速度滑冰运动员生理学特征研究进展

郁天成

（苏州大学 体育学院，江苏 苏州 215021）

速度滑冰运动起源于10世纪的欧洲，随着技术动作的不断改良和服装冰鞋的更新换代，已经成为一项深受大众喜爱、赛事组织完善的国际性体育运动，在1924年第一届冬季奥运会上被列入正式比赛项目并延续至今。2015年北京申办冬奥会的成功，点燃了全民对冰雪运动的喜爱和向往，激发了大众对冰雪赛事的关注，尤其是对速度滑冰等一批非优势项目的期待。2022年北京冬奥会共设立7大项、109小项的比赛，其中速度滑冰共有12个小项，是小项占比最多的比赛项目之一。因此，摘夺速滑奖牌对冲击奖牌榜至关重要，速滑成绩也是国家冰上运动水平的重要体现，优秀速滑运动员成为各国冬奥会成绩的重要保障。

速度滑冰属无氧供能为主的体能主导类和以下肢蹬伸发力为主的周期性项目［1］，包括短距离、中距离、长距离和团体追逐赛四类，要求运动员在比赛中以最快速度完成规定的距离，实现最优化的机械功率输出和最低摩擦损耗［2］。因此，提高输出功率以及降低损耗是速度滑冰的致胜关键。其中，提高并维持较高滑行速度与运动员的有氧耐力、无氧耐力、肌肉收缩能力等生理学特征密切相关，降低摩擦损耗与运动员采取的滑行策略、滑行姿势等生物力学特征相关。由于同一项目比赛中所采用的滑行策略相对固定［3-4］，在滑行过程中运动员又普遍采用蜷曲低伏姿态以减小空气阻力［5］，生物力学特征差异对成绩的影响相对较小，因此本文着重探讨运动员运动形态学和生理学特征对速滑的影响。

本文拟从国内外文献出发，探究速度滑冰的科学研究现状，重点从形态学和生理学角度出发，了解速度滑冰运动员的运动表现与特征，为我国速度滑冰项目的科学训练、科研攻关提供实践依据和理论参考。以主题词“速度滑冰”或“速滑”在中国知网核心期刊进行主题检索（时间为2010年1月1日～2021年7月31日），并对检索到的一百余篇文献进行人工筛选，排除人文研究类型文献，共选取38篇。在Web of science、PubMed和EBSCO等全文数据库中，以检索词“speed skating”进行主题检索（时间为2010年1月1日～2021年7月31日），并对检索到的五百余篇文献进行人工筛选，排除冰球（ice hockey）、速度轮滑（inline speed skating）、短道速滑（short track speed skating）等相关文献，共选取全文文献110篇。通过对以上资料进行整理与分析，为研究提供了相应的理论依据。

1 运动形态学特征

速滑运动员的身高体重差距较大，缺少一定的规律性，其中优秀运动员的身高体重与其运动成绩并未体现出明显的相关性［5］。近年来，在身高基本保持一致的情况下，速滑运动员的下肢长度有增加的趋势［6］，由于较长的下肢有助于增加蹬冰时间和蹬冰距离，并显著提高下肢的无氧输出功率［7］，因此，该类型的运动员可能成为选材的重点。国际女子优秀速滑运动员的身高168.1±4.2cm，体重59.6±10.0kg［8］；优秀男子速滑运动员平均身高在178.0～181.8cm，体重在72.1～79.9kg［9-10］。我国优秀女子速滑运动员身高171.3±6.7cm，体重67.4±2.6kg［11］；优秀男子运动员身高184±7.0cm，体重72.4±2.8kg［12］，我国运动员身高略高于国际水平。

