全 文 ：第 29 卷 第 8 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vol． 29 No． 8
2015 年 8 月 Journal of Arid Land Ｒesources and Environment Aug． 2015
文章编号:1003 － 7578(2015)08 － 151 － 05 doi:10． 13448 / j． cnki． jalre． 2015． 273
科尔沁沙地五角枫生长规律研究
*
张雷1，2，王晓江2，洪光宇2，李卓凡2，铁 泉3
(1．内蒙古大学生命科学学院，呼和浩特 010021;2．内蒙古林业科学研究院，呼和浩特 010010;
3．内蒙古五角枫自然保护区管理局，巴彦呼舒 029400)
提 要:以科尔沁沙地五角枫为研究对象，通过树干解析，分析了各生长指标的生长过程，拟合了生长曲
线。结果表明:科尔沁沙地五角枫胸径连年生长量最大值出现在 45a，为 0． 625cm;高连年生长量最大值出现在
5 － 10a间，为 0． 2m;材积连年生长量最大值出现在 50a，为 0． 0072m3。科尔沁沙地五角枫的生长过程大致可分
为三个阶段:1)幼树期(0 － 10a);2)速生期(11 － 50a) ;3)成熟期(大于 51a)。科尔沁沙地五角枫胸径、树高和
材积的生长过程模型均表现为三次多项式方程最优。科尔沁沙地五角枫高生长潜力较小，而胸径和材积的生
长潜力较大。
关键词:五角枫;树干解析;生长规律;科尔沁沙地
中图分类号:Q945 文献标识码:A
林木的生长规律是指林木生长发育随年龄变化的规律，其中林木生长量的大小及生长速率，不仅受林
木本身遗传因素的影响，也受外界环境条件的影响［1 － 4］。因此，研究林木的生长规律，不仅可以了解林木
的生长过程，而且可以评价林木生长的立地适宜性，这对更好地开展森林经营活动具有重要意义［1，5］。
五角枫(Acer mono)又名色木槭，落叶乔木，内蒙古境内主要分布在燕山北部、辽河平原和大兴安岭南
部山地［6 － 7］，在科尔沁右翼中旗有较大面积的沙地五角枫疏林分布，它不仅是防风固沙、保护该地区生态
环境和周边土地资源的一种重要的植物群落类型，也是耐旱沙生植物的重要物种基因库和草原野生动物
的重要避难所和栖息地［6，8］。目前，仅田秀艳、宋英春等［9 － 10］对五角枫自然保护区的植物和植被状况进行
了总体描述，而有关五角枫生长规律的研究尚属空白。因此，文中以五角枫为研究对象，通过树干解析，分
析各生长指标的生长过程，拟合生长过程曲线，来揭示其动态生长规律，以期为五角枫疏林的保护、经营和
管理提供理论依据。
1 材料与研究方法
1． 1 研究区概况
研究区位于内蒙古自治区兴安盟科尔沁右翼中旗(境内有科尔沁国家级自然保护区和五角枫自然保
护区)，地理位置位于科尔沁沙地北部。该区属中温型半干旱大陆性气候，具有寒暑剧变的特点。该地区
年平均气温 5． 6℃，7 月份最热;年日照时数为 3132． 5h;无霜期约 120d 左右，10℃以上年积温为 3322．
2℃;降水是该地区的主要水分来源，年平均降水量为 388mm。地带性土壤为栗钙土，其机械组成主要为
细沙粒和粗粉沙粒，另外还有风沙土、草甸土和沼泽土的分布。地下水储量丰富。本地区以白榆、蒙古黄
榆和五角枫等三种疏林与低湿地植被相间的植被类型占据主要景观类型，并伴生有小叶锦鸡儿(Caragana
microphylla Lam．)、东北木蓼(Atraphaxis manshurica Kitag．)、西伯利亚杏(Prunus sibirica L．)、欧李(Prunus
humilis Bunge)、杠柳(Periploca sepium Bunge)、乌柳(Salix cheilophila Schneid．)等灌木，其中西伯利亚杏分
布较广，可形成较大面积的西伯利亚杏灌丛［6］。
1． 2 研究方法
* 收稿日期:2014 － 11 － 15;修回日期:2014 － 12 － 2。
基金项目:内蒙古自治区自然科学基金项目(2012MS0519);国家科技支撑计划项目(2006BAC01A12)资助。
作者简介:张雷(1983． 10 － ) ，男，山东滕州人，博士研究生，助理研究员，主要从事植被生态学方面研究。E － mail:nainui@ 126． com
1． 2． 1 样地设置及调查
在科尔沁右翼中旗五角枫保护区内，选择典型性样地 6 块，在每个样地设置 1 个 50m × 50m的乔木样
方，记录冠幅、株高、胸径、枝下高度以及更新能力等，并以此为基础在每块样地中有代表性的选择胸径较
小的幼树(胸径 3 － 10cm)、中等大小(胸径 10 － 20cm左右)的成熟树、以及胸径较粗的老树(胸径 20cm以
上)各 1 株，伐倒后测量全树高，标记 1 /4、1 /2、3 /4 树高处，并测量直径;除胸径 1． 3m处外，其余为每 0． 5m
