2001—2019年內蒙古大興安嶺北部原始林區森林火災發生規律研究*

楊少斌，曹 萌，祝鑫海，程玉林，鄭長青，白 夜

(1.中國消防救援學院，北京 102202；2.內蒙古大興安嶺北部原始林區森林管護局，內蒙古 根河 022365；3.內蒙古呼倫貝爾鄂溫克旗森林消防大隊，內蒙古 呼倫貝爾 010324)

森林火災是極具破壞性，難預防、難救援的自然災害，不僅損害森林資源，破壞生態環境，影響國家經濟發展和社會穩定，同時也對人民生命財產安全造成巨大威脅，被聯合國科教文組織列為世界八大自然災害之一[1-2]。如1987年大興安嶺“5·6” 特別重大森林火災導致101萬 hm2森林被燒毀，并造成數百人傷亡，是建國以來損失最大、傷亡人數最多的特大森林火災事件[3]；2019—2020年中國四川省連續兩年在相同時段(3月底)發生重特大森林火災，共造成50名撲火隊員及地方干部職工犧牲[4-5]。全球氣候持續變暖，極端天氣事件更加頻繁，導致世界范圍內重特大森林火災頻頻爆發，如2007年希臘、2015—2021年美國加州、2019年澳大利亞以及2021 年7—8月份地中海沿岸國家均集中爆發了森林大火[6-8]。

對森林火災發生規律的研究是近20 年來最主要的火災研究主題之一，是林火管理的重要內容，能為森林火災預防提供科學依據。如蘇麗娟等[9-10]對1950—2010年中國森林火災時空特征的研究發現，中國森林火災頻發、面積大與氣候變化有密切關系。田曉瑞[11]等研究認為中國溫帶干旱荒漠針葉林區的火災次數和受害森林面積呈顯著增加趨勢。喬澤宇[12]等研究發現不同生態區的林火季節性特征差異明顯。張恒[13]等研究表明，華北地區森林火災與氣候變化、人類活動息息相關，具有明顯的區域性特征。國外學者同樣開展了大量工作，如CLEMENS[14]等研究發現，阿爾卑斯山西部近年來森林火災風險顯著增加，南部火災風險較之北部更為嚴重，火災的分布與人為活動有關，如景觀旅游等；DROBYSHEV[15]等研究發現瑞典森林火災活動與區域氣候變化存在著顯著的時空相關性。MARGARITA[16]等基于MODIS NDWI和NDVI時間序列對地中海和伊比利亞半島溫帶生態區的火災季節進行了定量評估。

內蒙古大興安嶺北部原始林區是目前我國面積最大，保持原始林自然風貌的典型地區，同時也是森林雷擊火重災區，多發頻發的雷擊火災嚴重威脅森林資源安全[17-20]。對于該地區森林火災發生規律的深入研究還相對較少，加之作者本人曾參與過該地區的森林滅火作戰，親歷過火災對森林資源的超強破壞力。為此，本文擬分別從時間和空間兩個維度對內蒙古大興安嶺北部原始林區森林火災發生規律作進一步研究，以期為該地區森林火災預防和控制提供更具針對性的科學依據。

圖1 內蒙古大興安嶺原始林區概況(審圖號：蒙S(2020)027號為底圖制作，邊界無修改，林業局界依據參考文獻[18]插圖1繪制，下同)

1 研究區概況

內蒙古大興安嶺北部原始林區位于內蒙古自治區東北部，地理坐標為52°01′42″～53°20′00″N，120°01′20″～121°48′37″E(圖1)。具體位于內蒙古自治區額爾古納市境內的大興安嶺山脈最北端，南與內蒙古莫爾道嘎、滿歸林業局接壤，西北以額爾古納河與俄羅斯為界，東與黑龍江省漠河縣毗鄰，是松嫩平原，呼倫貝爾高原的天然屏障。具有國內唯一的泛北極、北極高山、西伯利亞等生物區系的珍稀物種，是寒溫帶原生動植物的基因寶庫和重要林業基地之一，已發現野生動物達300種以上，植物近1 400種。原始林區總面積947 702 hm2，其中森林面積900 343 hm2。植被以寒溫帶針葉林為主，活立木總蓄積1.3×108m3，森林覆被率95.38%，是中國保存最完好、唯一集中連片、面積最大、未開發的原始森林。該區域屬寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫-5.5 ℃，極端最低氣溫-53 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，無霜期88 d左右，年平均降水量450～550 mm。在林業管理上，該地區于1999年4月成立北部原始林區森林管護局，下轄烏瑪、奇乾、永安山等3個未開發林業局[21-22]。