身体质量指数（BMI）是衡量人体胖瘦程度的指标之一，数值越大代表人体越肥胖。但在冰雪项目运动员中，较高的BMI与长期训练导致的肌肉质量增加、体脂率下降密切相关。肌肉质量与运动员的速度、力量、爆发力和耐力等运动素质密切相关［13］，而较低的体脂率有利于降低滑行迎风面的面积，降低空气阻力［14］。研究发现，BMI与越野滑雪、高山滑雪等雪上项目的比赛成绩有关，更高的BMI代表了更好的力量素质和耐力素质［15］，但是在速度滑冰领域还未见相关报道。在国际优秀速滑运动员中，女性BMI为21.2±2.1kg/m2［8］，男性BMI为24.2±1.9kg/m2［9］。速滑运动员的体脂率相较于其他冬季竞速项目更低，国际优秀女子速滑运动员的体脂率19.8±3.3%，男子运动员体脂率14.9±2.3%［9］；我国国家队女子运动员体脂率17.31±3.12%［11］，男子运动员体脂率9.80±3.73%［12］，均低于国际水平，这可能与我国运动员身高普遍较高有关，是我国速滑运动员的比赛优势之一。关于速滑运动员瘦体重的报道较少，国际优秀运动员的瘦体重为女子48.6±6.1kg，男子67.7±10.0kg［9］，优秀速滑运动员的瘦体重大于同组别的其他运动员［16］。

速度滑冰运动员形态学特征相对稳定，除下肢长有所增加外，没有随时间发生变化［5］。直到2013年，优秀速度滑冰运动员与他们身体形态的关系依旧没有建立［15，17］。我国现阶段还没有开展对速滑运动员形态学特征的专门研究，这与我国优秀速滑运动员较少，速滑运动普及度较低有关。随着北京冬奥会跨界跨项选材的开展［18］，以及全民冬季运动项目的推广，越来越多的青少年进入到速滑领域中，优秀速滑运动员的数量和质量将得到提升，我国速度滑冰形态学研究将不断进步。

2 生理学特征

2.1 能量代谢特征

冬奥会速滑个人比赛的距离分为女子500～5 000m，男子500～10 000m。这些比赛距离相较于冬奥会其他竞速类项目的最长距离较短，但是相较于夏奥会的短距离竞速项目又较长，表现在供能系统的供能方式上，速滑运动员以无氧供能为主，有氧氧化系统和磷酸原系统供能较少［19］，这一特点弱化了速滑项目之间的专项性，有利于运动员兼项的发展。速度滑冰1 500m比赛便是该特点的重要体现，其完成时间和供能系统特点可以与200m游泳和800m跑步相媲美，同时适合长距离选手和短距离选手的兼项参加［20-21］。

2.1.1 无氧能力

无氧能力指机体在糖酵解系统供能的情况下进行高强度肌肉活动的能力。在3 000m及以下的速滑比赛中，运动员平均滑行速度超过13m/s，速度快、姿势低，股四头肌长时间等长收缩，肌肉张力高，下肢血流受到限制，对无氧能力提出较高挑战［9］。运动员利用糖酵解系统供能释放能量的同时会产生乳酸，评估局部肌肉的代谢和循环水平，对运动员比赛强度与赛后恢复能力的评估提供重要信息。血乳酸浓度越高，运动员在比赛中无氧代谢产生能量越多，人体对高乳酸浓度的耐受性越好。国际优秀运动员静态血乳酸值1.1±0.4 mmol/L［9］。国际男子1 500m比赛中血乳酸峰值在14.5±1.4～14.8±1.4mmol/L［22］，我国男子优秀速滑运动员赛中血乳酸在11.20±0.23～11.30±1.07mmol/L［12］，略低于国外优秀运动员水平。在短距离速滑比赛结束后的15min和30min时，国际男子运动员血乳酸分别为8.52±2.8mmol/L和4.36±1.82mmol/L，女子运动员分别为10.23±2.21mmol/L和8.75±2.34mmol/L［23］，男子运动员血乳酸下降较快，赛后恢复能力更强。

