自重HIT對高校大學生心肺適能及有氧運動能力的研究

朱士玉，高 冰，周紅偉，馮祎中，鐘海波

（1.浙江農林大學 體育軍訓部，浙江 杭州311300；2.湖北省體育科學研究所，湖北 武漢430205；3.山東體育學院 競技體育與體育教育學院，山東 濟南250102）

有氧運動能力是機體維持體力活動的基礎，同時，也反映著人體的心肺適能和耐力情況［1］，心肺耐力（cardio respiratory fitness，CRF）是體質健康的核心要素［2］，與心血管疾病死亡率、全因死亡率及多種癌癥有重要關聯［3］。有研究發現，高強度間歇訓練（high-intensity interval training，HIT）有助于心肺適能及有氧運動能力的提高［4］，HIT是多次運動強度為≥無氧閾或最大乳酸穩態的運動，并且運動之間間隔一段恢復期的訓練方法［5］，其運動強度通常為≥80%HRmax［6］，且間歇訓練者在訓練中不需恢復至靜息狀態［7］。當前，國內學者研究主要集中在專業運動員、肥胖/超重人群、老年人或慢性病群體［5，7-9］，而對普通大學生鮮有研究，我國大學生的有氧運動能力普遍偏低，嚴重影響學生的體質健康［10］，提高大學生的有氧運動能力，改善學生的體質健康是我國學校體育工作者迫在眉睫需要解決的問題。因此，本文以高校大學生為研究對象，采用自重HIT運動干預法，研究HIT對其身體的心肺適能和有氧運動機能的影響，探討大學生有氧運動能力的提升方法。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

募集浙江農林大學60名（男女各30名）在校大學生。所有受試者均滿足以下標準：1）18～22歲在校大學生；2）平時無規律運動訓練至少2個月以上；3）近1個月無患感染性疾??；4）無高血壓、心臟病及糖尿病等慢性疾??；5）無家族性遺傳病史；6）無肢體疾??；7）可完成一次極量運動試驗。

實驗開始前按照《國家學生體質健康標準》要求和實驗需要，首先對所有學生的有氧運動能力指標進行測試，測試內容包括：肺活量、靜息心率、最大攝氧量（VO2max）、男子1 000m和女子800m，并測量受試者的年齡、身高和體重。根據測試結果將60名受試者分成3組，每組20人，分別為：對照組（CK，Cotrol Check）、中等強度持續訓練組（MCT，Moderate-intensity Continuous Training）和高強度間歇訓練組（HIT，High-interval Interval Training）。3組供試對象的男女比例、年級分布、年齡、身高、體重以及有氧運動能力指標組間無顯著差異（詳見表1）。實驗正式開始前，所有受試者充分了解實驗風險及義務，并簽訂知情同意書。

表1 實驗分組情況表

1.2 實驗設計

為確保試驗結果的可控性及準確性，所有受試者均來自同一體育老師班級，以保證平時教學內容及運動量相同，與此同時，嚴格監控受試者的課外運動情況，以防其它干擾因素的影響。3組受試者分別在干預前（Pre）和干預后（Post）進行實驗測試，每次測試包含4個項目，分別為：1）肺活量；2）安靜心率；3）最大攝氧量（VO2max）；4）男子1 000m/女子800m。全部試驗結束后，統計并分析實驗前后數據，并最終得到實驗結論。

實驗各處理均控制為16周，CK組僅在課間進行正常體育活動，課外無任何體育活動，MCT組和HIT組除正常體育課外，另需每周進行2次，每次30min的課外體育鍛煉，訓練時間均為每周二、周五19:00～20:00。兩組在每次正式實驗開始前集體進行10min的基礎熱身，熱身結束后分別進行不同科目的訓練活動。MCT組同學在田徑場進行2km中等強度持續跑，強度控制在60%～65%HRmax（表2）。HIT組同學則進行2組自重HIT訓練，每組持續時間3～4min，組間間歇5min，每組的運動強度控制在80%～90%HRmax［11-12］（表3），實驗中的運動強度采用最大心率百分比法來監控受試者的運動強度負荷，此種方法已被芬蘭學者Karvone驗證具有較高的準確性［13］。在試驗期間，MCT組和HIT組受試者全部佩戴團隊心率監控儀，隨時監測學生在運動中的心率情況，以便控制運動強度。

