3種最大攝氧量實驗室直接測試方法結果比較、回歸分析與應用

林嶺 吳文騰 羅嘉銘 樊凱文 王華葉 李志廣 段小平

1 寧波大學體育學院（寧波 315211）

2 內蒙古自治區冬季運動項目管理中心（呼和浩特 010000）

3 廣東省體育科學研究所（廣州 510663）

國內外冬季、夏季耐力運動項目普遍采用最大攝氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）測試來進行運動選材、評估運動員有氧耐力水平及階段有氧耐力訓練效果，甚至以該指標來預測運動員的運動成績[1-2]。有關研究認為，最大攝氧量在個體間的遺傳度差異較大，平均總體遺傳度約為70%～80%左右，可訓練潛力約為20%～30%，通過系統的有氧耐力訓練，最大攝氧量個體提高幅度可達20%～40%，甚至更高[3-5]。因具有高遺傳度及較大的可訓練潛力，VO2max成為耐力項目優秀運動員選材及階段有氧訓練質效評估的金指標[6]。

自Hill 等[7]提出并建立最大攝氧量測試方法以來，有關研究者或實驗室分別探索建立了不同的最大攝氧量測評方法，包括不同運動模式的基于氣體代謝分析的直接測試法和眾多基于有關指標數量關系推算的間接測試法，間接測試法結果的準確性、可信度不如直接測試法[6，8]。對于從事競技訓練的高水平運動員而言，實驗室直接測試法仍是不可替代的最大攝氧量首選測試方法。目前，在國內外競技體育界應用最多的最大攝氧量直接測試方法包括經典的Bruce法、功率自行車90 秒遞增負荷法[6，9]和跑臺1 分鐘遞增負荷法[10-11]等。盡管各種成熟的基于實驗室標準化的最大攝氧量測試方法均具有較好的信效度[12-13]，但由于受異地轉訓等不可控因素影響，運動員會經常在不同實驗室進行不同方法的測試，導致最大攝氧量測試結果有所不同，甚至差異較大，一定程度上制約了測試結果間的可比性及應用效度，難以有效進行不同方法測試結果間的橫向比較及階段訓練效果的縱向評估。

目前關于最大攝氧量測試方法的研究報告主要集中于不同間接測試方法間的結果比較或某些間接測試方法與某一種直接測試方法結果間的比較[6，14]，關于不同最大攝氧量直接測試法比較的文獻較少。

從高水平運動員訓練實踐及科學研究需要角度看，目前需要解決的主要問題是3 種方法中哪種方法在評估運動員最大有氧耐力潛能方面效果最好、不同測試方法間結果差異的分布特征如何，以及不同方法測試結果間可否基于線性關系而互相預測。這些問題均未見研究報告。

鑒于此，我們招募了20 名二級以上男子越野滑雪運動員，進行3 種主要最大攝氧量直接測試方法的測試，比較不同測試方法結果間的差異，以期為速度耐力運動項目提供最有效的方法來評估運動員最大攝氧量；并基于不同方法測評結果間的線性關系探討實現不同測試方法結果間互相預測的可行性。此外，本研究還探索了不同測試方法間個體結果差異分布特征，為教練員等進行不同方法測試結果間的便捷換算提供參考依據。

1 研究對象與方法

1.1 實驗設計

采用組內交互設計的準實驗研究。選取能滿足最大攝氧量測評要求的20 名越野滑雪男運動員參與本次實驗。每名被試根據隨機安排原則先后進行3 種不同方法的最大攝氧量測試。自變量為3 種不同遞增負荷的跑臺跑和自行車運動；因變量為最大攝氧量。

1.2 被試的選取與要求

1.2.1 被試選取的原則

（1）已經開始夏季恢復性訓練3 周且測試時間為減量調整階段（過短的恢復訓練可能難以承受有關測試負荷，過長的則可能導致疲勞積累），無傷病且能配合完成最大攝氧量測試任務；

（2）所有被試均獲得過全國青年錦標賽和全國成年冠軍賽前3 名的成績，均達到二級以上運動等級，能代表國內目前越野滑雪較優秀運動員水平；

（3）基本不影響運動隊系統訓練計劃（每名被試分3 次進行最大攝氧量測試，每周僅1 次，測試間歇可進行技術、中低強度力量等訓練）。

基于上述原則，經過與有關教練溝通，從某省隊（冠軍賽后放假休整近兩個月，并已開始夏季恢復性訓練3周）在訓的越野滑雪男運動員中選取能滿足實驗要求的20名男隊員作為本研究被試。其中一級以上8名（含3名健將級），二級12名。運動員基本信息見表1。

