葉爾羌河流域雪嶺云杉樹輪寬度氣候信息的探討

尚華明，麥麥提圖爾蓀·克比爾，栗紅，喻樹龍，張瑞波，張同文，陳峰，陸恒，魏文壽，袁玉江

葉爾羌河流域雪嶺云杉樹輪寬度氣候信息的探討

尚華明1，麥麥提圖爾蓀·克比爾2，栗紅2，喻樹龍1，張瑞波1，張同文1，陳峰1，陸恒3，魏文壽1，袁玉江1

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態(tài)實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)實驗室，新疆烏魯木齊 830002；2.喀什地區(qū)昆侖山國有林管理局，新疆喀什 844900；3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊 830010）

位于西昆侖山北坡的葉爾羌河是塔里木河的三大源流之一，該流域山區(qū)分布的雪嶺云杉為過去氣候變化研究提供了理想的載體。本文建立了葉爾羌河流域4個雪嶺云杉樹輪寬度年表和區(qū)域合成年表，探討了樹輪年表對葉城氣象站氣溫、降水等氣候要素的響應(yīng)特征。結(jié)果表明雪嶺云杉樹輪年表具有較高平均敏感度、缺輪率和序列間相關(guān)系數(shù)，年表的質(zhì)量較高。區(qū)域合成年表與葉城站上年6月至當(dāng)年5月降水量相關(guān)系數(shù)為0.393，與當(dāng)年3—9月平均最低氣溫相關(guān)系數(shù)為0.624。一階差相關(guān)分析表明，樹輪年表與最低氣溫的高頻變化特征并不一致，二者較高的正相關(guān)主要是由于溫度升高趨勢的貢獻(xiàn)。樹輪年表與烏恰站上年7月至當(dāng)年4月降水量相關(guān)系數(shù)為0.535。西昆侖山北坡雪嶺云杉樹輪年表與周邊對水分敏感的樹輪氣候記錄對比表明，其低頻變化趨勢以及缺年集中出現(xiàn)的年份均具有較好的一致性。由于氣候干旱、下墊面條件惡劣，位于葉爾羌河流域的西昆侖山北坡雪嶺云杉樹木徑向生長的限制因子仍然為水分條件，而非氣溫。

西昆侖山北坡；葉爾羌河；樹木年輪；雪嶺云杉

昆侖山東西全長約2500 km，是青藏高原和塔里木盆地的地理分界線。該區(qū)域遠(yuǎn)離水汽源地，且受大地形的阻擋作用，降水量少。山區(qū)降水和冰雪融水是塔里木盆地西南諸河流的重要水源[1]。河流下游的平原區(qū)是新疆南部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的喀什地區(qū)，人口密度較大，水資源供需矛盾突出。制定區(qū)域水資源利用規(guī)劃，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，需要科學(xué)認(rèn)識氣候變化的事實和規(guī)律，掌握其影響因子和驅(qū)動機(jī)制，進(jìn)而預(yù)測其未來變化趨勢及其影響。然而該區(qū)域的氣象觀測資料大多起始于20世紀(jì)50年代中期，氣象站點(diǎn)多位于海拔較低的平原區(qū)，山區(qū)站點(diǎn)極為缺乏，限制了對該區(qū)域氣候變化規(guī)律和機(jī)制的認(rèn)識。