锯一圆盘，做好标记，带回实验室查数年轮，量取直径［12 － 13］，并在此基础上计算解析木各年龄的胸径、树高
和材积的总生长量［4］。同时记录样地的坐标、海拔、坡度、坡向及土壤类型等生境因子。调查范围内五角
枫基本情况(表 1)。
表 1 五角枫基本情况
Table 1 The basic conditions of Acer mono sparse forest
树高 /m 胸径 / cm 冠幅 /m 枝下高 /m
最小值 3． 20 8． 80 2． 45 × 3． 30 1． 70
最大值 8． 20 78． 00 12． 40 × 10． 80 2． 50
平均值 5． 85 ± 1． 04 19． 01 ± 7． 83 5． 56 ± 1． 22 × 4． 53 ± 1． 33 1． 89 ± 0． 17
1． 2． 2 数据处理［2 － 3，11，13 － 16］
将树干解析得到的胸径、树高、材积的总生长量与对应的年龄值输人 Excel 电子表格中(相同年龄的
数据以均值计)，以 5 龄为一龄阶计算各龄阶的平均树高、平均胸径、平均材积，并绘制相关曲线。此外，
利用 SPSS13． 0 统计软件进行曲线拟合运算，找出年龄与各林分调查因子之间的关系。结合以往经验和前
人的研究成果，主要选取以下 8 种常用模型进行拟合:
一元线性方程 y = a1 + a2x (1)
对数方程 y = a1 + a2 lgx (2)
二次多项式方程 y = a1 + a2x + a3x
2 (3)
三次多项式方程 y = a1 + a2x + a3x
2 + a4x
3 (4)
幂函数方程 y = a1x
a2 (5)
S曲线方程 y = exp(a1 + a2 /x) (6)
指数函数方程 y = a1exp(a2x) (7)
Logistic方程 y = 1
1 /u + a1 + a
x
2
(8)
式中:a1、a2、a3 和 a4 为待求的方程参数;y为因变量树高、胸径或材积;x 为年龄;exp 为以自然常数 e
图 1 胸径生长曲线
Figure 1 The growth process of DBH
为底的指数函数。
2 研究结果与分析
2． 1 五角枫胸径生长过程
五角枫胸径生长过程(图 1)。从图中可以
看出，五角枫胸径的连年生长量变化幅度较大，
呈双峰曲线:在 0 － 20a间胸径连年生长量增加
明显，尤其是 11 － 20a，并在 20a 时达到第一个
高峰(0． 615cm)，之后在 20 － 35a 间逐渐下降，
并从 35a再次增加之后，在 45a 达到第二个高
峰(0． 625cm)，之后急剧下降，但是在 11 － 50a
间基本维持在高位。五角枫胸径的平均生长量
则在 20a之前的急剧增加之后趋于平稳，但是
整体上在前 50a 中连年生长量较平均生长量
高。
2． 2 五角枫树高生长过程
五角枫树高生长过程(图 2)。从图中可以
看出，树高的连年生长量和平均生长量均是在 0 － 5a间急剧增长，并在 5 － 10a间达到最高值，为 0． 2m，之
·251· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 29 卷
后逐步下降;此外，五角枫树高的平均生长量整体上要高于连年生长量。
2． 3 五角枫材积生长过程
五角枫材积生长过程(图 3)。从图中可以看出，五角枫材积的连年生长量变化幅度较大，从 0 － 50a
一直呈增加趋势(0 － 10a间较缓，11 － 50a 间急速增加)，并在 50a 时达到最大值 0． 0072m3，之后急剧下
降。五角枫材积的平均生长量变化幅度不大，基本呈缓慢增加趋势。整体上五角枫材积的连年生长量在
55a前要高于平均生长量，但是 55a之后则低于平均生长量。
图 2 树高生长曲线
Figure 2 The growth process of height
图 3 材积生长曲线
Figure 3 The growth process of volume
2． 4 生长过程的曲线拟合
使用 8 种常用曲线模型分别对五角枫胸径、树高和材积随年龄变化的过程进行拟合，结果(表 2)。从
表 2 胸径、树高、材积与年龄的拟合方程
Table 2 The fitting equations between DBH，height，volume and age
生长指标 方程名称 方程表达式 Ｒ2
胸 径
一元线性方程 y = － 2． 494 + 0． 443x 0． 994(p ＜ 0． 05)
对数方程 y = － 20． 489 + 9． 859lgx 0． 904(p ＜ 0． 05)
二次多项式方程 y = － 3． 134 + 0． 499x － 0． 0009x2 0． 994(p ＜ 0． 05)
三次多项式方程 y = － 2． 425 + 0． 385x － 0． 004x2 － 0． 00005x3 0． 995(p ＜ 0． 05)
