大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)月動(dòng)態(tài)變化及發(fā)生預(yù)測(cè)研究

高 博，單仔赫，曹麗麗，單延龍，韓喜越，王明霞，尹賽男

（北華大學(xué) a.林學(xué)院；b.森林草原防滅火科技創(chuàng)新中心，吉林 吉林 132013）

森林火災(zāi)是干擾森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)因子，嚴(yán)重危害森林的結(jié)構(gòu)與功能以及人類的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。1987年大興安嶺林區(qū)發(fā)生的特別重大森林火災(zāi)過火總面積達(dá)1.33×106hm2，焚毀了85 萬m3木材[2]；2018年加州大火過火面積超60 000 hm2，摧毀建筑18 804 棟[3]。近年來，隨著全球氣候的變暖，森林火災(zāi)的發(fā)生開始呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[4]。由于各地的環(huán)境條件、地理位置、氣候條件等存在差異，森林火災(zāi)的高發(fā)期也不盡相同。為盡可能地減少森林火災(zāi)所造成的諸多損失，針對(duì)不同地區(qū)的森林防火期和重點(diǎn)防火區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)防范和管理，可以有效地預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生[5-9]。氣象因子是影響林火發(fā)生的重要生態(tài)因子[10]，林火的動(dòng)態(tài)變化是氣象因子協(xié)同作用的結(jié)果[11]。受地球公轉(zhuǎn)的影響，在不同月份各地區(qū)所接受的太陽輻射均存在差異[12-13]，各月份的天氣條件也有所不同[14]。因此，研究森林火災(zāi)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，探明氣象因子對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生的影響并進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)森林火災(zāi)的防控工作具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來，森林火災(zāi)的發(fā)生規(guī)律和影響因素的相關(guān)研究受到了廣泛關(guān)注。Fréjaville 等[15]研究了法國東南部森林火災(zāi)的發(fā)生規(guī)律，指出該地區(qū)春冬兩季不易發(fā)生森林火災(zāi)，山區(qū)森林火災(zāi)的發(fā)生變得更加頻繁；邸雪穎等[16]研究了塔河林業(yè)局的林火時(shí)空動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)每年的6月是該地森林火災(zāi)的高發(fā)期；何雨苓等[17]對(duì)云南省林火的時(shí)空特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明云南省的森林火災(zāi)主要發(fā)生在春冬兩季，主要分布在海拔1 000～3 000 m之間，同時(shí)陽坡更容易發(fā)生林火；Santana 等[18]基于MODIS 產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)巴西地區(qū)2001—2015年的火災(zāi)發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了研究，指出熱帶草原是火災(zāi)的高發(fā)區(qū)，年平均燃燒面積占總面積的25%，火災(zāi)周期為5～6 a；王雙等[19]利用湖南省2008—2018年的氣象、植被、人文數(shù)據(jù)等將湖南省的森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)劃分為5 個(gè)等級(jí)，其中邵陽市、衡陽市、永州市等地屬于高火險(xiǎn)地區(qū)；郭福濤等[20-21]建立了塔河地區(qū)人為火和雷擊火預(yù)測(cè)模型，其中人為火模型的準(zhǔn)確度可達(dá)80%；顧先麗等[22]在氣候變化的背景下對(duì)江西省的森林火災(zāi)進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，結(jié)果表明年均氣溫和海拔對(duì)江西省的林火發(fā)生影響較大，對(duì)未來贛州市和鷹潭市的林火發(fā)生增幅較為明顯。

