呼伦贝尔草原人为火空间分布格局

2013-12-21张正祥张洪岩李冬雪许嘉巍周道玮

生态学报 2013年7期

张正祥，张洪岩，李冬雪，许嘉巍，周道玮

(1.东北师范大学东北资源与环境吉林省重点实验室，长春 130024;2.吉林省城乡规划设计研究院，长春 130061 3.中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130012)

草原火作为自然生态系统中重要的干扰因子之一在全球范围内频发。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，草地火主要发生在晚春和夏初(6月末至7月初)［1-2］。非洲和澳大利亚的萨瓦纳草原每年干旱季节都频繁地发生草地火。造成这些火的主要原因都与人为活动、土地利用方式等有关［3-6］，即每年中发生的大部分火都是由各种人为原因引起的［7-8］。蒙古国和中国内蒙古的干旱、半干旱草原是亚洲草原的主要组成部分，每年在该区域内都频繁地发生草地火，其主要的火源也以各类人为活动为主。这些草地火主要发生在每年的春季和秋季，占全年总发生火数量的90%以上［9-12］。尽管人为原因引起的野火在草原中经常出现，但是对这种草地火的空间格局的分布、评价等方面的研究相对较少［9-12］。目前，随着空间统计学和地理信息技术的发展，国内外诸多学者应用空间点过程函数、Ripley函数、Kernel密度函数以及Poisson模型等技术方法对森林火的时空分布格局进行了深入的研究。Stoyan和Penttinen首先将空间点模式应用于林业研究［13］。Mercerd和 Prestemon估测了林火时空尺度上的分布格局情况［14］。Justin Podur等发现加拿大安大略省的雷击火成聚类分布，并存在雷击火高发区［15］。Pewb等分析了加拿大温带森林中人为火的时空分布格局，并发现人为火发生的概率随着着火点到人为建筑设施的距离增加而降低［16］。Brooks以及Hargrove等对不同景观下的火时空格局进行了分析［17-18］。邸雪颖、柴造坡等运用GIS的图层叠加功能对我国塔河和黑河地区林火发生的时空变化做了初步分析［19-20］。舒立福、王明玉等对大兴安岭呼中林区雷击火分布进行了研究，得出雷击火存在季节高发和区域高发的时空分布特性［21］。田晓瑞等对我国西藏地区森林火灾时空分布规律进行研究［22］。胡海清、金森等分别对我国黑龙江省林火发生格局进行了研究［23-24］。郭福涛等对黑龙江省大兴安岭地区的雷击火空间分布进行了分析，并对雷击火的空间分布密度进行了阐述［25］。这些方法在草原火时空格局研究中很少应用，限制了草原火研究的发展。因此，开展人为草地火的时空间分布模式及其与影响因素分布格局的相关关系研究对于草地火生态、草地火管理以及野火扑救等研究具有重要的意义。

草原火分布格局由一系列不规则地分布于研究区域中的火点组成，目前其格局识别主要是应用区域内的火点在空间上分布位置及其与影响因素间的空间位置关系，采用描述或叠加的方式人为观察火点分布大致区域和密集程度。本研究应用基于空间点过程中的Repley's K函数和Kernel空间密度函数对内蒙古自治区呼伦贝尔草原的人为火点的空间分布模式及其与人为影响因素及气象、地形要素的空间分布相关关系进行研究，本方法的应用更为科学准确地揭示了人为草原火空间分布格局。

1 研究区概况

本研究区位于内蒙古自治区东北部的呼伦贝尔市，范围在115.22— 126.06°E和47.08— 53.23°N之间，东西长约为681 km，南北宽703 km，面积约为252，948 km2。该区域是典型的温带大陆性季风气候，降水量小，季节分配不均，最高、最低温度出现在夏季和冬季。年均温为－2.3°C，降水量为320 mm，55%的降水集中在夏季。呼伦贝尔草原区的植被类型由多种植物群落构成。主要的植被群落有贝加尔针茅(Stipa baicalensis)群落，线叶菊(Filifolium sibiricum)群落和羊草(Leymus chinensis)群落。

该研究区内有13个旗县，大约有3000个乡镇、村屯等居民点，农田面积约为2.02万km2。农田与居民点的空间分布不均，主要集中在东南部，其次中部地区稍多。乡村路、公路和铁路在区域内广布，道路密度较大，为67.64 km/km2。研究区内平均每年发生300多次野火，其中约86.75%为草地火，过火面积约占总过火面积的94.01%。人为原因引起的草地火是本区域内最主要的风险。