表1 被試基本信息

1.2.2 實驗過程中對被試要求

測試間歇期不進行任何大負荷量的有氧、無氧耐力訓練，只進行中低強度的技術訓練和力量或核心力量等訓練；測試前一天停止任何體能訓練；測試期間全體隊員實施全封閉管理，戒煙酒，防止誤服興奮劑，杜絕任何額外營養補劑攝入；測試前一天保證充足的睡眠。告知參與本次測試的潛在風險和可能利益后，所有被試簽署知情同意書。

1.3 最大攝氧量測試方法與安排

1.3.1 測試方法

1.3.1.1 方法一：Bruce法[6]

（1）準備活動15 分鐘后跑臺適應跑3 分鐘（跑臺坡度為6°，速度3～5 km/h，每分鐘遞增1 km/h）；（2）跑臺坡度起始為10.5%（= 6°），每級負荷增加1度；（3）跑臺啟動前運動員做好測試準備（如佩戴氣體分析儀面罩等）；（4）跑臺起始速度為5 km/h，每級負荷強度增加1 km/h，每3分鐘遞增一級負荷至力竭。

1.3.1.2 方法二：功率自行車90秒遞增負荷法[9]

（1）準備活動15 分鐘后功率自行車適應3 分鐘（負荷為0～50 W，每分鐘遞增25 W）；（2）功率自行車座椅高度的調整以運動員正常坐在座椅上、足跟部將腳踏板踩到底、膝關節完全伸展為標準；（3）運動員做好測試準備（如佩戴氣體分析儀面罩等）后在自行車上保持靜息90 秒；（4）起始功率為50 W，每90 秒提高25 W；（5）每秒轉速需要維持在70 至80 轉，當運動員無法維持最低30轉/分鐘或力竭時測試停止。

1.3.1.3 方法三：跑臺1分鐘遞增負荷法[10]

（1）準備活動15 分鐘后跑臺適應跑3 分鐘（跑臺坡度為6°，速度3～5 km/h，每分鐘遞增1 km/h）；（2）跑臺以恒定的坡度（6°）運行；（3）跑臺啟動前運動員做好測試準備（如佩戴氣體分析儀面罩等之后）；（4）跑臺起始速度設定為5 km/h，每分鐘速度增加1 km/h至力竭。

1.3.2 測試過程中血乳酸、心率、自覺疲勞程度（rating of perceived exertion，RPE）數據采集

測試前、每級負荷后即刻、測試結束后1 分鐘采集7 微升指尖靜脈血進行乳酸測試。每級負荷后用彩色RPE 板讓運動員報告疲勞感并評分，從輕松到力竭感分別賦分6～20 分。用polarV800 采集全程心率。全程采集呼吸氣體，用配套氣體分析設備和軟件進行開放式氣體分析（呼吸自然空氣）。力竭判斷標準[15]：（1）攝氧量曲線出現平臺或下降；（2）呼吸商高于1.10；（3）運動員難以繼續保持運動。滿足其中兩個以上條件可判斷為力竭。

1.3.3 測試安排

每天安排8 名被試進行1 種方法測試，共3 天完成一輪測試，被試的測試日期和排序隨機（抽號）安排，順推一周后分別進行第二、三輪測試。測試方法排序均為方法1、2、3。

1.3.4 測試指標

測試指標：最大攝氧量、有氧閾和無氧閾速度、血乳酸、心率。

1.3.5 測試設備與型號

跑臺型號：RUN-7410；功率自行車型號：CUSTOMED；氣體分析設備型號：CORTEX-METALYZER 3B；氣體代謝分析軟件系統：Cortex-Metalyzer；乳酸儀型號：德國EKF-LACTATE SCOUT；心率表：POLAR V800。