黑龍江省地處我國最北端，大興安嶺地區(qū)更是黑龍江省森林火災(zāi)的多發(fā)區(qū)[23]。近年來，氣溫升高已對(duì)北方森林產(chǎn)生極大影響[24]，且我國北方干旱程度加劇[25]，更為森林火災(zāi)的發(fā)生創(chuàng)造了可能。林火發(fā)生次數(shù)能夠直觀反映森林火災(zāi)的發(fā)生概率，而火場(chǎng)面積則直接反映林火的危害程度。本研究以黑龍江省大興安嶺地區(qū)為研究對(duì)象，基于1997—2017年的歷史火災(zāi)資料和氣象數(shù)據(jù)，在月尺度上分析該地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)和火場(chǎng)面積的動(dòng)態(tài)變化特征，同時(shí)建立森林火災(zāi)發(fā)生預(yù)測(cè)模型，旨在為該地區(qū)森林火災(zāi)的預(yù)防和管控提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺是我國位置最北且面積最大的林區(qū)，同時(shí)也是保存較完好的原始森林[26-27]。大興安嶺位于黑龍江省西北部，地理坐標(biāo)介于121°12′～127°0′E，50°10′～53°33′N 之 間，北面與俄羅斯隔江相望，東南與黑龍江省黑河市、嫩江縣接壤，西南與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂倫春族自治旗毗鄰，西北與內(nèi)蒙古自治區(qū)額爾古納左旗為界。該區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫-2.6℃，最低溫度-52.3℃，年降水量428.6～526.8 mm，全年無霜期80～110 d[28]?？偯娣e為835 萬hm2，有林地面積為646.36 萬hm2，森林覆蓋率為75.16%[29]。植被類型主要以落葉松林和針闊混交林為主，主要喬木樹種包括興安落葉松Larix gmelinii、白樺Betula platyphylla、蒙古櫟Quercus mongolica等，主要灌木包括興安杜鵑Rhododendron dauricum、篤斯越桔Vaccinium uliginosum等[30]。

2 材料與方法

2.1 研究材料

森林火災(zāi)資料來自黑龍江省森林草原防滅火指揮部辦公室，數(shù)據(jù)包括黑龍江省大興安嶺地區(qū)1997—2017年森林火災(zāi)的起火地點(diǎn)、起火時(shí)間、經(jīng)緯度、火場(chǎng)總面積等信息。黑龍江大興安嶺地區(qū)矢量圖來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（http://www.webmap.cn）。

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http://data.cma.cn），整理并統(tǒng)計(jì)1997—2017年大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇、呼瑪、漠河、塔河、新林、呼中6 個(gè)氣象臺(tái)站的逐月氣象數(shù)據(jù)，保留最低氣壓、最低氣溫、最高氣壓、最高氣溫、20:00—翌日20:00 降水量、平均氣壓、平均2 min 風(fēng)速、平均氣溫、平均水氣壓、平均相對(duì)濕度、平均最低氣溫、平均最高氣溫、最大風(fēng)速、最大日降水量，共計(jì)14 個(gè)氣象要素。

2.2 研究方法

使用Excel 2019 軟件完成歷史火災(zāi)資料和氣象數(shù)據(jù)的整理；使用Origin 2018 軟件繪制大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生特點(diǎn)的月變化趨勢(shì)；使用ArcMap10.6 軟件繪制森林火災(zāi)火點(diǎn)分布圖和林火月動(dòng)態(tài)變化；運(yùn)用克里金法對(duì)林火發(fā)生次數(shù)和火場(chǎng)總面積進(jìn)行空間插值。

使用SPSS 22.0 軟件完成森林火災(zāi)發(fā)生與氣象要素的相關(guān)分析，然后篩選出顯著相關(guān)的氣象要素作為變量引入逐步回歸分析模型，方法選擇向前，即引入變量由少到多，每次增加一個(gè)，直至沒有可引入的變量為止。使用F和T檢驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證回歸方程的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[31]。

使用配對(duì)t檢驗(yàn)方法來驗(yàn)證林火發(fā)生預(yù)測(cè)模型的精度。配對(duì)t檢驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用在線性回歸分析的模型驗(yàn)證中[31-32]，通過比較真實(shí)值與模型預(yù)測(cè)值之間是否存在差異，如果P＞0.05，說明真實(shí)值與預(yù)測(cè)值之間不存在顯著差異，模型精度較高，反之則表明預(yù)測(cè)模型較低[33-34]。

3 結(jié)果與分析

3.1 大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)概況

由圖1可知，大興安嶺地區(qū)1997—2017年共計(jì)發(fā)生森林火災(zāi)776 起，共造成火場(chǎng)總面積1 171 585.73 hm2。大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)月變化趨勢(shì)整體呈單峰型，每年3月開始有林火發(fā)生，共發(fā)生14 起，占總次數(shù)的1.80%；之后隨著氣溫的回升林火發(fā)生次數(shù)開始急劇上升并在6月達(dá)到峰值，共發(fā)生火災(zāi)236 次，占總次數(shù)的30.41%；隨后發(fā)生次數(shù)開始下降，秋季以9月份林火發(fā)生次數(shù)最高，共發(fā)生40 起，占總次數(shù)的5.16%；從進(jìn)入11月起，直到次年2月則沒有林火的發(fā)生。從火場(chǎng)總面積上來看，5月的火場(chǎng)總面積最大，為623 951.20 hm2，占總火場(chǎng)面積的53.26%；其次是3月，火場(chǎng)總面積為330 733.00 hm2，占總火場(chǎng)面積的28.23%；10月、6月、4月的火場(chǎng)總面積分別為111 633.1（9.53%）、50 951.54（4.35%）和39 184.27 hm2（3.34%）。