樹木年輪作為過去氣候與環(huán)境變化的代用資料，具有分辨率高、復(fù)本量大、氣候信息豐富等特點(diǎn)，成為重建器測時期以前氣候要素的重要代用資料[2]。特別是在干旱半干旱區(qū)，由于限制因子顯著，樹輪寬度在重建過去氣候和水文等方面具有其他資料無可比擬的優(yōu)勢[3-6]。與本文研究區(qū)相鄰的天山山區(qū)是中國最早開展樹輪氣候?qū)W研究的區(qū)域之一，國內(nèi)外學(xué)者已在天山山區(qū)開展了大量的樹輪年代學(xué)研究工作[7-10]。研究手段從過去單一的樹輪寬度[11]，發(fā)展到目前利用樹輪密度[12]、灰度[13]等多種手段綜合分析研究；重建要素除了氣溫和降水要素[14-16]以外，還包括徑流量[17-18]、干旱指數(shù)[19,20]、植被指數(shù)[21]、沙塵天氣[22]等的重建研究。與之相鄰的西昆侖山北坡山區(qū)分布有雪嶺云杉原始森林，干旱的氣候環(huán)境和嚴(yán)苛下墊面條件導(dǎo)致樹木生長氣候限制因子顯著，為這一區(qū)域樹輪氣候與水文研究提供了得天獨(dú)厚的自然條件。與天山山區(qū)相比，該區(qū)域森林分布稀疏，且多位于交通極為不便的山區(qū)，是樹木年輪研究較為薄弱的地區(qū)：葉城山區(qū)昆侖圓柏樹輪寬度差值年表與5—7月降水量相關(guān)系數(shù)為0.405[23]；西昆侖山奧依塔克林場長達(dá)850 a的昆侖圓柏樹輪寬度年表，對降水極為敏感，具備開展氣候重建潛力[24]；喀山河流域雪嶺云杉標(biāo)準(zhǔn)年表與塔里木盆地西緣年降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.692[25]。

本文利用西昆侖山北坡山區(qū)雪嶺云杉樹輪寬度資料建立寬度年表，分析其年表特征，并進(jìn)一步探討樹輪寬度記錄的氣候信息，評估其用于氣候重建的潛力，為下一步在該區(qū)域建立樹輪資料網(wǎng)絡(luò)、深入開展樹輪年代學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

1 資料

1.1 樹木年輪資料

樹木年輪采樣點(diǎn)位于塔里木盆地西南緣葉城縣境內(nèi)的西昆侖山北坡山區(qū)，屬于葉爾羌河的支流棋盤河和提孜那甫河流域（圖1a）。采樣的樹種為雪嶺云杉，該樹種廣泛分布于天山山區(qū)以及西昆侖山北坡山區(qū)，在西昆侖山北坡一般分布在海拔3000～3500 m的陰坡。該樹種的樹輪邊界清晰，根系較淺，是樹輪氣候?qū)W研究的主要的樹種之一。共選擇4個采樣點(diǎn)的122棵健康活樹，在每棵樹的不同方向采集兩個樹芯，共獲取了231個樹芯標(biāo)本。4個點(diǎn)均位于陰坡（NE或N），海拔高度3100～3400 m（表1）。除了QPD以外，坡度都在40°以上。從圖1b可以看出，采樣點(diǎn)土層薄，坡度大，下墊面條件惡劣。

表1 采樣點(diǎn)和氣象站信息

樣芯自然晾干后，進(jìn)行固定、打磨等前處理。完成交叉定年后利用測量精度為0.01 mm的Lintab樹輪寬度測量儀讀取年輪寬度，用COFECHA程序進(jìn)行交叉定年質(zhì)量檢驗[26-27]，并利用TSAP軟件[28]進(jìn)行樹輪序列的對比，查找缺失年輪，確保定年準(zhǔn)確。剔除序列太短或因缺年多難以準(zhǔn)確定年以及與主序列相關(guān)較差的樣芯，采用WinARSTAN程序[29]，以負(fù)指數(shù)或線性函數(shù)擬合去除生長趨勢，分別建立4個采樣點(diǎn)（QPD、QPY、XHD、XHX）的樹輪寬度年表。由于4個點(diǎn)之間的直線距離最大不超過50 km，海拔高度也很接近，4個年表的互相關(guān)系數(shù)（1800—2013年）均超過0.6（P＜0.001），因此將所有樣本的寬度數(shù)據(jù)合并，并采用上述方法建立區(qū)域合成年表（圖2e，XKL）。以30 a為窗口，25 a為滑動重疊期，計算樣本對總體的解釋信號（EPS）和樣芯間相關(guān)系數(shù)（Rbar）（圖2f）。以EPS穩(wěn)定大于0.85為標(biāo)準(zhǔn)，確定區(qū)域合成年表的可信時段為1665—2014年。

