呼倫貝爾草原人為火空間分布格局

張正祥，張洪巖，李冬雪，許嘉巍，周道瑋

(1.東北師范大學東北資源與環境吉林省重點實驗室，長春 130024;2.吉林省城鄉規劃設計研究院，長春 130061 3.中國科學院東北地理與農業生態研究所，長春 130012)

草原火作為自然生態系統中重要的干擾因子之一在全球范圍內頻發。北美大草原草地火主要集中在冬季和早春［1］，而在北美洲西南部干旱草原中，草地火主要發生在晚春和夏初(6月末至7月初)［1-2］。非洲和澳大利亞的薩瓦納草原每年干旱季節都頻繁地發生草地火。造成這些火的主要原因都與人為活動、土地利用方式等有關［3-6］，即每年中發生的大部分火都是由各種人為原因引起的［7-8］。蒙古國和中國內蒙古的干旱、半干旱草原是亞洲草原的主要組成部分，每年在該區域內都頻繁地發生草地火，其主要的火源也以各類人為活動為主。這些草地火主要發生在每年的春季和秋季，占全年總發生火數量的90%以上［9-12］。盡管人為原因引起的野火在草原中經常出現，但是對這種草地火的空間格局的分布、評價等方面的研究相對較少［9-12］。目前，隨著空間統計學和地理信息技術的發展，國內外諸多學者應用空間點過程函數、Ripley函數、Kernel密度函數以及Poisson模型等技術方法對森林火的時空分布格局進行了深入的研究。Stoyan和Penttinen首先將空間點模式應用于林業研究［13］。Mercerd和 Prestemon估測了林火時空尺度上的分布格局情況［14］。Justin Podur等發現加拿大安大略省的雷擊火成聚類分布，并存在雷擊火高發區［15］。Pewb等分析了加拿大溫帶森林中人為火的時空分布格局，并發現人為火發生的概率隨著著火點到人為建筑設施的距離增加而降低［16］。Brooks以及Hargrove等對不同景觀下的火時空格局進行了分析［17-18］。邸雪穎、柴造坡等運用GIS的圖層疊加功能對我國塔河和黑河地區林火發生的時空變化做了初步分析［19-20］。舒立福、王明玉等對大興安嶺呼中林區雷擊火分布進行了研究，得出雷擊火存在季節高發和區域高發的時空分布特性［21］。田曉瑞等對我國西藏地區森林火災時空分布規律進行研究［22］。胡海清、金森等分別對我國黑龍江省林火發生格局進行了研究［23-24］。郭福濤等對黑龍江省大興安嶺地區的雷擊火空間分布進行了分析，并對雷擊火的空間分布密度進行了闡述［25］。這些方法在草原火時空格局研究中很少應用，限制了草原火研究的發展。因此，開展人為草地火的時空間分布模式及其與影響因素分布格局的相關關系研究對于草地火生態、草地火管理以及野火撲救等研究具有重要的意義。

草原火分布格局由一系列不規則地分布于研究區域中的火點組成，目前其格局識別主要是應用區域內的火點在空間上分布位置及其與影響因素間的空間位置關系，采用描述或疊加的方式人為觀察火點分布大致區域和密集程度。本研究應用基于空間點過程中的Repley's K函數和Kernel空間密度函數對內蒙古自治區呼倫貝爾草原的人為火點的空間分布模式及其與人為影響因素及氣象、地形要素的空間分布相關關系進行研究，本方法的應用更為科學準確地揭示了人為草原火空間分布格局。

1 研究區概況

本研究區位于內蒙古自治區東北部的呼倫貝爾市，范圍在115.22— 126.06°E和47.08— 53.23°N之間，東西長約為681 km，南北寬703 km，面積約為252，948 km2。該區域是典型的溫帶大陸性季風氣候，降水量小，季節分配不均，最高、最低溫度出現在夏季和冬季。年均溫為－2.3°C，降水量為320 mm，55%的降水集中在夏季。呼倫貝爾草原區的植被類型由多種植物群落構成。主要的植被群落有貝加爾針茅(Stipa baicalensis)群落，線葉菊(Filifolium sibiricum)群落和羊草(Leymus chinensis)群落。