圖1 1997—2017年大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)月變化特征Fig.1 Monthly variation characteristics of forest fires in Daxing’an mountains from 1997 to 2017

由圖2可知，1997—2017年大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生極為頻繁，火點(diǎn)主要集中分布在大興安嶺西部和東南部：以呼中林業(yè)局和韓家園林業(yè)局林火發(fā)生次數(shù)最多，分別發(fā)生118 起（15.21%）和107 起（13.79%）；其次為西林吉林業(yè)局（84 起）、松嶺林業(yè)局（71 起）、新林林業(yè)局（70 起）、加格達(dá)奇林業(yè)局（67 起）、塔河林業(yè)局（65 起）；十八站林業(yè)局、阿爾木林業(yè)局、圖強(qiáng)林業(yè)局等地區(qū)的森林火災(zāi)發(fā)生則相對(duì)較少。大興安嶺地區(qū)東部、南部以及東南部林火危害程度較大，尤其是松嶺林業(yè)局，共造成火場(chǎng)總面積392 821.50 hm2（33.53%），其次是十八站林業(yè)局（328 763.40 hm2）和呼瑪縣林業(yè)局（244 879.00 hm2）；之后是加格達(dá)奇林業(yè)局（85 926.37 hm2）、韓家園林業(yè)局（50 530.12 hm2）、呼中林業(yè)局（32 730.04 hm2）、南甕河自然保護(hù)區(qū)（13 942.47 hm2）、西林吉林業(yè)局（10 233.47 hm2）、塔河林業(yè)局（7 873.43 hm2）、新林林業(yè)局（3 285.37 hm2）；阿爾木林業(yè)局和圖強(qiáng)林業(yè)局的林火危害程度較小，分別造成火場(chǎng)總面積321.00、279.31 hm2。

圖2 1997—2017年大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)空間分布Fig.2 Spatial distribution of forest fires in Daxing’an mountains from 1997 to 2017

3.2 大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)月動(dòng)態(tài)變化特征

由圖3可知，大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生在月尺度上的動(dòng)態(tài)變化大致呈先由南向北逐漸增加，之后又逐漸回落的趨勢(shì)。春季（3—5月）的森林火災(zāi)主要發(fā)生在南部或東南部，其中3月松嶺林業(yè)局和呼瑪縣林業(yè)局林火發(fā)生次數(shù)最多（5 起），4月和5月加格達(dá)奇林業(yè)局林火發(fā)生次數(shù)都最多，分別為13 起和30 起。從進(jìn)入夏季開始，森林火災(zāi)的發(fā)生逐漸向西部和北部移動(dòng)，其中呼中林業(yè)局在6月林火發(fā)生次數(shù)最高，為52 起，其次是西林吉林業(yè)局，共發(fā)生森林火災(zāi)33 起。7月和8月的林火發(fā)生次數(shù)有所降低，還是以呼中林業(yè)局（7月發(fā)生30 起，8月發(fā)生23 起）和西林吉林業(yè)局（7月發(fā)生26 起，8月發(fā)生15 起）發(fā)生最為頻繁。進(jìn)入秋季后，大興安嶺的森林火災(zāi)又主要集中發(fā)生在南部和東南部，其中以韓家園林業(yè)局林火發(fā)生最為頻繁，9月共發(fā)生12 起，10月共發(fā)生15 起。

圖3 大興安嶺地區(qū)不同林業(yè)局林火發(fā)生次數(shù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)Fig.3 The spatiotemporal dynamics of the occurrence times of forest fires in different forestry bureaus of Daxing’an mountains

