对一次30km户外登山运动中能量消耗、体成分变化及机能反应的研究

张戈+陆爱发

摘要：目的：比较心率法和三轴运动加速度计推算能量消耗的差别，并探讨一次30km登山运动对体成分变化和机体的反应，为了解登山运动的特点提供实验支持。方法：采用实验法募集10名大学生完成一次30km、10h野外登山运动，测试运动过程中的心率和三轴加速度参数推算运动过程中的能量消耗，登山前和次日晨体成分及血清肌酸激酶、血尿素、尿蛋白和尿比重；采用数理统计法对比各项指标的差异性。结果：（1）心率法测能量消耗与三轴加速度计测能量消耗除在2个1h时间段内有差异外（p<0.05）外，其余8h均无显著差异，且两种方法显著相关（r=0.76l，p<0.05）；（2）登山后次日晨受试者体重、脂肪含量显著下降（p<0.05），血清肌酸激酶（CK）、血尿素（BU）显著升高（p<0.01），尿蛋白呈阳率达到80%，尿比重显著升高。结论：（1）心率与三轴加速度计均能较好测定能量消耗，可依据需要选择测试方法；（2）在此种登山过程中机体除消耗了大量脂肪，还引起大量的体液丢失流失；（3）经过1昼夜休息，机体尚未完全恢复。

关键词：能量消耗；心率；三轴加速度计；体成分；机能反应

野外登山是一项能够接近大自然的运动，不仅可以强身健体，还可以培养大学生坚强的意志，对高校学生来说是较为新兴的、趣味性强的运动项目。目前，多数的研究集中在高海拔登山（>4000m），中等海拔登山（2500～3800m）和攀岩运动，而对于较低海拔的长距离野外登山的研究较少。Sperlich等用MetaMax 3B对一次30km、6～9h、坡度13%的美国大峡谷野外徒步过程中能量消耗进行了测定，结果显示总能耗达到3322kcal，平均每小时能耗达到511kcal，同时摄入能量为2 096 kcal，造成能量亏损1226kcal。田野等采用MetaMax 3B对低海拔登山运动能量消耗進行了研究（坡度11.6°、19.9°、14.9°和28.6°），发现不同坡度下能耗在8.63～8.16Mets之间，且经过16周每周1次（2430m）的登山运动后受试者体重和脂肪体重显著降低，认为此种运动形式有利于提高心血管耐力。另有研究采用运动心率和加速度的方法推算野外登山中的能耗。由于研究侧重不同，选择心率或三轴加速度参数分别能够提供不同的信息，两种方法和气体测定的能耗有很好的相关性。虽然由于运动模式的不同两种方法推算能耗有一定的局限性，但两种方法均能长时间记录运动数据，且操作相对简便，因此非常适合研究野外登山环境下的能量消耗。另外，多数研究均对野外登山的研究多集中在几周连续运动人体的体成分、代谢和机能变化，但截至目前，对一次超常距离（30kin）的野外登山运动中人体机能的反应研究还未见报道。

本研究采用心率和三轴加速度参数推算一次30km、10h野外登山过程中的运动过程中的能量消耗，同时比较登山前和次日晨体成分及血清肌酸激酶、血尿素、尿蛋白和尿比重的变化，目的在于比较心率法和三轴运动加速度计推算能量消耗的差别，并探讨一次30km登山运动对体成分变化和机体的反应，为了解登山运动的特点提供实验支持，并为制定合理的运动处方提供实验依据。

1研究对象与方法

1.1研究对象

随机选取10名在校学生为研究对象，平均年龄为20.0±2.1yrs，身高173.0±6.1cm，体重60.0±7.1kg，体脂率为15.01±3.73%。所有受试者经过体检报告确认身体健康，无重大疾病，且身体素质通过测定达到要求（规定时间内完成3000m跑）。所有受试者具有一定的户外徒步经验，了解基本的户外徒步知识与急救常识。受试者在详细告知测试流程及实验细节后同意进行实验，并签署相关保险文件和知情同意书。

1.2研究方法

1.2.1数据采集与仪器10名受试者在登山过程中需全程佩戴心率监测器以及三轴加速度计。登山路线起点为北京门头沟灵山停车场，终点为柏峪，登山途经东灵停车场一上山的石碑一北灵顶一落叶谷垭口一长城（实心楼）一柏峪停车场一柏峪村，各受试者负重4kg（含背包及水和食物），在每个节点队伍停留并稍作休息。登山整个过程中工作人员需定时询问受试者主观疲劳感觉，一旦出现过分疲劳和难以坚持的情况应停止运动，并进行记录。路线全长30km，耗时12.28h，海拔上升为1233m，海拔降落为l 944m。当地环境温度为26℃～32℃，相对湿度为54%～60%。

