東北地區(qū)自然植被火動(dòng)態(tài)特征及其對干旱的響應(yīng)

于成龍, 劉 丹, 何 鋒, 韓俊杰

(1.中國氣象局 東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象院士工作站, 黑龍江 哈爾濱 150030; 3.黑龍江省氣象科學(xué)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150030)

火改變植被群落結(jié)構(gòu)[1]、碳水循環(huán)[2]、土壤化學(xué)成分[3]乃至全球氣候系統(tǒng)[4]。遙感監(jiān)測以其監(jiān)測范圍大、成本低、人機(jī)交互判識率高等特點(diǎn)，成為當(dāng)前火點(diǎn)監(jiān)測及過火面積提取的重要手段之一[5]，目前成序列的衛(wèi)星監(jiān)測產(chǎn)品主要有美國航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)基于Terra和Aqua衛(wèi)星數(shù)據(jù)的近20 a全球火數(shù)據(jù)產(chǎn)品MCD45A1和MCD64A1(空間分辨率為500 m)[6]；歐洲航天局(European Space Agency， ESA)Globcarbon計(jì)劃支持的碳監(jiān)測產(chǎn)品(空間分辨率為1 000 m)[7]，氣候變化項(xiàng)目(climate change initiative， CCI)支持的全球火燒面積產(chǎn)品Fire_cciv4.1(空間分辨率為300 m)和Fire_cciv5(空間分辨率為250 m)[8]等，這些產(chǎn)品為全球植被燃燒規(guī)律[9-10]、火排放[11-12]、火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)[13-14]等的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

東北境內(nèi)有廣袤的森林和草原，歷來是森林(草原)火災(zāi)的高發(fā)區(qū)。隨著全球氣候變化，該地區(qū)氣溫增加趨勢明顯，降水分布不均，大面積干旱時(shí)有發(fā)生，森林(草原)火動(dòng)態(tài)形勢值得關(guān)注。許多學(xué)者從森林火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的時(shí)空分布規(guī)律[15]、火源特點(diǎn)[16]、碳排放量估算[17]、火險(xiǎn)區(qū)劃[18]以及火對氣候變化的響應(yīng)[19]等方面開展了廣泛研究，為進(jìn)一步開展自然生態(tài)系統(tǒng)火干擾研究提供了理論基礎(chǔ)。2000—2015年是自19世紀(jì)80年代以來最溫暖的時(shí)段[20]，為回答在近幾十年中最暖時(shí)段東北地區(qū)自然植被火的發(fā)生發(fā)展規(guī)律及其對干旱的響應(yīng)，本研究以東北地區(qū)自然植被為研究對象，基于MCD64A1數(shù)據(jù)和改進(jìn)帕默爾干旱指數(shù)(self-calibrating palmer drought severity index， scPDSI)，從季節(jié)和年際尺度，分析2002—2017年東北地區(qū)自然植被火次數(shù)和過火面積的時(shí)空變化特征；探尋季節(jié)和年際尺度下火對scPDSI的響應(yīng)關(guān)系，明確干旱對年平均發(fā)生火次數(shù)和平均單次過火面積的影響。從而為區(qū)域火管理、火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)和森林資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市及興安盟[21]，位于東經(jīng)111.15°—135.09°，北緯37.95°—53.56°之間，土地面積7.87×105km2，境內(nèi)有大興安嶺、小興安嶺、長白山系和東北平原(包括松嫩平原、遼河平原和三江平原)，海拔高度在2～2 667 m之間。該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，近30 a(1981—2010年)年平均氣溫-4.08～11.34 ℃，年降水量199.53～1 170.60 mm，日平均日照時(shí)數(shù)5.26～9.21 h[22]。該區(qū)植被屬歐亞森林、草原植物亞區(qū)和中國—日本森林植物亞區(qū)，分布著寒溫帶針葉林、溫帶針闊葉混交林、暖溫帶落葉闊葉林和廣袤的草原[23]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 MCD12Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品 本研究基于MODIS的MCD12Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品(土地類型覆蓋產(chǎn)品)的“IGBP全球植被分類方案”的分類結(jié)果提取研究區(qū)自然植被分布范圍，該數(shù)據(jù)原始空間分辨率為500 m。研究中將MCD12Q1數(shù)據(jù)分類結(jié)果分為自然植被(森林、灌木林地、草地、濕地)和非自然植被(包括城市用地、農(nóng)田、水體和雪地)，東北地區(qū)森林和草地分別占自然植被總面積的47.74%和52.24%，因此把森林和草地作為研究對象。

