步行能量消耗影响因素的研究综述

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  (浙江大学教育学院体育系,浙江 杭州 310012)
  【摘要】:本文从目前国内外的研究现状出发面对文中涉及到的步行活动、能量消耗的基本概念做了界定,进而指出了测试者的生物学因素、环境因素对其能量消耗影响的重要性。然后通过对运动强度的分析,引出了速度并不是影响能耗变化的唯一负荷因子。在同一速度下,人们可以通过步频和步幅的变换,有不同的步行方式,进而可能带来能量消耗上的变化。最后,论述了用步频界定运动强度,对指导步行健身活动有着重要的实践价值。
  【关键词】:步行活动;能力消耗;影响因素
  1、引言
  近些年美国、日本及欧洲部分国家针对学生体质下降进行了大幅的报道[1]。大量研究表明,学生体质存在比较严峻的问题,大多数的学生都自评存在不同程度的体质下降、心理抗压能力降低、社会适应能力降低等亚健康状态。众多科学研究数据证实,充足的身体活动能够带来很多健康效益,如体重控制、增强心肺功能,预防多种慢性疾病等[2] [3] [4]。
  国际上健康权威机构制定了身体活动指南,提出“每位成年人为获得健康效益确保每周进行5天、每次至少30min的中等强度的有氧运动”,“更大的运动强度会帶来 更多的健康益处”。在各种身体活动中,步行是最简单、实用的一项活动,显然,探索怎样走、走多少步才能满足指南要求将是很有意义的研究领域[5]。有研究者已经建立了以步数为参数的步行指导建议[6],其中最广为人知的是“每日步行10000 步 ”。但是,步行10000步是在非常有限的证据上建立,且实现每日10000万步的目标对大多数人来讲不大现实[7]。最重要的一点,该步行建议没有包含运动强度。 运动强度是构建身体活动指南非常重要的一个参数,因为运动能带来多少健康益处很大程度上依赖活动的强度[8]。本文就步行活动的能量消耗影响因素作一综述,以期为未来国内的步行研究提供理论依据。
  2、概念界定
  2.1步行活动概述
  体力活动(physical activity,PA)的概念很广,被人们普遍接受的是Caspersen CJ等人[9]提出的定义:由骨髂肌收缩引起能量消耗增加的各种身体活动。主要包括职业性、交通性、家务性和休闲性体力活动四种类型。日常生活中的体力活动常可分为基础活动和提高健康水平的活动即锻炼。基础活动指的是每天都进行的低强度体力活动,如站立、电脑操作、手持轻物等,而锻炼指的是有最终和阶段目标的,有计划的,有组织的,重复的,以保持或提高体适能为目的的体力活动[10],通常包括跑步、武术、瑜伽、各种球类运动等等。而步行是一个由包括神经、生理感知、骨骼和视觉等多个系统同时配合的连续过程,步行也是所有运动技巧中最熟练的一种,它是一种既有益健康又非常普遍的体力活动方式,也是简单、经济且有效的健身活动,世界卫生组织甚至在1992年提出:步行是最好的运动。步行训练不需要专门的训练场地以及特殊的器械,是深受大众喜爱的锻炼方式。
  2.2能量消耗
  人体各种生命活动都与能量代谢的过程密切相关,通常把生物体内物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移、贮存和利用称为能量代谢(energy metabolism)。人体所需的能量来源于食物中的糖(CHO)、脂肪(Fat)、和蛋白质(Protein),来维持体温和新陈代谢的不断进行。能源物质在体内氧化时所释放的能量约 50%直接转化为热能,用于维持体温,其余 50%是可被机体利用的自由能,以化学能的形式储存在三磷酸腺苷的高能磷酸键内,可转化成机械能供肌肉利用,另外也可转化成大众的生物能量,供细胞活动利用[11]。
  能量消耗一般分为基础代谢、体力活动能量代谢和食物的特殊动力作用三类。基础代谢是维持生命活动的最低能量消耗,约占总能量消耗的 60%~75%,是总能量消耗的主要部分。个体间的基础代谢率值受身高、体重、年龄、性别、环境等影响,一般男性比女性高,儿童、青少年比成年人高,寒冷时比温暖时高。个体在正常情况下基础代谢率比较恒定,但同年龄、同体重、同性别的正常成年人基础代谢率差别大部分在 25%以内。体力活动能量代谢是每日日常能量消耗的最重要组成部分,占人体总能量消耗20%-30%,是机体能量消耗变化最大的部分,也是最容易调节的部分2。
