大興安嶺地區(qū)夏季森林火災環(huán)境因子特征分析

何 誠 舒立福 劉柯珍

（1. 南京森林警察學院，江蘇 南京 210023；2. 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)局森林保護學重點開放實驗室，北京 100091）

自20世紀初以來，全球氣溫屬于變暖的過程，平均地表氣溫上升了0.74 ℃[1]，而全球氣候變暖，導致一些極端氣候現(xiàn)象的產(chǎn)生，如“厄爾尼諾”現(xiàn)象，這些極端現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成夏季火災發(fā)生次數(shù)逐漸增多[2-3]。2007—2010年夏季美國發(fā)生了一系列嚴重的森林大火[4-5]；2007年希臘的夏季發(fā)生的森林火災總面積超過26萬hm2，其中，8月24日至26日，人為火原因造成的特大森林火災過火面積18萬hm2，是歐洲10年來最大的森林火災[6-7]；2010年俄羅斯夏季發(fā)生了特大森林火災，火災撲救共投入16.6萬人，機械設備2.65萬臺，過火面積超過19萬hm2[8-9]。夏季火頻發(fā)，而且造成資源、人力、物力嚴重損失引起了國際組織、各國政府的高度重視。近年來，中國也出現(xiàn)了夏季森林火災頻發(fā)的現(xiàn)象，尤其是內(nèi)蒙古、黑龍江等中、高緯重要林區(qū)，受到夏季火的焚燒和侵擾有逐年上升的趨勢[10-11]，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)夏季火以雷擊火的火因居多，以2017年在內(nèi)蒙古汗馬自然保護區(qū)的雷擊火為典型案例。2000年后，受氣候變化影響，原本只有春季、秋季2個火險期，夏季很少發(fā)生火災，如今火險期延長，夏季火災頻發(fā)[12]。2002年夏季，我國東北林區(qū)共發(fā)生火災142起（包括草原火），其中林火占62%，因雷擊而造成火災占26%。特別是2002年“7·28”特大森林火災，其過火面積和強度是建國以來最大的一場夏季森林火災，過火面積為16 493 hm2，燒 毀 森 林13 808 hm2[10]。2020年7月15日 至17日，黑龍江省大興安嶺林區(qū)阿木爾林業(yè)局發(fā)生雷擊火4起，夏季火嚴重威脅了北方林區(qū)。目前我國對夏季火的研究主要集中在夏季火的特征、火災發(fā)生時空分布特點，而對于夏季火火環(huán)境的研究較少。

火環(huán)境是林火發(fā)生、發(fā)展的重要條件，氣候因素、天氣因素、地形因素與可燃物等因素互為環(huán)境條件[13]。Veraverbeke等[9]首先評估了2007年在希臘的伯羅奔尼撒森林火災對環(huán)境影響的嚴重程度；舒立福等[14-15]于2003年對我國大興安嶺呼中林區(qū)雷擊火發(fā)生火環(huán)境進行了研究，并針對大興安嶺林區(qū)地下火形成火環(huán)境進行了闡述，系統(tǒng)分析研究了森林地下火發(fā)生的火環(huán)境。我國對火環(huán)境的研究相對于林火管理先進國家處于落后狀態(tài)，20世紀90年代后對火環(huán)境研究逐漸重視，區(qū)域及研究內(nèi)容主要集中于大興安嶺地下火、大興安嶺呼中林區(qū)山地偃松（Pinus pumila）林雷擊火發(fā)生的火環(huán)境、滇中昆明地區(qū)森林火災的火環(huán)境，境外火的火環(huán)境，以及云南松（Pinus yunnanensis）林飛火的火環(huán)境研究[16-19]。但大興安嶺地區(qū)面臨夏季火火災逐年上升的趨勢，對大興安嶺夏季火環(huán)境的研究卻屈指可數(shù)，極端天氣的頻繁發(fā)生迫切需要對夏季森林火災有新的科學認識。本研究以大興安嶺林區(qū)為研究對象，通過夏季林火火場調(diào)研，結合氣象數(shù)據(jù)，從地形、可燃物、氣象要素方面，研究大興安嶺林區(qū)夏季火災的火環(huán)境，以期為相關管理部門制定防火策略、進行夏季火管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