表2 MCT訓練計劃表

表3 自重HIT訓練計劃表

1.3 指標測定

1）有氧運動指標測定

有氧運動指標包含肺活量、心率和最大攝氧量測試。肺活量測試用TZCS-3型電子肺活量測試儀測量，每位受試者進行3次重復測試，取最高值作為最終成績；心率測量與監控均采用Polar心率團隊監測儀（Polar Team Pro）監控學生的心率情況；最大攝氧量（VO2max）采用YO-YO跑耐力等級測試（Team Bleep Text）測量其數值。

2）有氧運動能力評估

男子1 000m/女子800m采用人工秒表測試，成績精確到1s，測試方法嚴格按照學生體質健康標準的要求進行，測試人員為田徑項目國家一級以上裁判員，且計時者為同一人，保證測試數據的公正性。

1.4 數理統計

本研究所獲數據均采用平均值±標準差（M±SD）表示，采用SPSS 24.0進行統計分析。訓練前后的組內比較采用配對樣本t檢驗，訓練前后的組間比較采用單因素方差分析（Oneway ANOVA），同時本研究還進行了混合設計方差分析，p＜0.05具有顯著性差異。

2 研究結果

2.1 心肺功能指標

重復測試方差分析表明，16周訓練后各組肺活量均有所提高，且各組間效應顯著（p＜0.05）。各組訓練前（Pre）和訓練后（Post）肺活量比較如表4所示。CK組肺活量訓練前后無明顯變化。與之相反，對于MCT和HIT組而言，訓練后肺活量指標較訓練前顯著提高，其中HIT組和增加了20.2%，MCT組7.7%，表明HIT訓練在大學生肺活量提升方面顯著優于MCT訓練。

除肺活量外，本研究同時監測了訓練前后靜息心率和最大攝氧量（VO2max）等指標的變化（表4）。組間分析表明，對于靜息心率和VO2max相關指標，雖然MCT和HIT組訓練后Post值明顯低于CK組，但各組間并無顯著差異（p＞0.05，表4）。組內分析表明，除CK組外，MCT和HIT組訓練后每分鐘的靜息心率分別較訓練前降低了2次和5次，兩組VO2max較訓練前分別提高了3.7%和9.9%。訓練前后兩組各指標雖有明顯變化，但僅HIT組具有統計學意義（p＜0.05，表4）。

與此同時，本研究分別對CK，MCT和HIT組大學生各項心肺功能指標的前后測結果進行了2（前后測）×3（組別）×2（性別）的混合設計方差分析（表5～7），檢驗16周不同訓練強度對在校大學生的肺活量、靜息心率和VO2max的影響。肺活量和靜息心率的方差分析結果分別如表5和表6所示，前后測的主效應和前后測與組別交互作用、組別、性別的主效應以及二者的交互作用顯著、前后測與性別的交互作用、前后測與組別的交互作用以及3因素的交互作用均不顯著。針對肺活量指標，對前后測與組別的交互作用均進行了簡單效應分析，結果表明，CK組訓練前后測得的肺活量指標無顯著性差異，其均差值為20，p=0.334；MCT和HIT組訓練前后測得值之間差異均呈現顯著，均差值分別為302.30和779.45，p值均為0.000。上述結果表明，16周的MCT和HIT訓練均能顯著提高在校大學生的肺活量，且結合不同處理間訓練后Post值可知（表5），與MCT相比，HIT訓練在提高大學生肺活量方面更具成效。

表5 16周控制實驗對高校大學生肺活量影響的方差分析結果

為綜合評價不同訓練對在校大學生靜息心率的影響，本研究將性別、組別和前后測定時期3個因素引入進行分析。方差分析結果如表6所示，前后測的主效應以及與組別的交互作用、組別、性別的主效應以及二者的交互作用均顯著，前后測與組別以及前后測與性別和組別3者的交互作用不顯著。對前后測與組別的交互作用進行了簡單效應分析，其結果顯示，CK和MCT組前后測得的靜息心率之間的差異不顯著，其均差值分別為0.421和1.950，p分別為0.721和0.100；HIT組訓練前后靜息心率結果之間的差異顯著，均差值為4.650，p=0.000，表明16周的HIT訓練可顯著提高在校大學生的靜息心率。