  步行是最常见的身体活动,其消耗的能量占日常总能耗的比例很高,影响着每日总能耗水平。影响步行能耗的因素很多,包括人的生物学因素,比如年龄、性别、身高、体重、锻炼水平、体质状况等,还有步行的方式,比如强度、时间、步行姿势、步幅大小等,当然环境、场地等外在因素也会影响步行能耗。
  3、步行能耗的影响因素
  3.1 测试对象的生物学因素
  尽管从事相同运动,不同人消耗的能量有差别。研究证明,年龄、性别、体重等生物学因素影响着能量消耗水平。
  年龄是静息能量消耗的独立影响因素,随着年龄增长,静息代谢率逐步降低。中年及老年人静息能量消耗减少,且这种能量消耗的改变是独立于体重和体脂量变化而存在的[12]。年龄对运动中能耗水平也有影响,多数研究认为,相同运动下老年人的能耗成本要高于年轻人。Pearce 等的研究中 55~66 岁男性与 19~29岁男性相比,同样速度的跑步时能量消耗不同[13]。也有很多文献指出,健康的老年人特别是 65 岁以上的人群步行时的能量消耗高于年轻人[14]。但是也有研究發现,在同一强度下行走时年龄和体重并不对能耗有影响[15]。
  由于男性和女性身体结构和生理功能存在差异,女性的静息能耗低于男性,即使除去了体重和去脂体重的影响,这种性别差异仍然存在。同样,男女在运动能量消耗和底物利用特征上可能存在一定程度的差异[16],在相同速度下,男性的绝对能耗(kcal)大于女性,毋庸置疑,男女绝对能耗之间的差别与体重密切相关。王丽的研究结果显示,性别对步行能耗的影响较小,男性与女性在不同速度下的身体活动能耗(AEE)皆无统计学差异[17]。   国内对 8 名普通男大学生和 10 名普通女大学生进行的自行车能量消耗测定实验中,机体总能量消耗和底物代谢存在一定性别特征,在相同运动强度(%VO2max)下,女生脂肪供能比例高于男生;总能量消耗、糖供能比例和糖氧化量均低于男生;每公斤体重脂肪氧化量和供能量无性别差异[18]。研究显示,与相同运动水平的男性相比,女性可以利用较少的肌肉糖原完成同样的工作负荷。此外,女性骨骼肌细胞内的脂肪含量显著高于男性[19],肌纤维的组成以及肌肉组织中脂质物含量有性别差异,导致了能量消耗的差异体重与身体成分:能耗和体型关系密切。
  研究表明,做相同强度运动时肥胖者静息状态和总能量消耗明显高于正常体重者,这可能与肥胖者有较大的体表面积有关。虽然正常人和肥胖者的能量代谢差异显著,但以去脂体重来衡量的话,两者之间差异不明显[20]。Aull 等把 55 名女性分为肥胖组(11 人)、超重组(16 人)和正常体重组(28 人),对她们的多种活动方式进行了能量消耗的测定,研究结果表明,各种活动的绝对能量消耗为肥胖组>超重组>正常体重组,但各组之间摄氧量/去脂体重没有显著差异[21]。
  3.2测量环境与场地
  3.2.1地面材质、坡度
  步行活動的地形是可以影响能量消耗的。跑步或步行在沙滩上可以增加能量消耗接近一倍,而在软雪上进行同样的活动能量消耗会更多[22]。研究表明,从水平走到斜坡走之间转换的过程中会发生很多生理变化,如神经肌肉控制模式的变化、拮抗肌之间协同收缩、躯干姿势的变化、步幅步态的变化,这些都会影响到耗能效率[23]。地面材质和坡度的多样性给步行能耗的准确测量带来了困难。现在使用最多的传感器(加速度计和计步器等)在估算平地走时还比较准确,当评估在不同地面进行的步行活动时其效度并不令人满意[24]。未来步行测量仪器的发展方向首先要使感应器既能识别步行速度又能识别走的坡度,其次在软件上配备科学的活动量计算公式,才能准确评估生活中的步行活动水平。
  3.2.2气温、温度
