全 文 ：大兴安岭库都尔地区兴安落叶松年轮宽度
年表及其与气候变化的关系*
张先亮1,2 摇 崔明星1,2 摇 马艳军3 摇 吴摇 涛3 摇 陈振举1**摇 丁玮航1,2
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2 中国科学院研究生院, 北京 100049; 3 内蒙古库都尔林业局, 内蒙古库
都尔 022164)
摘摇 要摇 基于建立的大兴安岭库都尔地区兴安落叶松树轮宽度年表,分析了兴安落叶松树轮
宽度年表与该区温度、降水和帕尔默干湿指数(PDSI)等主要气候因子之间的关系.结果表明:
研究区 5 月和 7 月的温度与兴安落叶松年轮宽度变化呈极显著负相关关系(P<0郾 01);虽然
降水与年轮宽度变化没有表现出显著的相关关系,但 6—8 月 PDSI 与年轮宽度变化显著相关
(P<0郾 05),说明兴安落叶松的生长明显受区域水热条件共同控制,且以 5 月和 7 月最显著.
兴安落叶松树轮宽度年表与诸如太平洋年代际振荡(PDO)等大尺度气候系统波动的低频系
数和高频系数之间呈显著相关,说明太平洋气候系统的波动对该区树木径向生长具有显著影
响.
关键词摇 库都尔摇 兴安落叶松摇 年轮宽度摇 年表摇 气候因子
文章编号摇 1001-9332(2010)10-2501-07摇 中图分类号摇 P467摇 文献标识码摇 A
Larix gmelinii tree鄄ring width chronology and its responses to climate change in Kuduer,
Great Xing爷an Mountains. ZHANG Xian鄄liang1,2, CUI Ming鄄xing1,2, MA Yan鄄jun3, WU Tao3,
CHEN Zhen鄄ju1, DING Wei鄄hang1,2 ( 1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences,
Shenyang 110016, China; 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,
China; 3Kuduer Forestry Bureau of Inner Mongolia, Kuduer 022164, Inner Mongolia, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(10): 2501-2507.
Abstract: Based on the established tree鄄ring width chronology of Larix gmelinii in Kuduer, Great
Xing爷an Mountains, this paper analyzed the relationships between L. gmelinii tree鄄ring width chro鄄
nology and related climatic variables, including air temperature, precipitation, and PDSI. In the
study area, the L. gmelinii tree鄄ring width chronology was significantly negatively correlated with
the air temperature in May and July (P<0郾 01), had no significant correlation with precipitation,
but significantly positively correlated with the PDSI in June-August (P<0郾 05), suggesting that
hydro鄄thermal variables had significant coupling effects to the radial growth of L. gmelinii in its
growth season, particularly in May and July. The L. gmelinii tree鄄ring width chronology had signifi鄄
cant correlations with large scale climatic regimes such as the Pacific Decadal Oscillation (PDO) in
both low and high frequency variations, illustrating the significant effects of the remote oceanic cli鄄
matic regimes to the local tree growth.
Key words: Kuduer; Larix gmelinii; tree鄄ring width; chronology; climate factor.
*国家自然科学基金项目(30600093,41071035)和林业公益性行业
科研专项(200804001)资助.
**通讯作者. E鄄mail: chenzhenjuf@ iae. ac. cn
2010鄄01鄄12 收稿,2010鄄07鄄22 接受.
摇 摇 树木的径向生长不仅受自身遗传因素的制约,
而且受到外界环境条件的影响[1] . 树轮年表不但可
用于定年,而且由于去除生长趋势和其他非气候因
素的影响后,树轮年表只保留气候信号[2-3],可利用
树轮年表与气候因子进行相关分析,由此揭示气候
因子对树木径向生长的可能影响,并可找出影响树
木径向生长的主要限制因子.
