内蒙古草原火的时空动态特征研究

周怀林,王玉辉,周广胜

(1.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京100093；2.中国科学院

大学生命科学学院，北京100049；3.中国气象科学研究院，北京100081)



内蒙古草原火的时空动态特征研究

周怀林1,2,王玉辉1*,周广胜3

(1.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京100093；2.中国科学院

大学生命科学学院，北京100049；3.中国气象科学研究院，北京100081)

摘要：基于1981-2005年内蒙古草原火的统计资料分析表明，内蒙古草原在25年间共发生草原火3142次，其中人为火占68.84%，雷击火占5.19%，未查明起火原因草原火占25.97%。草原火强度主要以Ⅳ、Ⅲ级草原火为主，占查明起火原因草原火的81.15%。草原火的年发生次数总体呈减少趋势，但在21世纪初有所增加，且春、秋季是草原火的高发期，其中人为火在4月份发生次数最多，而雷击火集中于5,6月份。草原人为火发生时段集中在9:00-16:00，雷击火主要在13:00-17:00。内蒙古草原火的发生区域呈东北向西南减少的条带状分布，其中位于呼伦贝尔市的新巴尔虎右旗、陈巴尔虎旗、牙克石市和鄂伦春自治旗是发生草原火次数最多的4个旗(县)，累计发生次数在119～187次之间。研究结果表明，内蒙古草原火预防工作在区域上应集中在内蒙古中、东部和东北部地区，在时间上拟关注春季，特别是白天9:00-16:00时段。

关键词：内蒙古；草原火；时空动态

火是草原自然环境中重要的干扰因素之一[1-4]。一定频率、一定强度的火在维持草原的生态平衡和生物多样性以及调控草原生态系统自我更新和演替等方面起着重要的作用[5]；但是，高频率、高强度的火会干扰大气、水和土壤等因子，破坏系统的物质循环、能量流动和信息传递，导致草原生态的退化[6]。草原火是可燃物在有利燃烧的条件下，接触人为火源或自然火源之后燃烧、蔓延，对草原造成不同程度损害的现象[7]。它的发生主要取决于火源类型、可燃物属性、草原分布规律、人们的生产劳动以及气候条件等因素[8]。在时间尺度上，火会影响草原生态系统生产力的变化周期、地球化学循环和群落演替的阶段与速度等过程[2,9]；在空间尺度上，火会对草原生产力的空间分配、景观特征和土地利用方式等产生重要的影响[10]。

内蒙古草原是欧亚大陆温带草原的主要组成部分，也是草原火极为活跃的地区[11-12]。针对内蒙古草原火时空分布规律的探讨不仅有利于对草原火发生、发展过程的理解，而且对草原资源保护、火险预警预报以及灾害评估等方面具有重要的意义。关于内蒙古草原火的时空格局及影响因子等方面已有许多研究，包括呼伦贝尔森林及草原火的日、旬、月、季节变化规律[8,13]；锡林郭勒盟草原火的时空分布特点[14-15]；内蒙古森林草原火的特点、危害、时空分布规律及主要影响因素[10,16-21]。但这些研究大多集中在局部地区或较小时间跨度上，未能在宏观尺度上反映内蒙古草原火的时空分布规律，并且针对内蒙古草原不同火源、不同等级草原火的时空分布规律鲜见报道。为此，本研究以内蒙古主要草原区为研究对象，基于1981-2005年连续25年的实际草原火观测资料，对内蒙古草原火的时空分布格局进行分析，以期为草原防火、草原火生态研究以及草原火险预报和灾害评估等方面提供依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况

内蒙古自治区位于我国北部边疆，地理范围在37°24′-53°23′ N，97°12′-126°04′ E之间，东与黑龙江、吉林、辽宁三省相连，南与河北、山西、宁夏相接，西与甘肃相邻，北与蒙古国、俄罗斯两国相交，东西相距约2400 km，南北跨度约1700 km，呈狭长形由东北向西南方向延伸。内蒙古自治区按行政划分为9市3盟，即呼伦贝尔市、赤峰市、通辽市、兴安盟、锡林郭勒盟、乌兰察布市、呼和浩特市、包头市、乌海市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市和阿拉善盟，全区共有22个市辖区，11个县级市，17个县，49个旗，3个自治旗。该区属于温带大陆性季风气候，年平均气温在0～8℃之间，年降雨量为50～450 mm[22]。总的气候特点为：气温变化大、日照时间长、降水量少而不均[23]。春季干旱少雨，气温骤升，多大风天气；夏季温热短促，降水集中，植物生长迅速；秋季气温骤降，昼夜温差大，霜冻早来；冬季雪被覆盖，严寒干燥，多寒潮天气。受地貌、气候、土壤等自然因素的影响，内蒙古草原植被由东北到西南具有明显的地带性分布，依次分布着温带草甸草原、温带典型草原、温带荒漠草原3种主要草原类型，整个区域内的草原总面积达86.7万km2，其中可利用草场面积68万km2,占全国草场总面积的1/4[10]。