2 數據資料與研究方法

2.1 數據資料

從內蒙古大興安嶺北部原始林區森林管護局收集2001—2019年森林火災數據，主要指標包括火點坐標和火場面積；從GlobeLand30系統( www.globallandcover.com)獲取由中國自然資源部研制的2020版30 m地表面覆蓋數據產品；從中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(www.gscloud.cn)獲取研究區30 m高程(DEM)數據。

2.2 研究方法

2.2.1 時間規律分析

(1)按現行的《中華人民共和國森林防火條例》[23]對森林火災級別進行劃分，利用Excel 2016和SPSS 23.0分別從年際、季節和月份3個時間尺度對火災情況進行分析。

(2)利用以下公式計算火災輪回期和初始概率[24]，以此來反映火災發生概率：

(1)

(2)

式中:Fc為火災輪回期(年)；S為研究區域面積(hm2) ;Sa為平均每年過火面積(hm2/年) ；P為火災發生初始概率。

(3)利用Matlab 2019對火災次數和火災面積進行Mann-Kendall檢驗，進而對火災發生趨勢進行分析。Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱“M-K”檢驗)是世界氣象組織(WMO)推薦并廣泛應用的一種非參數統計檢驗方法。其優點是樣本不需要服從某種分布，也不受少數異常值的干擾，被廣泛應用于水文、氣象、植被等方面研究，在林火發生趨勢的研究上也得到了較好的應用[25-26]?；驹硎牵?/p>

對于樣本個數為n的時間序列x。構造秩序列：

(3)

(4)

式中：Sk是在時間序列內第i時刻樣本值大于j時刻樣本值個數的累計數，在時間序列隨機獨立的假設下定義統計量：

(5)

(6)

式中：UF1=0，E(Sk)和var(Sk)是Sk的均值和方差。

按時間逆序列構建逆序列xn，xn-1，xn-2，…，x1，使新序列UBk=-UFk.如果UBk與順序列的UFk出現交點，且交點在臨界線之間，交點對應的時刻是突變的開始時間。本文給定顯著性水平α=0.5，置信區間為±1.96，若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢，若超出置信區間則表明上升或下降趨勢顯著。

2.2.2 空間規律分析

利用ArcGIS10.3提取火點的海拔、坡度和坡向等地形因子，分析火點的空間分布、密度、以及不同地形因子上的火災發生規律。

3 結果與分析

3.1 時間序列上的火災發生規律

3.1.1 年尺度發生規律

如圖2所示，2001—2019年期間研究區共發生森林火災192次，年均發生火災約10次，火災總面積約18 424 hm2，年均火災面積約970 hm2。火災主要以較大森林火災為主，約占火災總次數的80.2%，其次是一般森林火災(9.9%)、重大森林火災(8.3%)和特別重大森林火災(1.6%)。2010年和2019年火災次數最多，均為23次，只有2009年未發生森林火災。2002年火災損失最嚴重，過火面積達8 653 hm2,其次是2014年(2 738 hm2)和2017年(1 937 hm2)，其余年份則相對比較平穩。

圖2 火災次數和過火森林面積年際變化

火災年際變化大致可分為2個階段(圖2)：2001—2012年火災次數呈明顯的“M”型周期性波動，大約每2～4年會出現1次低谷和1次峰值；2013—2019年則呈波動性上升趨勢，并于2019年達到第2次峰值。從火面積與火災次數的關系來看，年度火災面積與火災次數變化規律并不完全一致，相關性分析顯示(表1)，年度火災總面積與重大和特別重大森林火災次數極顯著正相關(P<0.01)，相關性系數分別為0.783和0.949，表明研究區年度火災面積受重特大森林火災的影響極顯著。