1.3.6 測試地點與環境

某省體育科學研究所運動生理實驗室。海拔250米，室溫26.5度，空氣濕度35%～45%左右。

1.4 統計學方法

應用SPSS23軟件對3種方法測試結果間個體差值進行頻數統計；就3 種不同最大攝氧量測試方法有關指標的組間均值差異進行方差分析及有關指標的相關分析；以方法1 結果為因變量，以方法2、方法3 結果為自變量分別進行回歸分析，P＜0.05為具有統計學意義。

2 結果

2.1 3種最大攝氧量測試方法結果比較

2.1.1 3種最大攝氧量測試方法結果組間差異方差分析

對3 種測試方法測得的最大攝氧量結果進行描述統計和組間均值方差分析，結果見表2。

表2 3種測試方法最大攝氧量結果描述（ml/min·kg）

方差齊性檢驗顯示3 組數據滿足方差齊性，P＞0.05，方差檢驗結果及多重比較結果見表3、4。結果顯示，3 種方法最大攝氧量測試結果大小排序為：方法1＞方法3＞方法2，均P＜0.05。提示方法1最能有效評價運動員階段最大攝氧量最大值。

表3 方差檢驗

表4 多重比較

2.1.2 3種最大攝氧量測試方法個體結果間差值的頻數分布

為基于某一測試方法的結果便捷估計另外測試方法的結果，實現不同測試方法結果間的相對可比性，對上述3 種方法的個體測試結果間差值分布特征進行頻數統計，結果見表5。測試方法1 的最大攝氧量高于方法2（6 ml/min·kg，約10%），高于方法3（3 ml/min·kg，約5%），方法3高于方法2（3 ml/min·kg，約5%）。

表5 不同測試方法最大攝氧量差值的頻數統計量（單位：ml/min·kg）

2.2 測試方法1、方法3的血乳酸變化趨勢比較

本研究中測試方法1、方法3 均采用跑臺遞增負荷的運動模式，為探索導致兩種方法測試結果差異的可能原因，將兩種測試方法同等跑臺跑速下的平均乳酸值繪制折線圖（圖1）。結果顯示，同等跑速下方法3 的平均血乳酸高于方法1，且方法3 達有氧閾、無氧閾的跑速低于方法1約一個速度單位（1 km/h）。

圖1 同等速度下測試方法1、方法3的血乳酸比較

2.3 3種測試方法最大攝氧量結果間回歸分析

為進一步探索不同測試方法的最大攝氧量間關系，對有關結果進行相關分析，結果顯示3 種最大攝氧量測試方法測得結果間均呈高度正相關，R均大于0.9，且均P＜0.001。相關分析結果提示3 種測試方法結果間可能存在某種較可靠的數量關系，進一步以測試方法1 的最大攝氧量為因變量（代表階段最大值），分別進行方法1 與方法2（建立線性回歸模型1）、方法1 與方法3（建立線性回歸模型2）結果的回歸分析。

以測試方法2結果為自變量，以測試方法1為因變量形成散點圖（圖2）。由圖2 可知，方法2 與方法1 間的數據呈較典型的線性關系，可進行線性回歸分析，結果見表6、7。

圖2 最大攝氧量測試方法1、2結果散點圖

表6 方差檢驗b

線性模型1檢驗擬合度R2為9.25，回歸模型與回歸系數檢驗均具有顯著的統計學意義（P＜0.001），可以建立可信度較高的回歸方程，并通過VO2max2來有效預測VO2max1。

表7 回歸系數a

表8 方差檢驗b

表9 回歸系數a

回歸方程1：VO2max1=6.121+0.976×VO2max2。

以測試方法3結果為自變量，以測試方法1為因變量，形成散點圖（圖3）。方法3 與方法1 間的數據呈較典型的線性關系，可進行線性回歸分析，結果見表8、9。

圖3 最大攝氧量測試方法1、3結果散點圖

線性模型2檢驗擬合度R2為9.05，回歸模型與回歸系數檢驗均具有顯著的統計學意義（P＜0.001），可以建立可信度較高的回歸方程，并通過VO2max3 有效預測VO2max1。

