2001內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律研究*

楊少斌，曹萌，祝鑫海，程玉林，鄭長青，白夜(1.中國消防救援學院，北京102202；2.內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)森林管護局，內(nèi)蒙古根河022365；3.內(nèi)蒙古呼倫貝爾鄂溫克旗森林消防大隊，內(nèi)蒙古呼倫貝爾010324)森林火災(zāi)是極具破壞性，難預(yù)防、難救援的自然災(zāi)害，不僅損害森林資源，破壞生態(tài)環(huán)境，影響國家經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定，同時也對人民生命財產(chǎn)安全造成巨大威脅，被聯(lián)合國科教文組織列為世界八大自然災(zāi)害之一[1-2]。如1987年大興安嶺“5·6”特別重大森林火災(zāi)導(dǎo)致101萬hm2森林被燒毀，并造成數(shù)百人傷亡，是建國以來損失最大、傷亡人數(shù)最多的特大森林火災(zāi)事件[3]；2019—2020年中國四川省連續(xù)兩年在相同時段(3月底)發(fā)生重特大森林火災(zāi)，共造成50名撲火隊員及地方干部職工犧牲[4-5]。全球氣候持續(xù)變暖，極端天氣事件更加頻繁，導(dǎo)致世界范圍內(nèi)重特大森林火災(zāi)頻頻爆發(fā)，如2007年希臘、2015—2021年美國加州、2019年澳大利亞以及2021年7—8月份地中海沿岸國家均集中爆發(fā)了森林大火[6-8]。對森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律的研究是近20年來最主要的火災(zāi)研究主題之一，是林火管理的重要內(nèi)容，能為森林火災(zāi)預(yù)防提供科學依據(jù)。如蘇麗娟等[9-10]對1950—2010年中國森林火災(zāi)時空特征的研究發(fā)現(xiàn)，中國森林火災(zāi)頻發(fā)、面積大與氣候變化有密切關(guān)系。田曉瑞[11]等研究認為中國溫帶干旱荒漠針葉林區(qū)的火災(zāi)次數(shù)和受害森林面積呈顯著增加趨勢。喬澤宇[12]等研究發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)區(qū)的林火季節(jié)性特征差異明顯。張恒[13]等研究表明，華北地區(qū)森林火災(zāi)與氣候變化、人類活動息息相關(guān)，具有明顯的區(qū)域性特征。國外學者同樣開展了大量工作，如CLEMENS[14]等研究發(fā)現(xiàn)，阿爾卑斯山西部近年來森林火災(zāi)風險顯著增加，南部火災(zāi)風險較之北部更為嚴重，火災(zāi)的分布與人為活動有關(guān)，如景觀旅游等；DROBYSHEV[15]等研究發(fā)現(xiàn)瑞典森林火災(zāi)活動與區(qū)域氣候變化存在著顯著的時空相關(guān)性。MARGARITA[16]等基于MODISNDWI和NDVI時間序列對地中海和伊比利亞半島溫帶生態(tài)區(qū)的火災(zāi)季節(jié)進行了定量評估。內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)是目前我國面積最大，保持原始林自然風貌的典型地區(qū)，同時也是森林雷擊火重災(zāi)區(qū)，多發(fā)頻發(fā)的雷擊火災(zāi)嚴重威脅森林資源安全[17-20]。對于該地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律的深入研究還相對較少，加之作者本人曾參與過該地區(qū)的森林滅火作戰(zhàn)，親歷過火災(zāi)對森林資源的超強破壞力。為此，本文擬分別從時間和空間兩個維度對內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律作進一步研究，以期為該地區(qū)森林火災(zāi)預(yù)防和控制提供更具針對性的科學依據(jù)。圖1內(nèi)蒙古大興安嶺原始林區(qū)概況(審圖號：蒙S(2020)027號為底圖制作，邊界無修改，林業(yè)局界依據(jù)Reference[18]插圖1繪制，下同)1研究區(qū)概況內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，地理坐標為52°01′42″～53°20′00″N，120°01′20″～121°48′37″E(圖1)。具體位于內(nèi)蒙古自治區(qū)額爾古納市境內(nèi)的大興安嶺山脈最北端，南與內(nèi)蒙古莫爾道嘎、滿歸林業(yè)局接壤，西北以額爾古納河與俄羅斯為界，東與黑龍江省漠河縣毗鄰，是松嫩平原，呼倫貝爾高原的天然屏障。