Wingate实验是评估无氧能力的最流行的实验室方法之一，通过运动员30s全力踏车过程中的功率输出判断无氧能力，包括峰值功率、平均功率和平均递减率等，从而为运动选材、机能评价和训练效果监控等提供指导［24］。速滑运动员Wingate实验测得的峰值功率和平均功率，可以作为非赛季1 500m成绩的预测指标，帮助教练员检查训练效果、调整训练计划和预测比赛成绩［25-26］。国际女子速滑运动员Wingate实验峰值功率18.3±1.5W/kg，平均功率10.3±0.5W/kg；男子运动员峰值功率24.4±1.5W/kg，平均功率13.3±0.5W/kg［26］。研究发现，1 500m项目女性运动员的峰值功率和平均功率分别提高2.1%和1.4%（0.38W/kg和0.14W/kg），男性运动员分别提高1.2%和0.9%（0.29W/kg和1.12W/kg）时，可以观察到速滑成绩出现显著提升［20］。

2.1.2 有氧能力

有氧能力是人体进行长时间有氧工作和高强度运动后身体快速恢复的能力。随着比赛距离的增加，有氧代谢逐步增加在供能中的比重［10，27］。良好的有氧能力帮助运动员维持后半程的输出功率，避免过多的降速，是速度滑冰长距离比赛的重要能力［19］。最大摄氧量（VO2max）是人体在最大强度运动时机体所摄入的氧气含量，是评价有氧能力的重要指标。相对最大摄氧量是由最大摄氧量除以体重得到，有效排除了不同体型体重运动员之间有氧能力比较的误差，因此在速滑领域被广泛应用。国际优秀女子速滑运动员的相对最大摄氧量在53～58mL/min·kg，男子在60～67mL/min·kg［28］。2005～06赛季，我国优秀女子速滑运动员的相对VO2max为47.8±2.1mL/min·kg，男子为52.5±2.4mL/min·kg，与国际高水平运动员相比仍有较大差距，但是较往届有所提升［23］。在过去50年中，速滑运动员的无氧能力和最大摄氧量均保持相对稳定［29］，但是男子1 500m、5 000m和10 000m的成绩均提高了约18%［30］，有研究认为这可能与运动员能量转化率的提高有关，即运动员将身体产生的能量转化为向前动力的效率有所提高［31］。

在青年运动员中，相对最大摄氧量会随着训练年限和训练水平的增加而增加［32］，青少年时期可能是有氧能力发育的重要阶段，这与青少年速滑运动员成绩大幅提升的时间点相吻合——U15、U17和U19运动员在1 500m比赛中的成绩分别为，126.8±6.5s、117.8±2.9s和115.0±2.3s［33］，说明在15至17岁之间，青年运动员的比赛成绩快速提升，同时有氧能力充分发展，是提升运动表现的关键时期。

虽然实验室最大VO2max测试和Wingate测试精度高、干扰因素少，但是此类测试所采取的运动模式与速滑滑行姿态有较大差异，不能完全模拟冰上滑行的特点，并存在设备仪器昂贵、测试流程复杂的缺点。因此，研究人员利用滑板递增负荷实验进行间接测量。滑板递增负荷实验要求运动员在一个两边带挡板的长方形光滑滑板上，穿着鞋套进行频率为30次/min的滑冰模拟，并以每3min增加3次的规律逐渐递增，直到运动员主动力竭为止［34］。该方法被证明能够反映运动员冰上的生理特征［35-37］，并在近年来被外国速滑研究团队广泛应用。在递增负荷实验中，运动员的相对VO2max为48.0±6.1 mL/min·kg，力竭时的平均滑行频率为61.6±4.3ppm，平均用时23.0±4.8min，与其他运动项目递增负荷试验的用时相似［37］。滑板递增负荷实验有利于简便快捷地了解运动员当前的训练水平与效果，其结果与速滑500m、1 000m、1 500m和5 000m比赛成绩具有显著相关性［37］。