2 研究方法

2.1 数据搜集与处理

本研究中采用的火记录数据由呼伦贝尔市农业局提供，包括1977年到1996年发生的2611次草原火，其中1537次火是由人为原因引起的(图1)。每条草地火记录包含的参数有火发生位置、日期和火因等信息。火点位置由经纬度坐标表示，精确到分。人为草地火发生的原因主要有:狩猎、烧荒、烧茬地、机车喷火、生火做饭、上坟烧纸、小孩玩火、吸烟、打草、收割、故意纵火等。由此可见，道路交通、农业生产和居民点的分布是影响草原火发生的主要因素。在本研究中通过对研究区1∶5万地形图矢量化获得小路、大车路、公路、铁路、居民点等数据;通过对研究区内1995—1996年的Landsat TM影像解译获得草地、农田分布数据。所有数据均以Shapefile数据格式组织，比例尺设置为1∶10万，采用Albers投影，大地椭球体为D_Krasovsky_1940。

搜集研究区内及周边17个气象站点(海拉尔、扎兰屯、博克图、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、阿尔山、满洲里、图里河、额尔古纳右旗、小二沟、大兴安岭、新林、塔河、漠河、嫩江、齐齐哈尔、富裕)1977年至1996年共20年的气温、降水、相对湿度和风速的月均资料。由于气象因子之间存在一定的相关性，采用草原火主要发生月份的干燥指数(平均气温与平均风速的乘积除以降水量)表征气象因子的空间分布［23］。根据气象站点的坐标信息，通过ArcGIS的空间分析功能，采用克吕格空间插值方法对干燥指数进行空间插值，生成研究区草地范围内的气象因素空间分布格局数据。

从美国国家航空航天局(NASA)数据共享网站(https://wist.echo.nasa.gov/api/)中下载研究区30 m分辨率的ASTER G-Dem地形数据。应用ArcGIS的三维分析功能计算研究区草地范围内的坡度信息来表达地形对草原火分布格局的影响作用。

2.2 空间分布模式研究方法

草原火点作为点状地物其分布模式可能随着空间尺度的变化而变化。在小尺度下可能呈现聚集分布，在大尺度下可能为均匀分布或随机分布。Ripley's K函数可以分析任意尺度的点状地物空间分布格局［26-27］，其计算公式如下:

式中，n为研究区内火点数目;d为研究区范围内火点i与火点j之间的距离;Wij为在距离d范围内的火点i与火点j之间的权重函数，如果距离小于或等于d，权重为1，否则为0。通过对Repley's K函数的实测值与理论值进行比较，判断草原火点的空间分布格局。在一给定距离范围内，当观测值大于理论值时，为聚集分布，反之为离散分布。本研究中设置的置信水平为99%，当观测值大于置信区间上限时，空间聚集分布是显著的;当观测值小于置信区间下限时，空间离散分布是显著的。

本研究应用Ripley's K函数对人为草原火在4、5、6、9、10月和年际间分布格局进行了研究。

2.2 空间密度估计方法

核心密度估计函数法是一种从一些随机采样点重建概率密度函数的方法，在没有任何先验密度假设情况下，只要给定一个合适带宽，就能得出一个高质量的概率密度估计值［28］。因此，在已知本研究区内人为草原火点数量、居民点、道路和农田分布状况下，应用核心估计函数模拟出相应变量数据的空间分布概率密度。Kernel空间密度估算定义为:^

图1 人为原因引起的呼伦贝尔草原火分布图(1976—1996)Fig.1 The distribution of human-caused fire on Hulunbeir grassland(1976—1996)

式中，λτ(s)是相应变量在s点的空间分布密度，s1，…，sn为相应变量的地理坐标。τ为带宽，用来定义平滑量的大小，实际上就是以s为中心的一个圆的半径。k()是一个双变量的概率密度函数，称为核心。通过调整带宽τ的值，可以得到在不同尺度下相应变量的空间分布密度。

本研究中应用ArcGIS软件提供的Kernel Density分析工具进行人为草原火及影响因素的空间分布密度计算。由于该工具支持点状和线状要素的密度运算，而农田为面状要素，因此将其转化成500m栅格数据后依据其中心生成农田点状要素。分别将4、5、6、9、10月和全部人为草原火点、居民点、道路、农田点要素带入公式(2)后，依次计算其空间分布密度。

2.3 火点分布格局与影响因素格局相关分析

采用ArcGIS软件的数据转换功能将空间密度分布数据、地形坡度数据、气象因素数据转换成ASCII文件，将文本文件导入到SPSS中，用Peason相关系数评价人为草原火点与道路、居民点、农田空间分布密度以及与地形、气象要素之间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 人为草原火空间分布格局

由于草原火的发生状况在年内季节性显著，4、5、6、9、10月发生的人为草原火和占全部火事件的93.22%，而在年际间草原火的发生具有4a左右的周期性［29］，因此应用Repley's K函数计算呼伦贝尔草原人为火年内(4、5、6、9、10 月)和年际间(1976—1980、1981—1984、1985—1988、1989—1992、1993—1996 年)空间分布模式。