圖1 研究區(qū)位置圖（a）和采樣點(diǎn)照片（b）

從表2樹輪寬度年表的特征分析結(jié)果來看，所有年表的敏感度都在0.3以上，平均缺輪率多在2.0%以上。表明該區(qū)域氣候極端干旱、坡度大、下墊面條件惡劣，環(huán)境對樹木生長的限制作用明顯，樹輪寬度可能包含了豐富的氣候信息。較高的一階自相關(guān)系數(shù)說明環(huán)境對樹木生長影響存在滯后效應(yīng)。公共區(qū)間分析發(fā)現(xiàn)所有年表EPS值的范圍為0.937～ 0.981，Rbar值的范圍0.413～0.675，表明該區(qū)域樣本的一致性較好，樹木生長受共同的環(huán)境要素的影響。

圖2 葉爾羌河流域樹輪寬度年表、樣本量以及Rbar和EPS值

表2 樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表特征與公共區(qū)間分析結(jié)果

1.2 氣象資料

西昆侖山北坡山區(qū)氣象站缺乏，氣象資料采用距采樣點(diǎn)最近的葉城氣象站以及海拔較高的烏恰氣象站。氣象站點(diǎn)的位置和海拔高度以及資料時段見表1。要素包括降水量、≥0.1 mm降水日數(shù)（以下稱降水日數(shù)）、水汽壓、最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫。氣象資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.nmic.cn/）。從葉城站多年（1958—2013年）平均氣候特征分析看出（圖3），該區(qū)域具有明顯的大陸性氣候特征。累年平均年降水量僅為63.2 mm，4—9月降水量占全年的78.8%，峰值出現(xiàn)在5月。年平均氣溫11.8℃，7月平均氣溫最高（24.9℃），1月最低（-5.4℃）。同時還采用了的烏恰氣象站資料（1956—2013年），該站與采樣點(diǎn)直線距離約280 km，由于海拔較高，年降水量182.3 mm，更能反映山區(qū)的降水變化特征。

圖3 葉城氣象站（a）和烏恰氣象站（b）累年平均月降水量和氣溫的年內(nèi)分布

2 結(jié)果和討論

2.1 樹輪寬度與葉城氣象站氣候要素的相關(guān)分析

鑒于各年表的較高的互相關(guān)系數(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)年表能較多地保留低頻信息，下文的分析均采用區(qū)域合成寬度標(biāo)準(zhǔn)年表（XKL）。利用Pearson相關(guān)函數(shù)，計算公共期內(nèi)XKL標(biāo)準(zhǔn)年表與月氣象要素的相關(guān)系數(shù)?？紤]到滯后效應(yīng)的影響，單月相關(guān)分析氣象要素的時段為上年5月至當(dāng)年9月。

圖4a～圖4c分別為XKL年表與葉城氣象站降水量、降水日數(shù)和水汽壓的相關(guān)系數(shù)，這3個要素均代表水分狀況，相關(guān)系數(shù)以正相關(guān)為主，個別月份的正相關(guān)都達(dá)到了0.05的顯著性水平。圖4d～圖4f為XKL年表與最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫的相關(guān)系數(shù)，最低氣溫與年表的相關(guān)系數(shù)最高，除了上年12月至當(dāng)年2月外，與其他月的正相關(guān)都達(dá)到了0.05的顯著性水平。最高氣溫與年表的正相關(guān)最弱，最低氣溫與年表的正相關(guān)系數(shù)最高。圖4g為蒸發(fā)量與年表的相關(guān)系數(shù)，上年12月至當(dāng)年2月蒸發(fā)量與樹輪年表的負(fù)相關(guān)達(dá)到了0.05的顯著性水平。

