亟待纠正的错误：竞技体育项目的专项供能比例

原文出处：黎涌明, 毛承. 竞技体育项目的专项供能比例——亟待纠正的错误[J]. 体育科学, 2014, 34(10):93-96.

摘要：专项供能比例是竞技体育项目的一个重要特征，对专项供能比例的描述是众多运动生理学和运动训练学教材和著作的必有内容，但是此类教材和著作中对供能比例的描述是基于Astrand等人在1960s的研究。这些研究由于计算方法的原因，不同程度地造成了对竞技体育运动有氧供能比例的低估。本文介绍了竞技体育运动专项供能的三种计算方法，并通过综述运用这三种计算方法得到的156个（来自39篇文献）有氧供能百分比数据，得到了有氧供能百分比与高强度运动时间之间的关系公式（y = 22.404 * Ln(x) 45.176, R² = 0.9334，y为有氧供能百分比(%)，x为高强度运动的持续时间(min)）。最后，本文根据所得到的公式，给出了不同竞技体育项目的新的专项供能比例。相比于现有众多运动生理学和运动训练学教材和著作的描述，本文给出的专项供能比例更为接近项目的真实特征。

 

1. 前言

人体运动是一个生物能转化为机械能的过程。机体通过分解能源物质（糖、脂肪、蛋白质和磷酸肌酸），产生肌肉收缩所需的三磷酸腺苷（ATP）。根据有无氧气的参与，这种生物能的产生途径可以分为有氧供能和无氧供能两种，后者又可根据有无乳酸的生成分为无氧无乳酸供能和无氧乳酸供能。这三大供能系统在人体运动过程中始终同时运转，只是由于强度和持续时间的不同，来自这三大供能系统的能量比例不同。三大供能系统在体育运动中的供能比例是体育运动的一个重要特征，有关这一特征的一个常用指标是有氧供能比例，即来自有氧供能系统的能量占来自三大供能系统的总能量的百分比。

对不同体育运动有氧供能比例的描述是众多运动生理学和运动训练学教材的必有内容。这类报道最早可追溯到瑞典生理学家Astrand等人1970年所著的Textbook of Work Physiology。尽管此后出现了大量有关不同体育运动供能比例的研究文献，但是众多教材仍然延用了Astrand等人的供能比例数据。这些教材中对体育运动供能比例的描述成为众多教练员和科研人员认识体育运动的重要理论依据。然而，这些教材中对供能比例的描述不同程度地低估了有氧供能。因此，本文拟从现有教材中有关供能比例的描述出发，通过综述大量有关供能比例的实证研究和介绍常用的供能比例计算方法，纠正现在教材中有关供能比例描述的错误，并重新给出不同体育运动的相对正确的供能比例。

人体运动能量代谢知名科学家

 

2. 现有教材中有关供能比例的描述

相比于需要同行评审的期刊研究文献，教材或著作能够全面提供某一专业方向（如运动生理学）或某一专题（如周期训练）的研究信息。教练员和科研人员（包括相关专业的教师和学生）无需在浩瀚地网络数据库中自己去寻找相关知识，更不用通过付费获取一些期刊文章。正是由于这些可能存在的便利，教材或著作成为教练员和科研人员最为直接的理论来源。鉴于教材或著作对于教练员和科研人员信息获取的重要性，编著者需要尽量确保教材或著作内容的准确性。当然，由于教材和著作本身是对以往知识的归纳和整理，并且从撰写到出版往往需要数月到数年之久，因此知识的滞后性是教材和著作不可避免的缺陷。但是这种不可避免性并不能成为一些错误信息的借口。2000年以后的众多运动生理学和运动训练学教材和著作在体育运动供能比例的描述上仍然延用三十几年前的数据，而对供能比例的认识在过去三十几年内恰恰发生了重大变化。