图2为人为草原火主要发生月份的空间分布状况。人为草原火在4月份主要是呈聚集分布，当距离大于250 km时为离散分布。人为草原火在5月份主要是呈聚集分布，当距离大于265 km时为离散分布。人为草原火在6月份主要是呈聚集分布，当距离大于245 km时为离散分布。人为草原火在9月份主要是呈聚集分布，当距离大于200 km时为离散分布。人为草原火在10月份主要是呈聚集分布，当距离大于245 km时为离散分布。从统计显著性上看，4、5、6、10月份的观测值均大于99%置信水平的上限，其聚集分布是显著的。9月份的观测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显著的。研究区的东西长约为681km，南北宽为703 km，Repley's K函数的带宽设置距离应小于边长1/2(约为350 km)，否则将引起边界效应使分析结果不可信。从这个尺度看，人为草原火主要发生月份的分布状况在该尺度下均为聚集分布，除9月份以外均为显著的。从聚集的距离来看，聚集强度以5月份最大，4、6、10月份其次，9月份最小。这一特点与草原火的季节(防火期)分布特征相一致［9-10］。

图2 呼伦贝尔草原各主要月份人为草原火Repley's K函数分布曲线Fig.2 The curves of Repley's K function for human-caused fires on Hulunbeir grassland

图3为人为草原火在1976—1980年分布状况。通过图形分析可以得出人为草原火在年际间主要是呈聚集分布，其中1976—1980年间聚集的距离为210 km，1981—1984年间为 280 km，1985—1988年间为 260 km，1989—1992年间为220 km，1993—1996年间为220 km。其聚集状况在99%置信水平下均显著。

3.2 人为草原火及其影响因素空间分布密度

从Repley's K函数的计算可以看出人为草原火主要成聚集分布，为了进一步研究人为草原火分布热点地区及其与影响因素之间的空间关系，应用 Kernel Density工具对人为草原火点及其影响因素进行空间分布密度热点探测分析。

在人为草原火点密度分析的时间段划分上与火点分布模式研究保持一致。由于年际间人为草原火点分布密度的差异不大，因此用全部火点分布密度来代替年际间的密度划分。同时，研究区面积较大，各草原火点及影响因素之间距离不容易准确判断，故本文在进行密度估计过程中，通过试验将式中τ(带宽)设为研究区东西长度的1/30较为合理，约为22 km。

图3 呼伦贝尔草原人为草原火1976—1980年间Repley's K函数分布曲线Fig.3 The curves of Repley's K function for human-caused fires on Hulunbeir grassland in 1976—1980

图4为研究区1976—1996年间人为草原火空间分布密度。图中显示人为草原火在研究区内分布广泛，主要热点地区分布在东部偏南区域。其核心区坐标范围约为123.05—124.82°E、48.25—50.21°N，火发生频次为0.0158—0.064 次/km2。此外，有 4 个范围较小的次热点地区，其核心坐标为 117.52°E，49.51°N;120.73°E，49.24°N;121.94°E，48.74°N;123.73°E，50.58°N，核心区火发生频次依次为 0.0275，0.0272，0.017，0.0181。研究区内各月份及年际间人为草原火空间分布密度特征和整体分布特征相似，主要热点地区均在核心区坐标范围内。其中9月份的密度分布较其他月份稍微均匀一点，差异不大，这一结果与3.1中人为草原火在9月份的分布呈“聚集但不显著”的特征一致。

图4显示为研究区内居民点、农田和道路空间分布密度，其热点地区均主要分布在东部和中部地区，其中道路的分布密度较农田和居民点要更加均匀，次热点区域范围较大。

图4 呼伦贝尔草原1976—1996年间人为火点、居民点、农田和道路的空间分布密度Fig.4 The distribution densities of human-caused fires，residential points，roads and fields

通过图4的对比分析可以看到，人为草原火的空间密度分布与居民点、农田以及道路密度的空间分布格局基本一致。应用SPSS软件，用Peason相关系数分析人为草原火与道路、居民点、农田空间分布密度之间的相关关系(表1)。

通过表1可以看到，呼伦贝尔草原人为草原火空间分布密度与居民点、道路和农田的空间分布密度呈正相关，Pearson 相关系数依次为0.448、0.236、0.602(均通过双尾检验，显著性水平 P＜0.001，极显著)，即火源因素的空间分布格局对草原火空间分布密度具有显著性影响。呼伦贝尔草原人为草原火空间分布密度与干燥指数呈显著性正相关，随着干燥指数的增加火点分布密度增大。其相关系数小于居民点、道路和农田的相关系数，由此可以说明在气象条件满足草原火发生的条件下(防火季节)影响草原火点分布的主要因素是人为火源的空间分布状况。研究区内坡度因素与火点空间分布密度呈显著性负相关，即随着坡度的增加，草原火点的分布密度降低。其呈负相关的原因可能是随着坡度的增加，人为活动相对减少。地形因素对火的蔓延速度、火强度以及过火面积等的影响作用较大，而对火点发生的影响作用不大。