黑龍江大興安嶺區(qū)域（以下簡稱大興安嶺）處于北緯50°10′～53°33′，東經(jīng)121°12′～127°00′，全區(qū)管轄包括管轄3縣（呼瑪、塔河和漠河）、4區(qū)（加格達奇、松嶺、新林和呼中）以及10個林業(yè)局，總面積為835.12萬hm2。研究區(qū)土壤類型包括：棕色針葉林土、暗棕壤、灰黑土、草甸土、沼澤土，地勢不高，海拔700～1 000 m。研究區(qū)溫度帶屬于寒溫帶，年平均溫度在0 ℃以下，自東南部向西北部，受大氣環(huán)流季風影響，火險期具有明顯的季節(jié)變化。冬季漫長寒冷，基本上不發(fā)生火災；春秋季天氣條件變化劇烈，常出現(xiàn)高溫、低濕和大風天氣，是研究區(qū)重要火險期；夏季溫差變化大、降水量集中，基本不發(fā)生森林火災，但受氣候變化影響，近年來氣溫升高、降水偏少、干雷暴火點頻繁，成為林火高發(fā)期，且夏季火災因雷擊火的原因發(fā)生在原始林區(qū)居多，交通不便，撲救難度大，損失嚴重。

該區(qū)域引發(fā)夏季火的主要原因是干雷暴，6月、7月是發(fā)生雷擊火相對較多的月份[20-21]。目前，中國大部分區(qū)域?qū)Υ?、秋季防火期的時間進行了界定，而對于夏季火險期時間還沒有統(tǒng)一的標準，本研究根據(jù)北方林區(qū)的春季防火期（每年的3月15日—6月15日）、秋季防火期（每年的9月15日—11月15日）的時間，對夏季防火期的時間進行了界定，即春季防火期末與秋季火險期初期，推算界定夏季防火期為每年的6月16日—9月14日[22]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 樣地數(shù)據(jù)

按可燃物類型分析、整理黑龍江大興安嶺2000—2004年的28個夏季林火火燒跡地，437塊樣地的數(shù)據(jù)和資料，具體分布見圖1，其中包括人為火和雷擊火的空間分布。

圖 1 夏季火樣地空間分布Fig. 1 Location of summer fires plots

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)

研究區(qū)域中氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），大興安嶺地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)涵蓋9個氣象站（包括內(nèi)蒙古和黑龍江地區(qū)），區(qū)域包括：漠河、塔河、新林、呼瑪、額爾古納右旗、圖里河、小二溝、博克圖和阿爾山，其中擇選出黑龍江大興安嶺4個氣象站，區(qū)域包括漠河、塔河、新林、呼瑪。通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取了黑龍江大興安嶺林區(qū)從1966—2015年的夏季火險期（6月16日—9月14日）地面氣象資料，統(tǒng)計其地表日氣象數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、平均降水量、平均風速和最小相對濕度，對大興安嶺林區(qū)近50年來的氣候變化趨勢進行了分析。

2.2 潛在火險因子

2.2.1 可燃物因子

大興安嶺林區(qū)是我國的重點國有林區(qū)，因受寒溫帶大陸性氣候影響，垂直方向植被結構層次少，多樣性較低。優(yōu)勢建群種是興安落葉松（Larix gmelinii），主要喬木有樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、白 樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、魚鱗云杉（Picea jezoen）；灌木植被主要有越桔（Vaccinium vitis-idaea）、篤斯越桔（V. uliginosum）、杜香（Ledum palustre）、偃松；相對于喬木層和灌木層來說，大興安嶺林區(qū)內(nèi)的草本層較為發(fā)達，總覆蓋度超過90%，主 要包括地榆（Sanguisorba officinalis）、小葉章（Deyeuxia angustifolia）等[23]。不同可燃物類型樣地的數(shù)量分布見表1。

表 1 不同可燃物類型樣地的數(shù)量分布Table 1 Numbers and characteristics of plots with different fuel types

2.2.2 地理因子

黑龍江大興安嶺地區(qū)地形特征呈現(xiàn)出北部較低、南邊較高的現(xiàn)象。北部包括漠河一帶海拔高度為700～800 m，中部地區(qū)海報高度約1 000～1 200 m，南部林區(qū)地形海拔高約1 200～1 500 m，另外林區(qū)總體地形表現(xiàn)為東側(cè)較陡、西側(cè)較緩。大興安嶺的地貌類型可以分為山地和臺原。山地地勢比較平緩，80%以上的山地坡度為小于15°的緩坡。臺原主要分布在伊勒呼里山以北，地形相對破碎，但山頂較平坦，高差相對小[24-28]。不同坡度、海拔的雷擊火和人為火分布情況分別見圖2～3。