具有國內(nèi)唯一的泛北極、北極高山、西伯利亞等生物區(qū)系的珍稀物種，是寒溫帶原生動植物的基因?qū)殠旌椭匾謽I(yè)基地之一，已發(fā)現(xiàn)野生動物達300種以上，植物近1400種。原始林區(qū)總面積947702hm2，其中森林面積900343hm2。植被以寒溫帶針葉林為主，活立木總蓄積1.3×108m3，森林覆被率95.38%，是中國保存最完好、唯一集中連片、面積最大、未開發(fā)的原始森林。該區(qū)域?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L氣候，年平均氣溫-5.5℃，極端最低氣溫-53℃，極端最高氣溫35.4℃，無霜期88d左右，年平均降水量450～550mm。在林業(yè)管理上，該地區(qū)于1999年4月成立北部原始林區(qū)森林管護局，下轄烏瑪、奇乾、永安山等3個未開發(fā)林業(yè)局[21-22]。2數(shù)據(jù)資料與研究方法2.1數(shù)據(jù)資料從內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)森林管護局收集2001—2019年森林火災(zāi)數(shù)據(jù)，主要指標包括火點坐標和火場面積；從GlobeLand30系統(tǒng)()獲取由中國自然資源部研制的2020版30m地表面覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品；從中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺()獲取研究區(qū)30m高程(DEM)數(shù)據(jù)。2.2研究方法2.2.1時間規(guī)律分析(1)按現(xiàn)行的《中華人民共和國森林防火條例》[23]對森林火災(zāi)級別進行劃分，利用Excel2016和SPSS23.0分別從年際、季節(jié)和月份3個時間尺度對火災(zāi)情況進行分析。(2)利用以下公式計算火災(zāi)輪回期和初始概率[24]，以此來反映火災(zāi)發(fā)生概率：(1)(2)式中:Fc為火災(zāi)輪回期(年)；S為研究區(qū)域面積(hm2);Sa為平均每年過火面積(hm2/年)；P為火災(zāi)發(fā)生初始概率。(3)利用Matlab2019對火災(zāi)次數(shù)和火災(zāi)面積進行Mann-Kendall檢驗，進而對火災(zāi)發(fā)生趨勢進行分析。Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱“M-K”檢驗)是世界氣象組織(WMO)推薦并廣泛應(yīng)用的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。其優(yōu)點是樣本不需要服從某種分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，被廣泛應(yīng)用于水文、氣象、植被等方面研究，在林火發(fā)生趨勢的研究上也得到了較好的應(yīng)用[25-26]?；驹硎牵簩τ跇颖緜€數(shù)為n的時間序列x。構(gòu)造秩序列：(3)(4)式中：Sk是在時間序列內(nèi)第i時刻樣本值大于j時刻樣本值個數(shù)的累計數(shù)，在時間序列隨機獨立的假設(shè)下定義統(tǒng)計量：(5)(6)式中：UF1=0，E(Sk)和var(Sk)是Sk的均值和方差。按時間逆序列構(gòu)建逆序列xn，xn-1，xn-2，…，x1，使新序列UBk=-UFk.如果UBk與順序列的UFk出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，交點對應(yīng)的時刻是突變的開始時間。本文給定顯著性水平α=0.5，置信區(qū)間為±1.96，若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢，若超出置信區(qū)間則表明上升或下降趨勢顯著。2.2.2空間規(guī)律分析利用ArcGIS10.3提取火點的海拔、坡度和坡向等地形因子，分析火點的空間分布、密度、以及不同地形因子上的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律。3結(jié)果與分析3.1時間序列上的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律3.1.1年尺度發(fā)生規(guī)律如圖2所示，2001—2019年期間研究區(qū)共發(fā)生森林火災(zāi)192次，年均發(fā)生火災(zāi)約10次，火災(zāi)總面積約18424hm2，年均火災(zāi)面積約970hm2?