1.2资料来源和研究方法

本研究选取1981-2005年内蒙古草原火统计资料。该资料来源于内蒙古气象服务中心，包括火发生地点、经纬度、时间、过火面积以及起火原因等内容。在此，主要针对已查明起火原因的草原火数据进行分析。内蒙古草原火根据起火原因可分为两大类，由人为原因引起的草原火简称为“人为火”，由雷电引起的草原火简称为“雷击火”，而人为火和雷击火的总和简称为“总体”。火发生次数是指内蒙古草原在1981-2005年期间，在对应的不同时间和空间尺度上累计发

表1　草原火的等级划分标准

生的草原火次数。草原火等级的划分是以1993年国务院颁布的《草原防火条例》为依据，仅以过火面积为标准划分草原火等级(表1)。采用一般数理统计方法，利用Sigma plot 11.0、ArcGIS 10.2软件对数据进行分析并绘图。

2结果与分析

2.1内蒙古草原火的时间分布格局

2.1.1内蒙古草原火的年际动态1981-2005年内蒙古地区总共发生草原火3142次，其中查明起火原因的草原火总共2326次，包括人为火2163次(68.84%)、雷击火163次(5.19%)、未查明起火原因的816次(25.97%)。每年发生的草原火次数具有明显波动，总体上呈“阶梯式”递减的趋势(图1A)。其中，1981-1987年为高峰期，波动剧烈，年均发生草原火183.43次，远高于1981-2005年的平均水平(93.04次)。1988-1997年波动较为平缓，年均发生草原火84.3次，略低于25年平均水平。1998-2002年为低谷期，年均发生草原火30.8次，远低于25年平均水平。然而，在2002年后，草原火发生次数呈上升趋势，年均发生次数达到74次，这主要归因于人为火的增加(图 1C)。人为火年际动态与总体情况变化相似，而雷击火年际变化在1981-1996年存在3～5年波动周期，同时表现出逐渐减少的发展趋势。

图1　1981-2005年内蒙古不同类型(A)、各类型不同等级草原火(B、C、D)年变化Fig.1　Inter-annual variations of different types and grades of grassland fires in Inner Mongolia during 1981-2005

从不同等级草原火的发生情况来看，1981-2005年内蒙古草原火主要以Ⅳ、Ⅲ 级草原火为主，两者分别占25年草原火发生总次数的54.70%和26.45%，Ⅱ级和Ⅰ级草原火仅占8.89%和9.96%。在年际变化上，Ⅳ、Ⅲ级草原火的变化趋势比较一致，以2001年为转折点，先减少后增加，两者共同影响着草原火年发生次数的变化趋势(图 1B)。Ⅱ、Ⅰ级草原火发生次数波动明显，1981-1997年间年平均发生次数分别为11.4和12.8次，1998-2005年都减少为1.75次，整体上呈减少的趋势。

图2　1981-2005年内蒙古草原火过火面积年变化Fig.2　Inter-annual variations in grassland burned area in Inner Mongolia during 1981-2005

各等级人为草原火的变化趋势与总体情况相似，而各等级雷击草原火的变化情况存在较大差异。从雷击火的年发生次数来看，各等级草原火年际变化很大，但仍以Ⅳ、Ⅲ 级草原火为主，Ⅱ、Ⅰ级草原火较少发生(图1D)。