圖4 樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

在單月相關(guān)分析基礎(chǔ)上，將各種氣象要素從上年5月到當(dāng)年9月進(jìn)行組合，并分析其與樹輪年表的相關(guān)關(guān)系，找出各要素與年表相關(guān)系數(shù)最高的時段（表3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉城氣象站當(dāng)年3—9月最低氣溫與XKL年表的正相關(guān)系數(shù)為0.624，而相同時段最高氣溫和平均氣溫與XKL年表的正相關(guān)系數(shù)分別為0.299和0.525。葉城氣象站表征水分狀況的三個要素（降水量、降水日數(shù)和水汽壓）與樹輪年表的最佳相關(guān)時段分別為上年6月至當(dāng)年5月、上年6月到當(dāng)年5月、上年9月到當(dāng)年5月，相關(guān)系數(shù)分別為0.393、0.369、0.388。

表3 樹輪年表與氣象要素的最佳相關(guān)結(jié)果

2.2 樹輪寬度氣候響應(yīng)分析與驗證

如果僅從相關(guān)分析的結(jié)果來看，XKL年表與葉城站的氣溫和降水均為正相關(guān)，且與當(dāng)年3—9月最低氣溫的正相關(guān)系數(shù)最為顯著。一般來說，位于干旱區(qū)樹木的徑向生長主要受水分條件的限制，與降水、相對濕度、水汽壓等正相關(guān)，同時由于氣溫升高會加劇蒸發(fā)，進(jìn)而加劇水分的虧缺，樹輪寬度與生長季的氣溫和蒸發(fā)量負(fù)相關(guān)[30]。而在高緯度和高海拔地區(qū)，樹木生長受到氣溫條件限制，樹輪寬度一般與生長季氣溫正相關(guān)[31]。上文相關(guān)分析的結(jié)果與干旱區(qū)樹輪氣候響應(yīng)分析的結(jié)果并不一致。因此僅從樹輪寬度與葉城站氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果難以得出該區(qū)域樹木徑向生長的限制因子，需要結(jié)合其他資料和分析方法進(jìn)一步探討該區(qū)域樹輪寬度所包含的氣候信息。

2.2.1 其他氣象資料的印證

烏恰氣象站與采樣點(diǎn)的直線距離約為280 km，遠(yuǎn)大于葉城氣象站與采樣點(diǎn)的距離。但由于烏恰站海拔高度為2 177.5 m，累年平均年降水量182.3 mm，更能反映山區(qū)的降水特征。從圖4h來看，XKL年表與烏恰氣象站降水量的單月相關(guān)分析結(jié)果與葉城相似，以正相關(guān)為主，但相關(guān)系數(shù)略高于葉城站。組合相關(guān)分析得到烏恰站上年7月至當(dāng)年4月降水量與XKL年表的相關(guān)系數(shù)為0.535，高于其與葉城站降水量的相關(guān)系數(shù)。

2.2.2 高頻信息的分析

為了進(jìn)一步探討研究區(qū)樹輪寬度到底包含的是氣溫信息還是降水信息，將寬度年表、葉城上年6月—當(dāng)年5月降水量和葉城當(dāng)年3—9月平均最低氣溫分別進(jìn)行一階差處理，并計算其相關(guān)系數(shù)。圖5a～5c分別為葉城站上年6月—當(dāng)年5月降水量與樹輪寬度指數(shù)的對比圖、散點(diǎn)圖和一階差散點(diǎn)圖。圖5d～5f分別為葉城站當(dāng)年3—9月平均最低氣溫與樹輪寬度指數(shù)的對比圖、散點(diǎn)圖和一階差散點(diǎn)圖。從圖5a、5d可以直觀地看出，降水量的高頻變化比較明顯，而平均最低氣溫以低頻變化為主，年際變化小。從原始值散點(diǎn)圖來看（圖5b、5e），樹輪寬度指數(shù)與氣溫的相關(guān)系數(shù)明顯高于降水量。一階差處理后（圖5c、f），樹輪寬度指數(shù)與葉城上年6月—當(dāng)年5月降水量的相關(guān)系數(shù)從0.393降至0.246（P＜0.05），與葉城當(dāng)年3—9月平均最低氣溫相關(guān)系數(shù)從0.624降至0.142。表明樹輪寬度與降水在高頻和低頻變化上均比較一致，而樹輪寬度與最低氣溫的正相關(guān)主要是其低頻升溫的趨勢的貢獻(xiàn)，在高頻變化上一致性較差。