登山前后和次日晨测定体成分，登山前和登山后次日晨分别测定血清肌酸激酶（CK）、血尿素（BU）及尿10项。其中，三轴加速度计为ActigraphGT3x（Manufacturing Technology，Inc.，MTI），使用前要对仪器进行设置并格式化内存，将受试者个人情况输入，通过弹性尼龙带将GT3X固定在受试者右腋窝中线和髂嵴水平线的交界处，采样模式为60s；采用polar团队训练系统记录运动中心率（Po-lar Tear02 Pro，Finland），采样频率为lHz；体成分测定采用Inbody 720体成分分析仪（Biospace，Ko-rea）；血清BU、CK测定采用REFLOTRON plus干式生化分析仪（German），试剂条为德国罗氏公司产品；尿10项测定采用自动尿十项分析仪P202M178632（Pocket Chem，Japan）。

1.2.2能量消耗数据推算

（1）心率法测能量消耗。实验完成后导出心率的数据，代入预测方程计算能量消耗，具体公式为：

能量消耗EE（KJ/min）=性别系数×（-55.0969+0.6309×心率+0.1988×体重+0.2017×年龄）+（1-性另0系数）×（-20.4022+0.4472×心率-0.1263×体重+0.074×年龄）。其中，性别系数男性为1，女性为0，心率单位为次/min，体重单位为kg。

（2）三轴加速度计测能量消耗。测试完成后，通过软件下载数据，提取GT3X三轴原始数据（垂直轴活动计数ACaxisl、冠状轴活动计数ACaxis2、矢状轴活动计数ACaxis3），三轴向量幅值VM3=（ACaxisl+ACaxis2+ACaxis3）。使用Freed-son VM3 Combination（VM3C）方程推算运动能耗：endprint

能量消耗（kcals）=s×[0.00097×VM3+（0.08793×体重）]-5.01582，（动作数≥s×2453）；

能量消耗（kcals）=动作数×0.0000191×体重，（动作数≤s×2453）。公式（1）（2）中：s=持续活动时间（s）/60s，动作数（steps）为步数。

1.2.3数据处理与统计学分析采用SPSS19.0统计软件对数据进行统计学分析，三轴加速度计与心率法测能量消耗比较、登山前后各指标比较采用采用重复方差分析，相关分析采用Person相关分析，以p<0.05为有显著性差异，以p<0.01为有非常显著性差异。

2研究结果

2.1两种方式测能量消耗方式的对比

表1为10名受试者从7：00到17：00间每小时的平均能量消耗测定结果。总体而言，两种方法测定的平均能耗和总能耗并无显著差异（p>0.05）。按时间段比较，除7：00和13：00心率推算的能耗显著高于（p=0.030）和低于（p=0.028）三轴加速度计推算的能耗外，在其他时段两种方法推算的能量消耗并无显著差异（p>0.05）。此外，Pearson相关分析表明心率法推算的能耗和三轴加速度计推算能耗结果显著相关（r=0.761，p=0.017）。

2.2登山运动前后体成分变化以及机体反应

表2为登山前后和次日晨受试者体重、脂肪含量和瘦体重的测定结果。总体而言，登山后受试者体重显著降低（2.6kg，p<0.05），次日晨恢复至登山前水平（p>0.05）；脂肪含量减少l%，但与登山前比较均无显著差异（p>0.05），次日晨恢复到登山前水平（p>0.05）。另外，瘦体重在登山过程中变化不大（p>0.05），说明登山过程中主要流失的是水分和少部分的脂肪。表3为登山前和次日晨血清CK、BU、尿比重、尿蛋白阳性率测定结果，与登山前比较，受试者次日晨血清CK、BU显著升高（p<0.01，p<0.05），尿比重均超过1.030、尿蛋白阳性检出率显著升高（p<0.01）。反映出一天11h、30km的登山运动后机体产生较强烈的反应，经过1昼夜恢复受试者仍然有一定程度的脱水、机能尚未完全恢复。

3分析讨论

3.1爬山过程中的能量消耗

登山时的能耗是反映登山运动强度的指标之一。我们的结果显示，在一次30km持续时间11h的野外登山过程中，每小时平均能耗在310～450kcal，与Sperlich和田野等采用气体代谢分析测得的结果相近。这一数值相当于40%～80%VO，max，显示出本次登山的运动强度在中等到大强度之间。本研究中lO名受试者从7：00～17：00间每个小时的平均能量消耗心率法和三轴加速度计法测定的平均能耗和总能耗并无显著差异（p>0.05）；分段比较，除7：00和13：00心率推算的能耗显著高于（p=0.030）和低于（p=0.028）三轴加速度计推算的能耗外，在其他时段两种方法推算的能量消耗并无显著差异（p>0.05）。Pearson相关分析表明两种方法推算能耗的结果显著相关（r=0.761，p=0.017）。结合登山路线，7：00～8：00为出发后1h，主要是上坡，受试者体力充沛而采用较快的速度，造成心率保持在较高水平，而由于步数少造成加速度推算的能耗较低。13：00～14：00的lh的差异主要是因为在途中有做了2次休息停留（每次約5～10min），造成心率在较低的水平上时间较长，因此推断的能耗小于实际消耗量。