内蒙古草原过火面积也存在明显年际波动，整体上呈递减趋势(图2)。1986-1987年为高峰期，2002-2004年为低谷期。从过火面积的组成比例来看，人为火的过火面积占总过火面积的绝大部分，其变化趋势与总过火面积相似；而雷击火的过火面积所占比例极小，年际变化较大。2.1.2内蒙古草原火的月动态内蒙古草原火的月际变化具有明显的规律，呈双峰分布，主要发生在3-6月、9-11月，即春、秋两季，与管理部门划定的防火期大体一致。人为火的月动态变化与总体情况相似，分为春、秋季两个主要发生阶段，最大值出现在4月。雷击火的发生规律略有不同，即集中发生期在5、6月，最大值在6月，4和9月也有少量草原火发生，其余各月几乎没有草原火发生(图3A)。从总体情况来看，各等级草原火集中发生在3-6月和9-11月，变化趋势基本一致，而各等级间发生次数存在明显差异，其中Ⅳ、Ⅲ 级草原火在4-6月及9月差异明显，而Ⅱ、Ⅰ级草原火在各月间的差异较小，但发生次数明显少于Ⅳ、Ⅲ 级草原火(图3B)。各等级人为草原火的变化趋势与总体情况相似(图3C)，但雷击火的变化趋势存在较大差异。在雷击火当中，各等级草原火集中发生在5-6月，4和9月仅有少数草原火发生(图3D)，其中Ⅳ、Ⅲ、Ⅰ级草原火在6月的发生次数略多于5月，而Ⅱ级草原火在6月的发生次数略少于5月，4月各等级草原火发生次数都少于4次，在9月仅发生过4次Ⅲ级、1次Ⅱ级草原火而没有发生过Ⅳ、Ⅰ级草原火。

图3　1981-2005年内蒙古不同类型(A)、各类型不同等级草原火(B、C、D)月变化Fig.3　Inter-monthly variation of different types and grades of grassland fires in Inner Mongolia during 1981-2005

2.1.3内蒙古草原火日动态从各时刻发生草原火的总次数来看，内蒙古草原火每日发生时刻呈“马鞍形”分布，昼夜均有发生，9-16时为高峰期，7-8时和17-20时是次高峰期，21时-次日6时为低谷期。人为火的发生规律与总体情况相似，但雷击火发生的高峰期在每日的13-17时，其次是8-12时和19-20时，其他时段的发生概率较低(图 4A)。从各等级草原火的发生时刻来看，总体情况上Ⅳ级草原火为“马鞍形”分布，这是导致内蒙古草原火每日发生时刻也呈“马鞍形”分布的主要原因，其峰值出现在11和14时，Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ级草原火大致呈“倒钟形”分布，其最大值分别出现在11,14和13时(图4B)。各等级人为草原火的变化趋势与总体情况相似(图4C)。在雷击火中，各等级草原火发生规律并不统一，Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ级草原火发生的最大值分别在15-17时、13-14时、13时和20时(图4D)。

图4　1981-2005年内蒙古不同类型(A)、各类型不同等级草原火(B、C、D)日变化Fig.4　Daily variations of different types and grades of grassland fires in Inner Mongolia during 1981-2005

2.2内蒙古草原火的空间分布格局

2.2.1内蒙古草原火的盟(市)分布特征在地理空间分布上，1981-2005年内蒙古草原火呈东北-西南的条带状分布特征。呼伦贝尔市、锡林郭勒盟、赤峰市、兴安盟、通辽市是该地区草原火发生次数最多的五大盟(市)，其中呼伦贝尔市25年来的发生总次数明显高于其他盟市(图5A、5B)。从草原火等级上看，呼伦贝尔市各等级草原火次数均占到内蒙古地区该等级草原火发生总次数的51%以上，其中Ⅰ级草原火甚至达到71.5%。兴安盟以Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级草原火为主，所占比重分别为10.2%，12.8%和6.3%，Ⅰ级草原火仅占1.7%。通辽市各等级草原火次数比较均匀，所占比例在4.3%～8.2%之间。赤峰市以Ⅳ级草原火为主，占20.8%，Ⅲ级草原火仅占4.5%，没有发生过Ⅱ、Ⅰ级草原火。锡林郭勒市除Ⅳ级草原火占7.3%以外，其余各等级火都在22.0%以上。鄂尔多斯市只发生过Ⅳ级草原火，占2.4%。从过火面积来看，呼伦贝尔市和锡林郭勒盟为两大主要区域，分别占1981-2005年内蒙古地区总过火面积的82.2%和16.0%，兴安盟、通辽市分别仅占0.8%和0.9%。

图5　1981-2005年内蒙古各盟市(A)和旗县(B)草原火的空间分布Fig.5　Spatial distribution of grassland fire in Inner Mongolia cities (A) and counties (B) during 1981-2005