回歸方程2：VO2max1=4.336+0.938×VO2max3。

2.4 最大攝氧量測試過程中有氧閾與無氧閾對應的跑速、心率變化區間

為便于訓練過程中精準化、個體化把控運動員有氧耐力訓練強度，對本次Bruce 法測試中有氧閾、無氧閾對應的跑速、心率的變化區間進行描述統計，結果見表10。

表10 有氧閾、無氧閾對應跑速、心率的描述統計

參與本次測試的越野滑雪男運動員有氧閾、無氧閾平均心率分別為150.4、171.6 b/min，對應平均跑臺跑速分別為6.5、8.4 km/h。

3 討論

3.1 3種最大攝氧量測試方法結果比較與原因分析

有研究認為一般需要2～3 月的系統化訓練才能實現有氧耐力的改善[16-17]，耐力項目運動員在長期訓練過程中需要階段性（2～3 月）進行最大攝氧量測試。但受經常在不同地點轉訓等各種客觀條件局限，不同訓練階段會在不同地點、不同實驗室并采用不同的測試方法，這將會導致不同方法測試結果間的不可比性。

為解決不同方法測試結果間難以直接比較的問題，本研究通過實驗來比較3 種主要測試方法結果間的差異及其可能存在的數量關系。本次實驗采用的3種最大攝氧量測試方法包括經典的Bruce法、功率自行車90秒遞增負荷法及跑臺1分鐘遞增負荷法。前兩種方法均已在體育科研領域得到較為廣泛的應用[9，18]。方法3 為近些年引進的北歐滑雪強國采用的針對世界級優秀耐力運動員的測試方法，目前在部分冰雪項目國家隊及跨界跨項選材測試中得到應用。

從表2～4 的描述與方差統計結果看，Bruce 法的最大攝氧量結果最高，方法3（1 分鐘跑臺遞增負荷）次之，方法2（功率自行車90 秒遞增負荷）最小，且組間差異顯著。

對上述3 種方法的個體測試結果間差值分布特征進行的頻數統計結果也呈現相同趨勢（表5），即測試方法1的最大攝氧量＞方法3＞方法2。

分析其原因可能為：測試方法1和3為在跑臺上進行遞增負荷跑步，跑動過程中下肢要承擔全身重量，動作更復雜，負荷更大，需要全身主要肌群參與耗氧，耗氧量更大；方法2 主要為下肢運動，無需克服自身體重，動作更簡單，總體耗氧量相對會更低。另外，測試過程中單純依賴下肢克服自行車遞增阻力更易于導致下肢疲勞，難以保持恒定轉速而更早達到力竭狀態，這可能是導致方法1、3 高于方法2 的主要原因之一。本研究結果與Millet等【15】的研究結果比較一致。

Hertmann[19]認為，人體進行勻速運動時必須持續8 分鐘以上才能達到穩態。杜忠林等[20]的一項比較研究認為，4 分鐘勻速運動測試方法是一種更實用、便捷的測定無氧閾的方法；固定負荷強度的運動持續時間越短越不利于能量代謝穩態的形成。但在跑臺或自行車遞增負荷運動模式下進行最大攝氧量測試過程中，每級負荷持續時間太長則可能導致運動員在中低負荷強度時就會產生疲勞積累，難以保持更高強度下的運動持續能力，在增加測試時間成本的同時還可能影響最大攝氧量測試結果。目前國內外實驗室在應用遞增負荷運動模式進行最大攝氧量測試時普遍采用的每級運動負荷持續時間基本為1～3分鐘之間[21]。

為進一步探索導致測試方法3 結果低于方法1 的可能影響因素，本研究采集了兩種方法測試過程中每級負荷（跑速）的血乳酸。從兩種測試方法的乳酸曲線（圖1）看，除第一級負荷（5 km/h）外（方法3、1 的血乳酸分別為1.6 mM/L、1.4 mM/L），在其余各級同等負荷下，方法3的血乳酸均高于方法1約1.5 mM/L以上，最大差距高達3.3 mM/L。這表明方法3 測試過程中乳酸升高速度更快、幅度更大。分析其可能原因為方法3只持續1 分鐘就增加負荷強度，在每級負荷強度下尚未形成能量代謝穩態就進入下一級負荷強度，有氧代謝供能穩態不足，導致血乳酸堆積更快。

另外，參與本次測試的運動員在冠軍賽后調整近2個月，剛恢復訓練3 周，尚未進行高強度訓練，耐乳酸能力訓練不足，難以適應1 分鐘快速遞增負荷運動方式下的高乳酸水平，這或許也是導致方法3 測試結果低于方法1的主要原因之一。

