一、    水与电解质的功能与平衡

（一）水的生物学功能

1．构成体液

人体体液占体重的约60%，分细胞内液和细胞外液。水是体液的主要成分，体液中含有大量电解质。水对于体液的电荷平衡、渗透平衡及酸碱平衡有重要影响。

2．是良好的溶剂和生化反应的介质

水是各种化学物质的溶剂，也是物质交换的载体。它可使物质溶解，加速生化反应，有利于营养物质的消化、吸收、运输以及代谢产物的排出。

3.调节体温

人体在物质代谢过程中释放出大量热以保持机体恒温，水则可吸收这些热并传至体表而散失以调节体温相对稳定。1g汗在37°C时完全蒸发可散发0.58千卡热量。所以蒸发少量的汗就可散发大量的热。这对于人在高温环境下运动尤其有着重要的生理意义。静息状态下，机体产热较低，但在大强度运动时，代谢产热可超过20Kcal/分。人体通过出汗散热，大量出汗势必导致水和电解质的丢失。

4.润滑作用

肺脏表面的湿润可使气体与肺泡毛细血管之间进行扩散；关节液对关节正常活动起到润滑作用；消化道中腺体的分泌有助于食物的吞咽、蠕动及残渣的排泄；水还参与眼球运动、内耳听波传导等功能。

（二）电解质的生物学功能

无机盐是人体化学组成的重要成分，它们一部分以结晶形式构成骨骼、牙齿等。另一部分则以离子形式存在于体液中，称为电解质。体液中电解质的种类、含量对维持内环境的稳定十分重要。

1．维持体液的渗透压

体液中电解质形成的渗透压称为晶体渗透压。它有利于细胞内外水分的转移以保持正常容量。

2．维持体液的酸碱平衡

体液中存在着多种缓冲体系。它们可缓冲酸性或碱性物质对体液pH值的影响以保持pH值的恒定，NaHCO3/H2CO3 缓冲体系最为重要，它容量大，缓冲能力强。此外还有磷酸盐缓冲对等。

3.影响神经肌肉的应激性

体液中电解质浓度的大小与应激性的关系如下：

神经肌肉应激性∝ [Na+]+[K+]   

[Ca2+]+[Mg2+]+[H+]

Na+、K+浓度高时，神经肌肉应激性增高，而血K+过低时会出现肌肉软弱无力甚至麻痹；Ca2+、Mg2+浓度低时会出现肌肉痉挛，手足抽搐。

（三）水和电解质的分布

水占人体重的60%左右，是机体中最多成分。不同器官中水的含量不尽相同。成人的血液量平均5升左右，其中含水约83%。水分布于细胞内和细胞外。细胞内液是人体最大的蓄水库，约占体重的40%，它是大部分生化反应进行的场所。细胞外液占体重的20%，包括组织间液、淋巴液和血浆。其中血浆占体重的5%，组织间液占体重的15%，细胞外液是细胞生存的内环境。成年人体内水的分布和交换见图5-1。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-1 成年人体内水的分布与交换（魏涌 1998）

细胞内液和细胞外液的电解质成分是不同的，但阴阳离子浓度基本相等。钠和氯是细胞外液的主要电解质，细胞内液中则含钾和磷酸氢根离子为主。细胞两侧液体的渗透性维持着水和电解质的平衡。体液的渗透压约为290毫渗克分子/升。与血浆和细胞内液相比，汗液电解质浓度较低，因此是低渗的。各种体液电解质含量见表5-1。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（四）水的摄入与排出