目前,树木年代学的研究主要集中在利用年表
进行气候[4-7]和其他方面的重建[8-10]上,而分析树
木径向生长与主要气候因子之间关系的研究还较
少.研究树木径向生长与气候因子的关系有利于了
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 10 月摇 第 21 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2010,21(10): 2501-2507
解一个地区的生态限制因素以及气候变化条件下该
地区森林生态系统的变化模式. 大兴安岭地区是我
国原始森林最茂密的区域之一,研究该地区树木生
长的主要气候限制因子,对于预测区域生态系统在
全球气候变化状况下的变化趋势具有重要的理论和
现实意义.为此,本文建立了兴安落叶松(Larix gme鄄
linii)的年轮宽度年表,分析了影响大兴安岭地区兴
安落叶松树轮径向生长的主要气候因子及其响应关
系,并界定出了该地区限制主要树种树木径向生长
的主要气候因子,以期为了解高纬高寒地区树木生
长的气候限制因素和预测全球气候变化背景下树木
生长的变化趋势奠定基础.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研 究 区 ( 49毅 36忆—50毅 16忆 N, 120毅 53忆—
121毅59忆 E)地处大兴安岭主脉中段高地,地势较高,
平均海拔 1058 m,平地较少,群山之间的洼塘地常
年积水内涝,山多林密.该区属大陆性寒温带季风半
湿润森林气候,年均气温在-4 益 ~ -6 益,1 月平均
气温-28 益 ~ -26 益,7 月平均气温 18 益 ~ 20 益,
逸10 益 年积温 1500 益 ~ 2000 益, 年降水量
350 ~ 450 mm,年均日照时数 2520 h. 土壤以棕色针
叶森林土为主,还有部分灰色森林土、沼泽土和草甸
土分布.植被区系为兴安植物区系.境内野生植物资
源种类繁多,蕴藏量较大,主要树种为兴安落叶松,约
占研究区森林总面积的 48%,此外还有樟子松(Pinus
sylvestris var. mongolica)和云杉(Picea asperata)等.
兴安落叶松是研究区的优势树种,常组成纯林.
该树种为强阳性树种,寿命长、适应能力较强,在各
种环境下都能生长,耐寒、耐旱力强,在大兴安岭地
区 6 月初开始生长,8 月中旬停止生长,生长期 90 ~
100 d[11] .兴安落叶松的年轮可形成明显界限,能清
楚地看出每一年的树轮,对气候变化有很好的敏感
性,已被证明是用于树轮年代学分析的理想树
种[1] .
1郾 2摇 气象资料
本研究的气象资料源于中国气象科学数据共享
服务网.按照气象站点应与采样点距离较近且位于
同一气候区的原则,本文采用图里河 (50毅29忆 N,
121毅 41忆 E, 海拔 732郾 6 m ) 和额尔古纳右旗
(50毅15忆 N,120毅11忆 E,海拔 581郾 4 m)2 个气象站点
1957—2007 年的月均最低温度、月均最高温度、月
平均温度和月均降水量的数据(图1),为了增加试
图 1摇 库都尔地区的月均温度和月均降水量
Fig. 1摇 Monthly mean precipitation and monthly mean tempera鄄
ture of Kuduer (1957-2007).
P: 降水 Precipitation; T: 温度 Temperature. 下同 The same below.
验结果的可靠性,将 2 个站点的气象资料取平均进
行分析.
帕尔默干旱指数(PDSI)是反映干湿变化的指
数之一,它综合了降水和蒸发的影响,是水分亏缺量
与持续时间的函数,PDSI比降水量更能解释树木在
生长期的水分供应平衡[12-13] . 1907—2003 年 PDSI
和 1880—2008 年太平洋年代际振荡(PDO)的时间
序列来自荷兰皇家气象研究所的数据共享网站(ht鄄
tp: / / climexp. knmi. nl),其中,PDSI 为由 Dai 等[14]
整理的全球各地区的月 PDSI数据,本文使用的是区
域 50毅—52郾 5毅 N、120毅—122郾 5毅 E的数据.
