遞增負荷運動對不同海拔高原人群通氣量與心率變化的影響*

張宇嬌，石 彤，李 婷，黨相琛，陸俊宇，陳學偉△，馬 強△

（1.天津體育學院社會體育與健康科學學院，天津 301617；2.軍事科學院軍事醫學研究院環境醫學與作業醫學研究所，天津 300050）

高原低壓低氧環境會對身體機能產生不良影響［1，2］，軍人在高原地區進行與平原相當的體力勞動時，勞動強度及負荷強度會較平原加大［3，4］。目前，我軍只有適用于平原的軍事體力勞動強度分級標準（軍事體力勞動強度分級GJB 1336-92）［5］，沒有適用于高原的軍事體力勞動強度標準，導致高原軍人在從事體力勞動時，對勞動強度評價無標準可依。為此，研究建立高原軍事體力勞動強度分級標準是現實的需求，非常必要。

通氣量與心率是評價體力勞動強度分級的常用指標，該二指標在平原遞增負荷運動中呈遞增變化特征，負荷越高通氣量和心率越高，且無上限值，已被列入國軍標軍事體力勞動強度分級（GJB 1336-92）的評價指標。我們設想，通氣量和心率在高原環境下也可能成為體力勞動強度的評價指標。截止目前，有關通氣量與心率在高原環境下遞增負荷運動中變化特征的資料較少，為此，我們通過運動人體試驗，分析不同海拔高原遞增負荷運動中通氣量與心率的變化特征，以此探討其作為高原體力勞動強度分級評價指標的可行性；同時，進一步探討在高原體力勞動中肺功能和心功能的作用。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選擇3 000 m（林芝）、3 700 m（拉薩）和4 300 m（當雄）三個不同海拔高原駐地的共88名男性青年軍人作為研究的受試者，其中，3 000 m 30人，3 700 m 30人，4 300 m 28人。所有受試者均在高原駐地駐守1年以上，達到完全習服程度，且受試者身心健康，無訓練傷病，受試前均簽署知情同意書并按要求開展測試。測試時間在夏季。三個不同海拔軍人年齡、體重均無顯著性差異。其基本情況如表1所示。

Tab.1 The basic information of subjects（±s）

Tab.1 The basic information of subjects（±s）

Altitudes（m） Number Age（y） Weight（kg）3 000 30 21.7±1.4 63.7±7.3 3 700 30 21.2±1.7 61.8±5.6 4 300 28 21.6±1.7 61.7±7.5

1.2 研究方法

采用功率自行車（德國ergoline 100P）進行遞增負荷運動試驗，受試者在功率自行車上，運動負荷從30 W開始，以60 r/min的速度連續踏車，每5 min增加30 W至下一負荷，直至受試者不能繼續堅持為止。測試指標包括：通氣量和心率。試驗過程中受試者全程佩戴呼吸面罩和心率表，運動時的通氣量采用COSMEDK5運動肺功能儀（意大利Cosmed公司）、心率用Polar V800心率表進行實時監測，并計算每一級各指標的平均值。

1.3 統計學處理

2 結果

2.1 不同海拔遞增負荷運動完成情況

不同海拔遞增負荷運動完成情況如下表2所示。所有受試者都能完成120 W負荷的運動，之后隨著運動負荷的不斷遞增，不同海拔的相同運動負荷的完成人數出現明顯差異，且海拔越高，能承受的運動負荷越低。其中，在海拔3 000 m，15人能完成210 W的運動負荷，占總人數的50%；在海拔3 700 m和4 300 m，僅有5人和2人能完成210 W的運動負荷，占總人數的16.7%和7%。因此，不同海拔的通氣量和心率的遞增負荷運動只統計到180 W。

Tab.2 The number of people completed the incremental exercise at different altitudes

2.2 相同海拔遞增負荷運動通氣量和心率變化情況

不同海拔遞增負荷運動通氣量和心率變化特征如表3、表4所示。同一海拔，隨著運動負荷梯度的增加，受試者的通氣量和心率也會逐漸增加，且運動負荷越大，通氣量和心率越高。在30～180 W運動負荷區間，3 000 m，3 700 m和4 300 m三個不同海拔，隨著負荷梯次增高，通氣量和心率也都梯次增高，并且后一負荷的通氣量和心率明顯高于前一負荷（P＜0.05）；以180 W作為最高負荷，該負荷的通氣量和心率明顯高于之前任何負荷的數值（P＜0.05），且各級負荷間心率的增幅相似，而通氣量增幅逐漸增大。進一步提示，在遞增負荷運動中，通氣量和心率沒有上限值。

2.3 不同海拔相同負荷運動通氣量和心率變化情況

從總體來看，同一負荷，海拔越高，受試者的通氣量和心率也越高。在30～180 W運動負荷區間，同一負荷下，3 700 m的通氣量和心率數值上高于3 000 m，但無顯著差異（P＞0.05），而4 300 m的通氣量和心率則顯著高于3 000 m和3 700 m（P＜0.05）。

Tab.3 Changes of heart rates during incremental exercise at different altitudes（beat/min，±s）

Tab.3 Changes of heart rates during incremental exercise at different altitudes（beat/min，±s）

*P＜0.05 vs different load at the same altitude；#P＜0.05 vs 3 000 m；△P＜0.05 vs 3 700 m

