大兴安岭地区夏季森林火灾环境因子特征分析

何 诚 舒立福 刘柯珍

（1. 南京森林警察学院，江苏 南京 210023；2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业局森林保护学重点开放实验室，北京 100091）

自20世纪初以来，全球气温属于变暖的过程，平均地表气温上升了0.74 ℃[1]，而全球气候变暖，导致一些极端气候现象的产生，如“厄尔尼诺”现象，这些极端现象的出现，造成夏季火灾发生次数逐渐增多[2-3]。2007—2010年夏季美国发生了一系列严重的森林大火[4-5]；2007年希腊的夏季发生的森林火灾总面积超过26万hm2，其中，8月24日至26日，人为火原因造成的特大森林火灾过火面积18万hm2，是欧洲10年来最大的森林火灾[6-7]；2010年俄罗斯夏季发生了特大森林火灾，火灾扑救共投入16.6万人，机械设备2.65万台，过火面积超过19万hm2[8-9]。夏季火频发，而且造成资源、人力、物力严重损失引起了国际组织、各国政府的高度重视。近年来，中国也出现了夏季森林火灾频发的现象，尤其是内蒙古、黑龙江等中、高纬重要林区，受到夏季火的焚烧和侵扰有逐年上升的趋势[10-11]，通过调查发现夏季火以雷击火的火因居多，以2017年在内蒙古汗马自然保护区的雷击火为典型案例。2000年后，受气候变化影响，原本只有春季、秋季2个火险期，夏季很少发生火灾，如今火险期延长，夏季火灾频发[12]。2002年夏季，我国东北林区共发生火灾142起（包括草原火），其中林火占62%，因雷击而造成火灾占26%。特别是2002年“7·28”特大森林火灾，其过火面积和强度是建国以来最大的一场夏季森林火灾，过火面积为16 493 hm2，烧 毁 森 林13 808 hm2[10]。2020年7月15日 至17日，黑龙江省大兴安岭林区阿木尔林业局发生雷击火4起，夏季火严重威胁了北方林区。目前我国对夏季火的研究主要集中在夏季火的特征、火灾发生时空分布特点，而对于夏季火火环境的研究较少。

火环境是林火发生、发展的重要条件，气候因素、天气因素、地形因素与可燃物等因素互为环境条件[13]。Veraverbeke等[9]首先评估了2007年在希腊的伯罗奔尼撒森林火灾对环境影响的严重程度；舒立福等[14-15]于2003年对我国大兴安岭呼中林区雷击火发生火环境进行了研究，并针对大兴安岭林区地下火形成火环境进行了阐述，系统分析研究了森林地下火发生的火环境。我国对火环境的研究相对于林火管理先进国家处于落后状态，20世纪90年代后对火环境研究逐渐重视，区域及研究内容主要集中于大兴安岭地下火、大兴安岭呼中林区山地偃松（Pinus pumila）林雷击火发生的火环境、滇中昆明地区森林火灾的火环境，境外火的火环境，以及云南松（Pinus yunnanensis）林飞火的火环境研究[16-19]。但大兴安岭地区面临夏季火火灾逐年上升的趋势，对大兴安岭夏季火环境的研究却屈指可数，极端天气的频繁发生迫切需要对夏季森林火灾有新的科学认识。本研究以大兴安岭林区为研究对象，通过夏季林火火场调研，结合气象数据，从地形、可燃物、气象要素方面，研究大兴安岭林区夏季火灾的火环境，以期为相关管理部门制定防火策略、进行夏季火管理提供参考。

1 研究区概况

黑龙江大兴安岭区域（以下简称大兴安岭）处于北纬50°10′～53°33′，东经121°12′～127°00′，全区管辖包括管辖3县（呼玛、塔河和漠河）、4区（加格达奇、松岭、新林和呼中）以及10个林业局，总面积为835.12万hm2。研究区土壤类型包括：棕色针叶林土、暗棕壤、灰黑土、草甸土、沼泽土，地势不高，海拔700～1 000 m。研究区温度带属于寒温带，年平均温度在0 ℃以下，自东南部向西北部，受大气环流季风影响，火险期具有明显的季节变化。冬季漫长寒冷，基本上不发生火灾；春秋季天气条件变化剧烈，常出现高温、低湿和大风天气，是研究区重要火险期；夏季温差变化大、降水量集中，基本不发生森林火灾，但受气候变化影响，近年来气温升高、降水偏少、干雷暴火点频繁，成为林火高发期，且夏季火灾因雷击火的原因发生在原始林区居多，交通不便，扑救难度大，损失严重。

该区域引发夏季火的主要原因是干雷暴，6月、7月是发生雷击火相对较多的月份[20-21]。目前，中国大部分区域对春、秋季防火期的时间进行了界定，而对于夏季火险期时间还没有统一的标准，本研究根据北方林区的春季防火期（每年的3月15日—6月15日）、秋季防火期（每年的9月15日—11月15日）的时间，对夏季防火期的时间进行了界定，即春季防火期末与秋季火险期初期，推算界定夏季防火期为每年的6月16日—9月14日[22]。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