  Dauncy 研究以 9 名体重正常的女性为研究对象将环境温度从 28℃降到 22℃时,产热量明显增长 7%[25]。Blaza&Garrow 研究了 5 名偏瘦及 5 名肥胖女性热量损失的不同,研究的温度在高温(25.0℃~28.0℃)和低温(22.0℃~24.5℃)两个极端温度之间,发现偏瘦的女性热损失在低极限温度下比高极限温度下平均高出 7.1%,而肥胖女性则低了 5.8%[26]。,关于男性在适中的温度下 24 小时能耗的报道几乎没有,但是高温度下能耗增加的可能性由 Consolazio 等人提出[27]。沙漠环境中,气温达到 40℃的地方,军队人员进行轻度活动时,摄入的能量比预计需要的能量大约多出 4MJ/d。认为在高温环境中能耗增加是因为流汗的额外做功和大众可能的原因。然而环境温度增加对经常暴露于这些温度中的受试者的能量需要影响很大的可能性受到近期一项研究的质疑,研究表明 34℃时,经过 10 天对环境适应了的年轻男子的能耗在 2h 内逐渐下降[28]。还有一种更加间接的方法研究气候对能耗的影响,研究人员将许多世界不同地方的受试者的 BMR 值与不同年温度及湿度结合起来。这项研究表明存在一种趋势,BMR随着增加的湿度及下降的温度而增加。
  3.3步行方式
  影响步行能耗最主要的因素是强度,在一定范围内,随着步行速度的加快,能耗水平成比例增加。有研究者认为,能耗与运动速度之间的增长关系不成比例,因为随着速度的增加需要额外的能量带动四肢和躯干[29]。其中涉及到很多机械性因素,包括上身前倾需要保持更快速度下的平衡以及重心的垂直振动。相同速度下,不同步频和步幅动作做功不同,能耗也会有差异。在步频和步幅的最佳组合下步行,能量消耗可以达到最小化。 相关研究报道,增加上肢摆臂运动后,能耗比不加手臂动作多消耗 40%以上。在最新的研究中显示,在2英里速度下行走时如果加上摆臂动作,那么其能耗比在3英里下行走不加摆臂动作时的能耗要高。这一数据说明,当使用双动力跑台进行测试时,可能有利于那些行走速因自身限制而达不到要求的人(如肥胖者、关节炎患者、老年人等)。此外,Franklin 指出,人们在训练中应更好的运用手臂以使其训练效果达到最优化[30]。
  影响步行能耗的大众因素如姿势、步态等,也会造成能耗计算结果的个体差异。近期,但在“在健康老年人群(65 岁以上和 80 岁以上)中走的能量消耗与步态稳定性的关系”一文中[31],作者将关注点放在了健康老年人行走中的步态与能耗的问题。假设步态的不稳定会增加能量的消耗。在研究中作者将老年人与年轻人进行比较,结果表明,能耗的大小和步态是无关的。
  4、结论
  总结国内外步行运动与能量代谢的研究,得出测量身体活动能量代谢的技术方法很多,每种方法都有自己的优势和不足,其中便携式肺功能仪采用测量每次呼吸的方法,对呼吸中气体的流量、O2浓度、CO2浓度及环境的温度、气压、心率等技术参数时时进行数据采集,通过专业的分析软件,采用不同的分析方法来测量人体的心肺功能。其次,前人研究中都是以速度作为能耗预测公式的主要因子。不过,速度并不是影响能耗变化的唯一负荷因子。在同一速度下,人们可以通过步频和步幅的变换,有不同的步行方式,进而可能带来能量消耗上的变化。用步频界来定运动强度,对指导步行活动研究有着重要的实践价值。总之,速度是构建步行能耗预测方程最主要的因素,步頻和步幅作为描述大众日常步行活动最简便的指标在构建方程时有独特的价值。同时,身高、体重、年龄、性别、下肢长等因子在增加预测方程效度的贡献度不尽相同。高精度的能量消耗评估是步行运动健身科学化的基石,虽然国外生理学家已经建立了一些步行能量消耗参数,但这些参数是否适合中国人群尚没有相关数据支持。
  综上所述,可以发现步行能量代谢研究一直受到关注。尽管从 20 世纪 60 年代开始了相关研究,并取得很多研究成果,但是仍有很多研究领域存在一些疑问,尚需要进一步论证。   参考文献:
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  作者簡介:王健,男,1992年6月生,浙江省臺州人,浙江大学教育学院2015级体育系研究生,研究方向:运动训练。
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