該研究區內有13個旗縣，大約有3000個鄉鎮、村屯等居民點，農田面積約為2.02萬km2。農田與居民點的空間分布不均，主要集中在東南部，其次中部地區稍多。鄉村路、公路和鐵路在區域內廣布，道路密度較大，為67.64 km/km2。研究區內平均每年發生300多次野火，其中約86.75%為草地火，過火面積約占總過火面積的94.01%。人為原因引起的草地火是本區域內最主要的風險。

2 研究方法

2.1 數據搜集與處理

本研究中采用的火記錄數據由呼倫貝爾市農業局提供，包括1977年到1996年發生的2611次草原火，其中1537次火是由人為原因引起的(圖1)。每條草地火記錄包含的參數有火發生位置、日期和火因等信息。火點位置由經緯度坐標表示，精確到分。人為草地火發生的原因主要有:狩獵、燒荒、燒茬地、機車噴火、生火做飯、上墳燒紙、小孩玩火、吸煙、打草、收割、故意縱火等。由此可見，道路交通、農業生產和居民點的分布是影響草原火發生的主要因素。在本研究中通過對研究區1∶5萬地形圖矢量化獲得小路、大車路、公路、鐵路、居民點等數據;通過對研究區內1995—1996年的Landsat TM影像解譯獲得草地、農田分布數據。所有數據均以Shapefile數據格式組織，比例尺設置為1∶10萬，采用Albers投影，大地橢球體為D_Krasovsky_1940。

搜集研究區內及周邊17個氣象站點(海拉爾、扎蘭屯、博克圖、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、阿爾山、滿洲里、圖里河、額爾古納右旗、小二溝、大興安嶺、新林、塔河、漠河、嫩江、齊齊哈爾、富裕)1977年至1996年共20年的氣溫、降水、相對濕度和風速的月均資料。由于氣象因子之間存在一定的相關性，采用草原火主要發生月份的干燥指數(平均氣溫與平均風速的乘積除以降水量)表征氣象因子的空間分布［23］。根據氣象站點的坐標信息，通過ArcGIS的空間分析功能，采用克呂格空間插值方法對干燥指數進行空間插值，生成研究區草地范圍內的氣象因素空間分布格局數據。

從美國國家航空航天局(NASA)數據共享網站(https://wist.echo.nasa.gov/api/)中下載研究區30 m分辨率的ASTER G-Dem地形數據。應用ArcGIS的三維分析功能計算研究區草地范圍內的坡度信息來表達地形對草原火分布格局的影響作用。

2.2 空間分布模式研究方法

草原火點作為點狀地物其分布模式可能隨著空間尺度的變化而變化。在小尺度下可能呈現聚集分布，在大尺度下可能為均勻分布或隨機分布。Ripley's K函數可以分析任意尺度的點狀地物空間分布格局［26-27］，其計算公式如下:

式中，n為研究區內火點數目;d為研究區范圍內火點i與火點j之間的距離;Wij為在距離d范圍內的火點i與火點j之間的權重函數，如果距離小于或等于d，權重為1，否則為0。通過對Repley's K函數的實測值與理論值進行比較，判斷草原火點的空間分布格局。在一給定距離范圍內，當觀測值大于理論值時，為聚集分布，反之為離散分布。本研究中設置的置信水平為99%，當觀測值大于置信區間上限時，空間聚集分布是顯著的;當觀測值小于置信區間下限時，空間離散分布是顯著的。

本研究應用Ripley's K函數對人為草原火在4、5、6、9、10月和年際間分布格局進行了研究。

2.2 空間密度估計方法

核心密度估計函數法是一種從一些隨機采樣點重建概率密度函數的方法，在沒有任何先驗密度假設情況下，只要給定一個合適帶寬，就能得出一個高質量的概率密度估計值［28］。因此，在已知本研究區內人為草原火點數量、居民點、道路和農田分布狀況下，應用核心估計函數模擬出相應變量數據的空間分布概率密度。Kernel空間密度估算定義為:^

