基于牧户尺度的草原火灾风险评价——以东乌珠穆沁旗为例

侯丽丽 ，都瓦拉 ，银山 ，玉山

（1. 中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特010010；2. 内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特010022）

草原是我国北方陆地生态系统的主体，是国民经济的重要组成部分，也是促进牧区经济可持续发展的物质基础［1］。草原生态系统极易遭受各种自然和人为因素影响，其中草原火灾是一种突发性强、破坏性大、蔓延速度快、救助困难、对牧民危害严重的草原灾害［2］。近年来，在生态工程实施大背景下，牧区植被恢复较好，随着全球气候变化，火险等级不断提升，草原火灾的风险逐渐显露出来［3］。火灾给牧民生境带来巨大威胁，严重制约着我国畜牧业生产的稳定发展，因此开展牧区草原火灾风险评价研究十分迫切，对苏木乡镇政府制定防灾减灾政策具有重要的意义。

近年来关于草原火灾风险评价的研究多从大尺度来分析，国外从影响草原火灾的单一因子到后期借助多源卫星数据结合多个火险因子进行综合评价，Yebra 等［4］根据卫星图像估算地中海草地、灌木丛的可燃物含水率（fu⁃el moisture content，FMC）评估火灾风险。Adab 等［5］应用混合火灾指数结合植被的湿度、坡度、纵横比、高程、道路距离以及居民点附近的距离等综合因素来描述伊朗东北部地区的火灾风险；Arganaraz 等［6］利用中分辨率成像光谱仪（moderate resolution imaging spectrometer，MODIS）影像估算活可燃物含水率（live fuel moisture content，LFMC）与卫星图像光谱指数进行建模分析格兰查科南部火灾危险。我国草原火灾风险评价研究尺度多为县域尺度至盟市尺度的分析，研究区域集中在我国北方草原地区，如内蒙古、吉林省、青海省、山西省和甘肃省等，如刘兴朋等［7］基于历史资料对我国北方草原火灾进行了风险评价；刘兴朋等［8］利用层次分析法、加权综合平均法定量评价了吉林省西部草原火灾风险；佟志军［9］基于神经网络法绘制锡林郭勒盟草原火灾风险的系列图谱。乡镇和村等微观尺度的草原火灾风险评价缺乏，而小、微观尺度评价结果有具体导向作用，细化研究尺度十分必要。

东乌珠穆沁旗是锡林郭勒草原火灾和境外火频繁侵入地区，是我国畜牧业发展重要基地，地广人稀，单位面积可燃物量多，境外蒙古国草原火跨境侵袭，成为我国草原火灾频发地区之一［10］。除乌云德吉［10］系统地监测了东乌珠穆沁旗草原火险指数，没有更加详尽的草原火灾风险研究，而基于牧户尺度进行草原火灾风险评价的研究更少。

农牧户作为农田、草地资源的直接使用者和管理者，其对农牧业的感知，对准确判断土地状况、旱灾、火灾等风险具有不可忽视的作用［11］。因此本研究从牧户尺度出发，以内蒙古东乌珠穆沁旗牧区嘎查的牧户为研究对象，通过牧户调研、统计分析结合地理信息系统（geographic information system，GIS）技术，采用主成分分析法、层次分析法、加权综合评价法对构建的牧户尺度草原火灾风险指标量化评价，获取东乌珠穆沁旗9 个镇草原火灾风险等级分布图，从微观尺度为草原火灾风险评价提供新的视角，完善我国草原火灾风险评价的多尺度研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东乌珠穆沁旗位于内蒙古自治区锡林郭勒盟东北部（44°42′−46°47′N，115°10′−120°07′E）（图1），北邻蒙古国，国境线长达 527.6 km［12］。包含 5 个镇、4 个苏木、1 个国营林场、覆盖 1 个管理区，海拔 800～1500 m；地势北高南低；属温带大陆性气候，年平均气温1.6 ℃，年降水量300 mm 左右，年蒸发量在3000 mm 以上，日照时间年均 2975 h，大风日数多，平均风速 3.6 m·s−1［13］。植被类型以草原为主，此外还有森林、沙地、草甸、灌丛等类型，畜牧业为东乌旗第一产业，本研究基于牧户尺度草原火灾评价，故只选取了东乌旗其余9 个镇57 个嘎查作为研究区。