表1 专项供能比例存在错误的国外教材和著作举例

根据Astrand等人1970年的数据，10s、1min、2min和4min有大肌肉参与的高强度运动中，有氧供能比例分别为20%、30%、50%和70%（图1）。尽管这些数据在后续版本教材中有所修改，但是有氧供能主导和无氧供能主导（50%）的分界点仍然为2min。其他学者在1970s也尝试给出不同持续时间下的供能比例，但这些数据中有氧供能主导和无氧供能主导的分界点甚至＞2min。1970s的这些学者给出的数据被后期的运动生理学和运动训练学教材和著作广为引用（表1），Powers和Howley甚至根据这些数据给出了各个体育项目的供能比例，该比例也被Bompa和Haff在其2009年版《周期训练—理论和方法》中引用。根据这些数据，体操、摔跤、击剑、足球、篮球、排球等项目的有氧供能比例为10%左右，100m游泳、400m跑为20%左右，网球、曲棍球、足球等项目为30%左右，拳击、速度滑冰1500m为50%左右，赛艇为60%左右。

图1 Astrand等和研究文献中有关有氧供能比例的数据

（研究文献部分来自39篇文献的156个数据，文献略）

3. 对供能比例的实证研究

随着对人体能量供应过程认识的深入，以及摄氧量和血乳酸测试技术的完善，对体育运动的供能特征研究自1980s起迅速增加。图1是对39篇文章的156个供能比例数据进行的分析，其中涉及跑步、自行车、游泳、皮划艇和赛艇五种运动方式。结果表明，有氧供能比例与高强度运动的持续时间成指数正相关

y = 22.404 * Ln(x) 45.176

R² = 0.9334，y为有氧供能百分比(%)，x为持续时间(min)，其中有氧供能主导和无氧供能主导的分界点为74.4s。尽管这个发现是来自对不同研究文献数据的综述，但是对同一运动方式不同时间或距离的研究，以及同一运动时间或距离不同运动方式的研究，都表明有氧供能比例与高强度运动的持续时间确实成指数正相关。通过比较实证研究和Astrand等人有关有氧供能比例的数据，可以发现Astrand等人的数据低估了有氧供能。

对非周期性项目供能比例的研究同样表明，以Astrand等人的数据为依据给出的非周期性项目的供能比例同样低估了有氧供能。对花样滑冰（4min17s）、空手道格斗（4min27s）、激流回旋皮划艇（85.7s）、艺术体操（90s）等项目能量供应特征的研究表明，这些非周期性项目的有氧供能比例分别为74.1%、77.8%、45.2%和49%。而Bompa和Haff在《周期训练—理论和方法》提及花样滑冰和体操的有氧供能比例只有20%和0%。由于供能特征研究方法的局限性，无法运用气体代谢仪对一些非周期性项目进行测试（如无法让摔跤和击剑运动员戴上呼吸面罩进行模拟比赛），因此很难对这些体育运动直接进行供能特征的研究。

但是，这些体育项目的供能比例仍然可以参照图1中的公式进行推测，并且由于大多数非周期性项目的运动形式为多种动作方式组合下的间歇性运动，运动员在这过程中有静止和慢速运动时刻（如格斗对抗类项目的非接触环节，球类项目的走动环节），因此非周期性项目的有氧供能比例要大于或等于将该项目相应持续时间代入图1公式得到的有氧供能比例值，如男子柔道每局的持续时间5min，将5min代谢图1公式，得到有氧供能比例为81.2%，因此柔道每局运动的有氧供能比例≥81.2%，而Bompa和Haff在《周期训练—理论和方法》提及的有氧供能比例为0%。另外，由于图1公式的来源数据中最长持续时间为10min，因此图1公式的适用范围为持续时间≤10min的高强度运动。当持续时间为10min时，计算得到的有氧供能比例为96.8%。对于持续时间＞10min的周期性和非周期性项目来说，其有氧供能比例都可认为＞96.8%，而Bompa和Haff在《周期训练—理论和方法》提及的几种球类项目的有氧供能比例分别为0%（足球，冰球，排球）、10%（篮球，手球，网球）、20%（曲棍球）、30%（水球）。