Exercise load（W）3 000 m（n=30）3 700 m（n=30）4 300 m（n=28）30 97.9±13.1*97.1±9.6*104.1±9.1*#△60 105.7±13.0*107.2±9.9*115.9±10.0*#△90 121.2±14.8*124.7±10.8*132.3±10.6*#△120 138.1±13.0*139.8±12.8*146.3±10.9*#△150 154.6±13.0*154.7±13.5*161.3±9.7*#△180 167.1±11.3*167.4±12.0*172.2±12.0*#△

Exercise load

（W）3 000 m（n=30）3 700 m（n=30）4 300 m（n=28）

Tab.4 Changes of ventilation during incremental exercise at different altitudes（L/min，±s）

Tab.4 Changes of ventilation during incremental exercise at different altitudes（L/min，±s）

*P＜0.05 vs different load at the same altitude；#P＜0.05 vs 3 000 m；△P＜0.05 vs3 700 m

30 25.14±4.28*28.73±5.57*30.89±5.96*#△60 31.47±6.01*35.75±4.49*40.19±9.05*#△90 42.91±6.86*48.94±7.32*56.32±13.24*#△120 56.45±7.73*62.33±10.63*72.56±17.20*#△150 73.99±11.62*79.36±16.17*95.92±18.79*#△180 92.87±16.79*96.22±18.38*118.85±15.20*#△

3 討論

本文研究發現，在高原同一海拔的通氣量和心率隨運動負荷的增加而增加，具有顯著性差異，且無上限值（平臺期）出現，表明高原低氧情況下，通氣量與心率可用差異明顯的數值表示不同程度的勞動負荷，兩項指標的表現與在平原相同，可作為相同海拔下高原勞動強度分級的評價指標。對于不同海拔相同運動負荷下的通氣量及心率，低海拔3 000 m和3 700 m無明顯差異，但兩者均與高海拔4 300 m有明顯差異，且海拔越高，通氣量及心率也越高；結果顯示，通氣量和心率盡管在不同低海拔間不能明顯區分相同負荷下勞動強度，但對于低海拔與高海拔間，可明顯區分相同負荷下勞動強度。

低氧環境主要通過影響心肺功能降低勞動能力。高原體力勞動時，機體對氧攝取量的增加是通過心輸出量和肺通氣量的增加來實現的。研究表明，每搏輸出量隨著進駐高原時間的推移而下降［6］，但機體通過調節交感神經和副交感神經、下調β腎上腺素受體的敏感性、改變Gs蛋白與腺苷酸環化酶的耦合反應等［7-9］調節最大心率，進而維持心輸出量的穩定。且持續低氧會上調缺氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-lα），促進血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達［10］，使肺部血管重塑，肺動脈平滑肌增厚。進而為機體提供更多的氧氣，提高肺總體通氣能力［11］。因此，與高原應激相比，機體通過不斷的低氧刺激，提高其心肺功能對低氧環境的適應［12］。

在平原最大運動時，心輸出量可達到靜息狀態下的6倍，肺通氣的最大值可達到靜息時的20倍。所以相對于循環系統來說，呼吸系統具有較大的儲備能力。而對于高原來說，本研究分析與平原類似：據此得出，限制勞動能力的因素可能不是呼吸系統，而是與心功能密切相關的循環系統。本研究結果與以往研究對比分析發現，與平原相比，180 W負荷下，三個海拔的通氣量（92.87±16.79）、（96.22±18.38）、（118.85±15.2）L/min均遠大于平原相同強度的（65.58±11.13）L/min［13］，而三個海拔的心率（167.1±11.3）、（167.4±12.0）、（172.2±12.0）beats/min則與平原（167.3±12.3）beats/min相差不大［14］。平原軍事體力勞動強度分級GJB 1336-92顯示，肺通氣量＞60 L/min，心率＞169 beats/min，為極重勞動強度，由表3、表4可以看出在最高海拔最大運動強度下的通氣量（118.85±15.2）L/min遠遠大于60 L/min，而心率（172.2±12.0）beats/min則稍高于169 beats/min，表明高強度負荷下，代表肺功能的通氣量可遠超平原相同強度，而代表心功能的心率則與平原相同強度相差不大。由此提示，高原低氧環境下從事高強度體力勞動時，與心功能相比，肺功能發揮功能的潛力更大，肺功能可能不是高原勞動能力的限制因素，心功能是限制因素。

綜上所述，針對高原軍事體力勞動強度分級標準評價指標的選擇，本文采用先進設備，對近90名軍人進行遞增負荷運動測試，檢測了通氣量和心率兩個指標，通過分析三個海拔高原習服軍人遞增負荷運動中的通氣量和心率的變化特征，發現不同海拔遞增負荷運動中完成最大負荷的人數差異顯著，隨著海拔（高與低）和負荷的增加，通氣量與心率也顯著增加，證明通氣量和心率作為高原體力勞動強度分級評價指標的可能性，并進一步發現在高原體力勞動中，肺功能可能不是影響大強度勞動輸出的限制因素，而心功能可能是限制因素。研究結果可為高原地區體力勞動的開展提供科學指導，為下一步制定高原軍事體力勞動強度分級標準提供實驗依據。