圖1 人為原因引起的呼倫貝爾草原火分布圖(1976—1996)Fig.1 The distribution of human-caused fire on Hulunbeir grassland(1976—1996)

式中，λτ(s)是相應變量在s點的空間分布密度，s1，…，sn為相應變量的地理坐標。τ為帶寬，用來定義平滑量的大小，實際上就是以s為中心的一個圓的半徑。k()是一個雙變量的概率密度函數，稱為核心。通過調整帶寬τ的值，可以得到在不同尺度下相應變量的空間分布密度。

本研究中應用ArcGIS軟件提供的Kernel Density分析工具進行人為草原火及影響因素的空間分布密度計算。由于該工具支持點狀和線狀要素的密度運算，而農田為面狀要素，因此將其轉化成500m柵格數據后依據其中心生成農田點狀要素。分別將4、5、6、9、10月和全部人為草原火點、居民點、道路、農田點要素帶入公式(2)后，依次計算其空間分布密度。

2.3 火點分布格局與影響因素格局相關分析

采用ArcGIS軟件的數據轉換功能將空間密度分布數據、地形坡度數據、氣象因素數據轉換成ASCII文件，將文本文件導入到SPSS中，用Peason相關系數評價人為草原火點與道路、居民點、農田空間分布密度以及與地形、氣象要素之間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 人為草原火空間分布格局

由于草原火的發生狀況在年內季節性顯著，4、5、6、9、10月發生的人為草原火和占全部火事件的93.22%，而在年際間草原火的發生具有4a左右的周期性［29］，因此應用Repley's K函數計算呼倫貝爾草原人為火年內(4、5、6、9、10 月)和年際間(1976—1980、1981—1984、1985—1988、1989—1992、1993—1996 年)空間分布模式。

圖2為人為草原火主要發生月份的空間分布狀況。人為草原火在4月份主要是呈聚集分布，當距離大于250 km時為離散分布。人為草原火在5月份主要是呈聚集分布，當距離大于265 km時為離散分布。人為草原火在6月份主要是呈聚集分布，當距離大于245 km時為離散分布。人為草原火在9月份主要是呈聚集分布，當距離大于200 km時為離散分布。人為草原火在10月份主要是呈聚集分布，當距離大于245 km時為離散分布。從統計顯著性上看，4、5、6、10月份的觀測值均大于99%置信水平的上限，其聚集分布是顯著的。9月份的觀測值小于置信水平上限并大于置信水平下限，因此其聚集分布是不顯著的。研究區的東西長約為681km，南北寬為703 km，Repley's K函數的帶寬設置距離應小于邊長1/2(約為350 km)，否則將引起邊界效應使分析結果不可信。從這個尺度看，人為草原火主要發生月份的分布狀況在該尺度下均為聚集分布，除9月份以外均為顯著的。從聚集的距離來看，聚集強度以5月份最大，4、6、10月份其次，9月份最小。這一特點與草原火的季節(防火期)分布特征相一致［9-10］。

圖2 呼倫貝爾草原各主要月份人為草原火Repley's K函數分布曲線Fig.2 The curves of Repley's K function for human-caused fires on Hulunbeir grassland

圖3為人為草原火在1976—1980年分布狀況。通過圖形分析可以得出人為草原火在年際間主要是呈聚集分布，其中1976—1980年間聚集的距離為210 km，1981—1984年間為 280 km，1985—1988年間為 260 km，1989—1992年間為220 km，1993—1996年間為220 km。其聚集狀況在99%置信水平下均顯著。