正常生理情况下，人体每日摄入适量的水和无机盐以维持正常的生理活动，同时也不断排出一定的水和电解质。因此，两者保持着动态平衡从而保持体液容量和渗透压的相对恒定。人体水的获得主要有三个途径：主要是饮用液体（包括各种饮品），从饮料中摄取的水约1200-1500毫升。其次是食物中的液体量，成年人每天从食物中摄取水约1000毫升。除此之外，能量物质的代谢还产生内源性水。如1mol葡萄糖经糖酵解产生乳酸时产生2mol水，而1mol葡萄糖彻底氧化产生6mol水。这同时说明：机体进行高强度无氧运动时所产生的代谢水要比进行有氧运动时所产生的要少。代谢水的量与运动量或被氧化的底物量成正比。有学者发现运动中代谢水的产量增加可相当于休息时的13倍。据估计，体内代谢生水每日约300毫升。然而正常情况下水的摄入量因个人生活习惯、气候条件、活动强度和生理状况等而存在较大差异。 

人体每天排出的水与摄取的数量密切相关。充足液体摄入情况下，身体水含量保持相对恒定。额外的水会从肾脏排泄。因此是多摄取多排出，少饮水则少排出。呼吸、排汗、肾排水和粪便是水排出的主要途径。

呼吸排出的水分是纯水，不伴有电解质的丢失。呼吸丧失水分的多少与呼吸深度和气体交换容量有关。快而浅的呼吸排出水分较少，慢而深的呼吸排出水分较多。

皮肤排出水分的方式有两种,即隐性出汗和显性出汗。隐性出汗，在人不知不觉中产生，电解质含量较低，在寒冷环境中仍存在隐性出汗。显性出汗是由于汗腺活动所产生，含大量电解质，属于低渗性溶液。显性汗的多少与环境温度密切相关。当环境温度超过28.8°C时，即使在静息状态下也会有汗液排出：人体在高温环境下体力劳动或运动训练时由于产热增加，会增强汗腺的分泌。

肾脏不仅是重要的排泄器官，还可通过调节尿量维持机体的水平衡。成人每日尿量约为1500毫升，尿量多少取决于水的摄入量、代谢产物的生成量及肾脏浓缩功能。另外，每1g代谢废物需溶解在15毫升水中排出。正常成人每日约排出35g废物，故每天至少需排尿500毫升，此为最低尿量。水的摄取和排出见表5-2。

 

 

 

 

 

 

 

 

二、运动对水和电解质代谢的影响

人体在运动过程中，体内产热增加，除约25%用于作功外，产生能量的75%以热的形式散发。此时体内水和电解质代谢会随之发生变化。如果不能及时补充液体，可造成水和电解质的不平衡。Gonzale-Alonso J.近年研究显示运动中脱水导致的疲劳与体温的升高高度相关。疲劳发生时似乎有一个体温阈值，尽管每个人的最初体温和热储备是不同的。然而，运动中发生脱水时，这种阈值是降低的。

（一）出汗率高，失水量大

运动员在剧烈运动中，尤其当环境温度增加时，通过汗液蒸发成为调节体热平衡的主要或唯一途径。一次大运动量训练，出汗量可达2-7升甚至10升。体表每蒸发1升水，可带走2.4MJ（580千卡）的热量。对于持续2.5小时的马拉松运动员，70Kg选手每小时大约蒸发2升水用以散热。如此多的汗液中有部分直接滴下来而来不及蒸发。这样，70Kg体重运动员将丧失5升水，体重下降大于7%，运动员的出汗率可达每小时1-2升(见表5-3)。出汗率与运动强度呈正相关，同时受运动持续时间、气温、湿度、运动员的适应程度等多种因素的影响。环境温度增加会提高出汗率，可高达3升/小时。出汗量的增大不仅表现在长时间或超长时间耐力项目运动中，而且在大强度间歇性项目中也十分明显。多项研究表明：间歇性项目运动员出汗率可高于耐力性运动项目运动员（见表5-4）。当失水量超过体重的5%时，会使机能下降30%。最近一项研究表明通过出汗仅仅丢失体重1.8%的水分就导致达力竭运动时间的缩短。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（二）液体排出途径和量发生变化

