重組的心率沒有統計學意義上的變化；而以不同的速度、不同的負荷重量下行走時，心率發生了明顯的改變。當以6 km/h 的速度、5 kg 的負荷行走時，心率達到最高值。

2.5.2 超重組在負重步行時心率的情況

通過不同速度與負荷組合間的兩兩對比，發現以相同的速度、不同的負荷重量行走時，超重組的心率沒有統計學意義上的變化；而以不同的速度、不同的負荷重量下行走時，心率發生了明顯的改變。當以6 km/h 的速度、4 kg 和5 kg 的負荷行走時，心率達到最高值(見圖4)。

圖4 負重步行時正常體重組和超重組心率的情況(次/min)Figure 4 Heart rate during walking with load in normal weight group and overweight group

2.5.3 正常體重組與超重組負重步行時心率的比較

如圖4 所示，當以相同的速度與負荷強度下行走時，兩組間的心率只有數值上的不同，并不存在顯著差異。當背包負重不同的重量行走時，兩組的心率跟隨速度的增加而逐漸增加。當速度處于不同水平時，兩組行走時產生的心率與負荷重量的增加關系不大，而速度的變化能夠引起兩組心率更敏感的變化。

3 分析與討論

為了貼近真實狀況的步行環境，本文采用室內場館的場地及小重量的負荷進行負重行走的測試，測定成年男性在負重不同、速度不同的情況下步行時的能量消耗參數，探討和分析兩種體重分類下的男性在不相同的速度和負重條件下行走時能量消耗的變化特征。

3.1 體重與負重步行時的能量消耗

在本研究中，受試者分為正常體重組的男性和超重組的男性，在相同速度、相同負荷重量水平下比較兩組行走期間的能量消耗的改變狀況，結果表明，超重的人負重步行時產生的能量消耗和凈能量消耗要高于正常體重的人。21 世紀初Browning[6]等在其研究中論證了體重與能耗的關系，該研究以20 名男性(10 名正常體重，20.6 ±1.3 歲；10 名肥胖，25.6 ±7.0 歲)和19 名女性(10 名為正常體重，27 ±6 歲；9名為肥胖者，25 ±7 歲)為研究的受試者，測量這39 位男性和女性以速度分別為1.8、2.7、3.6、4.5、5.4、6.3 km/h 在跑步機上步行時的?VO2、?VO2max、?VCO2以及最佳的步行速度，此研究的結果表明，肥胖的男性和女性行走時的凈代謝率比正常體重的男性和女性高了10%，因而需消耗的能量也更多。隨后，2013 年Browning[7]等學者發布了新的研究結果，以19 名體重正常的女性(22.8 ±3.6 歲)和32 名肥胖的女性(28.5 ±7.6 歲)為該研究的受試者，測量她們分別以1.8、2.7、3.6、4.5、5.4、6.3 km/h 的速度及-3°、0°、6°、9°的坡度下組合步行時的攝氧量、生物力學方面相關的數據變化，算出在不同速度、不同坡度的情況下步行時，兩組的代謝率和步幅動力學的變化，并探討凈代謝率與下肢重量之間的關系，結果表明與正常體重組相比，肥胖組消耗的能量更多；下肢重量不同，凈代謝率會有不同。在本研究中，研究結果進一步證實體重決定了運動期間的能量消耗的變化趨勢，超重與體重正常的人群相比運動時消耗的能量有所不同，下肢重量大者(超重者)要完成相同的活動時需要比下肢重量輕者(正常體重者)消耗更多的能量。

3.2 負重與步行時的能量消耗

根據相關運動知識可知，不同的運動方式均有不同的能量代謝當量，進行不同運動時身體所消耗的能量會有所差異。當選擇步行或跑步的運動方式，速度、負荷重量、負重形式及坡度都可決定運動時的強度，對于能量消耗的變化也會產生直接的影響。當步行強度增加時，軀干和下肢的肌骨會產生額外的負擔，導致身體額外的能量消耗。