3.2 人為草原火及其影響因素空間分布密度

從Repley's K函數的計算可以看出人為草原火主要成聚集分布，為了進一步研究人為草原火分布熱點地區及其與影響因素之間的空間關系，應用 Kernel Density工具對人為草原火點及其影響因素進行空間分布密度熱點探測分析。

在人為草原火點密度分析的時間段劃分上與火點分布模式研究保持一致。由于年際間人為草原火點分布密度的差異不大，因此用全部火點分布密度來代替年際間的密度劃分。同時，研究區面積較大，各草原火點及影響因素之間距離不容易準確判斷，故本文在進行密度估計過程中，通過試驗將式中τ(帶寬)設為研究區東西長度的1/30較為合理，約為22 km。

圖3 呼倫貝爾草原人為草原火1976—1980年間Repley's K函數分布曲線Fig.3 The curves of Repley's K function for human-caused fires on Hulunbeir grassland in 1976—1980

圖4為研究區1976—1996年間人為草原火空間分布密度。圖中顯示人為草原火在研究區內分布廣泛，主要熱點地區分布在東部偏南區域。其核心區坐標范圍約為123.05—124.82°E、48.25—50.21°N，火發生頻次為0.0158—0.064 次/km2。此外，有 4 個范圍較小的次熱點地區，其核心坐標為 117.52°E，49.51°N;120.73°E，49.24°N;121.94°E，48.74°N;123.73°E，50.58°N，核心區火發生頻次依次為 0.0275，0.0272，0.017，0.0181。研究區內各月份及年際間人為草原火空間分布密度特征和整體分布特征相似，主要熱點地區均在核心區坐標范圍內。其中9月份的密度分布較其他月份稍微均勻一點，差異不大，這一結果與3.1中人為草原火在9月份的分布呈“聚集但不顯著”的特征一致。

圖4顯示為研究區內居民點、農田和道路空間分布密度，其熱點地區均主要分布在東部和中部地區，其中道路的分布密度較農田和居民點要更加均勻，次熱點區域范圍較大。

圖4 呼倫貝爾草原1976—1996年間人為火點、居民點、農田和道路的空間分布密度Fig.4 The distribution densities of human-caused fires，residential points，roads and fields

通過圖4的對比分析可以看到，人為草原火的空間密度分布與居民點、農田以及道路密度的空間分布格局基本一致。應用SPSS軟件，用Peason相關系數分析人為草原火與道路、居民點、農田空間分布密度之間的相關關系(表1)。

通過表1可以看到，呼倫貝爾草原人為草原火空間分布密度與居民點、道路和農田的空間分布密度呈正相關，Pearson 相關系數依次為0.448、0.236、0.602(均通過雙尾檢驗，顯著性水平 P＜0.001，極顯著)，即火源因素的空間分布格局對草原火空間分布密度具有顯著性影響。呼倫貝爾草原人為草原火空間分布密度與干燥指數呈顯著性正相關，隨著干燥指數的增加火點分布密度增大。其相關系數小于居民點、道路和農田的相關系數，由此可以說明在氣象條件滿足草原火發生的條件下(防火季節)影響草原火點分布的主要因素是人為火源的空間分布狀況。研究區內坡度因素與火點空間分布密度呈顯著性負相關，即隨著坡度的增加，草原火點的分布密度降低。其呈負相關的原因可能是隨著坡度的增加，人為活動相對減少。地形因素對火的蔓延速度、火強度以及過火面積等的影響作用較大，而對火點發生的影響作用不大。

將研究區內人為草地火發生的具體火因劃分為三類:生活火、機車火和生產火，分別對應于居民點、道路和農田，相應的草原火次數所占比例依次為45.59%、15.52%和38.89%。由此可見，機車火的次數較少是導致道路與人為草原火空間密度分布相關性較弱的原因。而在具體火因中，將吸煙、烤干糧、烤火和小孩玩火等原因引起的火都劃分為生活火，而這些火點中部分可能發生在道路和農田周圍，這也可能是導致居民點與人為草原火分布密度相關性弱于農田與人為草原火分布密度相關性的原因。