1郾 3摇 年表的建立
按照国际树木年轮数据库( International Tree鄄
Ring Data Bank,ITRDB)的标准,本研究采集了该地
区高山上原始林区受人为干扰较小的 40 棵兴安落
叶松的 84 个芯(每棵树取 2 ~ 3 个芯),将采集的样
本带回实验室后固定在特制木条上,用砂纸将样芯
逐级打磨至 600 目,直到在显微镜下能看到清晰的
年轮;然后对样芯进行初步的目测定年,确定每一轮
的确切年代后,用年轮测量仪 LINTAB5 量测出每一
轮的宽度数值(精确到 0郾 001 mm),并用 COFECHA
程序[15]进行最后的交叉定年检验;最后剔除由于腐
朽和破碎等原因与主序列的相关性较低且奇异点较
多的序列,保留 37 棵树的 76 个树芯. COFECHA 的
检验结果为:主序列的年限为 281 年(1727—2007
年). 序列的平均相关系数为 0郾 63,平均敏感度为
0郾 32,平均长度为 153 年,一阶自相关系数为 0郾 17,
标准差为 0郾 43.
选用 ASTAN程序[16]建立兴安落叶松年轮宽度
2052 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
年表.首先进行去趋势和标准化,即对每个树轮序列
建立一条拟合曲线,将遗传和其他非气候因素的影
响去除;为了保留更多的低频信号,本文主要采用传
统的负指数函数和线性函数进行去趋势,对于去趋
势后与其他序列去趋势后的趋势差别很大的个别序
列而言,利用步长大于总序列长度三分之二的样条
函数进行去趋势;最后得到树木的标准化年表
(STD)、差值年表 ( RES) 和自回归标准化年表
(ARS).由于 STD 年表(图 2)可保留更多的低频信
号,所以本文使用 STD 年表. STD 年表的平均敏感
度(MS)为 0郾 25,标准差(SD)为 0郾 33,一阶自相关
系数为 0郾 17,信噪比(SNR)为 42郾 8,样本总体代表
性(EPS)为 0郾 98,树间相关系数为 0郾 42,第一主分
量解释方差为 44郾 2% . 本文中 EPS 大于 0郾 85 时的
起始年份为 1820 年,rBar 值是对序列进行 50 年的
滑动平均得到的系数,即每 50 年计算一次相关系
数,前后窗口间有 25 年的重叠.
1郾 4摇 数据处理
采用 SPSS 16郾 0 分析年表与单个气象因子(温
度、降水和 PDSI)间的相关关系;利用响应函数
(DENDROCLIM2002)综合分析年表与温度、降水和
PDSI间的响应关系;利用 SPSS 16郾 0 分析 PDO与当
图 2摇 研究区兴安落叶松年轮宽度(STD)年表(1727—2007,
A)及其 rBar、样本总体代表性(EPS)和样本量(B)
Fig. 2摇 Larix gmelinii tree鄄ring width chronology (STD, 1727-
2007, A) and the running rBar, EPS, sample depth of STD
chronology (B).
地气候因子间的关系;采用离散傅立叶转换方程和
DMEY小波分析(Matlab 7郾 0)对年表的低频、高频
变化与 PDO的低频、高频变化之间的相关关系进行
分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 大兴安岭库都尔地区兴安落叶松树轮年表与
温度、降水量和干旱指数的相关分析
由大兴安岭库都尔地区兴安落叶松 STD 年表
与上年 10 月至当年 9 月各月各气象因子的相关关
系可以看出,STD 年表与 5 月和 7 月的各项温度指
标基本呈极显著负相关(P<0郾 01),与 4—9 月各月
的平均温度和 8 月的平均最高温度以及 4—8 月各
月的平均最低温度呈显著负相关(P<0郾 05),与 8 月
的平均温度和平均最高温度呈极显著负相关(P<
0郾 01,图 3A).由于季节性的气候指标比单个月份更
能表示气候条件的状况,故本文对生长季中主要月
份(5—9 月)的平均温度与 STD 年表的相关关系进
行了分析,结果表明,研究区 5—9 月的平均温度与
年表具有极显著的相关关系( r = 0郾 58,P<0郾 01) ,
图 3摇 研究区各月的温度指标、降水(A)和 PDSI(B)与兴安
落叶松 STD年表的相关系数
Fig. 3 摇 Correlation coefficient between monthly temperature,
precipitation (A), PDSI (B) and STD chronology of Larix gme鄄
linii in the study area.