 

4. 供能比例计算方法

导致Astrand等人低估体育运动中的有氧供能比例的主要原因在于供能比例的计算方法，因此有必要对供能比例计算方法的发展有一个相对全面的了解。供能比例的计算方法可以追溯到1920年氧亏（oxygen deficit）这个概念的提出， 高强度运动开始时由于摄氧量的滞后造成的能量空缺被认为由无氧供能来填充。此后，以氧亏为基础的供能比例计算方法基本可以分为两大类，第一类计算方法将能量供应分为有氧部分和无氧部分，第二类计算方法则将能量供应分为有氧、无氧乳酸和无氧无乳酸三部分。

第一类计算方法又可称为最大累积氧亏法（maximal accumulated oxygen deficit, MAOD），它是由三个不同的研究组于1980s提出，但是经1988年Medbo等人的研究而广为人知。这一计算方法的理论前提为：1）能量供应包括有氧和无氧两部分；2）中等强度（35-90%VO_2max）运动时摄氧量（VO₂）与运动强度成线性正相关（图2左），由于无氧供能可以忽略不计，实际VO₂即为此强度运动下的需氧量，将强度-VO₂关系直线外推到≥90%VO_2max的强度区间即可得到高强度运动下的需氧量；3）高强度运动时，由强度-VO₂关系直线外推得到的需氧量减去实际VO₂即得到该强度下的氧亏（图2右），高强度运动时累积VO₂占总需氧量的百分比即有氧供能比例。运用最大累积氧亏法计算有氧供能比例时，受试者需要进行二次测试。第一次为多级测试，需要进行8-10级（每级8-10min）强度的持续运动，以得到强度-VO₂的关系直线（y=ax b），但后期被简化为4-8级（每级5min）；第二次为所要计算供能比例的高强度运动。相比于第二类方法，这种方法的特点在于无创性（无需采集血乳酸），目前这一方法为使用频率最高的方法。

图2 最大累积氧亏法示意图

与最大累积氧亏法相比，第二类方法的区别在于无氧供能部分的计算。这类方法认为无氧乳酸部分的能量供应可以由运动中血乳酸的净增加量计算获得，而无氧无乳酸部分的能量供应可以通过运动后氧债的快速部分或者单位体重的磷酸原量来计算获得。基于氧债的快速部分计算无氧无乳酸的方法是由Beneke等人在综合前人研究基础上于2002年提出来的，这种方法认为运动后的VO₂可以分为快速部分和慢速部分（以运动后3min为分界点），二者之和即运动后实际VO₂。而运动后前3min的实际VO₂减去慢速部分（由运动后第2个3min的慢速部分曲线前推至第1个3min获得）即无氧无乳酸供能部分对应的VO₂（图3）。三部分能量供应量可以由如下公式计算获得：

• 无氧无乳酸部分 = VO_2PCR（ml） × 能量当量（J·ml^-1）

• 无氧乳酸部分 = 运动生成血乳酸量（mmol·l^-1） × 氧气-乳酸换算系数（ml·kg^-1·mmol^-1·l）× 体重（kg） × 能量当量（J·ml^-1）

• 有氧部分 = 运动VO₂（ml） ×能量当量（J·ml^-1）

• 有氧供能比例 = 100 × 有氧部分 / （无氧无乳酸部分 无氧乳酸部分 有氧部分）

其中，VO_2PCR为运动后VO₂的快速部分；能量当量为1ml氧气所产生的热量，当呼吸商>1.0时，能量当量为21.131J·ml^-1；运动生成血乳酸量为运动后最大血乳酸值减去运动前即刻血乳酸值；氧气-乳酸换算系数为1mmol·l^-1乳酸对应的氧气量，假设乳酸在体内分布区域所对应的体重约为身体质量的45%，这个系数为3.0ml·kg^-1·mmol^-1·l；运动VO₂为运动过程中实际VO₂减去安静水平VO₂。