将研究区内人为草地火发生的具体火因划分为三类:生活火、机车火和生产火，分别对应于居民点、道路和农田，相应的草原火次数所占比例依次为45.59%、15.52%和38.89%。由此可见，机车火的次数较少是导致道路与人为草原火空间密度分布相关性较弱的原因。而在具体火因中，将吸烟、烤干粮、烤火和小孩玩火等原因引起的火都划分为生活火，而这些火点中部分可能发生在道路和农田周围，这也可能是导致居民点与人为草原火分布密度相关性弱于农田与人为草原火分布密度相关性的原因。

表1 人为草原火与居民点、道路、农田空间分布密度之间的相关关系Table 1 The Pearson correlation of the spatial distribution densities of human-caused fires and residential points，roads and fields

4 结论与讨论

(1)本研究应用Repley's K函数对呼伦贝尔草原人为火空间分布格局进行分析，根据计算结果显示，年内主要发生人为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显著，其余月份均显著。从年际间计算结果看，研究区各年际间的人为草原火均呈聚集模式分布。由此说明呼伦贝尔草原火的空间分布与某种呈空间聚集分布的影响因素的分布格局显著相关。

(2)年内各主要月份人为草原火呈聚集分布的距离不同，在小于200—265 km尺度内呈聚集分布;年际间在小于210—280 km尺度内呈聚集分布。这一距离尺度小于呼伦贝尔草原东西或南北长度的1/2(约350 km)，即未超出研究区的边界效应，满足Repley's K函数的要求。因此，研究区内人为草原火的分布为聚集分布模式的结果是可信的。

(3)应用Kernel密度函数对呼伦贝尔草原人为火发生的空间密度和及其主要影响因素(居民点、道路、农田)的空间分布密度进行分析，模拟结果显示人为草原火在研究区内分布广泛，主要热点地区分布在东部偏南区域，其核心区坐标范围约为123.05—124.82°E、48.25—50.21°N。居民点、道路和农田空间分布密度的核心热点地区均主要分布在东部和中部地区，这些因素在局部地区也呈聚集状分布。其中道路的分布密度要更加均匀，草原火分布的热点地区与居民点和农田分布的热点区域相近。因此，居民区与农田附近是进行草原防火管理工作的重点区域。

(4)通过相关分析研究显示呼伦贝尔草原人为火空间分布密度与居民点、道路和农田的空间分布密度呈显著正相关，Pearson相关系数依次为0.448、0.236、0.602(P＜0.001)。草原火空间分布密度与干燥指数(气象因素)、地形的空间分布的相关性显著，但是其相关系数明显小于火源因素(居民点、道路和农田)的相关系数。因此，在防火期内呼伦贝尔草原影响人为火空间分布特征的主要原因是居民点、道路和农田的空间分布状况。

本研究应用Repley's K和Kernel密度函数研究了呼伦贝尔草原人为火及其主要影响因素居民点、道路和农田的空间分布格局、分布密度以及空间分布的相关关系，通过与气象因素(干燥指数)、地形(坡度)因素空间分布相关关系比对研究，揭示出在呼伦贝尔草原人为原因火发生的主要月份(防火期内)，其空间分布模式主要受火源(居民点、道路、农田)的空间分布格局的影响，气象和地形因素的影响作用不大。因此，在防火期内呼伦贝尔草原火管理部门应根据草原火发生的热点区域与火源分布的热点区域相吻合这一特点，贯彻“预防为主”的方针，大力开展热点地区群众的防火安全教育工作，深入宣传防火条例和用火安全知识;建立防火管理制度，加强防火基础设施与扑火队伍建设，提高草原火预防、管理和扑救的总体水平。

本文主要对影响人为草原火发生的火源因素的空间分布进行了分析，实际上这些空间位置中的具体人为活动是火源发生的直接原因，如人口数量、人口年龄结构、产业结构、行为习惯、耕作方式、机械化程度等均对草原火的发生产生影响。除了火源因素外，地形、降水、温度、相对湿度等环境因素对草原火的发生都具有直接的影响［3，10-12］。这些因素与火源因素之间存在一定的时空相关性，使草原火的发生机制更加复杂。因此，在空间分布模式与空间相关性研究的基础上，选择合适的尺度，对影响草原火发生的众多因子进行时空相关的、交互的、非线性的研究是揭示草原火发生规律的重要途径之一。

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