运动不仅能明显改变总的液体排出量，而且能改变各种途径水排出量的相对比例。运动时，水丢失在数量上变动最大的途径是排汗，在高能耗的运动中汗液损失要比安静时增加10-15倍。与此同时，肾脏血流量减少，肾小球滤过率降低并通过肾小管对水分的重吸收来调节尿液水的排出。剧烈运动特别在出汗量大的情况下经尿液排出的水与安静时相比大大减少，运动员可出现少尿或无尿。除此之外，正常情况下经呼吸排出的水分较少，相当于代谢产生的水量，而运动过程中由于呼吸频率加快、深度加大，可使呼吸水丢失量增加至2-5毫升/分，可达安静时的10-20倍。 

高原训练时，由于气候干燥，水表面张力小，肺通气量增大，呼吸失水可较平原时增加3-4倍，每日可达1.2-1.7升。因此会出现水代谢的负平衡，电解质也会随之发生紊乱。图5-2显示呼吸水的丢失、代谢水的生成与能量消耗密切相关，在高原条件下，呼吸水的丢失明显增多。

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-2 高原环境下呼吸水的丢失（Ziegler，EE 1998）

（三）改变体液的分布

运动时，体液丢失会改变血浆、细胞外液、细胞内液之间的比例。

运动开始后，由于运动员排汗量增多，液体丢失首先是细胞外液，同时肌肉收缩导致代谢加快，肌细胞内代谢产物的增多并逐渐堆积会形成水的净吸收，肌肉体积有所增加。这种水的转移使细胞间液浓度升高，血液中的水一部分转移至细胞间质，其结果是运动开始后血容量减少约10%左右，引起继发的血液浓缩，心脏负担加重。此时，运动员由于失水，血浆渗透压升高而出现口渴、少尿等现象。

随着水的持续亏空，血浆电解质浓度相应升高，血液也开始从细胞间液吸收水，此时细胞间液明显减少，则开始出现细胞内液丢失的比例增加，最终引起细胞内脱水。

（四）失水降低体温调节的能力

汗液在体温调节特别是热环境下运动产热大幅度增加的情况下起着重要作用。体液变化可直接影响蒸发散热的过程。运动员处于脱水状态时，供应肌肉的血液仍必须维持在一个高水平上以提供氧气、酶、底物等；同时，为通过体表大量散热，皮肤血液供应也需增加。此时，血容量的供应与需求之间存在着矛盾，肌肉、体表同时保证充足的血液供应已不现实。为维持中心静脉压和肌肉血液供应，皮肤供血相应减少，结果导致体温调节能力下降，皮肤毛细血管舒张、反应降低、出汗阈随之升高，引起散热减少、体温升高。研究表明马拉松运动员常出现体温上升2-3°C，体温上升 3°C，可减少排汗量大约300ml而影响运动能力。严重时，运动员出现脱水综合症：口渴加重、心率加快、血压下降、肌肉抽搐、易激怒、精神活动减弱、疲劳感加重，在热环境下还可出现热衰竭甚至中暑。

（五）汗液中电解质的丢失

运动时,人体在排水的同时也排出电解质，汗液中包含了许多有机和无机溶质尤其是各种电解质，当机体大量排汗时，将造成某些成分的丢失。汗中主要电解质见表5-5。

 

 

 

 

 

 

 

1.钠和氯：

汗液中主要电解质是钠和氯，正常时血浆〔Na+〕为130-155mmol/L。运动时是否出汗量越大钠、氯排出越多研究结果不一。有研究发现随排出汗量增加，钠、氯的排出也增加；也有学者观察到这两种离子的浓度与出汗量无关；有关气候性适应的研究显示随出汗量增加钠、氯浓度减少。最近新西兰学者Rehrer N J.提出：钠在汗液中呈戏剧性波动，随出汗率升高而增多，随着热习服和训练的适应而下降。尽管如此，超长时间运动中及低钠液体摄入时，Na+ 的不足仍是最普遍的问题。