幂函数方程 / /
S曲线方程 / /
指数函数方程 / /
Logistic方程 / /
树 高
一元线性方程 y = 1． 091 + 0． 100x 0． 981(p ＜ 0． 05)
对数方程 y = － 3． 246 + 2． 309lgx 0． 961(p ＜ 0． 05)
二次多项式方程 y = 0． 578 + 0． 145x － 0． 0007x2 0． 991(p ＜ 0． 05)
三次多项式方程 y = － 0． 102 + 0． 255x － 0． 005x2 + 0． 00005x3 0． 998(p ＜ 0． 05)
幂函数方程 y = 0． 352x0． 731 0． 986(p ＜ 0． 05)
S曲线方程 y = exp(1． 875 － 10． 167 /x) 0． 939(p ＜ 0． 05)
指数函数方程 y = 1． 520exp(0． 029 x) 0． 839(p ＜ 0． 05)
Logistic方程 y = 1 /(0． 658 × 0． 972x) 0． 839(p ＜ 0． 05)
材 积
一元线性方程 y = － 0． 043 + 0． 003x 0． 894(p ＜ 0． 05)
对数方程 y = － 0． 146 + 0． 062lgx 0． 654(p ＜ 0． 05)
二次多项式方程 y = 0． 009 － 0． 002x － 0． 00007x2 0． 992(p ＜ 0． 05)
三次多项式方程 y = 0． 004 － 0． 0008x － 0． 00005x2 + 0． 0000003x3 0． 993(p ＜ 0． 05)
幂函数方程 / /
S曲线方程 / /
指数函数方程 / /
Logistic方程 / /
注:Ｒ为相关系数，y分别表示树高、胸径和材积，x表示年龄。
·351·第 8 期 张雷 等 科尔沁沙地五角枫生长规律研究
表中可以看出，胸径和材积仅拟合出一元线性方程、对数方程、二次多项式方程和三次多项式方程等 4 种
生长模型，而树高的 8 种生长模型均拟合出;在所有的拟合方程中，相关系数最低值为 0． 654，且 p ＜ 0． 05，
即所有拟合方程均效果显著。但是五角枫胸径、树高和材积的生长过程均表现为三次多项式方程相关系
数最高(0． 995、0． 998 和 0． 993)，分别为:
胸径:y = － 2． 425 + 0． 385x － 0． 004x2 － 0． 00005x3
树高:y = － 0． 102 + 0． 255x － 0． 005x2 + 0． 00005x3
材积:y = 0． 004 － 0． 0008x － 0． 00005x2 + 0． 0000003x3
式中，胸径、树高和材积的单位分别为 cm、m和 m3。
3 讨论
3． 1 科尔沁沙地五角枫生长阶段的划分
天然林作为森林资源的主体，在生态和社会方面有着不可替代的作用，研究林分的生长过程及规律对
于该天然林科学的经营和管理具有重要意义［15，17］。由研究结果可知，科尔沁沙地五角枫在 0 － 10a 间高
生长明显，但是之后逐渐下降;胸径连年生长在 0 － 10a 间的缓慢增加之后，11 － 50a 基本维持在高位，之
后急剧下降;材积连年生长在 0 － 10a 间的缓慢增加之后，11 － 50a 间急速增加，之后又急剧下降。因此，
我们可以将科尔沁沙地五角枫的生长过程大致分为三个阶段:1)幼树期(0 － 10a)，树高生长较快，胸径和
材积生长较缓;2)速生期(11 － 50a)，树高生长变慢，胸径和材积生长迅速;3)成熟期(大于 51a)，各项指
标生长均变慢。由此可知，科尔沁沙地五角枫生长期较长，成熟期较晚。
3． 2 科尔沁沙地五角枫生长速度
科尔沁沙地五角枫胸径连年生长量最大值出现在 45a，为 0． 625cm;高连年生长量在 5 － 10a间达到最
高值，为 0． 2m，材积连年生长量则在 50a时达到最大值 0． 0072m3。与研究地位于科尔沁沙地南缘敖汉旗
的小叶杨、白榆和油松［5］(表 3)相比，科尔沁沙地五角枫胸径和材积连年生长量的最大值均高于这三个树
种，而株高连年生长量最大值却低于这三个树种。出现这种情况的原因可能与科尔沁右翼中旗以自然植
被为主，风沙活动明显，造成乔木矮化有关;但是从结果中也可知，五角枫胸径和材积的生长具有较大潜
力，适宜在本地区以乡土树种推广。
表 3 科尔沁沙地几个树种生长指标对比
Table 3 Comparison of growth indices of several tree species in Horqin Sandy Land
树 种 研究地 地理位置
胸径连年生长量
最大值 / cm
株高连年生长量
最大值 /m
材积连年生长量
最大值 /m3
五角枫 科尔沁右翼中旗 科尔沁沙地北缘 0． 625 0． 20 0． 0072