3.2 3種最大攝氧量測試方法結果間回歸分析

無論是文獻閱讀還是訓練實踐過程中，科研人員或教練通常面臨的主要問題是文獻報告的運動員最大攝氧量結果經常源自不同的測試方法，其結果可比性較差，難以進行科學的橫向比較及縱向動態評價運動員的階段有氧耐力訓練效果。為探索不同測試方法所得結果間的數學關系，實現不同測試結果間的相對可比性，本研究對3 種主要最大攝氧量實驗室直接測試方法結果進行線性回歸分析。

相關分析顯示，3種測試方法結果間均呈高度正相關，且散點圖（圖2、3）顯示方法2、3 的結果均與方法1結果呈現較為典型的直線性分布趨勢，提示可以進行線性回歸分析。線性回歸分析結果發現，方法1 與方法2、方法1 與方法3 間的回歸模型和回歸系數的檢驗結果均具有十分顯著的統計學意義（P＜0.001），且兩個方程的線性擬合度均為高度擬合，表明其數學關系均穩定可信。這提示運動員無論采用哪種測試方法都可以通過有關回歸方程通過方法2 或3 的測試結果來預測方法1 的結果，實現基于方法1 結果的橫向、縱向可比性。

盡管統計結果顯示有關方程的可信度、可靠性較好，但受本研究被試的項目來源、樣本量及運動員訓練狀態等因素的影響，該回歸方程的外推效度難免會存在一定局限性。另外，從訓練實踐過程可操作性角度出發，考慮到教練員或科研人員難以直接應用有關方程進行不同方法測試結果間的互相推算、預測，本研究對運動員個體不同測試方法結果間的差值進行了頻數分布統計，得出了不同方法間測試結果差異特征（表5）。據此，教練員可以十分便捷地基于某測試方法結果粗略估計另一測試方法的結果范圍，進而實現不同測試結果間的相對可比性。

但需要注意的是，基于有關回歸模型及差值分布特征進行的預測或換算出的結果只能是運動員最大攝氧量可能范疇的預測值，不等于個體真值。

3.3 3種最大攝氧量測試方法的適用性分析

就本次研究結果看，盡管相關分析結果顯示，3 種最大攝氧量測試方法的結果均呈高度正相關，表明3種測試方法均可作為運動員最大攝氧量的有效測試方法，但方差分析及差值分布特征結果均表明測試方法1是最能有效評估運動員階段有氧耐力最大潛能的方法。

國外冬季體能類項目對世界級運動員的最大攝氧量測試經常采用方法3，因其速度遞增節奏更快（1 分鐘遞增1 km/h），對運動員的有氧耐力、耐乳酸能力要求均較高，更適用于已經系統進行了更高強度的耐乳酸能力訓練的高水平運動員在專項準備期或賽前期進行有氧耐力評估。但鑒于我國越野滑雪等耐力項目運動員體能與世界高水平運動員差距較大[22]，結合本次測試結果看，在基礎準備期采用方法3 可能難以有效測試出運動員的最大攝氧量峰值。但如果經過一段時間的系統化有氧、無氧耐力訓練，運動員的有氧能力和耐乳酸能力得到有效提高，其承受高負荷強度能力得到改善后，或許方法3 的測試結果會得到有效提升，與方法1 的差距會減小，甚至無差異，但這還需要后續研究檢驗。

盡管方法2 平均測試結果最低（低于方法1 約10%，低于方法3 約5%），但對于某些不太適應跑臺跑測試的不同項目運動員而言也是一種十分有效的最大攝氧量測評方法[23-24]。特別是對于自行車、游泳等項目運動員而言（長跑訓練較少），建議最好采用方法2 進行最大攝氧量測試。另外，該方法相對運動難度更低、風險更小、設備成本更低，更便于在省市級體科所、大學有關實驗室推廣應用，適用于不太適應跑臺測試的不同水平的成年、青少年運動員乃至大眾健康人群的最大攝氧量測評。

綜上分析，3 種測試方法的適用對象分別為：測試方法1 適用于能適應跑臺跑的耐力項目優秀運動員；方法2 適用于所有項目運動員及大眾鍛煉人群；方法3適用于具備良好有氧和無氧耐力的高水平田徑、越野滑雪等室外耐力項目優秀運動員。