2.2.2内蒙古草原火的旗(县)分布特征从旗县的空间尺度上看，内蒙古自治区东北部的新巴尔虎右旗、陈巴尔虎旗、牙克石市和鄂伦春自治旗是发生草原火次数最多的4个旗(县)，发生草原火次数在119～187次之间；其次是新巴尔虎左旗、额尔古纳市、鄂温克自治旗、扎兰屯市、东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、克什克腾旗、扎鲁特旗和阿鲁科尔沁旗，发生次数在64～118次之间；海拉尔市、阿荣旗、莫力达瓦达斡尔族自治旗、扎赉特旗等13个旗县，发生次数在22～63次之间；其余旗(县)发生草原火次数少于21次，并且大部分为0(图5B)。总的说来，内蒙古草原火发生区域主要集中在呼伦贝尔市全境，兴安盟全境，通辽市西北部及东南部，赤峰市西部及北部，锡林郭勒盟中部及东北部地区。

3结论与讨论

3.1内蒙古草原火的时间动态及其影响因素

草原火的年际变化与植被状态和气候条件具有密切关系。降水和气温被认为是影响草地植被初级生产力的重要气候因子[22,24-26]。相关研究表明，同内蒙古地区1971-2000年的降水均值329.4 mm相比，20世纪80年代，内蒙古东部地区降水偏多，距平值为+16.6 mm，中西部偏少，距平值为-7.8 mm；20世纪90年代，全地区降水略偏多，距平值为+6.7 mm；21世纪初期，东部和中部地区降水显著偏少，干旱化加剧，距平值分别为-73.3和-12.0 mm，而西部地区降水略微增加，距平值为+4.6 mm[27-30]。与此同时，内蒙古地区增温趋势显著，1971-2010年的增温率为0.337℃/10a，远高于全球近百年平均增温水平(0.6±0.2)℃/100 a[21]。基于以上的水热配置情况，内蒙古地区植被状况会发生相应变化，从而可能导致内蒙古草原火次数和过火面积出现明显的年际波动。杜秀贤等[8]对呼伦贝尔森林草原火发生规律的研究发现，雷击火和人为火分别自1979,1982年以来呈逐年减少的趋势。郭西峡等[17]研究表明，内蒙古自治区森林、草原火发生次数在1981-2000年间呈逐年递减趋势，其中20世纪80年代初期是草原火发生的高峰期，90年代末期是草原火发生的低谷期，本研究结果与其基本一致。值得注意的是，21世纪初期Ⅳ级人为草原火发生次数明显增加，可能与草原植被状况得到一定程度的恢复有关[22,31-32]。人为因素作为导致草原火发生的另一个重要因素具有双面性。一方面，过度放牧导致草原植被高度、盖度降低[33]，可燃物载量减少，植被连续度降低，使得草原过火面积明显减少；另一方面，人为活动的增加也导致火源分布更加广泛，增加了人为草原火发生的可能性。另外，可燃物管理水平、火源控制能力、火扑救能力以及居民防火意识的不断提升[20]，使得Ⅰ、Ⅱ 级草原火的发生概率大幅度下降。所以，植被状态、气候条件的变化以及人为因素的干扰这3个因素的综合作用可能是导致内蒙古草原火呈先减少后增加趋势的主要原因。

草原火的月动态呈明显的双峰分布特征，这主要与草原区的气候条件、可燃物积累量、人员活动等因素有关。植物的含水率和可燃物性质决定着可燃物的可燃烧性以及火的蔓延情况[34-35]。都瓦拉[36]和张正祥等[37]研究表明，内蒙古主要草原区3-6月初降水量少，气温回升快，大风日数多，可燃物湿度低，死可燃物积累量较大，极易发生草原火；7-8月降水量多且集中，植被生长繁茂，植株体内水分含量较高，不易发生草原火；9-11月降水量少，死可燃物载量达到最大值，但由于气温下降快、昼夜温差大，此阶段是草原火发生的次高发期；12-2月积雪覆盖植被而使整个燃烧系统的湿度增大，并且人员活动明显减少，发生草原火的可能性很低。

草原火的日动态为马鞍形分布，这与该区域居民的日常作息时间和气温等气象因素的日变化规律基本一致。上午8-11时是人员活动密集时段，12-13时为午间休息时段，人员活动相对少一些，下午14-18时是人员活动与生产的又一高峰期，其他时段人类活动频率较低，尤其是22时-次日6时，这与草原火的日变化规律基本一致。同时，陶玉柱等[38]研究发现，一天当中自日出后太阳辐射增强，气温逐渐升高，在14时左右达到最大值，空气相对湿度降低，空气较干燥，可燃物含水率降低，极易发生草原火。所以，增强人们的用火、防火意识，是有效减少草原火的重要措施。