2.2 血氧特征

速度滑冰与短道速滑为了减少滑行时的空气阻力，在滑行技术中采用低伏蜷曲体态［2，38］，导致下肢肌肉长时间、高强度等长收缩，造成肌肉内力持续增高，下肢供血受到阻碍、心率提高，致使血氧饱和度增加的同时摄氧量反而降低，引起下肢远端缺氧［5，39-40］。该现象在冰上竞速类项目最为明显，快速引发运动员的疲劳，与滑行速度的下降。在5 000m比赛中，女子组在第五圈开始明显降速，而同一过程发生在男子组的8～12圈［41］。加压服装、吸气肌肉热身法（IMW）和远端缺血预处理手法（RIPC）是3种改善血液循环、延迟组织缺血、降低运动中乳酸浓度和提高运动表现的方法［10，42-44］。但是在模拟比赛中，是否使用上述方法对运动员的运动表现并没有显著改变。目前尚没有研究证明RIPC、IWM以及它们的组合方案对速滑运动员在各比赛距离上的运动表现存在积极作用，仅发现新材料衣物可减小滑行中2.53%的空气阻力［45-46］。虽然速度滑冰的远端下肢缺血特征还未找到有效的解决办法，但是有研究证明，速度滑冰递增负荷实验中达到极限的时间，与跑步、自行车相似［37，47-48］，其原因可能是速度滑冰运动员对比赛和训练的适应，即运动员通过训练适应下肢远端缺血症状，并提高自身的运动表现。

肌肉缺氧的程度越高，对恢复阶段的负面影响就越大。在短道速滑与速度滑冰比赛2～4h后，运动员的疲劳感更强［49］。这一现象间接导致了在康复治疗、营养补充、训练手段等方面不断进步与发展的当下，速度滑冰训练的时间并没有明显增加，始终维持在7.27±2.38h/周的范围内［30］，提示速度滑冰队伍与科研团队，应当尝试多种放松措施，在滑冰结束后对运动员进行放松，尤其针对下肢远端缺血现象，提供科学的恢复手段。常凤等认为运动员赛后进行个体（乳酸阈心率-（30～35）次/min）的自行车恢复训练能快速降低血乳酸，加速疲劳恢复。通过赛后自行车恢复训练，我国运动员血乳酸值从赛中的9.63±2.18～12.00±1.56 mmol/L下 降 到 赛 后15min的3.56±0.50mmol/L和赛后30min的2.20±0.20mmol/L［12］。

近红外光谱法（NIRS）是用来测量肢体局部血氧饱和度的方法，优点是可以在运动员冰上滑行的过程中进行测量而不影响运动，因此被研究下肢远端缺血的团队广泛利用［9-10，50-51］。组织饱和指数（TSI）是表示组织氧气运输情况的指标，在男子600m模 拟 测 试 中，运 动 员 右 腿TSI在39.35±3.26～44.32±2.62%［50］，而在3 000m比赛中，右腿TSI上升到78.8±7.5～80.1±6.1%［10］，说明在长距离比赛中，运动员的供能方式逐渐由无氧供能转变为有氧供能，氧的运输能力逐步提高。此外，3 000m比赛中左腿TSI为84.6±5.3～85.3±5.9%，显著高于右腿，说明速度滑冰双腿氧合不对称，造成双侧下肢肌肉发力存在不对称的现象，所受应力亦存在差距［52-53］。并且，该现象不只发生在弯道，也发生在直道［10，54］，导致直道阶段双下肢伸肌的发力时间出现差异，右侧伸肌的发力时间更晚，影响了髋膝关节整体的发力［55］。

血红蛋白是红细胞内运输氧气的特殊蛋白，其含量反映了循环系统运输氧气的能力，是运动员有氧氧化供能的重要基础。国际女子3 000m项目运动员中，总血红蛋白含量591～649g，血红蛋白质量10.0～11.5g/kg，红细胞比容40%～44%。国际男子5 000m比赛运动员中，总血红蛋白含量991g～1 070g，血红蛋白质量12.6～13.2g/kg，红细胞比容45%［28］。我国研究人员以每升血液中血红蛋白质量作为参考，测得优秀女子运动员血红蛋白质量16.5±8.3g/L，男子为158.7±6.8g/L［11］。

