呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)的時空分布特征規(guī)律研究

伊伯樂楊逸安李 婧安慧君周 梅都瓦拉齊呼格金那順勿日圖

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2.中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古林業(yè)和草原局，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；4.通遼市林業(yè)和草原局，內(nèi)蒙古通遼 028000）

草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是目前全球分布最廣的植被類型。草原生態(tài)系統(tǒng)具有保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性等功能[1]。火是陸地生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的干擾因子之一[2-3]。草原火災(zāi)屬于突發(fā)性、破壞性強，管理救助困難的自然災(zāi)害[4]。一方面能夠?qū)Σ莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成嚴重的破壞，同時也會損失大量的草地資源；另一方面，很大程度上影響著自然生態(tài)系統(tǒng)中植被的演替和更新[5]。

火災(zāi)隨時間和空間而變化，有足夠長時間的火行為研究，才能夠得出時空分布特征。隨著草原火災(zāi)的發(fā)生與蔓延，其時空分布規(guī)律研究已成為一項熱點領(lǐng)域，可以應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[6]、火災(zāi)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)[7-8]、以及兩種資源結(jié)合來揭示時空格局。近年來，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)研究集中于木本植物[9]，盡管草原是最容易發(fā)生火災(zāi)的生物群落之一[10]，但是關(guān)于草原火災(zāi)研究的報道較少[11]。世界草原面積占陸地面積的27%[12]，與森林一起構(gòu)成了陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，并且草原火和森林火的發(fā)生常常具有很強的關(guān)聯(lián)性，應(yīng)予以同樣的重視。

近年來，國內(nèi)關(guān)于草原火災(zāi)的時空動態(tài)研究，大多采用統(tǒng)計分析和遙感技術(shù)結(jié)合的方法[13-14]。針對內(nèi)蒙古草原火災(zāi)，峰芝[15]、周懷林等[16]采用統(tǒng)計分析和地理信息系統(tǒng)空間統(tǒng)計法進行了時空特征研究。高策[17]以內(nèi)蒙古自治區(qū)東部呼倫貝爾市、興安盟、通遼市以及赤峰市4個盟市作為研究區(qū)，運用統(tǒng)計分析、地理信息系統(tǒng)以及空間模式分析等方法分析了區(qū)域草原火災(zāi)的時空分布模式及其影響因素。徐英睿[18]提出基于MODIS時序數(shù)據(jù)的火燒跡地提取算法，對內(nèi)蒙古東部2001—2015年的野火時空分布進行了研究。這些針對內(nèi)蒙古東部草原火災(zāi)發(fā)生規(guī)律的研究均取得了較好的成果，而呼倫貝爾地區(qū)作為內(nèi)蒙古東部草原火災(zāi)重發(fā)區(qū)，研究其草原火災(zāi)時空分布規(guī)律有著極其重要的意義。故本研究基于呼倫貝爾地區(qū)近30年（1990—2019年）的草原火災(zāi)信息數(shù)據(jù)，應(yīng)用Mann-Kendall突變分析法來確定草原火災(zāi)時間序列的突變點，同時計算草原火災(zāi)質(zhì)心，并繪制其地理分布圖，探究呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)動態(tài)特征，從而分析該地區(qū)草原火災(zāi)時空分布規(guī)律，為今后呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)管理提供參考，研究成果對區(qū)域草原火災(zāi)預測預報和宏觀決策具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，從東到西630 km，從北到南700 km，總面積2.5003×107hm2。南與興安盟相連，東至大興安嶺與黑龍江毗鄰，北及西北與俄羅斯為界，西與西南同蒙古接壤，中俄邊境線1 051.08 km，中蒙邊境線682.24 km。呼倫貝爾地跨森林草原、草甸草原和干旱草原三個地帶，除東部地區(qū)約占本區(qū)面積的10.5%為森林草原過渡地帶外，其余多為天然草場，總面積9.9333×106hm2，其中可利用面積920 hm2[19]。呼倫貝爾草原介于115.22°～126.06°E和47.08°～53.23° N，屬于溫帶大陸性季風氣候[20]，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。由于呼倫貝爾緯度偏北，因此春季干燥風大，秋季氣溫驟降、霜凍早[21]。年氣候總特征為：年降水量250～350 mm；年平均溫度0 ℃左右，無霜期80～120 d[22]，年溫度差、日期溫差大。地勢東高西低，海拔在650～700 m。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的呼倫貝爾地區(qū)1990—2019年草原火災(zāi)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)均來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)林草局防火辦。各旗縣行政區(qū)劃面積和草地面積均來自呼倫貝爾市政府官網(wǎng)。由于本研究所應(yīng)用的數(shù)據(jù)中尚缺少2003年、2008年呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)的詳細數(shù)據(jù)資料，導致未能對草原火災(zāi)的月份變化、日變化、火災(zāi)密度、草原受害率和火災(zāi)等級等進行更加全面的分析，且在草原火災(zāi)質(zhì)心轉(zhuǎn)移和質(zhì)心經(jīng)緯度移動方向的分布圖存在不連貫性，但數(shù)據(jù)的缺失并不影響本研究結(jié)論的準確性。