血浆中〔Na+〕水平的突然下降会引起运动能力的降低。当血浆中〔Na+〕=或<130mmol/L时，则有害健康。

2．钾

相对而言，汗液中钾的浓度受出汗量的影响较小。运动中随着排汗增多，K+会部分丢失。有学者认为，当失水量达体重5.8%时会出现K+的丢失。但大多数研究发现如马拉松跑后即使在未补充电解质的情况下，血浆中K+也是保持稳定的，人们还观察到血浆中K+升高的状况，特别是在短时间、高强度运动中。原因可能是肌肉、肝脏和红细胞中K+释放所致。运动停止后，血浆K+在恢复期几min可以回到正常水平。

3.镁

运动中，随着汗液的流丢，Mg2+也随之有少量的流失，有学者观察到马拉松跑后血清Mg2+下降20%。在高温下运动血清Mg2+较常温下降得多，其原因有二：一是排汗量增多，二是离子的再分配，红细胞、运动肌和脂肪组织都从血浆中摄取Mg2+。

（六）训练的适应

经常地有规律地进行耐力训练会使机体产生适应而更有利于维持水和电解质的平衡，表现在：调节体液的敏感性激素如抗利尿激素、醛固酮升高，汗变得较为“经济有效”而较少滴下来，汗腺会适应对钠的重吸收，血浆容量趋于上升。研究发现：经过耐力训练的人和热适应者，汗液中钠、氯明显减少，镁浓度不变。

训练也能改变身体水的含量，有训练的运动员有较多的瘦体重，因而有相对较高的水含量。

（七）运动时水和电解质代谢的调节

肾脏和下丘脑共同调节体液的稳态。下丘脑垂体后叶分泌的抗利尿激素（ADH）具有很强的抗利尿作用，它作用于肾远曲小管和集合管的基底面细胞膜受体，使水分易扩散进入高渗状态的组织间隙而增加水的重吸收。其作用机理是ADH与肾小管细胞表面受体结合后，使细胞内的环-磷酸腺苷（cAMP）浓度增加。通过cAMP 系统的作用使蛋白磷酸化，从而增强肾小管细胞对水的通透性，它控制着排尿的总量。运动时失水增加可以引起ADH分泌增多。研究发现：分别以35%、70%和100%最大心率的强度跑步后，血浆ADH浓度与运动强度呈正相关。动物实验显示：未经训练的大鼠游泳17小时至筋疲力尽，血浆ADH升高而含水量减少；有训练的大鼠游泳22小时至筋疲力尽，血浆ADH升高更显著。但含水量不变。可见，运动时ADH分泌增多的程度取决于运动强度的大小和受试者的训练水平。

肾上腺皮质分泌的醛固酮作用于肾脏促进Na+、Cl-的重吸收和 K+、H+的排出。肾素是肾小球旁器分泌的一种蛋白水解酶，可使血浆中血管紧张素水解为血管紧张素Ⅰ，在肺中经转化酶作用再水解为血管紧张素Ⅱ，即具有生物活性。运动中大量出汗时位于血管壁的容量感受器和血浆渗透压的变化可刺激肾素-血管紧张素系统活化，且促使醛固酮分泌，增加肾小管对Na+的重吸收。钠/钾比值和肾素-血管紧张素系统是促进醛固酮分泌的特异性因素，在长时间运动中由于排汗量增加导致钠丢失增多常发生醛固酮升高。而由于钠重吸收引起细胞外液渗透压升高又会刺激ADH的释放，加重口渴反应，从而有利于增加液体摄入以尽快达到平衡。

三、    运动过程中水与电解质的补充

为维持机体水和电解质的平衡，保持良好的运动能力，运动员在运动前、运动中和运动后应合理补充液体。水正常对于保持高水平运动能力十分重要，运动前应补足水分使机体处于水状态正常。研究表明：运动前缺水使体重下降达2%者长跑速度明显下降，热环境下运动失水时运动能力下降幅度更大。（见图5-3）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5－3 水正常和水不足状态时的跑速（Ziegler EE 1998）