图1 研究区示意图Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源与处理

1.2.1 气象数据 气象数据来自中国气象科学数据共享服务网和蒙古国水文气象局。包括气温、降水、风速和雷暴日数等。对气象数据采用克里金插值法进行空间插值、掩膜为50 m 分辨率的栅格数据。

1.2.2 遥感数据 植被覆盖度数据来源于美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）网站发布的Landsat OLI 产品数据，空间分辨率为30 m，涵盖东乌珠穆沁旗2018 年7、8、9 月的6 景影像，通过辐射定标、大气校正、波段合成，提取植被归一化指数（normalized difference vegetation index，NDVI），进而估算研究区可燃物的量。NDVI 的计算公式为：

式中：ρNIR和ρR分别代表近红外波段、红光波段的地表反射率，可燃物的量借助刘兴朋等［14］2015 年建立锡林郭勒盟可燃物量与NDVI 关系式，计算公式如下：

式中：y代表可燃物的量，x代表植被 NDVI 值。

火点数据采用2001−2018 年MCD64A1 产品数据提取火点、火烧频次及火烧迹地面积。MCD64A1 燃烧区产品是月尺度500 m 分辨率数据，研究区仅需1 景影像h26v04 即可覆盖。

农村道路解译数据采用Loca Space Viewer 三维数字地球软件下载研究区14 级影像，空间分辨率为9.55 m，将影像导入GIS 中目视解译，提取研究区主要嘎查道路。

1.2.3 社会经济数据 社会经济数据来源于《东乌珠穆沁旗统计年鉴》和草原监察管理局电子牧户档案，主要包括：草场面积、牲畜数量、房屋面积、畜棚圈面积、经济收入、家庭人口、机井、政府补贴收入等，通过统计方法量化各嘎查牧户基本情况。

1.3 研究方法

1.3.1 自然灾害风险指数法 自然灾害风险指未来若干年内可能达到的灾害程度及其发生的可能性。在区域自然灾害风险形成过程中，危险性（H）、暴露性（E）、脆弱性（V）和防灾减灾能力（R）缺一不可。

1.3.2 主成分分析法 利用主成分分析法确定权重，首先对原始数据标准化，建立相关系数矩阵求出各指标主成分的特征值，由此得出各项指标的权重［16］。

1.3.3 专家打分法 专家打分法通过征询相关专家意见，客观综合专家经验的主观判断赋值，依托层次分析法构建专家打分判断矩阵，进而计算各指标因子的权重系数［17］。

1.3.4 加权综合评价法 加权综合评价法将各个指标的因子栅格层与其对应的权重相乘计算，然后进行综合得分，算出多项指标的综合评价值［18］。

1.4 数据统计与分析

利用Excel 2016 对各指标数据进行初步分析，采用SPSS 22.0 的因子分析（factor analysis）功能，计算各指标的权重值。

2 结果与分析

2.1 构建牧户尺度草原火灾风险评价指标体系

采用微观牧户尺度，自然指标数据所占比例较小，社会经济要素占很大比例，东乌旗属牧业旗县，故指标选取主要围绕牧户牲畜、畜棚畜圈面积、牧业收入等指标来突出研究区的独特性，另外需要考虑数据收集的难易程度。

将危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力4 个要素作为一级指标，针对性地选取二级指标。参考前人有关草原火灾评价的相关文献，并询问专家意见，结合灾害四因子学说理论［1−2］，构建牧户尺度草原火灾风险评价指标体系（表1）。

表1 牧户尺度草原火灾风险评价指标体系Table 1 Index system of grassland fire risk assessment based on herdsman

2.2 草原火灾风险指标分析

2.2.1 危险性指标分析 危险性是风险源的变异强度和活动频次决定的［19］，主要通过致灾因子和孕灾环境两个方面来考虑，孕灾环境是形成灾害的自然环境，致灾因子是诱发灾害发生的主要因素如连旱和雷暴等。本研究将所选的7 个危险性指标量化为50 m×50 m 的指标分布栅格图层（图2）。