3.2内蒙古草原火的空间分布格局及其影响因素

研究区从东到西依次分布着草甸草原、典型草原和荒漠草原3种主要草原类型，对应地使得东北向西南的可燃物量呈减少趋势[39]，这决定了内蒙古地区草原火的空间分布呈东北多西南少，近似条带状分布的特征。草甸草原植被状况良好，生产力高，可燃物载量大，物种更新快，可燃物能在短时间内再次大量积累而引发草原火；典型草原植被状况相对较好，植物生长速度较慢，可燃物积累量相对少些，引发草原火的概率略低；荒漠草原植被覆盖度低，累积的可燃物量很少，连续度低，以致草原火难以发生和蔓延[10]。辛晓平等[40]对1982-2003年中国草地生物量时空变化研究发现，20世纪80年代内蒙古草原生物量维持在比较稳定的水平，20世纪90年代内蒙古中部及东北部地区生物量出现严重下滑，但在21世纪初期内蒙古温带草原区又出现明显上升趋势，其生物量与20世纪80年代相比增加了1.262 t/km2，这与内蒙古草原火发生的总体变化趋势相一致。另外，草原火的发生还与人员活动密切相关，曲炤鹏等[10]研究表明，人口密度和载畜率较高的地区草原过火率远低于人口密度和载畜率低的地区。张正祥等[37]对呼伦贝尔草原研究发现，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显著正相关关系。因此，草原的植被分布和人员活动可能是影响草原火空间分布的主导因素。

综上所述,内蒙古草原火具有明显的时空分布特征，植被状况、气候条件和人为因素等因子共同影响着草原火的发生与蔓延。在了解内蒙古草原火发生的时空规律基础上，合理地利用火来调节草原生态系统的结构和功能以及维持草原生态系统的平衡和稳定性，对实现人与自然和谐发展具有重要作用。同时，深刻理解内蒙古草原火发生的时空分布特征及其动态变化规律，对草原资源保护、草原防火以及草原火险预报和灾害评估等方面具有重要的实践应用与理论研究意义。

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Temporal and spatial dynamics of grassland fires in Inner Mongolia

ZHOU Huai-Lin1,2, WANG Yu-Hui1*, ZHOU Guang-Sheng3

1.StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China; 2.CollegeofLifeSciences,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China

Abstract:Analyses of a dataset for grassland fires in Inner Mongolia from 1981 to 2005 showed that there were 3142 grassland fires in the last 25 years. Among them, 68.84% were caused by human activities, 5.19% were caused by lightening, and 25.97% were attributed to unknown causes. Grade Ⅲ and Ⅳ fires accounted for the majority (81.17%) of grassland fires with known causes. The number of grassland fires generally decreased over time, but tended to increase in the early 21st century. Spring and autumn were the main fire seasons, with more human-caused fires in April and more lightning-caused fires in May and June. During the main fire seasons, human-caused fires tended to occur between 9:00 am to 16:00 pm, while lightning-caused fires mainly started between 13:00 pm and 17:00 pm. In terms of geographical distribution, the number of grassland fires in Inner Mongolia decreased from the northeast to the southwest. The areas with the most fires were the Xin Barag Right Banner, the Chenbarhu Banner, and the Yakeshi-Oroqen Autonomous Banner, the total number of fires in these regions ranged from 119 to 187. These results indicate that the grassland fire prevention region in Inner Mongolia should include its central, eastern and northeast regions, and that efforts to detect and control fires should be made in the spring, especially between 9:00 am and 16:00 pm.

Key words:Inner Mongolia; grassland fire; spatial and temporal dynamics

*通信作者

Corresponding author. E-mail: yhwang@ibcas.ac.cn

作者简介：周怀林(1990-)，男，江西吉安人，在读硕士。E-mail: hlzhou@ibcas.ac.cn

基金项目：公益性行业(气象)科研专项经费项目(GYHY201406034)资助。

*收稿日期：2015-06-25；改回日期：2015-07-06

DOI：10.11686/cyxb2015286

http://cyxb.lzu.edu.cn

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ZHOU Huai-Lin, WANG Yu-Hui, ZHOU Guang-Sheng. Temporal and spatial dynamics of grassland fires in Inner Mongolia. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(4): 16-25.