由本研究中所得到結果顯示，在負重一定的情況下步行時，能量消耗會因速度的改變而產生明顯變化，速度在引起能耗改變方面起到重要作用。在Falls[8]等的研究結果中也可以看到相同的現象，即在一定的范圍內，步行時的能耗與速度呈線性相關，此研究測量了體育教育學院的7 名女大學生(體重約56.5 kg，身高約1.64 m)，在跑步機上分別以4.0、4.8、5.6、6.4、7.2 與8.0 km/h 的速度步行時的攝氧量和能量消耗，結果發現，行走過程中的攝氧量和能耗與速度呈正相關性。從本研究分析速度與負重對能耗的影響效應可知，不論是超重組還是正常體重組，速度都是最重要的影響因素，負重對于超重組的能耗影響并不突出，只有正常體重組的能耗受到負重因素的影響，當這兩個影響因素疊加觀察時，顯示對能耗不產生任何影響效應，從而也進一步確立了速度在影響能耗中的重要地位。Abe[9]等的研究讓健康男性(20.8 ±1.1 歲，體重60.5 ±3.0 kg，身高169.9 ±3.9 cm)分別在速度1.8、2.4、3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、6.0、6.6 與7.2 km/h 且無負重或背包負重(身體重量的15%)的情況下步行，結果表明，當速度低于4.8 km/h、承重或無承重行走時，能耗會由于速度較低而產生節省的現象；在速度高于4.8 km/h、承重或無承重行走時，能耗會因速度的增加而產生正反應。由此可知不論是否負重步行，只要速度低于某個值以下，速度和能耗之間的正相關關系就不存在了；當速度維持在一定范圍時，承重步行產生的能量消耗大于無承重行走時產生的能量消耗。這也與本研究的結果有相似之處，當速度超過6.0 km/h 時，負重與否能耗都要比另外兩個速度下產生的多。

在Charteris[10]等的一項研究中發現″free-ride″現象(節能現象)，這種現象意味著當負荷的重量小于身體重量的20%步行時，能量代謝與負荷的關聯并不大，不會因為負荷增加或減少而呈現相應的改變。Abe[11]等的研究中選擇8 名健康男性(19～25 歲，體重約62 kg，身高約172 cm)為研究對象，分別以2.4、3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、6.0、6.6 與7.2 km/h 速度步行，并加之不同形式的負重:(1)左右兩手均負重1.5、3.0 和4.5 kg 的重量；(2)左右踝關節均負重1.0、1.5 和3.0 kg 的重量；(3)背包負重的重量為6.0 kg(10%BW)、9.0 kg(15%BW)和12.0 kg(20%BW)；(4)零負重。研究表明，當以低速且手部或背部負荷重量行走時，能量消耗的變化很容易出現″free-ride″現象。但是，當以高于5.4 km/h 的速度且背手部或背部負荷重量行走時，能量消耗就不會出現節省較低的現象；表明當以一定的速度行走時，負重與能耗之間并沒有產生某種默契的變化關系。此外，Bastien[12]等的研究結果與上述Abe[11]等的研究結果幾乎不謀而合，說明在行走時，對強度是有要求的，當行走的強度達不到閾值強度時，對于機體產生不了足夠的刺激，此時能耗不會由于負重的增長而產生增多的變化；也提示步行時速度要和負重綜合起來才能夠對能耗產生影響。Schertzer[13]等的研究表明，身體重心的移動或變化對于能量代謝率是有影響的，當機體需要負荷外界的重量，通常會調整身體重心以保持穩定，如果負荷的重量使身體重心產生的變化較大時，機體的能量代謝也會相應增加。不論背包負重的重量如何，負重步行時能耗比無負重增多，Huang[14]等的研究中也證實了這一結論。結合本研究來看，小重量的背包負重對于身體重心的改變并不大，因而負重對能耗的改變并不顯著，也造成與速度帶來的改變相比遜色許多。

4 結論

綜上所述，當速度為4.0 km/h、5.0 km/h，背包負重不同重量(承重范圍有限定時)時行走，正常體重的人凈能量消耗和能量消耗低于超重的人；不論負重或無負重，只要速度為6 km/h 時，行走時的能量消耗不受體重的影響而產生顯著變化。當行走時的是速度固定時，負重與否對于個體的能量消耗、凈能量消耗及心率的改變影響并不明顯；當行走時的負重固定時，速度作為變量足以使能量消耗、凈能量消耗、心率發生有效性變化。因而對行走時能量消耗影響較大的是速度而不是負重。采用步行為運動方式時，可以速度為主要因素，負重為次要因素的組合形式進行負重步行，從而提高機體能量代謝率，增加機體耗氧量，產生增強機體呼吸、循環功能等生理良性變化。此外成年男性還應結合自身機能狀況選擇適合的速度與負重組合步行。