圖 2 不同坡度的雷擊火和人為火分布Fig. 2 Distribution of lightning fires and human-caused fires in different slopes

圖 3 不同海拔的雷擊火和人為火分布Fig. 3 Distribution of lightning fires and human-caused fires in different elevation

3 結果與分析

3.1 不同種類夏季火發(fā)生的可燃物類型

按照林火發(fā)生的位置將林火分為森林地表火、森林地下火、森林樹冠火。由表2可知，大興安嶺地區(qū)夏季林火以地表火為主，因為林區(qū)內(nèi)的草本層較發(fā)達，容易在林地表面起火蔓延。森林地下火普遍存在于落葉松-杜鵑林、落葉松-偃松林、落葉松-草叢林和闊葉混交林中，發(fā)生比例分別為50%、70%、60%、40%，其中以落葉松-偃松林最多；樹冠火主要發(fā)生于偃松矮曲林中，比例達80%。

與春、秋兩季不同，大興安嶺夏季林火可以為2種或3種林火種類共同存在，以森林地表火和森林地下火所占比例較多。林火發(fā)生時先是燃燒地表的枯枝落葉或草層，形成地表火，然后逐漸蔓延、擴散到腐殖質(zhì)層進行陰燃，形成地下火。在腐殖質(zhì)層較薄的地段或地縫，森林地下火接觸到地表可燃物后，又可燃出地面轉(zhuǎn)為地表火，與此同時，當?shù)乇砘鹩龅酱箫L或燃燒梯狀可燃物時，會蔓延燃燒森林上方，又可演變?yōu)闃涔诨稹Ｔ谶@3種類型火災中，以森林地下火對森林的危害最大[14,29]。

3.2 不同種類夏季火發(fā)生的地形特征

地形為影響森林火災主要因素之一，其中包含坡度、坡向、坡位、海拔、地貌或地表形狀等因子。研究區(qū)不同坡向、坡度統(tǒng)計的各種夏季林火發(fā)生比例見表3。由表3可知，地下火的發(fā)生受坡度影響不大，而陰坡比陽坡發(fā)生地下火概率要高。樹冠火發(fā)生概率隨著坡度增大而增加，當坡度在20°時，樹冠火發(fā)生概率高達45%；陽坡發(fā)生樹冠火的概率大于陰坡。

表 2 不同林分類型夏季林火發(fā)生比例及地形特征Table 2 Proportion of summer forest fires in different stand types and its topographic characteristics

續(xù)表 2

表 3 不同坡位、坡度夏季林火發(fā)生比例Table 3 Proportion of summer forest fires in different slope and aspect

3.3 不同種類夏季火發(fā)生的氣候特征

3.3.1 氣溫

1966—2015年間各氣象站夏季防火期日均溫的變化見圖4。由圖4可知，各氣象站夏季日均溫近50年呈顯著增加的趨勢，隨著年份的遞增，大興安嶺林區(qū)的平均溫度緩慢增加。最后10年各氣象站日均溫與最初的10年相比，溫度增加了1.1 ℃。溫度是影響森林火災的又一個重要影響因素，溫度升高，不但可以加快可燃物含水量蒸發(fā)，而且可燃物自身的溫度也提高，進而使可燃物容易被點燃，這些因素會導致大興安嶺森林火險等級升高。

圖 4 1966—2015年各氣象臺夏季防火期的日均溫Fig. 4 Daily mean temperature of each weather station in summer fire season during 1966-2015

3.3.2 降水量

1966—2015年各氣象臺夏季防火期的降水量見圖5。由圖5可知，1966—2015年，夏季防火期降水量整體增加趨勢不明顯，可分成3個階段。第1階段：1966—1980年降水量上下幅度變化較小，降水量比較集中；第2階段：1981—1999年降水量變化幅度明顯增大，降水量也較多；第3階段：2001—2015年降水量與前一階段相比，明顯減少，變化也相對比較集中。20世紀80—90年代（1981—1999年）夏季降水量的平均值分別比1966—1980年和2001—2015年增加了12.3%和11.3%。