2.1.1 样地数据

按可燃物类型分析、整理黑龙江大兴安岭2000—2004年的28个夏季林火火烧迹地，437块样地的数据和资料，具体分布见图1，其中包括人为火和雷击火的空间分布。

图 1 夏季火样地空间分布Fig. 1 Location of summer fires plots

2.1.2 气象数据

研究区域中气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/），大兴安岭地区的气象数据涵盖9个气象站（包括内蒙古和黑龙江地区），区域包括：漠河、塔河、新林、呼玛、额尔古纳右旗、图里河、小二沟、博克图和阿尔山，其中择选出黑龙江大兴安岭4个气象站，区域包括漠河、塔河、新林、呼玛。通过中国气象数据网获取了黑龙江大兴安岭林区从1966—2015年的夏季火险期（6月16日—9月14日）地面气象资料，统计其地表日气象数据，包括平均气温、平均降水量、平均风速和最小相对湿度，对大兴安岭林区近50年来的气候变化趋势进行了分析。

2.2 潜在火险因子

2.2.1 可燃物因子

大兴安岭林区是我国的重点国有林区，因受寒温带大陆性气候影响，垂直方向植被结构层次少，多样性较低。优势建群种是兴安落叶松（Larix gmelinii），主要乔木有樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、白 桦（Betula platyphylla）、山杨（Populus davidiana）、红皮云杉（Picea koraiensis）、鱼鳞云杉（Picea jezoen）；灌木植被主要有越桔（Vaccinium vitis-idaea）、笃斯越桔（V. uliginosum）、杜香（Ledum palustre）、偃松；相对于乔木层和灌木层来说，大兴安岭林区内的草本层较为发达，总覆盖度超过90%，主 要包括地榆（Sanguisorba officinalis）、小叶章（Deyeuxia angustifolia）等[23]。不同可燃物类型样地的数量分布见表1。

表 1 不同可燃物类型样地的数量分布Table 1 Numbers and characteristics of plots with different fuel types

2.2.2 地理因子

黑龙江大兴安岭地区地形特征呈现出北部较低、南边较高的现象。北部包括漠河一带海拔高度为700～800 m，中部地区海报高度约1 000～1 200 m，南部林区地形海拔高约1 200～1 500 m，另外林区总体地形表现为东侧较陡、西侧较缓。大兴安岭的地貌类型可以分为山地和台原。山地地势比较平缓，80%以上的山地坡度为小于15°的缓坡。台原主要分布在伊勒呼里山以北，地形相对破碎，但山顶较平坦，高差相对小[24-28]。不同坡度、海拔的雷击火和人为火分布情况分别见图2～3。

图 2 不同坡度的雷击火和人为火分布Fig. 2 Distribution of lightning fires and human-caused fires in different slopes

图 3 不同海拔的雷击火和人为火分布Fig. 3 Distribution of lightning fires and human-caused fires in different elevation

3 结果与分析

3.1 不同种类夏季火发生的可燃物类型

按照林火发生的位置将林火分为森林地表火、森林地下火、森林树冠火。由表2可知，大兴安岭地区夏季林火以地表火为主，因为林区内的草本层较发达，容易在林地表面起火蔓延。森林地下火普遍存在于落叶松-杜鹃林、落叶松-偃松林、落叶松-草丛林和阔叶混交林中，发生比例分别为50%、70%、60%、40%，其中以落叶松-偃松林最多；树冠火主要发生于偃松矮曲林中，比例达80%。

与春、秋两季不同，大兴安岭夏季林火可以为2种或3种林火种类共同存在，以森林地表火和森林地下火所占比例较多。林火发生时先是燃烧地表的枯枝落叶或草层，形成地表火，然后逐渐蔓延、扩散到腐殖质层进行阴燃，形成地下火。在腐殖质层较薄的地段或地缝，森林地下火接触到地表可燃物后，又可燃出地面转为地表火，与此同时，当地表火遇到大风或燃烧梯状可燃物时，会蔓延燃烧森林上方，又可演变为树冠火。在这3种类型火灾中，以森林地下火对森林的危害最大[14,29]。

3.2 不同种类夏季火发生的地形特征

地形为影响森林火灾主要因素之一，其中包含坡度、坡向、坡位、海拔、地貌或地表形状等因子。研究区不同坡向、坡度统计的各种夏季林火发生比例见表3。由表3可知，地下火的发生受坡度影响不大，而阴坡比阳坡发生地下火概率要高。树冠火发生概率随着坡度增大而增加，当坡度在20°时，树冠火发生概率高达45%；阳坡发生树冠火的概率大于阴坡。

表 2 不同林分类型夏季林火发生比例及地形特征Table 2 Proportion of summer forest fires in different stand types and its topographic characteristics

续表 2

表 3 不同坡位、坡度夏季林火发生比例Table 3 Proportion of summer forest fires in different slope and aspect