图2 危险性指标分布Fig.2 Distribution of risk indicators

研究区中部呈东北—西南走势的地区坡度较大，影响草原火灾蔓延的发生；风速与干雷暴数空间分布相似，研究区风速、干雷暴数整体上呈现由西向东递增的趋势，两大致灾因子表明研究区东处于危险性高值区；研究区温度由西向东逐渐下降，温度高值区，火险较高；降水分布与温度相反，东部地区降水高于西部地区，水分含量是降低火险发生的一个自然因素；研究区可燃物的量随着草原类型而变化，东部草甸草原区可燃物的量处于高值区，火险较大；常住人口高值区分布比较零散，作为引发草原火灾的人为因素加以考虑。

2.2.2 暴露性指标分析 暴露性是指可能受到草原火灾威胁的所有人和财产，如人员、牲畜、房屋、农作物和经济收入等。本研究将所选的4 个暴露性指标量化为50 m×50 m 的指标分布栅格图层（图3）。

图3 暴露性指标分布Fig.3 Distribution of exposure indicators

研究区房屋面积高值区与常住人口分布基本一致，户均家庭收入、草场面积两个指标高值区均处于满都胡宝拉格镇、嘎海乐苏木。满都胡宝拉格镇和嘎海乐苏木牲畜载畜量处于高值区，由于乌兰图嘎嘎查为草场联户经营，共29 户牧户，户均牲畜数量较低。

2.2.3 脆弱性指标分析 脆弱性综合反映自然灾害损失程度，是承灾体自然属性的易损度，如易受到灾害影响的承灾体棚圈、老幼人口等作为指标，本研究将所选的4 个脆弱性指标量化为50 m×50 m 的指标分布栅格图层（图4）。

图4 脆弱性指标分布Fig.4 Distribution of vulnerability indicators

老幼人口数与常住人口数分布大致相同，但道特淖尔镇居多，户均牧业收入与家庭收入指标分布趋于一致，高值区分布在满都胡宝拉格镇；户均幼小牲畜数量高值区也多在满都胡宝拉格镇和嘎海乐苏木。牧区棚圈多为木制或者简易合成芯板材料属于牧民易损性财产，棚圈面积高值区分布在呼热图淖尔苏木和阿拉坦合力苏木。

2.2.4 防灾减灾能力指标分析 防灾减灾能力是指灾害危害区域应对灾害的抵御力和恢复力，包括应急管理能力、减灾投入、救灾人员、物资储备资等，如交通、人均收入、救火设备和水源等。本研究将所选的6 个防灾减灾能力指标量化为50 m×50 m 的指标分布栅格图层（图5）。

图5 防灾减灾能力指标分布Fig.5 Distribution of disaster prevention and mitigation capability indicators

牧区劳动力作为牧区救灾的主力，空间分布与常住人口分布基本一致，非牧业收入作为灾后缓解的经济基础高值区在满都胡宝拉格镇和阿拉坦合力苏木，机电井数量在满都胡宝拉格镇、道特淖尔镇和萨麦苏木处于高值区；道路里程高值区集中在满都胡宝拉格镇、嘎海乐苏木；参加医保人数可有效降低灾后经济负担，高值区位于呼热图淖尔苏木；而人均收入与当地经济发展水平相似，满都胡宝拉格镇人均收入较高，应对灾害能力较强。

2.3 草原火灾风险指标权重的确定

确定草原火灾风险评价指标权重时首先消除各指标量纲，评价指标标准化，本研究采用主成分分析法和专家打分法分别确定评价指标的主客观权重。主成分分析法将上述所选的21 个指标栅格图层标准化后，通过GIS 分区统计功能统计研究区57 个嘎查行政图层内各指标的平均值，21 个指标共生成1197 个数据样本，作为主成分分析的原始数据［20］。专家打分法经过查阅相关文献以及咨询专家采用1～9 标度法对草原火灾4 个一级指标以及附属二级指标进行打分评价，使用Yaahp 软件辅助计算指标权重［21］（表2）。