2.2.3 與其他樹輪記錄的對比

最后，將西昆侖山北坡雪嶺云杉樹輪年表（XKL）與相鄰的樹輪寬度年表進(jìn)行對比。所選的進(jìn)行對比的資料為本研究區(qū)域周邊對水分敏感的樹輪寬度序列。其中位于帕米爾高原東側(cè)的奧依塔克昆侖圓柏樹輪寬度年表（AYB）[24]與烏恰上年10月—當(dāng)年7月的降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.671，位于塔里木盆地西北緣阿合奇雪嶺云杉樹輪寬度年表（SMT）[32]與阿合奇站上年8月—當(dāng)年6月的水汽壓相關(guān)系數(shù)為0.768。相關(guān)計算結(jié)果表明，1700—2013年XKL年表與AYB和SMT年表的相關(guān)系數(shù)分別為0.334和0.540，達(dá)到了0.001的極顯著水平。從圖6的3個序列11a滑動平均曲線可以看出低頻變化趨勢的一致性，計算11 a滑動平均處理后的相關(guān)系數(shù)，XKL年表與AYB和SMT年表的正相關(guān)達(dá)到0.364，0.563。

一般來說，干旱區(qū)樹木年輪中出現(xiàn)的缺年一般與極端干旱發(fā)生的年份對應(yīng)[33]。本文所選擇的3個序列（SMT、AYB和XKL）的缺輪率都超過了2.0%，統(tǒng)計了三個序列1700年以來各年份缺輪百分率（該年份發(fā)生缺失年輪樣本量所占總樣本量的百分比），并進(jìn)行了比較（圖6）。對比發(fā)現(xiàn)，三個序列中大部分缺失年輪集中出現(xiàn)的年份（1946年、1947年、1917—1919年、1885年、1831年、1829年、1710年、1802年、1746年等）都是一致的，表明昆侖山的雪嶺云山樹輪寬度記錄了區(qū)域大范圍發(fā)生的極端干旱事件。

從以上的分析可以看出，僅從相關(guān)分析結(jié)果來看，XKL樹輪年表與葉城氣象站當(dāng)年3—9月平均最低氣溫的正相關(guān)系數(shù)高于上年6月到當(dāng)年5月的降水量，但從一階差相關(guān)分析結(jié)果、XKL樹輪年表與烏恰站的降水量相關(guān)分析結(jié)果以及其與鄰近區(qū)域樹輪記錄的對比來看，西昆侖山雪嶺云杉樹輪寬度記錄的仍然是降水信息，而非溫度信息。表明在西昆侖山區(qū)，由于極端干旱的氣候背景以及惡劣的下墊面條件，樹木的徑向生長受水分條件的制約。

圖5 樹輪寬度年表與葉城降水量和氣溫的比較

葉城氣象站位于海拔1 360.4 m的山前平原區(qū)，與采樣點(diǎn)的直線距離超過50 km，海拔高差近2000 m，由于地形的影響和降水局地性強(qiáng)等原因，二者的降水量的絕對值和年際變化特征本身存在一定差異。葉城氣象站年降水量僅為63.2 mm，變率平均高達(dá)45.6%，高于東部季風(fēng)區(qū)和西北干旱區(qū)的大部分區(qū)域[34]。而位于海拔3000～3500 m的采樣點(diǎn)附近山區(qū)，降水量一般為300～400 mm。因此，雖然可以證明XKL樹輪寬度年表記錄的是降水信息，但其與葉城氣象站降水量的相關(guān)系數(shù)沒有達(dá)到0.001的極顯著水平。