小叶杨 敖汉旗 科尔沁沙地南缘 0． 470 0． 46 0． 0015
白 榆 敖汉旗 科尔沁沙地南缘 0． 490 0． 47 0． 0011
油 松 敖汉旗 科尔沁沙地南缘 0． 300 0． 32 0． 0004
4 结论
(1)科尔沁沙地五角枫胸径连年生长量最大值出现在 45a，为 0． 625cm;高连年生长量最大值出现在 5
－ 10a间，为 0． 2m;材积连年生长量最大值出现在 50a，为 0． 0072m3。
(2)科尔沁沙地五角枫的生长过程大致可以分为三个阶段:幼树期(0 － 10a);速生期(11 － 50a);成熟
期(大于 51a)。
(3)科尔沁沙地五角枫胸径、树高和材积的生长过程模型均表现为三次多项式方程相关系数最高，分
别为:
胸径:y = － 2． 425 + 0． 385x － 0． 004x2 － 0． 00005x3
树高:y = － 0． 102 + 0． 255x － 0． 005x2 + 0． 00005x3
材积:y = 0． 004 － 0． 0008x － 0． 00005x2 + 0． 0000003x3
式中，胸径、树高和材积的单位分别为 cm、m和 m3。
(4)科尔沁沙地五角枫高生长潜力较小，而胸径和材积的生长潜力较大。
·451· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 29 卷
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Growth laws of Acer mono in Horqin Sandy Land，China
ZHANG Lei1，2，WANG Xiaojiang2，HONG Guangyu2，LI Zhuofan2，TIE Quan3
(1． College of Life Sciences，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China;2． Inner Mongolia Academy of Forestry Sciences，Hohhot 010010 ，
China;3． Administrative Bureau of Wujiaofeng Natural Ｒeserve，Bayanhushu，Inner Mongolia 029400，China)
Abstract:Based on an investigation into the Acer mono in the Horqin Sandy Land，through stem analysis，its
growth processes of each growth index were analyzed，and we also fitted equation between DBH，height，volume
and age． The results showed:current annual maximum DBH increment of Acer mono in Horqin Sandy Land was
0． 625cm appeared in 45 years old，its height current annual increment was 0． 2m appeared in 5 to 10 years old，
and its volume current annual increment was 0． 0072m3 appeared in 50 years old． The growth processes of Acer
mono in Horqin Sandy Land was roughly divided into three periods:the young stand period (0 － 10a)，the fast
－ growing period (11 － 50a) ，and the mature period (more than 51a)． Compared with other models，cubic pol-
ynomial regression model was the optimal one to describe the growth process of Acer mono． High growth potential
of Acer mono in Horqin Sandy Land l was smaller，and DBH and volume growth potentials were greater．
Key words:Acer mono;stem analysis;growth laws;Horqin sandy land
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