2.3 肌肉活动特征

速度滑冰是典型的周期性运动，可分为直道和弯道两部分。按照其技术的特点，通常将一个单步周期划分为支撑期、蹬冰期和摆动期3个阶段［56］。在速度滑冰比赛中，运动员依靠侧向爆发蹬冰获得前进动力，下肢在支撑滑跑过程中的对外做功和功率输出决定了运动员的滑行速度和运动成绩［57］。随着下肢功率输出和肌肉的激活增加，快肌纤维出现疲劳，慢肌纤维募集增加，表现为肌肉低频成分放电（26.95～75.75Hz）增加，和高频成分放电（146.95～300.80Hz）降低［58］。

速度滑冰要求运动员蜷曲身体，压低躯干高度，并减小滑行过程中身体的上下起伏，保持横向的发力。较小的膝角和躯干角有利于降低空气阻力，较小的踝角与推出角有利于发挥关节的最大［2，5，38］。上述专项属性的特殊性要求速滑运动员下肢力量训练的针对性，尤其在高水平运动员中，力量训练应更具有科学化和个人化。滑跑阶段下肢肌肉动作和运动模式的规律性，是下肢力量研究的前提，是探索和把握项目特征的重要手段和途径。

冰上的肌肉放电情况，反映运动员神经-肌肉系统的功能变化特征，是运动员运动表现的重要参考指标。其中，臀大肌、股外侧肌、股内侧肌、半腱半膜肌、股外侧肌、腓肠肌和胫骨前肌是研究的重点［59-62］。肌肉的积分肌电（IEMG）代表参与活动的运动单位数量和每个单位的放电情况，一定程度上反映肌肉的贡献程度。肌肉贡献度表示肌肉完成动作时的参与程度。我国优秀女子运动员在弯道单步周期中，左腿主要用力肌肉（前三位）IEMG和肌肉贡献度依次为股内侧肌1 111.6±72.9μVs、30.96±1.59%， 胫 骨 前 肌588.2±47.5μVs、16.38±1.86%，腓肠肌502.4±39.4μVs、14.00±1.18%；右腿主要用力肌肉 （前三位）IEMG、肌肉贡献度依次为股内侧肌669.2±74.7μVs、22.4±1.12%，胫骨前肌474.4±77.0μVs、15.88±2.34%，半腱肌347.0±33.7μVs、11.61±0.92%［61］。左右腿贡献值变化较小肌肉为胫骨前肌和股四头肌，贡献值最低的肌肉为臀大肌，平均贡献值仅为左腿2.47%和右腿4.89%［61］。在直道周期中，我国优秀女子运动员IEMG及肌肉贡献度有相似的情况［60］。国内研究近年来对臀大肌和胫骨前肌的功能有了新的认识，认为臀大肌在冰上的贡献度相对较低，胫骨前肌贡献度反而较高［60-62］。在一个单步周期内，臀大肌的平均IEMG为92.2～174.60μVs，股后肌群为284.00～418.80μVs［60］，滑行过程中臀大肌的贡献弱于股后肌群。在途中滑阶段，运动员为了控制冰刀落地角度和身体平衡，采用踝背屈策略，导致胫骨前肌的放电时间最长。其有效电活动占弯道单步周期的70%～95%，占直道单步周期的90%～95%；而臀大肌放电时间最短，其有效电活动占弯道单步周期10%～20%，占直道单步周期10%［62］。因此，教练员在拟定训练计划时，应合理分配下肢肌肉的训练时间和训练方案，提高训练效率。