3.3 不同种类夏季火发生的气候特征

3.3.1 气温

1966—2015年间各气象站夏季防火期日均温的变化见图4。由图4可知，各气象站夏季日均温近50年呈显著增加的趋势，随着年份的递增，大兴安岭林区的平均温度缓慢增加。最后10年各气象站日均温与最初的10年相比，温度增加了1.1 ℃。温度是影响森林火灾的又一个重要影响因素，温度升高，不但可以加快可燃物含水量蒸发，而且可燃物自身的温度也提高，进而使可燃物容易被点燃，这些因素会导致大兴安岭森林火险等级升高。

图 4 1966—2015年各气象台夏季防火期的日均温Fig. 4 Daily mean temperature of each weather station in summer fire season during 1966-2015

3.3.2 降水量

1966—2015年各气象台夏季防火期的降水量见图5。由图5可知，1966—2015年，夏季防火期降水量整体增加趋势不明显，可分成3个阶段。第1阶段：1966—1980年降水量上下幅度变化较小，降水量比较集中；第2阶段：1981—1999年降水量变化幅度明显增大，降水量也较多；第3阶段：2001—2015年降水量与前一阶段相比，明显减少，变化也相对比较集中。20世纪80—90年代（1981—1999年）夏季降水量的平均值分别比1966—1980年和2001—2015年增加了12.3%和11.3%。

图 5 1966—2015年各气象台夏季防火期的降水量Fig. 5 Mean precipitation of each weather station in summer fire season during 1966-2015

3.3.3 日平均风速

1966—2015年各气象台夏季防火期的日均风速见图6。由图6可知，1966—2015年各气象台夏季日风速的平均值整体上呈显著下降的趋势，最后10年夏季日均风速比最初10年下降了13.6%，特别是20世纪80—90年代夏季日风速的平均值下降幅度最大。大兴安岭林区内部复杂，其区域林火发生后会产生小气候，相比大气候，小气候环境对林火的发生、火行为特征影响更大（一般山脊风速较大，山谷风速较小），内部相互影响机制也极为复杂。

图 6 1966—2015年各气象台夏季防火期的日均风速Fig. 6 Daily mean wind speed of each weather station during 1966-2015

3.3.4 日最小相对湿度

1966—2015年各气象台夏季防火期的最小相对湿度的均值见图7。由图7可知，1966—2015年的夏季日时间区段，最小相对湿度的平均值整体呈下降的趋势，其中2008年各气象台反馈的日最小相对湿度的平均值达到最低峰值，之后虽略有升高，但整体还是小于2008年之前的日最小相对湿度的平均值；最后10年日最小相对湿度的平均值比最初10年下降了14.7%，特别是1997—2007年日最小相对湿度的平均值下降幅度最大。

图 7 1966—2015年各气象台夏季防火期的最小相对湿度的均值Fig. 7 Mean of daily relative humidity minimum of each weather station in summer fire season during 1966-2015

4 结论与讨论

本研究基于地理信息系统软件、SPSS、Excel等软件对黑龙江大兴安岭地区的夏季火时空分布进行分析；从地理特征、气温、降水量、空气湿度、湿润指数等多个方面分析了大兴安岭地区夏季气候变化特征，数据分析表明大兴安岭夏季火以地表火和地下火为主，树冠火发生较少。树冠火主要出现在偃松矮曲林，发生比例达80%；其次是落叶松-蒙古栎林，发生树冠火的比例为15%。森林地下火主要出现在落叶松-偃松林中阴湿的环境，与坡度关联性不大，相对于阳坡，阴坡发生地下火的概率更高，原因是大兴安岭地区气候寒冷，凋落物分解缓慢，土壤层容易积累较厚的可燃物层，其中，阴坡积累的腐殖质层更厚。

由本研究可知，1966—2015年，大兴安岭林区气候变化显著，特别是80年代和90年代后期，林区内气温升高，降水量年际波动性较大，在降水量较少的年份，日最小相对湿度较小，林区气候比较干燥，森林可燃物含水量低导致森林发生火灾的危险等级增加。综上可得降水量、温度及坡度直接影响着大兴安岭夏季森林火灾发生概率。1966—2015年间大兴安岭夏季防火期期间温度、降水量、风速、最小相对湿度研究表明，黑龙江大兴安岭向暖干化趋势发展，综合大兴安岭林区的可燃物类型、林分层次以及地理因素，大兴安岭林区夏季发生火灾的危险性概率增加。

夏季为是植物生长季节，高温对植被生长影响大，所以夏季林火对生长中树木的根、韧皮部和形成层危害较大，尤其对大兴安岭的主要树种-落叶松伤害最大，原因是落叶松侧根裸露，两个相邻侧根间特别干燥，表面还积累大量富含油脂的死可燃物，火灾造成落叶松林出现大片倒的现象。因此，森林防火管理部门应充分认识到夏季林火的高发性和危害性，制定有关夏季防火期的应对策略及预案，尽可能减少夏季火灾造成的损失。森林夏季火产生的主要原因为雷击火，如何预防和监测森林夏季火，将是未来研究的重点方向。