1.2.2 MCD64A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品 MCD64A1數(shù)據(jù)是MODIS數(shù)據(jù)的燃燒面積(burned area)累計(jì)月合成值產(chǎn)品，原始空間分辨率為500 m，包括燃燒日期(burn date)、燃燒數(shù)據(jù)不確定性(burn date uncertainty)、質(zhì)量確認(rèn)(quality assurance)等5個(gè)文件。在燃燒日期文件中的DN值含義詳見表1。

MCD12Q1和MCD64A1數(shù)據(jù)均應(yīng)用MODIS Reprojection Tool software(MRT)V4.0進(jìn)行影像的拼接、重采樣和投影轉(zhuǎn)換(由Sinusoidal投影轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度投影)等預(yù)處理，時(shí)間范圍為2002—2017年，空間范圍為東北地區(qū)。

表1 MCD64A1燃燒日期的像元分級

1.2.3 scPDSI數(shù)據(jù) 選用全球月尺度scPDSI數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)來源于英國東英格利亞大學(xué)(University of East Anglia， UEA)氣候研究中心(Climatic Research Unit)編輯的降水和干旱數(shù)據(jù)集(http:∥www.cru.uea.ac.uk/)，數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.5°×0.5°的柵格數(shù)據(jù)，本研究所用數(shù)據(jù)為2002年1月至2017年12月，由CRUTS3.26月尺度氣候數(shù)據(jù)集驅(qū)動(dòng)，無量綱，數(shù)據(jù)范圍為[-5.0,5.0]。為減小邊緣鋸齒，將scPDSI柵格數(shù)據(jù)重采樣為空間分辨率為0.005°×0.005°。

1.2.4 地面監(jiān)測數(shù)據(jù) 利用2次地面監(jiān)測火點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證MCD64A1數(shù)據(jù)的精度，地面監(jiān)測地點(diǎn)和過火面積情況詳見表2。

表2 地面監(jiān)測火場信息

1.2.5 地理信息數(shù)據(jù) 數(shù)字高程模型(DEM)為SRTM地形產(chǎn)品V4.1版本數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn)。研究所需的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來自于中國氣象局下發(fā)的1∶25萬基礎(chǔ)地理信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行拓補(bǔ)檢查。

1.3 研究方法

1.3.1 火點(diǎn)數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證 把地面監(jiān)測的起火位置疊加到MCD64A1數(shù)據(jù)對應(yīng)日期的圖層上，結(jié)果顯示2次起火位置均準(zhǔn)確落入MCD64A1數(shù)據(jù)代表的燃燒點(diǎn)上，利用MCD64A1數(shù)據(jù)計(jì)算的燃燒面積分別為14.21和20.56 km2，誤差率分別為-3.46%和-7.02%，可見MCD64A1數(shù)據(jù)可以作為分析東北地區(qū)火時(shí)空動(dòng)態(tài)特征的數(shù)據(jù)源。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)方法 四季劃分標(biāo)準(zhǔn)為：3—5月為春季；6—8月為夏季；9—11月為秋季；1，2和12月為冬季。為避免重復(fù)統(tǒng)計(jì)火點(diǎn)次數(shù)，把當(dāng)年同一地點(diǎn)發(fā)生多次火點(diǎn)記錄記為1次。采用趨勢分析和Pearson相關(guān)性分析方法，統(tǒng)計(jì)火點(diǎn)發(fā)生時(shí)間、面積的變化趨勢，采用SPSS軟件中的曲線估計(jì)工具，分析火與干濕狀況的關(guān)系。

1.3.3 干濕等級劃分 參考王兆禮[24]的干濕等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將scPDSI從極端干旱到極端濕潤劃分為9個(gè)等級(詳見表3)。

表3 scPDSI干濕等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 自然植被火的時(shí)間尺度差異

2.1.1 時(shí)間分布特征 由圖1可知，東北地區(qū)森林火年平均為284±170次，其中2008年最多(為769次)，2012年最少(84次)，2002年以來呈顯著下降趨勢(sig.=0.047)，下降速度為每年18次；草地火年均為366±220次，其中2015年最多(為836次)，2004年最少(為89次)，2002年以來呈極顯著上升趨勢(sig<0.001)，上升速度為每年36次。分析年平均過火面積的年際變化可見，森林火點(diǎn)16 a平均面積為0.98±0.63 km2，2008年最大(2.40 km2)，2012年最小(0.22 km2)，2002年以來呈線性增加趨勢，但未通過95%的顯著性檢驗(yàn)；草地火點(diǎn)16 a平均面積為0.84±0.44 km2，2012年最大(為1.95 km2)，2017年最小(為0.38 km2)，2002年以來呈線性減小趨勢，但同樣未通過95%的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 東北地區(qū)2002-2017年自然植被火點(diǎn)年際變化