；馂?zāi)主要以較大森林火災(zāi)為主，約占火災(zāi)總次數(shù)的80.2%，其次是一般森林火災(zāi)(9.9%)、重大森林火災(zāi)(8.3%)和特別重大森林火災(zāi)(1.6%)。2010年和2019年火災(zāi)次數(shù)最多，均為23次，只有2009年未發(fā)生森林火災(zāi)。2002年火災(zāi)損失最嚴重，過火面積達8653hm2,其次是2014年(2738hm2)和2017年(1937hm2)，其余年份則相對比較平穩(wěn)。圖2火災(zāi)次數(shù)和過火森林面積年際變化火災(zāi)年際變化大致可分為2個階段(圖2)：2001—2012年火災(zāi)次數(shù)呈明顯的“M”型周期性波動，大約每2～4年會出現(xiàn)1次低谷和1次峰值；2013—2019年則呈波動性上升趨勢，并于2019年達到第2次峰值。從火面積與火災(zāi)次數(shù)的關(guān)系來看，年度火災(zāi)面積與火災(zāi)次數(shù)變化規(guī)律并不完全一致，相關(guān)性分析顯示(表1)，年度火災(zāi)總面積與重大和特別重大森林火災(zāi)次數(shù)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.783和0.949，表明研究區(qū)年度火災(zāi)面積受重特大森林火災(zāi)的影響極顯著。3.1.2季節(jié)尺度發(fā)生規(guī)律分別統(tǒng)計春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)火災(zāi)次數(shù)和面積及其比例(表2)。結(jié)果顯示，由于冰雪覆蓋，林區(qū)冬季幾乎不會發(fā)生森林火災(zāi)，春、夏、秋為森林防火季，其中夏季火災(zāi)發(fā)生次數(shù)最多，過火面積最大，占比分別達到了88.0%和78.6%，其次是春季和秋季，火災(zāi)次數(shù)比較接近，但春季過火面積要遠大于秋季，相差近10倍。分別制作各個季節(jié)火災(zāi)次數(shù)和面積的年際變化折線圖(圖3)，結(jié)果顯示，在火災(zāi)次數(shù)上，2001年以來夏季森林火災(zāi)次數(shù)要明顯多于春季和秋季，整體呈波動性上升趨勢，春季和秋季則比較平穩(wěn)；在過火面積上，除2014年外，夏季均要大于春季和秋季，并分別在2002年和2014年出現(xiàn)極端值，從2017年開始呈下降趨勢，春季和和秋季則一直比較平穩(wěn)。表1過火面積與火災(zāi)次數(shù)Pearson系數(shù)表2森林火災(zāi)季節(jié)性分布圖3防火季火災(zāi)次數(shù)和面積的年度變化3.1.3月尺度發(fā)生規(guī)律如圖4所示，研究區(qū)森林火災(zāi)主要發(fā)生在5—10月份，其中6—7月份是集中暴發(fā)的時段，6月份火災(zāi)次數(shù)最多(43.2%)，但7月份則火災(zāi)面積最大(47.4%)，且遠大于6月份(22.2%)，5月份與8月份相比同樣如此，這與年度火災(zāi)次數(shù)與過火面積的關(guān)系一致。圖4月尺度上的森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律3.2空間方向上的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律3.2.1火災(zāi)發(fā)生密度如圖5a所示，火點分布比較分散，無明顯規(guī)律。為更準確分析火點分布情況，利用GIS分析火點密度(圖5b)，同時對火災(zāi)規(guī)模進行反距離加權(quán)插值(IDW)(圖5c)。結(jié)果顯示，西線火點密度高于東線，中部地區(qū)要明顯高于北部和南部，最高達0.058次/km2(折合5.8次/(100·km2))。一般規(guī)?；馂?zāi)在全區(qū)范圍內(nèi)呈零星分布，較大規(guī)?；馂?zāi)集中發(fā)生在北部和中部區(qū)，并在南部與其他規(guī)?；馂?zāi)交叉分布，重大規(guī)模火災(zāi)主要發(fā)生在西部和東南部地區(qū)，特別重大規(guī)模的火災(zāi)則在西部邊境地區(qū)和中南部呈零散分布。3.2.2不同海拔上的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律如圖6a所示，林區(qū)地貌為中、低山地，由西北向東南海拔逐漸升高，變化范圍在306～1352m之間，平均海拔686m，最大高差1046m。分別統(tǒng)計各個海拔梯度上的火災(zāi)次數(shù)(圖6b)和火災(zāi)面積比例(圖6c)。