表6 16周控制實驗對高校大學生靜息心率影響的方差分析結果

除肺活量和靜息心率外，本研究還選取了VO2max作為表征心肺適能的指標之一，同時也對CK、MCT和HIT組VO2max的前后測結果進行了混合設計方差分析（2（前后測）×3（組別）×2（性別），表7），其結果表明，前后測的主效應、前后測分別與組別和性別的交互作用以及3者間的交互作用、組別和性別的主效應均顯著。對前后測、組別和性別的3因素交互作用進行簡單效應檢驗，其結果顯示，CK和MCT組男女前后測的VO2max結果之間差異不顯著（CK和MCT組男女前后測均值差分 別 為0.570、0.054、0.264和0.360，p值 分 別 為0.252和0.913、0.594和0.468），僅HIT組在VO2max上的前后測結果之間的差異顯著（均差值和p值分別為0.495、0.495、0.006和0.005），且不受性別影響。上述結果表明，16周的HIT訓練能夠顯著提高VO2max，MCT訓練效果不顯著（p＞0.05），且與CK組無顯著性差異（表4）。

表4 供試對象16周訓練前后心肺功能指標測試數據對比（n=60）

表7 16周控制實驗對高校大學生VO2max影響的方差分析結果

2.2 有氧運動成績

為期16周訓練中各組有氧運動成績變化如表8所示，其中僅HIT組訓練前后的有氧運動成績呈現顯著差異（p＜0.05）。由表8可知，CK組訓練前后，男子1 000m和女子800m成績均無明顯變化，但對于MCT組而言，16周訓練后，男子1 000m和女子800m的運動成績分別提高了10s和14s，但尚不具統計學意義（p＞0.05）。HIT組男子1 000m和女子800m的運動成績分別由訓練前的232s和231s提高至訓練后的209s和207s，相較于同階段MCT和CK組男子1 000m提高了12s和21s，女子800m分別提高了10s和21s，表明HIT訓練在提高大學生有氧運動成績方面效果最佳。

表8 各處理訓練前后有氧運動成績變化

對CK、MCT和HIT組在校大學生男子1 000m/女子800m的前后測試結果進行了2（前后測）×2（組別）的多元方差分析，檢驗16周MCT和HIT訓練對有氧運動成績的影響如表9所示，男子1 000m的前后測的主效應以及前后測與組別之間的交互作用以及女子800m的前后測主效應以及前后測與組別之間的交互作用均顯著。對前后測與組別的交互作用進行簡單效應分析，結果顯示，CK和MCT組男子1 000m前后測結果之間不顯著，其均差值分別為1.400和1.000，p值分別為0.699和0.783；HIT組男子1 000m前后測結果之間的差異顯著，其均差值為9.900，p=0.008；女子800m的多元方差分析結果顯示，CK和MCT組女子800m前后測結果之間的差異不顯著，其均差值分別為1.000和2.000，p值分別為0.728和0.478；HIT組男子1 000m前后測結果之間的差異顯著，其均差值為24.000，p=0.000。上述結果表明，16周的HIT訓練可顯著提高男子1 000m和800m運動成績。

表9 16周控制實驗對高校大學生有氧運動成績影響的方差分析結果

3 分析與討論

3.1 HIT訓練對心肺適能的影響

心肺適能是指人體的心臟、肺臟、血管以及血液等組織的功能［14］，通常以肺活量、心率及VO2max等指標來表征。本研究對比研究了HIT和MCT訓練方式對在18~22歲在校大學生心肺適能的影響，研究結果表明，MCT和HIT訓練對反映心肺適能的各指標均有提升作用，盡管研究的部分結果不具顯著的統計學意義，但在心肺適能各指標的對比統計中顯示，MCT和HIT組的測試結果較訓練前均有不同程度的提升，且HIT組對大學生心肺適能各指標的提升效果明顯優于MCT組，我們推測這可能歸功于骨骼肌和心血管系統有氧代謝能力或氧利用率的增加。有研究指出，相對于中低強度運動來說，高強度運動能夠通過射血量的增加，從而促進工作肌氧氣傳送率的提高［15］。Wisl?ff［12］等研究證實，90% VO2maxHIT組（46%）對心肺適能的提升顯著優于70% VO2maxMCT組（14%），同時發現HIT組左心室的射血分數和肱動脈血液介導的血管內皮功能均有較大幅度改善，而MCT組則無明顯變化，因此，他們推測HIT對心肺適能的提升可能與左心室重塑的逆轉及血管內皮功能的提升有關。