2.2 草原火災(zāi)突變點檢驗

以草原火災(zāi)發(fā)生時間為自變量，過火面積、頻次為因變量，通過MATLAB軟件，利用Mann-Kendall檢驗對時間序列進行分析，并對時間序列的突變點進行檢驗，探討草原火災(zāi)隨時間的變化轉(zhuǎn)折點。具體方法如下：

對于具有n個樣本量的火災(zāi)時間序列X，構(gòu)造一秩序列：

式中：秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的積累數(shù)。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

ES kVarS kSk

式中：UF1=0，、 是累計數(shù)的均值和方差，計算方法如下：

按時間序列X逆序Xn,Xn-1,···,X1，重復公式1、2、3、4過程，構(gòu)造U Bk序列。

式中：UB1=0。其中，給定顯著性水平，α=0.05。

2.3 草原火災(zāi)質(zhì)心計算

質(zhì)心是描述空間目標分布的最有用的單一量算量，火點的質(zhì)心是火點的平均位置，它是火點空間分布的平衡點[23]。計算30 a間每年的草原火災(zāi)質(zhì)心坐標，建立草原火災(zāi)質(zhì)心數(shù)據(jù)庫。利用ArcGIS軟件繪制呼倫貝爾地區(qū)30 a間的草原火災(zāi)質(zhì)心轉(zhuǎn)移軌跡圖，得出草原火災(zāi)過火面積和火災(zāi)頻次空間分布的變動情況，進一步對草原火災(zāi)的空間變化進行分析。質(zhì)心的計算公式如下：

式中：Pi為單元內(nèi)草原火災(zāi)過火面積或火災(zāi)頻數(shù)，xi為 單元內(nèi)火點的經(jīng)度，yi為單元內(nèi)火點的緯度，X、Y分別為草原火災(zāi)質(zhì)心的橫坐標和縱坐標。

2.4 火災(zāi)密度計算

草原火災(zāi)的火災(zāi)密度可以用來表示草原火災(zāi)發(fā)生次數(shù)在空間上的分布。本研究以縣級行政區(qū)劃為單元來計算草原火災(zāi)密度。

2.5 草原受害率計算

草原受害率可以用來表示草原火災(zāi)的過火面積在空間上的分布。

2.6 草原火災(zāi)等級劃分依據(jù)

依據(jù)國家林業(yè)和草原局發(fā)行的《林業(yè)和草原主要災(zāi)害種類及其分級（試行）》[24]，草原火災(zāi)等級主要根據(jù)受害草原面積、傷亡人數(shù)和經(jīng)濟損失等分為一般火災(zāi)、較大火災(zāi)、重大火災(zāi)和特別重大火災(zāi)4個等級。因此，本研究結(jié)合研究區(qū)草原火災(zāi)面積和火災(zāi)歷史檔案記載，將草原火災(zāi)等級進行劃分，結(jié)果見表1。

表1 草原火災(zāi)等級的劃分指標Table 1 Classification index of grassland fire rating

3 結(jié)果與分析

3.1 草原火災(zāi)時間分布規(guī)律

3.1.1 火災(zāi)年際變化規(guī)律

根據(jù)呼倫貝爾地區(qū)1990—2019年草原火災(zāi)Mann-Kendall突變點檢驗發(fā)現(xiàn)（圖1），過火面積與火災(zāi)次數(shù)的統(tǒng)計值UF和UB均在1998年有交點，證明1998年是呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)的過火面積與火災(zāi)次數(shù)突然發(fā)生改變的突變點。30年的草原火災(zāi)分成了2個區(qū)間，1990—1998年的過火面積與火災(zāi)頻數(shù)遠高于1998—2019年，且1990—1998 年間重特大火災(zāi)占總火災(zāi)次數(shù)的17.3%，重特大火災(zāi)的年均次數(shù)是1998年后年均次數(shù)的6.89倍，火災(zāi)惡劣程度嚴重。

圖1 呼倫貝爾地區(qū)1990—2019年草原火災(zāi)Mann-Kendall突變點檢驗Fig.1 Inspection of Mann-Kendall mutation points of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