結(jié)果顯示，隨海拔升高，火災(zāi)發(fā)生率和火災(zāi)面積呈先上升后下降的變化規(guī)律。綜合來看，超過70%的火災(zāi)發(fā)生在海拔為400～800m的地帶，在該海拔范圍內(nèi)火災(zāi)面積同樣達到70%以上，其中600～800m的海拔范圍內(nèi)火災(zāi)發(fā)生率最高，火災(zāi)面積比例最大，分別為48.4%和40.1%，其次是400～600m的地域，火災(zāi)發(fā)生率和火災(zāi)面積比例分別為30.2%和31.9%。3.2.3不同坡向上的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律如圖7所示，分別統(tǒng)計北坡、東北坡、東坡、東南坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡等8個坡向上的火災(zāi)次數(shù)(7b)和火災(zāi)面積比例(圖7c)。結(jié)果顯示，各個坡向上的火災(zāi)面積和火災(zāi)次數(shù)變化規(guī)律并不一致，西南坡和南坡火災(zāi)發(fā)生率最高，分別為17.3%和14.1%，北坡火災(zāi)發(fā)生頻率最低(7.9%)，其余坡向則相對比較均衡。東坡火災(zāi)面積最大(31.7%)，其次是東北坡(28.6%)，兩個坡向上的火災(zāi)面積比例之和達60.3%，表明東北坡和東坡的火災(zāi)破壞性比較大，需加以關(guān)注。3.2.2不同坡度上的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律如圖8a所示，林區(qū)大多數(shù)地區(qū)起伏度為0°～24°，最大坡度超過了45°。分別統(tǒng)計不同坡度等級上的火災(zāi)次數(shù)(圖8b)和火災(zāi)面積比例(圖8c)。結(jié)果顯示，火災(zāi)發(fā)生率隨坡度升高呈先增加后減少的趨勢，火災(zāi)面積則相反。絕大多數(shù)火災(zāi)發(fā)生在坡度為0～24°的地域，火災(zāi)發(fā)生率最高的坡度為5°～14°，達到56.0%，火災(zāi)面積最大的坡度則為0°～4°，比例為50.2%，表明平坡(0°～4°)和緩坡(5°～14°)較容易發(fā)生森林火災(zāi)，且火災(zāi)破壞力較大，應(yīng)當加強這些地域的火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測。圖5火災(zāi)分布及發(fā)生密度圖6不同海拔高度的林火發(fā)生規(guī)律圖7各個坡向上的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律圖8不同坡度上的火災(zāi)分布表3森林火災(zāi)輪回期及初始概率圖9森林火災(zāi)次數(shù)和過火面積Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線3.3火災(zāi)發(fā)生趨勢火災(zāi)輪回期和初始概率計算結(jié)果顯示(表3)，2001—2019年間火災(zāi)輪回期為977年，火災(zāi)初始概率為0.001023。根據(jù)火災(zāi)階段變化規(guī)律，2001—2012年、2013—2019年兩個階段火災(zāi)輪回期分別為1008年和846年，初始概率分別為0.000992和0.001181，第二階段(2013—2019年)輪回期縮短了16.1%，初始概率卻提高了20.5%，表明第一階段(2001—2012年)是火災(zāi)高發(fā)期，第二階段是火災(zāi)上升期。為更準確地判斷火災(zāi)發(fā)生趨勢，分別對年度火災(zāi)次數(shù)和火災(zāi)面積進行M-K突變檢驗(圖9)。結(jié)果顯示，火災(zāi)次數(shù)和火災(zāi)面積均表現(xiàn)為先上升、后下降、再上升的變化規(guī)律。自2017年和2014年開始，二者UFk均大于0，即表現(xiàn)為上升趨勢，同時分別于2019年和2014年發(fā)生突變，但UFk值均保持在±1.96范圍內(nèi)，表明上升趨勢還尚未達到顯著水平。這種變化趨勢說明該地區(qū)存在火災(zāi)發(fā)生愈加頻繁的可能性，需采取更有效的防控措施進行抑制。4結(jié)論與討論森林火災(zāi)的發(fā)生、蔓延和發(fā)展主要受地形、植被和氣候和人為活動等因素的影響。氣候、植被和人為活動的變化影響著可燃物積累過程及其空間分布，導(dǎo)致火災(zāi)動態(tài)也會發(fā)生變化[11,27]。