表2 草原火灾风险评价指标权重Table 2 Weights of grassland fire risk assessment indicators

各指标两种权重计算方法得出的权重值基本趋于一致，取两种方法权重的平均值作为最终组合权重。4 个一级指标权重因子分别为危险性25.85%、暴露性28.86%、脆弱性19.17%、防灾减灾能力26.12%，权重结果也与其他研究学者［1−2，22］关于森林火灾、草原火灾火险评价指标权重分布比例相一致。

2.4 牧户尺度草原火灾风险评价

东乌珠穆沁旗牧户尺度草原火灾风险评价在4 个一级指标因子基础上，运用加权综合评价法对灾害四因子的各个二级指标进行加权叠加分析，得出灾害四大因子风险分布图，最后综合一级指标权重值加权叠加计算草原火灾风险性并绘制草原火灾风险性等级分布图。并根据自然断点法分为5 个等级：低风险区、次低风险区、中风险区、次高风险区、高风险区，草原火灾风险四大因子空间分布栅格图层如图6 所示。

图6 草原火灾四大灾害因子分布Fig.6 Distribution of the four major disaster factors of grassland fire

东乌珠穆沁旗草原火灾危险性整体呈由西到东逐渐递增的趋势，草原火灾高、次高危险区分布在嘎海乐苏木、呼热图淖尔苏木、道特淖尔镇和满都胡宝拉格镇；东乌珠穆沁旗草原火灾暴露性整体呈中部低、两侧高分布，且东部暴露性高于西部，空间分布与房屋面积分布基本一致。草原火灾高、次高暴露区，分布在满都胡宝拉格镇

和呼热图淖尔苏木；东乌珠穆沁旗草原火灾脆弱性分布与暴露性分布基本一致。草原火灾高、次高脆弱区分布在满都胡宝拉格镇、呼热图淖尔苏木、嘎海乐苏木和乌里雅斯太镇；东乌珠穆沁旗草原火灾防灾减灾能力整体呈由西到东逐渐递增的趋势，与人均收入、道路里程空间分布基本一致。草原火灾高、次高防灾减灾区分布在满都胡宝拉格镇、呼热图淖尔苏木和嘎海乐苏木。

东乌珠穆沁旗草原火灾风险性整体呈由西到东逐渐递增的趋势（图7）。草原火灾高风险区分布在满都胡宝拉格镇的满都胡宝拉格嘎查与呼热图淖尔苏木，占研究区总面积的6.23%。次高风险区占研究区总面积的39.07%。中风险区占研究区总面积的40.77%。次低风险区占研究区总面积的10.48%。低风险区占研究区总面积的3.47%。综上：研究区草原火险整体较高，绝大多数地区草原火灾风险属于中高火险区，占研究区总面积的86.07%。

图7 草原火灾风险性分布Fig.7 Distribution of grassland fire risk

2.5 火情验证

使用MODIS 燃烧区数据产品MCD64A1 提取了2001−2018 年研究区火点、火烧迹地，并计算了火烧频次（图8）。

图8 研究区火点和火烧频次分布Fig.8 Distribution of fire points and fire frequency in the study area

研究区2001−2018 年火点沿边境线分布，由北向南逐渐减少，局部地区火点密集，但都有零星分布，火烧迹地面积2338.25 km2。研究区国境线火烧频次集中在2～3 次，其余过火区域的火烧频次大多为1 次。

将研究区火点与草原火灾风险性分布图叠加分析，并对各个不同火险区火点占比进行统计，用于评估本研究对研究区草原火灾风险评价的精度（图9）。

图9 草原火灾风险性与火点叠加分布Fig.9 Overlay distribution of grassland fire risk and fire point

不同等级火险区的火点分布不同，低、次低火险区火点集中分布于阿拉坦合力苏木、萨麦苏木国境线附近。高火险区火点占总火点7.07%，次高火险区占总火点54.36%，中火险区占总火点18.56%，次低火险区占比14.97%，低火险区占比5.05%，中高风险区占比79.99%。因此，本研究分析东乌珠穆沁旗草原火灾风险分级图具有较高的精度，可以为政府防灾减灾提供政策建议。