由圖4可知，大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)月尺度上火場(chǎng)總面積的動(dòng)態(tài)變化較為不明顯，除3月和5月的林火危害程度較為集中外，其他月份的火場(chǎng)總面積變化波動(dòng)并不大，且各林業(yè)局之間的林火危害程度也相近。3月大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)在松嶺林業(yè)局和呼瑪縣林業(yè)局造成的火場(chǎng)總面積較大，分別為137 294.00 hm2和131 699.00 hm2。4月韓家園林業(yè)局（16 584.40 hm2）的火場(chǎng)總面積最大，其次是加格達(dá)奇林業(yè)局（12 403.04 hm2）。5月森林火災(zāi)在十八站林業(yè)局和松嶺林業(yè)局對(duì)森林造成的危害最大，火場(chǎng)總面積分別為326 393.32 hm2和247 725.10 hm2。7—10月大興安嶺各林業(yè)局火場(chǎng)總面積除個(gè)別地區(qū)（9月塔河林業(yè)局的火場(chǎng)總面積為5 857.60 hm2，10月呼瑪縣林業(yè)局的火場(chǎng)總面積為108 731.00 hm2）外，整體上波動(dòng)不大，尤其是8月。

圖4 大興安嶺地區(qū)不同林業(yè)局火場(chǎng)總面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)Fig.4 The spatiotemporal dynamics of total area burned by different forestry bureaus of Daxing’an mountains

3.3 大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生預(yù)測(cè)

氣象因子是影響森林火災(zāi)發(fā)生的重要因素，本研究基于大興安嶺地區(qū)6 個(gè)氣象臺(tái)站的逐月氣象數(shù)據(jù)，建立該地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生預(yù)測(cè)模型。由表1可知，在14 種氣象要素中，最低氣溫、平均水汽壓、平均最低氣溫、最大日降水量與林火發(fā)生次數(shù)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；最高氣溫、平均氣溫、平均最高氣溫與林火發(fā)生次數(shù)之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；平均氣壓與林火發(fā)生次數(shù)之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

表1 林火發(fā)生與氣象因子的相關(guān)性分析?Table 1 Correlation analysis between forest fire occurrence and meteorological factors

利用逐步回歸法將通過顯著性檢驗(yàn)的氣象因子與林火發(fā)生次數(shù)進(jìn)行擬合，建立大興安嶺地區(qū)林火發(fā)生預(yù)測(cè)模型。如表2所示，通過對(duì)氣象因子的進(jìn)入、剔除，經(jīng)過3 次多元線性回歸擬合后，14 個(gè)自變量中，平均最高氣溫、平均最低氣溫和最大日降水量3 個(gè)自變量進(jìn)入了回歸模型，得出黑龍江省大興安嶺地區(qū)林火發(fā)生預(yù)測(cè)模型（表3）為y=-50.639+3.209x1-3.285x2+0.534x3（x1為平均最高氣溫；x2為平均最低氣溫；x3為最大日降水量），3個(gè)自變量與常量均通過了顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01）。配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果表明，真實(shí)值與預(yù)測(cè)值之間不存在顯著差異（t=0.001，P=0.999＞0.01），說明建立的林火發(fā)生預(yù)測(cè)模型精度較高。

表2 逐步回歸擬合結(jié)果Table 2 Stepwise regression fitting results

表3 大興安嶺地區(qū)林火發(fā)生預(yù)測(cè)模型Table 3 Forecast model of forest fire occurrence in Daxing’an mountains

4 結(jié)論與討論

大興安嶺地區(qū)林火發(fā)生次數(shù)月變化呈單峰型，由于該地區(qū)11月至次年2月氣溫低，地表被冰雪覆蓋，所以冬季無森林火災(zāi)發(fā)生。夏季發(fā)生次數(shù)較多，其中以6月發(fā)生次數(shù)最多，共發(fā)生236 起，這與陸昕等[28]和宋國忠等[35]對(duì)黑龍江省森林火災(zāi)的相關(guān)研究結(jié)果相符。這是由于近年來大興安嶺地區(qū)引起森林火災(zāi)的主要火源為雷擊，黑龍江省有94%的雷擊火發(fā)生在大興安嶺地區(qū)，而夏季又是雷擊火的高發(fā)季[36-37]。而對(duì)于火場(chǎng)總面積來說卻與林火發(fā)生次數(shù)的月變化特征有很大的區(qū)別，大興安嶺地區(qū)春季森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)較少，但是對(duì)森林的危害程度卻最高，尤其是5月份，共造成火場(chǎng)總面積623 951.20 hm2，占總面積的53.26%。這是由于該地區(qū)春季空氣干燥，濕度低，風(fēng)大，從而導(dǎo)致林內(nèi)可燃物干燥，所以一旦發(fā)生森林火災(zāi)，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和進(jìn)行撲救，很有可能擴(kuò)大蔓延。而夏季雖然林火發(fā)生次數(shù)多，但是由于夏季溫?zé)岫嘤?，植被蔥郁，可燃物含水率較高，所以就算是發(fā)生森林火災(zāi)，擴(kuò)大蔓延也緩慢，只要及時(shí)進(jìn)行撲救，林火很容易被撲滅。從空間上來看，1997—2017年大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生極為頻繁，每個(gè)林業(yè)局都有林火發(fā)生，在東部、南部和東南部林火發(fā)生較為集中，危害程度也較大，由于該地區(qū)與黑河市和嫩江連接，人類活動(dòng)頻繁，所以林火發(fā)生頻繁，危害也大[38]。李順等[39]和苗慶林等[30]也曾得出大興安嶺南部地區(qū)的林火發(fā)生次數(shù)和危害程度要高于北部地區(qū)的結(jié)論。