三轴加速度计虽然体积小、重量轻、方便佩戴、记录时间长，有研究认为三轴加速度计是一种评估人体活动水平和能量消耗的可靠工具，但由于不能反映上肢运动、人体推力和遇到的阻力，因而其精确性与运动方式有很大关系。研究表明，三轴加速度计测定快走、慢跑和快速跑时与气体代谢测定的能耗相关系数在0.94～0.97，是一种推算能量消耗的可靠方法。本次登山过程中，受试者运动模式为步行，此种方法能较好反映运动过程中的能量消耗。当然，如果能结合坡度进一步对能耗进行矫正，有利于减少测定的误差。心率是最容易测量的生理指标之一，并且与人体机能活动状态、能量代谢密切相关，所以心率法是监测和评价能量消耗的常用方法。登山的能量消耗影响因素主要有：登山运动的速度、登山的时间、受试者的性别、年龄、体质量等，但心率预测能量消耗的方程中只涉及到了受试者性别、体质量、年龄、每分钟心率的值。心率法测能量消耗能较准确推算大强度下运动的能量消耗，而高估中小强度、低估极大强度运动的能量消耗，误差在+20%～-15%。总体而言，在长时间的登山运动中，心率法反应登山运动中整体的能耗在可接受的范围内。

3.2体成分和机体反应

Neumayr等对3周中等海拔（1700m）和低海（200m）拔每天2h，每周4次，55%～65%HRmax强度的野外登山进行了研究，发现登山后受试者体重降低3.13kg。在长时间或几周的连续登山运动中，受试者体重均降低，研究认为，体重的降低主要是由于摄入热量小于消耗热量造成的。Sperlich等对一次30km、6～9h、坡度13%的美国大峡谷野外徒步过程中能量消耗进行了测定，结果显示总能耗达到3322kcal，摄入能量为2096kcal，造成能量亏损1 226kcal。另有研究报道，长时间长距离的野外登山运动中每日能耗在5000kcal，而摄入的热量低于实际需要量，这种现象在负重情况下更常见。本研究结果表明，11h登山的能量消耗为4 319.98±525.95 kcal，接近国外的报道。体重和体成分的结果表明，受试者体重平均降低2.6kg，脂肪含量降低约1%，而瘦体重在登山过程中变化不大；经过1昼夜休息后，恢复到登山前水平。说明登山过程中主要流失的是水分和少部分的脂肪。这与报道中，长时间登山运动中主要能源物质是糖和脂肪的报道一致。另外，1次登山运动后，经过适当的休息，机体的能源物质储量能够基本恢复。

另外，与登山前比较，受试者次日晨血清CK、BU显著升高，尿比重均超过1.030、尿蛋白阳性检出率显著升高（80%）。反映出一天11h、30km的登山运动后机体产生较强烈的反应，经过1昼夜恢复受试者仍然有一定程度的脱水、机能尚未完全恢复。从总能耗和平均能耗看，本次登山形式运动量，与尿蛋白阳性检出率结果一致。从BU变化看，说明长时间登山运动蛋白质的参与供能，在运动结束后应注意补充；而CK的高水平与海拔和上下坡有关，研究表明肌肉离心运动后CK水平显著升高。提示在登山过程中除要保证水、糖和电解质的补充外，在登山结束后应重视总热量的补充，保证各营养素的比例，以促进人体恢复。

4结论与建议

4.1结论

（1）心率与三轴加速度计均能较好测定登山过程中的能量消耗，但提供的信息不同，在登山过程中可依据实际需要选择。

（2）在长距离的登山过程中机体除消耗大量脂肪，还引起大量的体液丢失流失；经过1昼夜休息，机体尚未完全恢复。

4.2建议

（1）在登山过程中心率可反映运动强度和身体恢复，三轴加速度计可反映步数和人体的运动状况，在登山过程中都可测定能量消耗，但提供的信息可以互补。

（2）在长距离登山过程中每小时能耗约在3lO～490kcal，每日能耗约5000kcal，要注意补充足量的能源物质，在炎热的气候下还要注意补充液体。如连续进行登山，应注意充分休息便于身体恢复。endprint