根據(jù)草原火災(zāi)的年際變化分析發(fā)現(xiàn)（圖2），1990—2019年間共發(fā)生草原火災(zāi)838次，年均76次，總體上草原火災(zāi)次數(shù)隨時間發(fā)展呈現(xiàn)下降趨勢。30年間共出現(xiàn)4個波峰，1995年達到峰值，為110次，隨后呈下降趨勢；1999—2019年較平穩(wěn)，每年草原火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)均低于30次。研究期內(nèi)草原火災(zāi)過火面積達到220.11×104hm2，年均7.34×104hm2。草原火災(zāi)過火面積總體隨時間變化呈現(xiàn)下降趨勢，與草原火災(zāi)次數(shù)的年際變化相似，2000年后受害面積小且呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。綜上所述，呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)在1990—2019年間過火面積和火災(zāi)次數(shù)呈波動變化狀態(tài)，但整體上隨著時間的發(fā)展呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 呼倫貝爾地區(qū)1990—2019年草原火災(zāi)年際變化Fig.2 Interannual changes of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

3.1.2 火災(zāi)月份變化規(guī)律

根據(jù)草原火災(zāi)月變化規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)（圖3），其發(fā)生具有很強的季節(jié)性規(guī)律，主要集中在春、秋兩季，4月、5月、10月份是火災(zāi)發(fā)生的高峰期，3個月共發(fā)生火災(zāi)664次，過火面積達1 809.09×104hm2，火災(zāi)發(fā)生次數(shù)和過火面積分別占全年的81.67%、89.94%?；馂?zāi)發(fā)生最集中的月份是4月份，火災(zāi)次數(shù)289次，過火面積123.94 hm2，分別占全年的35.55%、58.95%。其他月份火災(zāi)發(fā)生相對較少。

圖3 呼倫貝爾地區(qū)1990—2019年草原火災(zāi)月份變化Fig.3 The monthly changes of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

3.1.3 火災(zāi)日變化規(guī)律

根據(jù)草原火災(zāi)日變化（圖4）可以看出，火災(zāi)高峰期集中在10：00—15：00，發(fā)生火災(zāi)的次數(shù)占總火災(zāi)次數(shù)的71.57%，峰值是14：00，發(fā)生火災(zāi)的次數(shù)占總火災(zāi)次數(shù)的17.52%。該時段特點是升溫、起風、干燥，勞作與午休并在。

圖4 呼倫貝爾地區(qū)1990—2019年草原火災(zāi)日變化Fig.4 The diurnal changes of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

3.2 草原火災(zāi)空間分布規(guī)律

3.2.1 火災(zāi)頻次的空間分布

通過草原火災(zāi)密度的計算和ArcGIS軟件進行分布規(guī)律分析，圖5a、5b、5c分別為1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年3個時間段的草原火災(zāi)密度空間分布圖?？梢钥闯觯菰馂?zāi)的發(fā)生主要集中在陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、鄂溫克族自治旗、海拉爾區(qū)。20世紀90年代期間的火災(zāi)密度較大，2000年后呈明顯的下降趨勢，2010年后又呈上升趨勢?；馂?zāi)發(fā)生較集中區(qū)域的火災(zāi)密度總體變化不明顯，但新巴爾虎右旗在30年來的草原火災(zāi)密度隨著時間推移呈下降趨勢。

圖5 呼倫貝爾地區(qū)不同年代草原火災(zāi)密度的空間分布Fig.5 The spatial distribution of grassland fire density of Hulunbuir area in different years

3.2.2 火災(zāi)面積的空間分布

根據(jù)該地區(qū)1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年3個時間段的草原受害率的空間分布圖可以看出（圖6a、6b、6c），大面積的草原火災(zāi)主要集中發(fā)生在滿洲里市、新巴爾虎右旗和新巴爾虎左旗。20世紀90年代草原受害率較高，火災(zāi)面積在空間上的分布總體下降。20世紀90年代，陳巴爾虎旗是縣級單元草原受害率最大的地區(qū)，火情較為嚴重。

圖6 呼倫貝爾地區(qū)不同年代草原受害率的空間分布Fig.6 The spatial distribution of grassland damage rate of Hulunbuir area in different years