Tm: 平均温度 Mean temperature; Tm_max: 平均最高温度 Mean maxi鄄
mum temperature; Tm_min:平均最低温度 Mean minimum temperature.
305210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张先亮等: 大兴安岭库都尔地区兴安落叶松年轮宽度年表及其与气候变化的关系摇 摇 摇 摇
图 4摇 研究区气候因子(月均温度、月均降水量和月 PDSI)
与兴安落叶松 STD年表间的相关系数(直方图)和响应系数
(曲线)
Fig. 4摇 Correlation coefficient (histogram) and response coeffi鄄
cient (curve) between climate factors (monthly mean tempera鄄
ture, monthly mean precipitation and monthly PDSI) and STD
chronology of Larix gmelinii in the study area.
*P<0郾 05.
说明研究区兴安落叶松年表可指示一定的气候信息.
研究区兴安落叶松年表与月均降水量间均无显
著的相关关系(图 3A).但 5 月、7—9 月的各月平均
降水量与年表呈正相关,且树木生长关键时期(5—
9 月)的平均降水量与年表间也呈正相关关系( r =
0郾 247,P=0郾 08),说明生长季降水对树木的径向生
长具有一定的促进作用.
上年 10、11 月和当年 1—7 月的 PDSI 指数与
STD年表均呈显著正相关(P<0郾 05),1、2、3 和 6 月
的 PDSI指数与 STD年表呈极显著正相关(P<0郾 01,
图 3B). 5—8 月的平均 PDSI 与年表呈极显著的相
关关系( r=0郾 446,P<0郾 01).
2郾 2摇 大兴安岭库都尔地区兴安落叶松树木径向生
长对温度和水分的响应
为全面反映多个因子的影响,本文采用响应函
数[17]分析 STD年表与气候因子间的关系.由图 4 可
以看出,3—8 月的平均温度和 1 月的平均降水与研
究区兴安落叶松年表显著相关,4 月、6—8 月的各月
PDSI与年表间也呈显著的正相关关系. 同时,采用
移动和进化间隔(moving and evolutionary interval)的
分析方法[17-18]分析上述各相关系数的稳定性,结果
表明,5 月、7 月的平均温度与年表的相关性最显著,
且相关系数较稳定,降水与年表不存在显著的相关
关系.
2郾 3摇 大兴安岭库都尔地区兴安落叶松年轮年表与
太平洋气候系统变化的遥相关关系
树木生长不仅受小环境的影响还受大范围气候
波动的影响,由于海洋鄄大气鄄陆地的耦合,指示太平
洋位相变化的 PDO 指数可以影响陆地气候系统变
化.经分析表明,PDO 与研究区年均温度和年均降
水量间无显著的相关关系,但经过 5 年的滑动平均
后,PDO与研究区年均温度( r = 0郾 521,P<0郾 01)和
年均降水量( r = 0郾 334,P<0郾 05)间显著相关. 由于
PDO具有 10 年以上的波动周期(PDO 存在 15 ~ 20
年和 50 ~ 70 年的周期变化,是长周期的气候波动),
本文分别对 PDO、年均温度和年均降水量进行 10 年
的滑动平均后再进行相关分析,结果表明,PDO 与
年均温度( r = 0郾 687,P<0郾 01)和年均降水量( r =
0郾 508,P<0郾 01)间具有极显著的相关关系.