表1 人為草原火與居民點、道路、農田空間分布密度之間的相關關系Table 1 The Pearson correlation of the spatial distribution densities of human-caused fires and residential points，roads and fields

4 結論與討論

(1)本研究應用Repley's K函數對呼倫貝爾草原人為火空間分布格局進行分析，根據計算結果顯示，年內主要發生人為草原火的月份均呈聚集模式分布;其中，9月份聚集分布模式不顯著，其余月份均顯著。從年際間計算結果看，研究區各年際間的人為草原火均呈聚集模式分布。由此說明呼倫貝爾草原火的空間分布與某種呈空間聚集分布的影響因素的分布格局顯著相關。

(2)年內各主要月份人為草原火呈聚集分布的距離不同，在小于200—265 km尺度內呈聚集分布;年際間在小于210—280 km尺度內呈聚集分布。這一距離尺度小于呼倫貝爾草原東西或南北長度的1/2(約350 km)，即未超出研究區的邊界效應，滿足Repley's K函數的要求。因此，研究區內人為草原火的分布為聚集分布模式的結果是可信的。

(3)應用Kernel密度函數對呼倫貝爾草原人為火發生的空間密度和及其主要影響因素(居民點、道路、農田)的空間分布密度進行分析，模擬結果顯示人為草原火在研究區內分布廣泛，主要熱點地區分布在東部偏南區域，其核心區坐標范圍約為123.05—124.82°E、48.25—50.21°N。居民點、道路和農田空間分布密度的核心熱點地區均主要分布在東部和中部地區，這些因素在局部地區也呈聚集狀分布。其中道路的分布密度要更加均勻，草原火分布的熱點地區與居民點和農田分布的熱點區域相近。因此，居民區與農田附近是進行草原防火管理工作的重點區域。

(4)通過相關分析研究顯示呼倫貝爾草原人為火空間分布密度與居民點、道路和農田的空間分布密度呈顯著正相關，Pearson相關系數依次為0.448、0.236、0.602(P＜0.001)。草原火空間分布密度與干燥指數(氣象因素)、地形的空間分布的相關性顯著，但是其相關系數明顯小于火源因素(居民點、道路和農田)的相關系數。因此，在防火期內呼倫貝爾草原影響人為火空間分布特征的主要原因是居民點、道路和農田的空間分布狀況。

本研究應用Repley's K和Kernel密度函數研究了呼倫貝爾草原人為火及其主要影響因素居民點、道路和農田的空間分布格局、分布密度以及空間分布的相關關系，通過與氣象因素(干燥指數)、地形(坡度)因素空間分布相關關系比對研究，揭示出在呼倫貝爾草原人為原因火發生的主要月份(防火期內)，其空間分布模式主要受火源(居民點、道路、農田)的空間分布格局的影響，氣象和地形因素的影響作用不大。因此，在防火期內呼倫貝爾草原火管理部門應根據草原火發生的熱點區域與火源分布的熱點區域相吻合這一特點，貫徹“預防為主”的方針，大力開展熱點地區群眾的防火安全教育工作，深入宣傳防火條例和用火安全知識;建立防火管理制度，加強防火基礎設施與撲火隊伍建設，提高草原火預防、管理和撲救的總體水平。

本文主要對影響人為草原火發生的火源因素的空間分布進行了分析，實際上這些空間位置中的具體人為活動是火源發生的直接原因，如人口數量、人口年齡結構、產業結構、行為習慣、耕作方式、機械化程度等均對草原火的發生產生影響。除了火源因素外，地形、降水、溫度、相對濕度等環境因素對草原火的發生都具有直接的影響［3，10-12］。這些因素與火源因素之間存在一定的時空相關性，使草原火的發生機制更加復雜。因此，在空間分布模式與空間相關性研究的基礎上，選擇合適的尺度，對影響草原火發生的眾多因子進行時空相關的、交互的、非線性的研究是揭示草原火發生規律的重要途徑之一。

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