3.1.2 季節尺度發生規律

分別統計春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)火災次數和面積及其比例(表2)。結果顯示，由于冰雪覆蓋，林區冬季幾乎不會發生森林火災，春、夏、秋為森林防火季，其中夏季火災發生次數最多，過火面積最大，占比分別達到了88.0%和78.6%，其次是春季和秋季，火災次數比較接近，但春季過火面積要遠大于秋季，相差近10倍。

分別制作各個季節火災次數和面積的年際變化折線圖(圖3)，結果顯示，在火災次數上，2001年以來夏季森林火災次數要明顯多于春季和秋季，整體呈波動性上升趨勢，春季和秋季則比較平穩；在過火面積上，除2014年外，夏季均要大于春季和秋季，并分別在2002年和2014年出現極端值，從2017年開始呈下降趨勢，春季和和秋季則一直比較平穩。

表1 過火面積與火災次數Pearson系數

表2 森林火災季節性分布

圖3 防火季火災次數和面積的年度變化

3.1.3 月尺度發生規律

如圖4所示，研究區森林火災主要發生在5—10月份，其中6—7月份是集中暴發的時段，6月份火災次數最多(43.2%)，但7月份則火災面積最大(47.4%)，且遠大于 6月份(22.2%)，5月份與8月份相比同樣如此，這與年度火災次數與過火面積的關系一致。

圖4 月尺度上的森林火災發生規律

3.2 空間方向上的火災發生規律

3.2.1 火災發生密度

如圖5a所示，火點分布比較分散，無明顯規律。為更準確分析火點分布情況，利用GIS分析火點密度(圖5b)，同時對火災規模進行反距離加權插值(IDW)(圖5c)。結果顯示，西線火點密度高于東線，中部地區要明顯高于北部和南部，最高達0.058次/ km2(折合5.8次/(100· km2))。一般規?；馂脑谌珔^范圍內呈零星分布，較大規?；馂募邪l生在北部和中部區，并在南部與其他規模火災交叉分布，重大規?；馂闹饕l生在西部和東南部地區，特別重大規模的火災則在西部邊境地區和中南部呈零散分布。

3.2.2 不同海拔上的火災發生規律

如圖6a所示，林區地貌為中、低山地，由西北向東南海拔逐漸升高，變化范圍在306～1 352 m之間，平均海拔686 m，最大高差1 046 m。分別統計各個海拔梯度上的火災次數(圖6b)和火災面積比例(圖6c)。結果顯示，隨海拔升高，火災發生率和火災面積呈先上升后下降的變化規律。綜合來看，超過70%的火災發生在海拔為400～800 m的地帶，在該海拔范圍內火災面積同樣達到70%以上，其中600～800 m的海拔范圍內火災發生率最高，火災面積比例最大，分別為48.4%和40.1%，其次是400～600 m 的地域，火災發生率和火災面積比例分別為30.2%和31.9%。

3.2.3 不同坡向上的火災發生規律

如圖7所示，分別統計北坡、東北坡、東坡、東南坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡等8個坡向上的火災次數(7b)和火災面積比例(圖7c)。結果顯示，各個坡向上的火災面積和火災次數變化規律并不一致，西南坡和南坡火災發生率最高，分別為17.3%和14.1%，北坡火災發生頻率最低(7.9%)，其余坡向則相對比較均衡。東坡火災面積最大(31.7%)，其次是東北坡(28.6%)，兩個坡向上的火災面積比例之和達60.3%，表明東北坡和東坡的火災破壞性比較大，需加以關注。

3.2.2 不同坡度上的火災發生規律

如圖8a所示，林區大多數地區起伏度為0°～24°，最大坡度超過了45°。分別統計不同坡度等級上的火災次數(圖8b)和火災面積比例(圖8c)。結果顯示，火災發生率隨坡度升高呈先增加后減少的趨勢，火災面積則相反。絕大多數火災發生在坡度為0～24°的地域，火災發生率最高的坡度為5°～14°，達到56.0%，火災面積最大的坡度則為0°～4°，比例為50.2%，表明平坡(0°～4°)和緩坡(5°～14°)較容易發生森林火災，且火災破壞力較大，應當加強這些地域的火災預警監測。