在年尺度上，研究區(qū)森林火災(zāi)次數(shù)和火災(zāi)面積均表現(xiàn)出明顯的波動性，年度過火面積與森林火災(zāi)次數(shù)變化規(guī)律不完全一致，年度火災(zāi)面積與重特大森林火災(zāi)次數(shù)呈極顯著正相關(guān)，這與張冬有[28]等人對相近緯度的黑龍江省大興安嶺森林火災(zāi)時空分布規(guī)律的研究結(jié)果相近?；馂?zāi)次數(shù)和火災(zāi)面積分別在2017年和2014年開始呈上升趨勢，并分別于2019年和2014年發(fā)生突變，上升趨勢趨于顯著。近幾年以來火災(zāi)輪回期逐漸縮短，火災(zāi)發(fā)生概率逐漸增加，并維持在相對較高的水平。推斷認為，這是由于特別重大森林火災(zāi)主要發(fā)生在第一階段，大火會導(dǎo)致可燃物積累減少，但同時也激發(fā)人們防火意識不斷增強，加之2009年開始實行更為嚴格有效的《森林防火條例》[23]和“有火必救”的防控策略，大火災(zāi)之后可燃物迅速積累，加之近幾年以來氣候趨向于暖干，加劇了火災(zāi)發(fā)生風險[29]?；馂?zāi)的發(fā)生頻率和周期與可燃物量積累的多少有關(guān)，由于森林植被所構(gòu)成的森林可燃物在火燒以后，可燃物負荷量有一個從少到多的積累過程，可燃物積累越多，發(fā)生大火災(zāi)的可能性也越大[30]。在季節(jié)尺度上，火災(zāi)主要發(fā)生在夏季，防火季從傳統(tǒng)的“春、秋兩防”演化為“春、夏、秋三防”，這與氣候變化背景下該地區(qū)森林火險期發(fā)生了較大變化有關(guān)[27]，春季氣溫回升，冰雪融化，農(nóng)事活動頻繁，增加了引發(fā)林區(qū)森林火災(zāi)的可能性，但降水少于秋季，導(dǎo)致秋季火災(zāi)發(fā)生率相對較低[31-33]。受大陸性季風氣候影響，在春末夏初季節(jié)，來自貝加爾湖、蒙古國的冷鋒氣旋在北部原始林區(qū)一帶通過的機會較多，在地形和空氣濕度不足的影響下容易出現(xiàn)雷陣雨和干打雷不下雨的雷暴天氣現(xiàn)象，每年夏季都會出現(xiàn)一個雷擊火高潮，并呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢，所以夏季火災(zāi)發(fā)生頻率要高于春秋季[20]。在月尺度上，6—7月份是火災(zāi)集中爆發(fā)期，杜野、趙可新等人的研究結(jié)果與此相近[34]。森林火災(zāi)主要受自然和人為兩個方面的因素交互影響，自1998年天然林資源保護工程提出后，內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)開始實施以生態(tài)建設(shè)為主的發(fā)展戰(zhàn)略，加快由木材生產(chǎn)為主向生態(tài)建設(shè)為主轉(zhuǎn)變，且一直實行嚴格的林火管理政策并不斷調(diào)整優(yōu)化政策、加大宣傳力度，導(dǎo)致可燃物載量不斷積累。另外，大興安嶺地區(qū)自2001年開始年平均氣溫、年平均最高和最低氣溫均呈上升趨勢且最低氣溫上升趨勢顯著，而降水呈下降趨勢，氣候逐漸變暖變干，導(dǎo)致該地區(qū)干雷暴頻次增加，夏季火災(zāi)次數(shù)也明顯增加[20,32-33]，所以影響力較大的森林火災(zāi)大多出現(xiàn)在7—8月，如2002年的7、8月份就集中爆發(fā)了多起重特大森林火災(zāi)。氣候變暖導(dǎo)致土壤的干濕程度也趨向于干旱，導(dǎo)致可燃物濕度降低，也是加劇火災(zāi)發(fā)生的重要原因，比如氣候異常干旱的2002年，黑龍江大興安嶺地區(qū)25d內(nèi)發(fā)生森林火災(zāi)36次，是2001年以來火災(zāi)次數(shù)較多、過火面積最大的年份[35]。在海拔分布上，研究區(qū)中部和東南部海拔要高于其他地區(qū)，西北到東南海拔逐漸升高。通常情況下海拔升高會導(dǎo)致氣溫降低、降水增多，森林火災(zāi)發(fā)生率逐漸減少，且400～800m內(nèi)森林分布面積最廣，局地氣象條件和微地形條件都利于林火蔓延，是最主要的過火區(qū)域[28,36]，所以火災(zāi)發(fā)生率和火災(zāi)面積隨著海拔的升高呈先增加后減少的變化趨勢，且集中發(fā)生于400～800m的海拔范圍內(nèi)[28,36]。這種變化規(guī)律導(dǎo)致中部地區(qū)火災(zāi)發(fā)生密度較高，東南部地區(qū)比較容易發(fā)生重大及以上規(guī)模的森林火災(zāi)，另外由于西線緊鄰國境線，受外國入境火影響較大，導(dǎo)致西線火災(zāi)密度也相對較高，并且容易發(fā)生重大及以上規(guī)模的森林火災(zāi)[37]。在坡向分布上，南坡和西南坡的火災(zāi)發(fā)生率最高，東坡和東北坡向的過火面積最大。這是因為西南坡和南坡屬于陽坡，吸收的太陽輻射多，溫度相應(yīng)也高，