运动员补液的主要目的：一.是为了及时补充丢失的水和电解质以迅速恢复和维持体液平衡；二.是为了提供能量，增进运动能力。Rehrer NJ.认为在较冷环境下运动，出汗量相对较少。随运动时间延长，糖原储备的亏空在失水之前成为限制运动能力的因素；相反，在湿热环境中，排汗率明显增加，水和电解质的大量丢失则成为限制运动能力的主要因素。因此，超长时间运动中，糖类物质和水电解质的消耗都可以影响运动能力。两者的补充都应重视。所以，补液与补糖常同时进行。

补液不仅有助于长时间耐力性项目，而且对于大强度的间歇性项目也是十分有益的，一系列研究证明了在足球、网球、冰球、举重等运动中间歇期及时补液补糖对提高运动能力的有效性。一般来说，短于90min的运动，补液是满足体液的丢失和代谢；长于90min的运动，含糖和电解质的饮料还可提供外源性的能源以维持耐力。因此，只有合理选择或配制液体，掌握正确的补充方法，并及时补充以满足需要才能真正达到效果。

（一）摄入液体的利用率

液体摄入后其利用率越高越理想，它又取决于胃的排空率和小肠的吸收率，而胃的排空率是首要因素，它直接控制着液体进入小肠的速率，一般认为胃排空速率为每分钟约13毫升。要提高摄入液体的利用率应考虑以下影响因素：

1.摄入液体的体积

当补液量低于600毫升时，随摄入量增加而排空率增加，最大速率为20毫升/分。当胃的容积较小时，排空速率下降较快，要保持较高的排空速度，可反复多次饮水，保持胃的容积以促进排空。有研究观察到一个70Kg的人随着摄入液体体积的增加从11.5至17.1至23毫升/Kg/小时，（分别相当于800、1200和1600毫升/小时）胃的排空率是增加的。其机理可能与液体量增加引起的张力和压力有关。

2.液体的渗透压

摄入液体的渗透压影响胃排空率和小肠的吸收率，饮料中糖或电解质浓度过大，则渗透压增大，在胃中滞留时间长。胃排空速率与糖浓度呈负相关，运动员饮用含不同浓度葡萄糖的饮料，以70%最大摄氧量在自行车功率计上运动2小时，发现葡萄糖浓度低于10%时，对胃排空率和吸收百分比没有影响；当饮料中葡萄糖浓度高于10%时，胃排空速率和吸收百分比下降（见表5-6）。其机理可能是高渗透压刺激十二指肠感受器，从而延缓胃的排空。溶液渗透压大小对小肠吸收的影响仍存在争议。有学者认为，渗透压越低，小肠对水吸收越快。也有不少研究表明,无论是补充低渗、等渗、高渗溶液，无论在安静时还是运动中，水的吸收率都没有显著差异。因此，补充液体时应十分注意其浓度要适当，最好是低渗或等渗溶液，以利于水分的充分吸收。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3．胃内容物的溶解度

溶解度增加会延缓排空，以低聚糖取代等浓度游离葡萄糖溶液，其溶解度下降而有较快的排空趋势，有效增加进入小肠液体的体积和数量。

4.液体的溶质数

当溶液中含有两种至三种溶质或可转运糖类时，溶质的吸收增加，水的吸收也随之增加。多种溶质可利用多种转运机制来扩大溶质的吸收从而减弱渗透压对水吸收的影响，增加水的吸收量。

5. 运动强度

早期研究表明，高强度的训练可降低液体的胃排空速率，超过70%强度的训练，胃的排空和小肠的吸收功能都会下降。近年的研究认为其原因是运动中降低了内脏包括肠道的血流量引起局部缺氧所致。

6．环境温度

环境温度与胃的排空也有一定关系。研究发现，受试者在25°C的环境中运动时其胃的排空速率比在35°C的热环境中运动时要快。另一项研究证实：处于18°C环境时的胃排空率快于35°C和49°C时的胃排空率。

7. 摄入液体的温度

冷或温水在胃内的排空速率明显高于37°C以上水温的液体，有报道：胃排空随液体温度增加而降低。但也有研究对此提出质疑：服用不同温度的等渗橙汁，发现4°C饮料的最初排空率比37°C饮料慢，服用咖啡也有类似结果。