1880—2007 年间,研究区兴安落叶松 STD年表
与 5—9 月 PDO平均指数的一阶差之间呈显著负相
关( r= -0郾 353,P<0郾 001,n = 127);与 4—10 月各月
PDO指数的一阶差之间均表现出显著的相关关系,
其中 7、8 和 9 月呈极显著的相关关系,而经过 15 年
滑动平均后,年表与 5—8 月各月 PDO 指数均表现
出极显著的相关关系.离散傅立叶转换谱分析表明,
1880—2007 年间,年表与 PDO均存在 5、20 和 60 年
的强周期性波动,且两者的功率最强周期均为 64
年.由于主要频率一致,利用小波分析将树木年轮年
表与 PDO分解的各个尺度的低频和高频系数进行
相关分析,以得到两者之间在高低频变化之间的联
系.用 DMEY小波将年表与 PDO分别进行一维离散
小波 5 层分解(S=A5 +D5 +D4 +D3 +D2 +D1,A 为低频
系数,D为高频系数),然后再分别对比相应的低频
系数与高频系数之间的关系.结果表明,第 4 层分解
的低频系数与年表第 4 层分解的系数呈显著相关
(P<0郾 05),与第 5 层低频系数之间极显著相关(P<
0郾 01);除第 3 层之外的其他高频系数均与年表相
应的高频系数呈极显著相关(P<0郾 01),说明研究区
兴安落叶松 STD年表的高频变化与 PDO 的高频变
化有关(图 5).
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 树木径向生长对区域主要气候因素的响应
大兴安岭地区兴安落叶松的生长季节为 6 月初
到 8 月中旬[11],本研究区的温度变化对兴安落叶松
的径向生长存在显著影响(P<0郾 05),其中,年际温
度变化(上年 9 月到当年 8 月)和生长季(6—8 月)
的温度变化分别可以解释树木径向生长 42郾 7%和
2 6郾 4%的变化(P<0郾 05),5—9月的干湿变化可以
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图 5摇 研究区兴安落叶松 STD年表(实线)与 PDO指数(虚线)之间的低频系数(A1 ~ A5)和高频系数(D1 ~ D5)
Fig. 5摇 Low frequency coefficient (A1-A5) and high frequency coefficient (D1-D5) between STD of Larix gmelinii in the study area
(solid line) and PDO index (dash line).
解释树木径向生长 27郾 4%的变化(P<0郾 05). 生长
季中的单月温度,尤其是 5 月和 7 月温度对树木径
向生长的影响最明显. 5 月是研究区兴安落叶松生
长开始的月份,此时由于温度的升高,树木开始恢复
各项生理活动,但如果此时的温度过高,将引起因融
雪存于土壤中的水分蒸发过大,或是气温升高过快,
505210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张先亮等: 大兴安岭库都尔地区兴安落叶松年轮宽度年表及其与气候变化的关系摇 摇 摇 摇
而根系及土壤解冻相对较慢,造成早春树木生理干
旱,形成对树木生长不利的水分条件,进而造成相对
较窄的年轮[19];相反,如果此时的温度过低,根系活
动就会受到限制,树木的各项生理活动就会延迟,树
木的生长季变短,同样会使树木形成窄的年轮[20] . 7
月是树木径向生长最旺盛的月份,树木的各项生理
活动进入盛期,如果此时温度过高会使蒸发加剧,土
壤中可利用的水分减少,使树木根系得不到充足的
水分;如果温度过低,树木的各项生理活动就会变
缓,也会使树木的生长变慢. 另外,9 月以后该地区
树木生长已经非常缓慢,但形成层还没有停止活动,
温度仍然影响其生长变化. 在冬季(10 月至次年 4
月),树木落叶以后进入休眠,温度一般不再产生明
显的影响,这与长白山落叶松的研究结果一致[21] .
但此结果与基于常绿松科树种的研究不同,如千山
和沈阳油松在冬季(11 月至次年 2 月)仍然受温度
的显著影响[22-24];长白山的红松(Pinus koraiensis)
与 2—4 月的温度也呈显著相关[25];邵雪梅和吴祥
定[26]的研究结果也表明,长白山树木径向生长与
1—4 月的最高温度显著相关. 本研究结果表明,大
兴安岭库都尔地区兴安落叶松整个生长季(5—9
月)的温度变化对树木径向生长的影响最明显,说
明生长季的温度是该地区树木径向生长的主要影响
因子之一.