圖5 火災分布及發生密度

圖6 不同海拔高度的林火發生規律

圖7 各個坡向上的火災發生規律

圖8 不同坡度上的火災分布

表3 森林火災輪回期及初始概率

圖9 森林火災次數和過火面積Mann-Kendall統計量曲線

3.3 火災發生趨勢

火災輪回期和初始概率計算結果顯示(表3)，2001—2019年間火災輪回期為977年，火災初始概率為0.001 023。根據火災階段變化規律， 2001—2012年、2013—2019年兩個階段火災輪回期分別為1 008年和846年，初始概率分別為0.000 992和0.001 181，第二階段(2013—2019年)輪回期縮短了16.1%，初始概率卻提高了20.5%，表明第一階段(2001—2012年)是火災高發期，第二階段是火災上升期。

為更準確地判斷火災發生趨勢，分別對年度火災次數和火災面積進行M-K突變檢驗(圖9)。結果顯示，火災次數和火災面積均表現為先上升、后下降、再上升的變化規律。自2017年和2014年開始，二者UFk均大于0，即表現為上升趨勢，同時分別于2019年和2014年發生突變，但UFk值均保持在±1.96范圍內，表明上升趨勢還尚未達到顯著水平。這種變化趨勢說明該地區存在火災發生愈加頻繁的可能性，需采取更有效的防控措施進行抑制。

4 結論與討論

森林火災的發生、蔓延和發展主要受地形、植被和氣候和人為活動等因素的影響。氣候、植被和人為活動的變化影響著可燃物積累過程及其空間分布，導致火災動態也會發生變化[11, 27]。在年尺度上，研究區森林火災次數和火災面積均表現出明顯的波動性，年度過火面積與森林火災次數變化規律不完全一致，年度火災面積與重特大森林火災次數呈極顯著正相關，這與張冬有[28]等人對相近緯度的黑龍江省大興安嶺森林火災時空分布規律的研究結果相近?；馂拇螖岛突馂拿娣e分別在2017年和2014年開始呈上升趨勢，并分別于2019年和2014年發生突變，上升趨勢趨于顯著。近幾年以來火災輪回期逐漸縮短，火災發生概率逐漸增加，并維持在相對較高的水平。推斷認為，這是由于特別重大森林火災主要發生在第一階段，大火會導致可燃物積累減少，但同時也激發人們防火意識不斷增強，加之2009年開始實行更為嚴格有效的《森林防火條例》[23]和“有火必救”的防控策略，大火災之后可燃物迅速積累，加之近幾年以來氣候趨向于暖干，加劇了火災發生風險[29]?；馂牡陌l生頻率和周期與可燃物量積累的多少有關，由于森林植被所構成的森林可燃物在火燒以后，可燃物負荷量有一個從少到多的積累過程，可燃物積累越多，發生大火災的可能性也越大[30]。

在季節尺度上，火災主要發生在夏季，防火季從傳統的“春、秋兩防”演化為“春、夏、秋三防”，這與氣候變化背景下該地區森林火險期發生了較大變化有關[27]，春季氣溫回升，冰雪融化，農事活動頻繁，增加了引發林區森林火災的可能性，但降水少于秋季，導致秋季火災發生率相對較低[31-33]。受大陸性季風氣候影響，在春末夏初季節，來自貝加爾湖、蒙古國的冷鋒氣旋在北部原始林區一帶通過的機會較多，在地形和空氣濕度不足的影響下容易出現雷陣雨和干打雷不下雨的雷暴天氣現象，每年夏季都會出現一個雷擊火高潮，并呈現逐漸增多的趨勢，所以夏季火災發生頻率要高于春秋季[20]。