（二）合理补充液体的方法

运动员补液的量取决于丢失量。运动中液体的丢失量可从运动前后体重之差作大致了解。丢失量存在明显个体差异。一方面个体的胃排空量和对最大容量的耐受力有很大差异。因此，个体的承受力就决定了液体最大摄入量。另一方面即使同样的运动，个体的排汗率、汗中电解质的量以及糖被利用的程度也不尽相同。因此补液无统一公式，补液的原则是保持水盐平衡和少量多次。

1.补液量：

运动前补液对预防运动中脱水有益，运动前15-20min可补液300-500ml。Latzka WA推荐热环境下运动前2小时补液400-600ml可使运动员在训练中感到较舒适，减少体温升高。如果运动员不习惯饮用大量液体，则可导致胃肠功能不适。因而，应在训练时培养运动前补液的习惯。

运动中补液可根据出汗量而调节饮水量。当液体补充与出汗率接近时，人体的体温、心率等都会保持在较低的水平。一般来说，运动中的补液量不能完全补偿出汗量；大多数运动员在补液量达到失汗量的75-80%以上时会感到胃部不适。因此，运动中补液量一般为出汗量的1/2-2/3，部分液体仍要到运动后补充。长时间运动中，每隔15-20min可补液120-240mL，每小时的补液量不超过800ml。8名自行车运动员以50%VO2max强度运动4小时（环境温度30°C，相对湿度50%）。饮水组每15min饮水一次，结果显示饮水组能使心率和直肠温度保持在正常范围之内（见图5－4）。口渴是预防严重脱水的保护机制，而不是补液的指征，运动员感觉口渴时，已丢失水大约2%-3%体重。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-4 饮水与不饮水对心率和直肠温度的影响（Ziegler EE1998）

运动后应及时补液以纠正脱水和电解质的丢失，加速机能恢复。近年来研究表明，运动后3-6小时的恢复期内摄入等于运动时所丢失的液体量不能达到完全恢复。因此提出恢复期的液体摄入量必须充分大于丢失量的的150%。高原训练中，由于高原气候干燥，肺通气量增大，水分蒸发快，为保证每日尿量在1.5升左右的排泄代谢废物。除通常因运动出汗所需的补液外，每天至少要比平原时多饮水1000ml，即每天补液量要达到3-4升。

2.饮料的组成

饮料宜低渗溶液，含低浓度糖和电解质。浓度增加则渗透压增大而减慢排空速率。糖的浓度应在5%-6%左右。还应考虑含有多种可转运糖例如葡萄糖、果糖、低聚糖等，通过增加溶质数目以增加糖和水的吸收。添加电解质可补充汗中的流失，不影响胃的排空，也不影响吸收。添加糖类物质还有利于运动中维持血糖正常水平，节约内源性糖原储备，减少蛋白质分解，延缓疲劳的发生。

在热环境中持续运动过度饮水而没有钠盐或低钠的补充会降低运动能力。如果运动中补液不足，那么运动后恢复期更有必要补钠。运动后淡水的摄入导致钠及渗透压迅速下降，机体口渴的感觉减退，并刺激尿液产生，这两种变化都会延缓恢复进程。Rehrer NJ认为超长运动中，即使伴随高的液体摄入率以满足需要，钠的摄入也是必不可少的，可增加饮料中的NaCl1.7-2.9g/升。有研究表明，在饮用NaCl溶液的实验组中，无论喝多少溶液，恢复正常的速度比喝含蔗糖水溶液的实验组快，且尿量产生更少。

3.口味与温度

有果味的饮料与开水相比，运动员更喜欢喝前者，口味好的饮料可增加摄入量，提高液体的吸收。早些时候的研究认为凉水是最佳温度，4°C饮料在饮用后的头15min排空快，但此观点被越来越多的证据所质疑。不过温度较低的饮料（5-13°C）口感较好。

 

               张蕴琨（南京体育学院）

 参 考 文 献

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