冰陆转化率是我国研究人员提出的概念，指陆地训练效果有效反映到冰上表现的比例，比例越高，说明陆地训练效果在冰上的表现越好。冰刀会增加脚面与地面的距离，增加运动员踝关节平衡功能的负担［63］，减小踝关节的有效发力。陆地穿刀训练可以模拟冰上的不稳定环境，加强对胫骨前肌的刺激，有效提高冰陆转化率［64-65］，提高训练效果。腿部力量转化率（不带冰刀/带冰刀）用来表示两种状态下的力量特点。研究表明，我国女子优秀速滑运动员左腿的转化率77.1±8.5～81.5±11.9%，右腿72.7±6.6～82.8±16.4%［65］。说明穿刀状态下下肢最大肌力小于不穿刀状态，在冰上不能完全发挥下肢力量。因此为了提升运动员冰上滑行的运动表现，适当的陆地穿刀训练是必要的。另一方面，定期的下肢本体感觉训练可以提高运动员平衡能力和下肢关节的稳定性，增强运动员滑行姿态的控制与稳定［63］。

肌纤维类型可以在一定程度上解释速滑运动员的最适比赛距离。下肢Ⅱx和Ⅱa型肌纤维为主的运动员适合短距离与中距离比赛，而Ⅱa型和Ⅰ型肌纤维为主的运动员更擅长长距离［19］。ACTN-3基因被认为是影响肌纤维组成和运动表现的因素之一。研究发现，ACTN-3 RR型携带者Ⅱa型肌纤维比例（39±14%）略高于RX型（36±6%）和XX型（31±5%）［66］。含有ACTN-3基因中XX或RX基因型的运动员在最大摄氧量和无氧能力上均有显著的统计学差异［67］。虽然还没有研究发现该基因型与运动表现的直接关系，但是ACTN-3 XX基因型表达仍可以作为运动员最适比赛距离的参考，因为该基因型表达频率随距离的增加而增加，表现为短距离2.6%，中距离11.3%和长距离17.4%［8］。

3 结论与建议

3.1 结论

速度滑冰运动员的形态学特征为BMI高、瘦体重大、体脂率低，而身高和体重并不突出。速度滑冰比赛的距离相对集中，运动员以糖酵解系统供能为主。速度滑冰独特的蜷曲滑行姿势，阻碍运动员下肢血液循环，降低下肢摄氧量，导致疲劳的快速累积。目前没有研究发现有效降低下肢远端缺血的方案，但是长期的训练和比赛促使运动员的身体对下肢远端缺血产生适应，并在递增负荷实验中表现出与其他运动项目相似的力竭时间。速度滑冰在一个单步周期内通常被分为支撑期、蹬冰期和摆动期3个阶段，每一阶段、不同侧下肢的主要发力肌肉不尽相同，但总体上股四头肌和胫骨前肌的肌肉贡献率较高且贡献率排名相对稳定。冰刀减少了滑行过程中下肢的稳定性，所以胫骨前肌维持踝关节平衡的功能十分重要，其有效电活动占单步周期的70%～95%。从下肢肌电研究的结果看，速滑运动员的专项训练应将重心放在股四头肌和腘绳肌的力量训练，以及对胫骨前肌抗疲劳的训练中，维持臀肌、髋外展肌、髋内收肌等的训练。同时，认识到冰面光滑的环境对运动员发力造成的干扰，加强陆地穿刀训练，提高下肢的稳定性和冰上爆发力，增加冰陆转化率。

3.2 建议

我国的运动形态学和生理学特征研究较少，对速滑运动员的体成分指标、有氧能力、无氧能力等认识不充分，尤其对专项能力与运动成绩之间的关系报道极少。未来的研究应重点围绕速滑运动员的身体机能与运动素质展开，加强对无氧能力、有氧能力的研究，尤其是针对下肢远端缺血现象探寻解决方法；增加对优秀运动员下肢爆发力、稳定性、柔韧性等方面的研究，统一速滑运动员的专项素质测试标准，探寻快速便捷、准确高效的测试方法与测试器材，从而帮助人们更准确地认识速滑运动员的各项生理特征。在此基础上，结合北京冬奥会跨界跨项选材的开展，通过建立速滑运动员的形态学、生理学评价标准，发掘具有潜力的优秀速度滑冰选手，有助于提高我国速滑选手的专项水平，推动冬季运动项目的蓬勃发展。