在月尺度上，6—7月份是火災集中爆發期，杜野、趙可新等人的研究結果與此相近[34]。森林火災主要受自然和人為兩個方面的因素交互影響，自1998年天然林資源保護工程提出后，內蒙古大興安嶺林區開始實施以生態建設為主的發展戰略，加快由木材生產為主向生態建設為主轉變，且一直實行嚴格的林火管理政策并不斷調整優化政策、加大宣傳力度，導致可燃物載量不斷積累。另外，大興安嶺地區自2001年開始年平均氣溫、年平均最高和最低氣溫均呈上升趨勢且最低氣溫上升趨勢顯著，而降水呈下降趨勢，氣候逐漸變暖變干，導致該地區干雷暴頻次增加，夏季火災次數也明顯增加[20, 32-33]，所以影響力較大的森林火災大多出現在7—8月，如 2002年的7、8月份就集中爆發了多起重特大森林火災。氣候變暖導致土壤的干濕程度也趨向于干旱，導致可燃物濕度降低，也是加劇火災發生的重要原因，比如氣候異常干旱的2002 年，黑龍江大興安嶺地區25 d內發生森林火災36 次，是2001年以來火災次數較多、過火面積最大的年份[35]。

在海拔分布上，研究區中部和東南部海拔要高于其他地區，西北到東南海拔逐漸升高。通常情況下海拔升高會導致氣溫降低、降水增多，森林火災發生率逐漸減少，且400～800 m內森林分布面積最廣，局地氣象條件和微地形條件都利于林火蔓延，是最主要的過火區域[28, 36]，所以火災發生率和火災面積隨著海拔的升高呈先增加后減少的變化趨勢，且集中發生于400～800 m的海拔范圍內[28, 36]。這種變化規律導致中部地區火災發生密度較高，東南部地區比較容易發生重大及以上規模的森林火災，另外由于西線緊鄰國境線，受外國入境火影響較大，導致西線火災密度也相對較高，并且容易發生重大及以上規模的森林火災[37]。

在坡向分布上，南坡和西南坡的火災發生率最高，東坡和東北坡向的過火面積最大。這是因為西南坡和南坡屬于陽坡，吸收的太陽輻射多，溫度相應也高，導致土壤水分含量少，可燃物含水率相對較低，森林火災發生率更高，東坡和東北坡朝向太陽升起的方向，最先接受太陽照射，雖然輻射較南坡相對較弱，但是東向坡受陽光照射升溫早，其他坡向的氣流向該坡向流動，導致影響林火行為的天氣與小氣候條件隨坡向不同而發生劇烈變化，極有可能導致東坡和東北坡向火災面積較大[38-40]，所以在火災監測和撲救上應當重點關注南向和東向地域。

在坡度分布上，一般而言坡度越大，有效降水下滲量越少，同樣會導致土壤含水率降低，可燃物水分含量減少，干枯可燃物載量增加。坡度大的地區一旦發生火災，林火蔓延相對較快，因此山區坡度大的區域需重點進行防火監控[41]。研究區的絕大多數地帶的地形起伏度在0～14°之間，這個坡度范圍內的植被分布最大，可燃物載量最高，所以5°～14°的平坡地域森林火災發生率最高，0°～4°的火災面積比例最高，這與田野、何雨芩等人的研究結果相近[39, 42]。

綜上可初步得出以下結論：

(1)2001—2019年期間，內蒙古大興安嶺北部原始林區年均森林火災次數為10次，年均火災面積約970 hm2，年度火災總面積與重大和特別重大森林火災次數極顯著正相關。

(2)2001—2012年是森林火災高發期，呈“M”型周期性波動，2013—2019年火災發生率增加，呈波動性上升趨勢。年度火災次數和火災面積分別于2019和2014年發生突變，上升趨勢趨于顯著；火災主要發生在夏季，其中6—7月份是火災集中爆發期。

(3)林區中部地區火災密度最高，為5.8次/(100·km-2)，西部和東南部地區較容易發生重大及以上規模的森林火災；火災主要集中發生在海拔400～800m，坡度為0～14°的區域，其中西南坡和南坡上的火災發生率最高，東坡和東北坡上的火災面積比例最大、破壞力最強，應加強這些地域的火災預警監測和撲救技戰術研究。