3.2.3 火災(zāi)質(zhì)心轉(zhuǎn)移

通過草原火災(zāi)質(zhì)心模型，計算呼倫貝爾地區(qū)每年的草原火災(zāi)過火面積與火災(zāi)頻數(shù)質(zhì)心坐標，建立質(zhì)心坐標數(shù)據(jù)庫（表2），并利用ArcGIS軟件繪制草原火災(zāi)過火面積質(zhì)心和火災(zāi)頻次質(zhì)心的移動軌跡（圖7a、7b）。由圖7可知，30 a來該地區(qū)草原火災(zāi)面積質(zhì)心與頻次質(zhì)心主要集中在鄂溫克族自治旗、陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗；火災(zāi)面積質(zhì)心與頻數(shù)質(zhì)心的移動軌跡均呈面狀，且移動范圍較大。

圖7 呼倫貝爾地區(qū)1990—2019年草原火災(zāi)過火面積和火災(zāi)頻次質(zhì)心轉(zhuǎn)移情況Fig.7 The area of grassland fire burned and the center of mass shift of fire frequency of Hulunbuir region in 1990-2019

表2 呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)面積質(zhì)心和火災(zāi)頻數(shù)質(zhì)心Table2 Thecentroid of grassland firearea and fire frequency in Hulunbuir area

以草原火災(zāi)面積質(zhì)心和頻次質(zhì)心的經(jīng)度與緯度為縱坐標，應(yīng)用Origin軟件繪制30 a來的草原火災(zāi)面積質(zhì)心和頻數(shù)質(zhì)心的空間分布，并進行線性擬合趨勢（圖8～9）。草原火災(zāi)頻次質(zhì)心經(jīng)度的擬合直線R2為0.3982，達到顯著水平；草原火災(zāi)面積質(zhì)心的經(jīng)度和緯度轉(zhuǎn)移方向均存在較大波動，整體上都向高經(jīng)度和高緯度方向偏移；草原火災(zāi)頻次質(zhì)心的經(jīng)度和緯度轉(zhuǎn)移方向同樣均存在較大波動，但整體上都很明顯地向低經(jīng)度和低緯度方向偏移，與火災(zāi)面積質(zhì)心恰恰相反。

圖8 呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)面積質(zhì)心在經(jīng)度方向和緯度方向的分布情況Fig.8 Distribution of grassland fire area centroid in the direction of longitude and latitude in Hulunbuir area

圖9 草原火災(zāi)頻次質(zhì)心在經(jīng)度方向和緯度方向的分布情況Fig.9 Distribution of centroid of grassland fire frequency in the direction of longitude and latitude

3.2.4 火災(zāi)等級的空間分布

將1990—2019年草原火災(zāi)等級應(yīng)用ArcGIS軟件作出30 a間的空間分布圖（圖10）。其中特、重大草原火災(zāi)集中發(fā)生在新巴爾虎右旗、陳巴爾虎旗和新巴爾虎左旗，占整個呼倫貝爾地區(qū)特、重大草原火災(zāi)的87.6%；而東部地區(qū)草原火災(zāi)以一般火災(zāi)為主。

圖10 呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)等級的空間分布情況Fig.10 The spatial distribution of grassland fire grade in Hulunbuir area

4 結(jié)論與討論

本研究應(yīng)用相應(yīng)的分析方法，根據(jù)近30 a草原火災(zāi)數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)論述了呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)的時空分布規(guī)律特征?；馂?zāi)發(fā)生時間方面，明確了1998年為火災(zāi)發(fā)生的突變節(jié)點，同時，張恒等[25]的研究結(jié)論表明呼倫貝爾地區(qū)在1990年之后干旱程度增加，1998年為明顯干旱突變年份，而干旱程度的增大起初導致植被生長遭到阻礙，可燃物積累受限制，不易發(fā)生火災(zāi)，進一步導致草原火災(zāi)面積與火災(zāi)次數(shù)在1998年發(fā)生突變，大幅度降低?；馂?zāi)發(fā)生空間方面，論證了火災(zāi)面積質(zhì)心整體上向高經(jīng)度和高緯度方向偏移，而火災(zāi)頻次質(zhì)心整體上很明顯地向低經(jīng)度和低緯度方向偏移。

呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)時間分布方面，30 a間以1998年為節(jié)點發(fā)生突變，此后草原火災(zāi)的過火面積與火災(zāi)頻數(shù)都發(fā)生了大幅度下降。草原火災(zāi)隨時間的發(fā)展，其火災(zāi)次數(shù)與火災(zāi)面積整體呈現(xiàn)下降趨勢，但近幾年來火災(zāi)次數(shù)又呈緩慢上升趨勢，而火災(zāi)面積仍呈下降趨勢，這證明我國草原火災(zāi)滅火救援技術(shù)與力量大幅度提高，而在草原火災(zāi)預防和火源管控方面仍需進一步改善和加強。草原火災(zāi)月份變化具有較強的季節(jié)規(guī)律，主要集中在春季和秋季，火災(zāi)次數(shù)和火災(zāi)面積最大的月份是4月、5月、10月，這與劉美芳[26]和周懷林等[16]得出的結(jié)論相似。呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)集中發(fā)生在這幾月與當?shù)氐臍夂蛴幸欢P(guān)聯(lián)，4月、5月、10月份正值草原防火期，氣候干燥，草類可燃物含水量低，極易發(fā)生草原火災(zāi)且蔓延速度較快；7月、8月份降水量大，可燃物含水量較高不易發(fā)生草原火災(zāi)；12月、1月、2月份為冬季，草地植被上有積雪覆蓋很難發(fā)生草原火災(zāi)。呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)日變化呈雙峰型分布，草原火災(zāi)發(fā)生的高峰期是10：00—15：00，火災(zāi)發(fā)生次數(shù)最多的是下午14：00。一天中氣溫隨著日出后太陽幅射增強，地面儲熱逐漸增加，從9：00—14：00，溫度逐漸升高，14：00左右達到當天最高溫，此時蒸發(fā)達到當天的最強，可燃物的溫度隨之升高，含水量降低，容易發(fā)生火災(zāi)。夜晚和清晨溫度下降，濕度增大，可燃物含水量較高不易發(fā)生火災(zāi)。

呼倫貝爾地區(qū)的草原主要分布在西部，草原火災(zāi)空間分布方面，草原火災(zāi)密度較大的區(qū)域主要集中在陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、鄂溫克族自治旗和海拉爾區(qū)，其他旗縣（區(qū)）的草原火災(zāi)密度相對較?。徊菰芎β瘦^高的區(qū)域主要集中在滿洲里市、新巴爾虎右旗和新巴爾虎左旗，其他旗縣（區(qū)）草原受害率相對較低。該地區(qū)草原火災(zāi)過火面積質(zhì)心和火災(zāi)頻數(shù)質(zhì)心都在不斷移動，其移動軌跡反映了研究區(qū)域草原火災(zāi)空間分布的變動，火災(zāi)面積質(zhì)心在空間上呈分散型分布；火災(zāi)頻數(shù)質(zhì)心在空間上呈聚集型分布，主要集中在陳巴爾虎旗和鄂溫克族自治旗?；馂?zāi)面積質(zhì)心有向高經(jīng)度和高緯度方向偏移的趨勢，而火災(zāi)頻次質(zhì)心向低經(jīng)度和低緯度方向偏移的趨勢較明顯。研究區(qū)火災(zāi)頻數(shù)有質(zhì)心向低緯度地區(qū)方向移動的趨勢，陳巴爾虎旗、鄂溫克旗等旗作為研究區(qū)的火災(zāi)頻數(shù)質(zhì)心聚集低緯度地區(qū)，根據(jù)呼倫貝爾市統(tǒng)計局官網(wǎng)人口普查報告，其人口數(shù)量近些年有增加趨勢，這意味著該地區(qū)草原火災(zāi)的發(fā)生與人員活動有著緊密的聯(lián)系，并且需要進一步加強人為火源的管控。雖然高緯度地區(qū)人員稀少，但是研究區(qū)林草交錯，并且入境火頻發(fā)，一旦發(fā)生草原火災(zāi)很容易轉(zhuǎn)變?yōu)樯只?，而且多為受害面積較大的火災(zāi)，所以高緯度地區(qū)應(yīng)當重視草原火災(zāi)的預測預報以及火情巡查工作，做到在火災(zāi)初期將其撲滅，防止其蔓延發(fā)展。研究區(qū)域內(nèi)重大火災(zāi)和特別重大火災(zāi)的發(fā)生主要集中在新巴爾虎右旗，陳巴爾虎旗和新巴爾虎左旗，該研究結(jié)論與玉山[27]得出的結(jié)論相似。由此可見，呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)具有較明顯的地區(qū)聚集性，草原火災(zāi)的空間分布特征與植被狀況、氣候條件和人為因素等因子有著密切的聯(lián)系。如張正祥等[20]和曲炤鵬等[28]的研究表明，草原的植被分布和人員活動是影響草原火空間分布的主導因子。并且，呼倫貝爾地區(qū)林草交錯、資源豐富，與蒙古和俄羅斯接壤，轄區(qū)邊境線長，受極端大陸性氣候的影響形成西風帶[29-30]，嚴重受到蒙古國和俄羅斯蔓延到我國的境外火的影響[25]。因此，在今后關(guān)于呼倫貝爾地區(qū)草原火災(zāi)空間分布規(guī)律的研究中，應(yīng)綜合考慮以上所述因子的影響，進行深入的研究。