3 讨论

本研究表明，东乌珠穆沁旗草原火灾风险区划高火险区集中在满都胡宝拉格镇和嘎海乐苏木，这与乌云德吉［10］的研究结果相吻合，大多集中在草甸草原边境地区。该地区草原火险高的原因包括以下几个方面：1）处于草甸草原与典型草原的过渡地区，植被长势良好，枯黄期有较多的枯落物，是可燃物量高值区，形成了草原火灾发生的孕灾环境，李兴华等［23］研究内蒙古草原火灾中说明内蒙古东部草原西部地区受降水和生态工程设施的影响，地面可燃物增多，草原火灾次数增多；2）该地区雷暴、风速均处于高值区，也是形成草原火的致灾因子，李兴华等［24］关于气候变化对内蒙古东部草原火灾的影响中表明风速和雷击火是引发草原火灾的主要自然因子；3）高火险区家庭人口收入、草场面积、牲畜、房屋棚圈面积都处于高值区，承灾体的暴露性较高，萨如拉等［25］、周怀林等［26］研究内蒙古大多数草原火灾发生都是人为原因，因此存在较高的火险。

另外，低、次低火险区火点集中分布于国境线附近，丽娜等［27］分析了中蒙俄边境草原火时空分布表明，跨境火的存在是东乌旗草原火灾的一个根本要素，本研究量化的是牧户尺度社会经济数据，无法从牧户微观尺度来识别各户的火点，未能考虑跨境火这一自然火源指数。火灾的发生存在一定的人为因素，任何火情的验证都存在检验不足的问题，本研究用MODIS 火产品数据对评价结果进行验证，存在一定的误差。杨佩国等［28］基于历史暴雨洪涝灾情数据定量研究北京市在不同降水等级的脆弱性，这也是历史灾情数据作为灾害危险性分析的重要原因。后续的研究中应该加入这一历史灾情数据，来提高风险区划的精确度。

本研究是基于牧户尺度草原火灾风险评价，指标数量多，微观牧户数据获取困难［29］，且没有获取长时间序列牧户数据。在后续的研究中应该延长时间尺度，细化自然火源指数数据，提升地表温度、湿度、风速等因子的反演精度，加强实地牧户调研，调整指标体系获取更为精细的一手牧户数据来进行草原火灾风险评价。对于草原火灾指标因子权重计算应该补充新的权重计算方法，例如地理加权回归法，因子分析法，熵权法等。

4 结论

1）东乌珠穆沁旗草原火灾风险评价指标4 个一级指标的权重因子分别为危险性25.85%、暴露性28.86%、脆弱性19.17%、防灾减灾能力26.12%，权重结果也与其他研究者关于森林火灾、草原火灾火险评价指标权重分布比例相一致。

2）东乌珠穆沁旗草原火灾危险性整体呈由西到东逐渐递增的趋势，中高危险区分布在研究区的东部；草原火灾暴露性整体呈中部低，两侧高分布，且东部暴露性高于西部；草原火灾脆弱性分布整体呈东−西−中逐渐递减的趋势；草原火灾防灾减灾能力整体呈由西到东逐渐递增的趋势。

3）东乌珠穆沁旗草原火灾风险性整体呈由西到东逐渐递增的趋势。高风险区分布在满都胡宝拉格镇，占研究区总面积6.23%；次高风险区占研究区总面积的39.07%；中风险区占研究区总面积40.77%；次低风险区占研究区总面积的10.48%；低风险区占研究区总面积的3.47%。研究区草原火灾风险性整体较高，绝大多数地区的草原火灾风险均属于中高火险区，占研究区总面积的86.07%。

4）研究区2001−2018 年的火点沿边境线分布，火点由北向南逐渐减少，火烧迹地面积为2338.25 km2，国境线火烧频次集中在2～3 次，不同等级火险区火点分布不同，低、次低火险区火点集中分布于国境线附近。高火险区火点占总火点7.07%，次高火险区占比54.36%，中火险区占比18.56%，次低风险区占比14.97%，低火险区占比5.05%，中高风险区占比79.99%。本研究分析东乌珠穆沁旗草原火灾风险分级图具有较高的精度，可以为镇（苏木）政府及嘎查委员会防灾减灾提供政策建议。