图3 基于氧债快速部分计算供能比例的示意图

运用单位体重的磷酸原量计算无氧无乳酸供能的方法是由Wilkie于1980年提出的，这种方法认为人体肌肉内的磷酸原量是相对固定的。根据这种方法，三部分能量供应量可以由如下公式计算获得：

有氧供能比例 = 100 ×(E - E_an) / E

其中E为总能量，E_an为无氧供能量；α为能量当量，即1ml氧气所产生的热量，当呼吸商>1.0时，能量当量为21.131J·ml^-1；VO_2max为运动中达到的最大VO₂，t_p为运动时间，τ为VO₂从运动开始达到最大值的时间常数；0.418kJ·kg^-1对应为参与运动的肌肉量最大为体重的30%时，每公斤湿肌净分解18.5mmol磷酸原的能量当量；β为血乳酸的能量当量（0.0689kJ·kg^-1·mmol^-1）；[La]_b为运动中净生成的血乳酸量；m_b为受试者体重。相比于第一类方法，第二类方法测试流程相对简单，受试者只需要进行一次测试。

Astrand等人的有氧供能比例数据是来自基于氧亏的计算方法。其假设受试者在功率自行车上的运动效率为23%，由此可以得到受试者运动时的代谢总功率（即自行车功率/23%），受试者的实际有氧功率与代谢总功率之商即有氧供能比例^[13]。但是由于实际运动效率＜23%，因此造成对有氧供能比例的低估。

 

5. 不同体育运动项目的供能比例

图1中所综述的文献数据都是来自以上两大类计算方法，这两大类计算方法是目前用于研究供能特征的主要方法，因此图1得到的公式能够较为准确地反映体育运动中的有氧供能特征，不同体育运动项目的供能比例能够运用此公式进行描述。

• 周期类体育项目可以直接将全力运动的持续时间代入公式，如孙杨在伦敦奥运会上400m自由泳的夺冠时间为3min40.14s，将此时间代入公式可得到孙杨该次运动的有氧供能比例74.3%。但是该公式中x（即全力运动的持续时间）需≤10min，当全力运动持续时间＞10min时，可以认为有氧供能比例＞96.8%，如马拉松、公路自行车、1500m自由泳等。

• 格斗对抗类体育项目、武术套路和体操类项目可以将每局或回合的持续时间代入公式得到有氧供能比例。由于这类体育项目运动过程中有低强度运动环节，因此实际有氧供能比例要高于直接代谢公式计算得到的数值。如成年武术套路的表演时间为＞1min20s，那么这类项目的有氧供能比例为＞51.6%。

• 集体球类项目和隔网球类项目由于每场或局的比赛时间＞10min，因此无需利用公式进行计算，其有氧供能比例＞96.8%。举重、投掷、跳跃等持续时间＜10s的项目，同样无需利用公式进行计算，其有氧供能比例＜16%（图4）。

图4 不同体育运动的有氧供能比例

注：各运动项目完成时间参照2013年全国运动会男子个人成绩

（←表示小于此点对应的有氧供能比例，→示大于此点对应的有氧供能比例）

该公式同样可以用于制定运动能力的评价方法。

• 当全力运动持续时间＞5min时，有氧供能比例＞80%，决定此类运动的主要因素为有氧能力，即有氧能力好的运动员能够在＞5min的全力运动中有好的表现，因此＞5min的全力运动可以作为评价有氧能力的一种方法。

• 当全力运动持续时间＜20s时，有氧供能比例＜20%，无氧供能比例则＞80%，决定此类运动的主要因素是无氧能力，即无氧能力好的运动员能够在＜20s的全力运动中有好的表现，因此＜20s的全力运动可以作为评价无氧能力的一种方法。