由季節(jié)分析可見(圖2)，春季和秋季是森林和草地火的多發(fā)期，2002年以來森林在春季平均每年發(fā)生179±159次火，秋季平均發(fā)生83±82次，夏季只有25±35次，這種規(guī)律在2008年表現(xiàn)尤為明顯，該年森林火總次數(shù)為769次，其中春季高達(dá)693次；草地在春季平均每年發(fā)生175±171次，秋季115±108次，夏季76±43次，在2013年以后火災(zāi)次數(shù)明顯增多，每年均超過400次，最多的2015年達(dá)到836次，總體上來看在草地發(fā)生的火次數(shù)要多于森林。從時(shí)間變化趨勢上看，春季、夏季和秋季森林火次數(shù)呈減少趨勢，但均未達(dá)顯著水平(sig.>0.05)；草地火次數(shù)在夏季呈減少趨勢，未達(dá)到顯著水平，但在春季呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(sig.=0.003，平均每年增加25次)，在秋季呈現(xiàn)顯著增加趨勢(sig.=0.035，平均每年增加12次)。

圖2 東北地區(qū)2002-2017年自然植被火次數(shù)的季節(jié)變化特征

統(tǒng)計(jì)森林和草地在春、夏、秋季平均過火面積可見(圖3)，森林(0.76 km2)總體小于草地(0.80 km2)，各季節(jié)排序均為：春季(森林為1.03 km2，草地為1.11 km2)>夏季(森林為0.66 km2，草地為0.66 km2)>秋季(森林為0.58 km2，草地為0.62 km2)。分析各個(gè)季節(jié)森林平均過火面積的時(shí)間變化趨勢可見，草地均存在下降趨勢，森林均存在上升趨勢，但都未通過95%的顯著性檢驗(yàn)。

圖3 東北地區(qū)2002-2017年自然植被平均過火面積的季節(jié)變化特征

2.1.2 空間分布特征 由圖4可以看出，2002年以來森林火點(diǎn)主要分布在大興安嶺和小興安嶺，長白山脈只有零星分布，集中分布區(qū)域與春季相近；草地火點(diǎn)覆蓋了呼倫貝爾、松嫩平原和霍林郭勒，較為集中的區(qū)域在松嫩平原西部和呼倫貝爾西北部。

從不同季節(jié)火點(diǎn)的空間分布可見(圖5)，春季森林火主要集中在3個(gè)區(qū)域： ①沿大興安嶺中南部區(qū)域：鄂倫春自治旗中部—阿榮旗西部—扎蘭屯市北部一線； ②中俄邊境區(qū)域：呼瑪縣東部和鄂倫春自治旗東北部； ③小興安嶺東南部區(qū)域：包括遜克縣、嘉蔭縣、慶安縣北部、鶴崗市南部。夏季森林火密度明顯小于春季，春季時(shí)火最密集的區(qū)域(沿大興安嶺中南部)很少有夏季火出現(xiàn)，而春季火較少的大興安嶺北部區(qū)域(額爾古納市北部和呼瑪縣)夏季火明顯增多。秋季火分布區(qū)域與春季相近，但火密度小于春季。

圖4 東北地區(qū)2002-2017年自然植被火點(diǎn)空間分布

圖5 東北地區(qū)2002-2017年自然植被不同季節(jié)火點(diǎn)空間分布

春季草地火分布最集中的區(qū)域在松嫩平原西部，包括扎賚特旗、烏蘭浩特市、科爾沁右旗前旗東部、齊齊哈爾市、杜蒙縣、大慶市、泰來縣；其它草地有零星分布。夏季草地火最集中的區(qū)域在呼倫貝爾草原，松嫩平原區(qū)域火密度明顯減小，其它地區(qū)的火密度與春季相近。秋季火集中的區(qū)域有呼倫貝爾草原和松嫩平原，其它區(qū)域的火密度也大于春季和夏季。