圖 5 1966—2015年各氣象臺夏季防火期的降水量Fig. 5 Mean precipitation of each weather station in summer fire season during 1966-2015

3.3.3 日平均風速

1966—2015年各氣象臺夏季防火期的日均風速見圖6。由圖6可知，1966—2015年各氣象臺夏季日風速的平均值整體上呈顯著下降的趨勢，最后10年夏季日均風速比最初10年下降了13.6%，特別是20世紀80—90年代夏季日風速的平均值下降幅度最大。大興安嶺林區(qū)內(nèi)部復雜，其區(qū)域林火發(fā)生后會產(chǎn)生小氣候，相比大氣候，小氣候環(huán)境對林火的發(fā)生、火行為特征影響更大（一般山脊風速較大，山谷風速較?。?，內(nèi)部相互影響機制也極為復雜。

圖 6 1966—2015年各氣象臺夏季防火期的日均風速Fig. 6 Daily mean wind speed of each weather station during 1966-2015

3.3.4 日最小相對濕度

1966—2015年各氣象臺夏季防火期的最小相對濕度的均值見圖7。由圖7可知，1966—2015年的夏季日時間區(qū)段，最小相對濕度的平均值整體呈下降的趨勢，其中2008年各氣象臺反饋的日最小相對濕度的平均值達到最低峰值，之后雖略有升高，但整體還是小于2008年之前的日最小相對濕度的平均值；最后10年日最小相對濕度的平均值比最初10年下降了14.7%，特別是1997—2007年日最小相對濕度的平均值下降幅度最大。

圖 7 1966—2015年各氣象臺夏季防火期的最小相對濕度的均值Fig. 7 Mean of daily relative humidity minimum of each weather station in summer fire season during 1966-2015

4 結論與討論

本研究基于地理信息系統(tǒng)軟件、SPSS、Excel等軟件對黑龍江大興安嶺地區(qū)的夏季火時空分布進行分析；從地理特征、氣溫、降水量、空氣濕度、濕潤指數(shù)等多個方面分析了大興安嶺地區(qū)夏季氣候變化特征，數(shù)據(jù)分析表明大興安嶺夏季火以地表火和地下火為主，樹冠火發(fā)生較少。樹冠火主要出現(xiàn)在偃松矮曲林，發(fā)生比例達80%；其次是落葉松-蒙古櫟林，發(fā)生樹冠火的比例為15%。森林地下火主要出現(xiàn)在落葉松-偃松林中陰濕的環(huán)境，與坡度關聯(lián)性不大，相對于陽坡，陰坡發(fā)生地下火的概率更高，原因是大興安嶺地區(qū)氣候寒冷，凋落物分解緩慢，土壤層容易積累較厚的可燃物層，其中，陰坡積累的腐殖質(zhì)層更厚。

由本研究可知，1966—2015年，大興安嶺林區(qū)氣候變化顯著，特別是80年代和90年代后期，林區(qū)內(nèi)氣溫升高，降水量年際波動性較大，在降水量較少的年份，日最小相對濕度較小，林區(qū)氣候比較干燥，森林可燃物含水量低導致森林發(fā)生火災的危險等級增加。綜上可得降水量、溫度及坡度直接影響著大興安嶺夏季森林火災發(fā)生概率。1966—2015年間大興安嶺夏季防火期期間溫度、降水量、風速、最小相對濕度研究表明，黑龍江大興安嶺向暖干化趨勢發(fā)展，綜合大興安嶺林區(qū)的可燃物類型、林分層次以及地理因素，大興安嶺林區(qū)夏季發(fā)生火災的危險性概率增加。

夏季為是植物生長季節(jié)，高溫對植被生長影響大，所以夏季林火對生長中樹木的根、韌皮部和形成層危害較大，尤其對大興安嶺的主要樹種-落葉松傷害最大，原因是落葉松側(cè)根裸露，兩個相鄰側(cè)根間特別干燥，表面還積累大量富含油脂的死可燃物，火災造成落葉松林出現(xiàn)大片倒的現(xiàn)象。因此，森林防火管理部門應充分認識到夏季林火的高發(fā)性和危害性，制定有關夏季防火期的應對策略及預案，盡可能減少夏季火災造成的損失。森林夏季火產(chǎn)生的主要原因為雷擊火，如何預防和監(jiān)測森林夏季火，將是未來研究的重點方向。