1997—2017年大興安嶺地區(qū)月尺度上林火動(dòng)態(tài)變化由南向北隨著月份的增加而升高之后回落，這主要是受氣候原因的影響。剛進(jìn)入春季，南部地區(qū)冰雪先融化，而北部高緯度地區(qū)還較為寒冷，大部分地區(qū)積雪未融化，人類活動(dòng)低，所以林火發(fā)生次數(shù)少。進(jìn)入夏季后，隨著北部地區(qū)生態(tài)旅游人數(shù)的增多，林內(nèi)人類活動(dòng)增加，人為火也是引起大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生的主要原因[28]，同時(shí)高緯度雷暴天氣發(fā)生頻率增加。Abatzoglou等[40]在相關(guān)研究中也提出，高緯度偏遠(yuǎn)地區(qū)是雷擊火的高發(fā)區(qū)，所以導(dǎo)致夏季林火發(fā)生頻率較高。劉柯珍等[41]通過研究也指出近年來寒溫帶森林夏季火發(fā)生頻率有所增加。進(jìn)入秋冬季后，北部地區(qū)降溫降雪要早于南部地區(qū)，所以林火發(fā)生次數(shù)也較少。大興安嶺地區(qū)3、5、10月林火發(fā)生的危害程度較為集中，其中3月松嶺林業(yè)局林火面積為137 294.00 hm2，5月十八站林業(yè)局的火場(chǎng)總面積最大為326 393.32 hm2，10月呼瑪縣林業(yè)局的火場(chǎng)總面積最大，為108 731.00 hm2，其他月份則波動(dòng)不大。金森等[42]進(jìn)行的相關(guān)研究中也指出，黑龍江省森林火災(zāi)造成的火場(chǎng)總面積較為集中，這與本研究的結(jié)論相近。

森林火災(zāi)的發(fā)生除必要的可燃物（林火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)）和火源（林火發(fā)生的主導(dǎo)因素）等條件外，氣象因素也是重要的影響條件，與林火的發(fā)生密切相關(guān)[43-44]。根據(jù)相關(guān)回歸分析結(jié)果可知，氣溫、氣壓、降水等8 個(gè)氣象因素與林火的發(fā)生存在關(guān)系。Galván 等[45]、楊志高等[46]、杜建華等人[43]在進(jìn)行林火發(fā)生預(yù)測(cè)和氣象因素對(duì)森林火災(zāi)的影響研究中，指出降水和溫度對(duì)林火的發(fā)生特征有所影響，這與本文的相關(guān)研究結(jié)論相符。通過逐步回歸分析，14 個(gè)氣象要素中平均最高氣溫、平均最低氣溫、最大日降水量3 個(gè)因素可以作為大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生預(yù)測(cè)的影響變量，回歸方程為y=-50.639+3.209x1-3.285x2+0.534x3（R2=0.22，P＜0.01），且模型預(yù)測(cè)精度較高。大興安嶺地區(qū)林火主要發(fā)生在夏季，所以本研究基于氣象因素提出的林火發(fā)生預(yù)測(cè)模型，更適用于對(duì)該地區(qū)夏季林火發(fā)生的預(yù)測(cè)。氣象要素在大的空間尺度上對(duì)林火發(fā)生產(chǎn)生影響，但是在景觀尺度上地形和林分因子等條件對(duì)林火的發(fā)生和發(fā)展也存在一定的影響[39]，所以接下來應(yīng)該結(jié)合植被、地形、道路、居民點(diǎn)等其他因素對(duì)林火的發(fā)生預(yù)測(cè)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。