2.2 自然植被火對干濕狀況響應(yīng)的尺度差異

2.2.1 火對scPDSI的響應(yīng) 在年際尺度上分析森林和草地火次數(shù)與對應(yīng)scPDSI的相關(guān)性可見，森林火次數(shù)與scPDSI呈現(xiàn)弱的相關(guān)關(guān)系(y=-61.60x+261.45，R2=0.201 8， sig.=0.081)，草地火次數(shù)與scPDSI呈現(xiàn)出極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(y=-298.55x-233.24，R2=0.662 4， sig.<0.001)。在季節(jié)尺度上，春季和秋季的森林火次數(shù)與對應(yīng)的scPDSI均呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(春季：y=-59.58x+161.65，R2=0.269 1， sig.=0.040；秋季：y=-26.61x+66.92，R2=0.307 9， sig.=0.026)，夏季未見顯著相關(guān)關(guān)系，春季與對應(yīng)的前一年冬季的scPDSI也未見顯著相關(guān)關(guān)系；春季和秋季的草地火次數(shù)與對應(yīng)的scPDSI均呈極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(春季：y=-104.57x-4.59，R2=0.425 6， sig.=0.006，秋季：y=-48.58x+1.56，R2=0.395 1， sig.=0.009)，其它季節(jié)未見顯著相關(guān)關(guān)系?？梢姴莸鼗鸫螖?shù)對scPDSI的敏感性要大于森林。

用同樣的方法分析年際尺度上森林和草地的過火面積與對應(yīng)scPDSI之間的相關(guān)關(guān)系可見，森林過火面積與scPDSI呈現(xiàn)弱的相關(guān)關(guān)系(y=170.60e-0.385x，R2=0.242 8， sig.=0.053)，草地的過火面積與scPDSI呈現(xiàn)極顯著指數(shù)關(guān)系(y=57.82e-0.696x，R2=0.454 9， sig.=0.006)。

從季節(jié)尺度上看，春季森林過火面積、秋季森林過火面積、春季草地過火面積與對應(yīng)的scPDSI均呈顯著的指數(shù)關(guān)系(春季森林：y=94.72e-0.460x，R2=0.265 2， sig.=0.041；秋季森林：y=11.97e-0.835x，R2=0.370 3， sig.=0.012；春季草地：y=38.34e-0.576x，R2=0.275 7， sig.=0.037)；夏季森林和草地的過火面積與對應(yīng)的scPDSI均未見顯著相關(guān)關(guān)系，春季森林與對應(yīng)的前一年冬季的scPDSI也未見顯著相關(guān)關(guān)系；秋季的草地過火面積與對應(yīng)的scPDSI呈極顯著的指數(shù)關(guān)系(y=7.176e-0.700x，R2=0.681 4， sig.<0.001)。說明scPDSI對秋季草地的過火面積影響最大。其原因可能是秋季草地的地上生物量大于春季和夏季，即使在植被自身含水量相同的情況下，一旦起火，可燃物載量大，火蔓延速率快，火強(qiáng)度大，過火面積可能就會增大。

2.2.2 火對干旱等級的響應(yīng) 為了解森林和草地在不同時(shí)間尺度下對不同干旱等級的響應(yīng)規(guī)律，分別季節(jié)和年尺度提取了森林和草地的年平均發(fā)生火次數(shù)、平均單次過火面積對應(yīng)的干旱等級(圖6)，分析可見，在年際尺度上，森林和草地同樣表現(xiàn)為隨著干旱程度的加深，年平均發(fā)生火次數(shù)有增加的趨勢，但均未達(dá)到顯著水平。用同樣的方法分析干旱等級對平均單次過火面積對的影響，結(jié)果顯示與年平均發(fā)生火次數(shù)有相似的規(guī)律，但干旱的貢獻(xiàn)均未達(dá)到顯著水平。

在季節(jié)尺度上，春、秋季的森林和草地火的次數(shù)對干旱等級有所響應(yīng)，表現(xiàn)為隨著干旱程度加深年平均火次數(shù)和平均單次過火面積都增加的趨勢，通過相關(guān)分析探尋干旱對森林和草地火次數(shù)的貢獻(xiàn)程度可見，春季和秋季的干旱對森林和草地火的次數(shù)和平均單次過火面積的貢獻(xiàn)都達(dá)到極顯著水平(sig.<0.010)，夏季干旱對森林火的次數(shù)和平均單次過火面積的貢獻(xiàn)都達(dá)顯著水平(sig.<0.050)。