圖6 西昆侖山北坡樹輪年表與其他樹輪記錄的對比

3 結(jié)論

（1）位于西昆侖山北坡葉爾羌河流域的雪嶺云杉樹輪寬度年表平均敏感度、缺輪率和序列間相關(guān)系數(shù)均較高，表明其年表可能包含較豐富的氣候信息。

（2）僅從相關(guān)計算結(jié)果來看，雪嶺云杉樹輪年表與葉城氣象站的當(dāng)年3—9月平均最低氣溫的相關(guān)系數(shù)高于上年6月到當(dāng)年5月的降水量。但進(jìn)一步采用烏恰氣象站的降水量與XKL年表進(jìn)行相關(guān)分析，對XKL年表、葉城氣象站的當(dāng)年3—9月平均最低氣溫、上年6月到當(dāng)年5月的降水量分別進(jìn)行一階差相關(guān)處理后進(jìn)行相關(guān)計算，同時將XKL年表與周邊的對降水敏感的樹輪數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，均表明該區(qū)域樹木生長受水分條件限制，樹輪寬度主要記錄的仍然是水分信息，而非溫度信息。

（3）在塔里木盆地周邊山區(qū)，由于氣象站點(diǎn)與山區(qū)樹木年輪采樣點(diǎn)的空間距離和海拔高度差異較大，特別是位于平原區(qū)的葉城氣象站的降水量少，變率大，造成了降水與樹輪寬度的統(tǒng)計相關(guān)系數(shù)并不顯著。提醒我們在塔里木盆地周邊山區(qū)開展樹輪氣候研究時，需要盡量采用山區(qū)氣象站點(diǎn)資料，如果僅采用來自于降水稀少的平原區(qū)站點(diǎn)的氣象資料進(jìn)行相關(guān)分析和校準(zhǔn)，也需要進(jìn)行多角度對比，評估樹輪寬度的所包含的氣候信息，否則容易得到錯誤的結(jié)論。

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Evaluation on the Climatic Information of Tree-ring Width of Picea schrenkiana from Yarkand River Basin

SHANG Huaming1，Mamattuersun Kebir2，LI Hong2，YU Shulong1，ZHANG Ruibo1，ZHANG Tongwen1，CHEN Feng1,LU Heng3,WEI Wenshou1,YUAN Yujiang1
(1 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology; Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration，Urumqi 830002,China;2 Kunlun Mountains Forest Farm Management Bureau,Kashi 844900,China;3 Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830010,China）

The Yarkand River,which is located on the northern slope of western Kunlun Mountains,is one of the three main sources of Tarim River.The primitive spruce forest could provide ideal material for past climate change in this region.Four tree-ring width chronologies and a regional composite chronology were developed in the paper.The response of tree-ring width to climatic factors was assessed by Pearson correlation method.The relative high values of the mean sensitivity,percentage of missing rings and correlation coefficients among all radii of four spruce tree-ring width chronologies suggested that these chronologies contain abundant climatic information.Correlation coefficients between tree-ring width and precipitation from the previous June to current May and mean minimum temperature from March to September of Yecheng station are respectively 0.393 and 0.624.First order difference correlation analysis indicated that the mean minimum temperature is not consistent with tree-ring width in the high-frequency domain.The significant positive correlation is mainly contributed by the low-frequency trend.The correlation coefficient between tree-ring width chronology and precipitation from the previous July to current April of Wuqia station is 0.535.The comparison between tree-ring width chronologies of spruce from the western Kunlun Mountains and some tree-ring records from the surrounding area that is sensitive to moisture revealed the consistency in high-to-low frequency domain and extreme drought years.In general, because of the extreme arid climate background and harsh substrate conditions,the limited factors of radial growth of spruce from the northern slopes of western Kunlun Mountains is still moisture status.

Kunlun Mountains；Yarkand River；tree-ring width；Picea schrenkiana

P467

B

1002-0799（2017）03-0017-08

尚華明，麥麥提圖爾蓀·克比爾，栗紅，等.葉爾羌河流域雪嶺云杉樹輪寬度氣候信息的探討，2017，11（3）：17-24.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.003

2017-02-13；

2017-03-14

氣象行業(yè)專項（GYHY201206014）、自治區(qū)重點(diǎn)實驗室專項資金項目（2014KL017）、國家科技支撐計劃課題（2012BAC23B01）和國家自然科學(xué)基金（41205124、41271098）共同資助。

尚華明（1979-），男，副研究員，主要從事樹輪年代學(xué)與環(huán)境演變研究。E-mail：shang8632@163.com