在基礎準備期，建議國內所有耐力項目運動員根據自己的能力特點或不同方法的適應性采用方法1 或2進行最大攝氧量測試，對高水平的室外耐力項目運動員而言，在專項準備期和賽前期（經過系統化的有氧、無氧耐力訓練，耐乳酸能力較高）則可以采用方法1 或3進行最大攝氧量測試。

3.4 最大攝氧量直接測試法有關指標在訓練實踐中應用的思考

最大攝氧量作為衡量運動員階段最大有氧耐力潛能的金指標，主要適用于運動選材和階段有氧耐力訓練效果評價[25]，假如階段耐力訓練前后的最大攝氧量測試結果有一定程度提高則提示運動員的耐力水平改善，階段耐力訓練效果較好。但在訓練實踐過程中難以直接應用最大攝氧量來實時評價、把控有氧訓練強度與質量，而有氧閾、無氧閾對應的運動強度、心率等指標則更便于直接應用其來反映、把控訓練強度，提高有氧耐力訓練的科學化程度[26]。 耐力項目訓練過程通常基于個體最大心率的百分比把訓練強度分為5 個等級[27]，其中I1～I3 級強度分別相當于再生性放松訓練（I1，50%～65% HRmax）、有氧閾強度訓練（I2，66%～80% HRmax）、無氧閾強度訓練（I3，81%～90% HRmax）。其中，有氧閾、無氧閾強度訓練在耐力項目年度訓練中的占比通常分別為60%～75%、15%～25%左右[28]。

為進一步發揮最大攝氧量測試結果及其主要衍生指標的訓練實踐應用價值，本研究探索比較了運動員個體有氧閾與無氧閾對應的跑速、心率等指標變化區間（表10）。有關結果為在訓練實踐過程中基于該區間科學把控有氧閾、無氧閾負荷強度提供重要的便捷手段和方法。另外，有關結果區間還可用于縱向評價運動員階段訓練后有氧能力變化趨勢。如經過一段時間的耐力訓練后，若同等負荷強度下（如跑速）運動員的平均心率降低，或同等心率下對應的跑速有所提高，則提示運動員的有氧代謝利用能力得到有效提高。但需要特別指出的是，本研究結果可能只適用于較高水平的越野滑雪運動員，對于其它耐力項目運動員而言，不宜直接套用表10 所呈現的本研究結果，最好是基于有關項目、不同水平運動員的相關測試結果來界定其個體化的有關指標變化區間。

總之，本研究通過實驗探索建立了3 種最大攝氧量實驗室直接測試方法結果間數量關系及個體不同測試方法結果間差值分布特征，為運動隊選擇最優方法進行最大攝氧量測試，及基于不同方法結果間的數學關系模型與差值分布特征便捷預測不同測試方法的結果提供了科學依據，彌補了不同測試方法間結果不可比性的局限性。

但受本研究所選被試樣本的代表性及樣本量等因素的影響，本研究結果及其應用效度難以避免會存在一定局限性。首先，本研究選取的被試為越野滑雪男運動員，未能就其它耐力項目、不同性別乃至不同訓練水平運動員等開展更寬泛的有關比較研究，本研究建立的最大攝氧量回歸方程并不能代表全國越野滑雪運動員乃至其它耐力項目的常模，成果應用的外部效度受限。

另外，影響運動員最大攝氧量測試結果的因素很多，如停訓后復訓周期、海拔高度、運動員的階段訓練狀態、瘦體重、測試方法等均會不同程度影響最大攝氧量測試結果[29-33]。故任何一次最大攝氧量測試結果都不能孤立看待或教條化用其評價運動員的有氧耐力水平，必須考慮各種可能的影響因素進行綜合分析，動態評價運動員的有氧耐力水平。

4 總結

（1）3種國內常用測試方法中，Bruce法在評價運動員階段最大有氧耐力潛能方面效果最好，其它兩種方法與其存在線性關系，結合不同方法結果間差值分布特征可進行不同測試方法結果間的互相預測；（2）針對不同項目、不同水平的運動員可分別采用適合其能力特點的方法進行最大攝氧量測試；（3）有氧閾、無氧閾對應的跑速、心率變化區間可作為直接把控有氧閾、無氧閾訓練強度的有效、便捷方法。