解釋HIT訓練對VO2max提升效果優于MCT組的另一個可能機制是外周適應的變化，如肌肉氧化能力和線粒體數量及合成的增加等［16］。已有研究證實，HIT訓練對肌肉氧化能力的效果優于MCT，HIT訓練通過改善脂肪氧化能力，增強骨骼肌中檸檬酸合成酶的活性，進而提高骨骼肌對糖脂物質的氧化效率［17］。骨骼肌糖代謝能力的增強，能夠增加葡萄糖運載體GLUT-4含量，從而促進機體葡萄糖氧化能力的提升。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助活化因子1α（PGC-1α）是線粒體相關基因的轉錄輔激活因子，調控線粒體的合成及功能，在機體調節氧化代謝和能量代謝方面發揮著極其重要的作用［18］。Gibala［18］研究發現，HIT訓練能夠激活PGC-1α轉錄因子，提高線粒體基因的表達水平，增加線粒體合成，最終實現有氧代謝能力的增強。綜上可知，HIT訓練能夠促進機體利用氧氣的能力，提高VO2max，改善心肺適能。

3.2 HIT訓練對有氧運動能力的影響

本研究結果發現，HIT與MCT組對于普通高校大學生有氧運動能力均呈現不同程度的提高，且HIT組的提升效果明顯優于MCT組。這與以往研究結果相一致，即運動訓練的效果與運動強度和總量成正相關關系，運動強度越高，運動耐量的增值越顯著［19］。目前大量研究已證實，與MCT相比，HIT在提高有氧運動能力方面更具成效［20-21］。HIT訓練能夠促進氧化能系統主要歸功于兩方面原因：其一，HIT之所以能夠多次重復運動取決于間歇期間的氧化能，在間歇期間機體可通過對氧氣攝取產生氧化能，同時補充訓練過程中高能磷酸化合物的消耗，使其機體在間歇期內快速恢復［22-23］；再者，HIT間歇期間能夠補充運動期內的氧耗，完成對骨骼肌和血液進行氧氣的儲備［24］，為下一運動環節有氧供能的產生奠定基礎。因此，HIT較MCT在提高有氧供能能力方面效果更具優勢。

以往研究報道，HIT訓練在改善機體有氧運動能力的機制較為復雜，機體的適應性變化涉及多個生命系統，如骨骼肌、心血管、呼吸以及神經系統等。Parra等［25］研究發現，為期2周的HIT訓練能夠增強骨骼肌功能，促進線粒體生物合成，增加線粒體內檸檬酸合成酶及細胞色素C氧化酶的數量及活性［25-26］，同時增加肌糖原和骨骼肌GLUT-4含量，進而實現機體運動耐量的增強［27-28］。除此之外，馬繼正等［29］研究發現，HIT訓練在提升心血管系統功能同樣發揮著重要作用，比如HIT訓練可通過提高心臟的收縮和舒張功能，實現對每搏量的提高，具體表現為心肌收縮和舒張速率的提升。

4 結論與展望

1）16周的HIT和MCT訓練均能改善大學生心肺適能，且HIT對大學生肺活量及VO2max指標的提升效果尤為顯著；

2）HIT和MCT訓練對有氧運動成績表現出不同程度的提升效果，但在提高大學生男子1 000m和女子800m成績方面，HIT組顯著優于MCT組。

HIT是一種耗時短、效率高的訓練方式，因其多樣的動作形式和歡快的運動節奏極易被當代大學生群體所接受，并對大學生的心肺功能和有氧運動能力的提高有較好的促進作用。HIT已在競技體育和大眾健身中廣泛應用，其安全性也得到了大樣本實驗和Meta分析的證實，因此，應廣泛引入到高校體育課程中，成為課上體育教學和課外鍛煉的重要方式，進而改善學生的有氧運動能力，提高學生體質健康。