研究区各月以及季节性的降水变化与兴安落叶
松 STD年表没有显著的相关关系,说明降水在库都
尔地区不是限制树木生长的主要气候因子,原因在
于:在生理方面,兴安落叶松的抗旱性较强[11],可以
在不太干旱的条件下正常生长;该区降水量在生长
季时较充沛,4—10 月降水量达 400 mm 左右,占全
年降水量的 93% ;兴安落叶松适应于较长冬季的长
休眠期,上年 11 月至当年 3 月的降雪融水(占年降
水量的 7郾 02% )对春季水分起到补给作用,这可能
是降水没有表现为限制因素的主要原因. 然而生长
季降水量与年表呈现出正相关,虽然没有达到显著
水平,但也说明了降水对树木径向生长仍有一定的
促进作用.在受降水限制明显的邻近草原鄄森林交错
区,降水对树木径向生长产生了显著影响,如海拉尔
的樟子松树轮与上年 7 月到当年 6 月的总降水量呈
显著相关[27] .
由于树木所需要的水分不是直接来自降水,而
是通过根系吸收土壤中的水分,因此,降水量的充足
不一定说明树木生长没有受到水分限制. 本研究结
果表明,在生长季中,PDSI[28]的波动明显与研究区
兴安落叶松年轮变化有关,即区域的干湿变化对兴
安落叶松径向生长存在显著正效应,说明土壤水分
也是影响树木生长的重要因素. 同时也说明耦合的
水热条件对树木生长的影响较单因素显著.
本研究区位于大兴安岭地区西北部,纬度较高,
温度较低,年降水量约 400 mm,近半个世纪以来,该
区域呈现显著的暖干化趋势:月均温度以 0郾 04 益·
a-1的速度显著升高(P<0郾 01),月均降水量以 0郾 07
mm·a-1的速度减少, PDSI 以 2郾 8%·a-1的速度显
著降低(P<0郾 05). 虽然近几十年 CO2 浓度的升高
对植物有一定的施肥作用,但相应于这种暖干化趋
势,落叶松树轮宽度仍以 8郾 2%·a-1的速度显著减
少(P<0郾 01),预示这种暖干化趋势已对树木径向生
长产生了一定影响,而这种变化会产生多大的影响
有待于进一步研究.
3郾 2摇 区域树木生长与大尺度气候系统变化的响应
大尺度气候波动虽然不会直接影响某一个区域
树木的生长,但它们往往通过影响局地树木生长环
境中的气候因子进而间接影响树木生长.如 PDO使
太平洋地区的海温发生长期的周期性变化,而且中
国东北地区的干湿变化与 PDO间存在密切关系,故
PDO 指数位相的改变可引起东北地区温度和降水
的变化[28],相关分析的结果表明,PDO 通过对区域
气候的显著影响从而影响树木生长的变化,He
等[29]证明了沈阳的油松受到 PDO 位相变化的影
响.本研究也发现,一些树木径向生长与 PDO 存在
一些明显联系,虽然有些过程和机理尚不很清楚,但
也证明生物过程与地球物理过程之间存在着必然联
系;一阶差相关的结果说明了 PDO与年表在高频上
的一致性,而 15 年滑动平均的相关则表明了它们在
低频上的一致性;小波分析的结果揭示了 PDO对树
木生长在低频变化和高频变化时均有所响应,PDO
的低频变化与年表的低频变化有极显著的关系,高
频系数之间也有着显著的关系.由于 PDO是年代际
的气候波动,高频相关说明如果 PDO的位相发生改
变,可能会在年表上反映出来;PDO 又是一种长期
的周期性振荡,低频相关说明其长时间尺度的影响.
可见,大范围气候波动会对研究区兴安落叶松径向
生长造成潜在的影响.
综上,大兴安岭库都尔地区兴安落叶松对水热
条件反应敏感,尤其是与生长季的气候变化有着显
著的关系, 区域性的暖干化趋势已经影响到当地主
要树木的生长,且大尺度气候波动对区域气候的影
响也会间接影响到树木的径向生长.
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作者简介摇 张先亮,男,1985 年生,硕士研究生.主要从事树
木年代学、树木年轮生态学研究. E鄄mail: zhxianliang@ 126.
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责任编辑摇 杨摇 弘
705210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张先亮等: 大兴安岭库都尔地区兴安落叶松年轮宽度年表及其与气候变化的关系摇 摇 摇 摇