3 討 論

NASA的Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的兩個(gè)中分辨率成像光譜儀(MODIS)提供了近20 a來的全球火數(shù)據(jù)，為研究區(qū)域乃至全球火的變化規(guī)律、火對全球氣候變化的響應(yīng)等科學(xué)問題提供了較長時(shí)間序列的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Fusco等[25]、祖笑鋒等[26]、王衛(wèi)國等[27]利用MCD45A1數(shù)據(jù)開展火生態(tài)的相關(guān)研究取得了可信結(jié)果；賈旭等[28]在分析內(nèi)蒙古自治區(qū)野火時(shí)空變化特征時(shí)，利用Landsat數(shù)據(jù)對MCD45A1數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出MCD45A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以作為大范圍火災(zāi)情監(jiān)測的重要手段的結(jié)論；鄧歐等[18]將MCD45A1數(shù)據(jù)與黑龍江省森林歷史火點(diǎn)記錄進(jìn)行疊加，認(rèn)為在時(shí)空分布上兩種數(shù)據(jù)源均具有較高的相關(guān)性；可見MCD45A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有較好的可用性，并可用于東北地區(qū)。本研究所應(yīng)用的MCD64A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在MCD45A1算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，顯著提高了對小燒傷的檢測能力，適度減少了燒傷日期的時(shí)間不確定性，并大大減少了未映射區(qū)域的范圍[29-31]。另外，本研究利用2次火的地面記錄與MCD64A1數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，誤差率分別為-3.46%和-7.02%，可見MCD64A1數(shù)據(jù)可以作為分析東北地區(qū)火時(shí)空動(dòng)態(tài)特征的數(shù)據(jù)源。

本研究發(fā)現(xiàn)，春季和秋季是東北地區(qū)森林和草地火的多發(fā)期，這與許多同類研究結(jié)果一致，如田曉瑞等[32]在研究中國主要生態(tài)地理區(qū)的林火動(dòng)態(tài)特征后得出了北方地區(qū)的火災(zāi)主要發(fā)生在春季和秋季的結(jié)論；李興華等[33]研究了1981—2007年的內(nèi)蒙古東北部地區(qū)森林草原火災(zāi)時(shí)間變化規(guī)律，其中2002—2007年與本研究時(shí)段重合，這段時(shí)間火災(zāi)次數(shù)的變化規(guī)律也與本研究一致。

注：干旱等級中1為極端濕潤，2為嚴(yán)重濕潤，3為中等濕潤，4為輕微濕潤，5為正常，6為輕微干旱，7為中等干旱，8為嚴(yán)重干旱，9為極端干旱。圖6 干濕程度對應(yīng)的年平均火次數(shù)和平均單次過火面積

自然植被火是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象，干旱往往是其高發(fā)和蔓延的重要誘因之一，本研究表明，草地火對干旱的敏感程度要大于森林，此結(jié)論與Wragg等[34]的研究結(jié)果一致，分析其原因與植被自身特點(diǎn)和scPDSI有關(guān)，火的起因與植被和死地被物的含水量有密切關(guān)系[35-36]，scPDSI劃分的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)是淺層土壤的旱澇程度[37]，森林主要利用深層土壤水分，草地主要利用淺層土壤水分，因此當(dāng)scPDSI處于干旱等級(scPDSI<-1)時(shí)，草自身的含水量會比森林下降得更快，同時(shí)草地的死地被物上層無遮擋，水分蒸發(fā)速度相對于有樹冠遮擋的林下地被物更大，因此起火和火蔓延的可能性更大。

本研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，除其固有的空間分辨率的限制外，本研究的局限性還在于：MCD64A1數(shù)據(jù)監(jiān)測火受到云和濃煙的干擾，因此監(jiān)測結(jié)果可能偏??；僅統(tǒng)計(jì)了火次數(shù)和面積與對應(yīng)季節(jié)或年份干旱等級之間的關(guān)系，沒有區(qū)分獨(dú)立干旱和連續(xù)干旱對火的影響。盡管存在以上不足，但本研究還是以定量的方式給出了火次數(shù)和過火面積與干濕狀況的關(guān)系，從而為森林(草原)火險(xiǎn)預(yù)測預(yù)報(bào)、野火防范和撲救等提供可靠參考。

4 結(jié) 論

(1) 在季節(jié)尺度上，東北地區(qū)春季和秋季是森林和草地火的多發(fā)期，而且草地火災(zāi)次數(shù)呈顯著增加趨勢；在年際尺度上，森林火次數(shù)少于草地，但年平均過火面積大于草地，森林火次數(shù)呈顯著下降趨勢，草地火次數(shù)呈極顯著上升趨勢。

(2) 無論是季節(jié)尺度，還是年際尺度，東北地區(qū)火次數(shù)與scPDSI均呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，過火面積與scPDSI呈負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系。

(3) 在春季和秋季，隨著干旱程度的加深，東北地區(qū)森林和草地火的次數(shù)和平均單次過火面積均有增加的趨勢；年際尺度也有同樣的規(guī)律。