2001—2019年内蒙古大兴安岭北部原始林区森林火灾发生规律研究*

杨少斌，曹 萌，祝鑫海，程玉林，郑长青，白 夜

(1.中国消防救援学院，北京 102202；2.内蒙古大兴安岭北部原始林区森林管护局，内蒙古 根河 022365；3.内蒙古呼伦贝尔鄂温克旗森林消防大队，内蒙古 呼伦贝尔 010324)

森林火灾是极具破坏性，难预防、难救援的自然灾害，不仅损害森林资源，破坏生态环境，影响国家经济发展和社会稳定，同时也对人民生命财产安全造成巨大威胁，被联合国科教文组织列为世界八大自然灾害之一[1-2]。如1987年大兴安岭“5·6” 特别重大森林火灾导致101万 hm2森林被烧毁，并造成数百人伤亡，是建国以来损失最大、伤亡人数最多的特大森林火灾事件[3]；2019—2020年中国四川省连续两年在相同时段(3月底)发生重特大森林火灾，共造成50名扑火队员及地方干部职工牺牲[4-5]。全球气候持续变暖，极端天气事件更加频繁，导致世界范围内重特大森林火灾频频爆发，如2007年希腊、2015—2021年美国加州、2019年澳大利亚以及2021 年7—8月份地中海沿岸国家均集中爆发了森林大火[6-8]。

对森林火灾发生规律的研究是近20 年来最主要的火灾研究主题之一，是林火管理的重要内容，能为森林火灾预防提供科学依据。如苏丽娟等[9-10]对1950—2010年中国森林火灾时空特征的研究发现，中国森林火灾频发、面积大与气候变化有密切关系。田晓瑞[11]等研究认为中国温带干旱荒漠针叶林区的火灾次数和受害森林面积呈显著增加趋势。乔泽宇[12]等研究发现不同生态区的林火季节性特征差异明显。张恒[13]等研究表明，华北地区森林火灾与气候变化、人类活动息息相关，具有明显的区域性特征。国外学者同样开展了大量工作，如CLEMENS[14]等研究发现，阿尔卑斯山西部近年来森林火灾风险显著增加，南部火灾风险较之北部更为严重，火灾的分布与人为活动有关，如景观旅游等；DROBYSHEV[15]等研究发现瑞典森林火灾活动与区域气候变化存在着显著的时空相关性。MARGARITA[16]等基于MODIS NDWI和NDVI时间序列对地中海和伊比利亚半岛温带生态区的火灾季节进行了定量评估。

内蒙古大兴安岭北部原始林区是目前我国面积最大，保持原始林自然风貌的典型地区，同时也是森林雷击火重灾区，多发频发的雷击火灾严重威胁森林资源安全[17-20]。对于该地区森林火灾发生规律的深入研究还相对较少，加之作者本人曾参与过该地区的森林灭火作战，亲历过火灾对森林资源的超强破坏力。为此，本文拟分别从时间和空间两个维度对内蒙古大兴安岭北部原始林区森林火灾发生规律作进一步研究，以期为该地区森林火灾预防和控制提供更具针对性的科学依据。

图1 内蒙古大兴安岭原始林区概况(审图号：蒙S(2020)027号为底图制作，边界无修改，林业局界依据参考文献[18]插图1绘制，下同)

1 研究区概况

内蒙古大兴安岭北部原始林区位于内蒙古自治区东北部，地理坐标为52°01′42″～53°20′00″N，120°01′20″～121°48′37″E(图1)。具体位于内蒙古自治区额尔古纳市境内的大兴安岭山脉最北端，南与内蒙古莫尔道嘎、满归林业局接壤，西北以额尔古纳河与俄罗斯为界，东与黑龙江省漠河县毗邻，是松嫩平原，呼伦贝尔高原的天然屏障。具有国内唯一的泛北极、北极高山、西伯利亚等生物区系的珍稀物种，是寒温带原生动植物的基因宝库和重要林业基地之一，已发现野生动物达300种以上，植物近1 400种。原始林区总面积947 702 hm2，其中森林面积900 343 hm2。植被以寒温带针叶林为主，活立木总蓄积1.3×108m3，森林覆被率95.38%，是中国保存最完好、唯一集中连片、面积最大、未开发的原始森林。该区域属寒温带大陆性季风气候，年平均气温-5.5 ℃，极端最低气温-53 ℃，极端最高气温35.4 ℃，无霜期88 d左右，年平均降水量450～550 mm。在林业管理上，该地区于1999年4月成立北部原始林区森林管护局，下辖乌玛、奇乾、永安山等3个未开发林业局[21-22]。

2 数据资料与研究方法

2.1 数据资料

从内蒙古大兴安岭北部原始林区森林管护局收集2001—2019年森林火灾数据，主要指标包括火点坐标和火场面积；从GlobeLand30系统( www.globallandcover.com)获取由中国自然资源部研制的2020版30 m地表面覆盖数据产品；从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(www.gscloud.cn)获取研究区30 m高程(DEM)数据。

2.2 研究方法

2.2.1 时间规律分析

(1)按现行的《中华人民共和国森林防火条例》[23]对森林火灾级别进行划分，利用Excel 2016和SPSS 23.0分别从年际、季节和月份3个时间尺度对火灾情况进行分析。

(2)利用以下公式计算火灾轮回期和初始概率[24]，以此来反映火灾发生概率：

(1)

(2)

式中:Fc为火灾轮回期(年)；S为研究区域面积(hm2) ;Sa为平均每年过火面积(hm2/年) ；P为火灾发生初始概率。

(3)利用Matlab 2019对火灾次数和火灾面积进行Mann-Kendall检验，进而对火灾发生趋势进行分析。Mann-Kendall检验法(以下简称“M-K”检验)是世界气象组织(WMO)推荐并广泛应用的一种非参数统计检验方法。其优点是样本不需要服从某种分布，也不受少数异常值的干扰，被广泛应用于水文、气象、植被等方面研究，在林火发生趋势的研究上也得到了较好的应用[25-26]。基本原理是：

对于样本个数为n的时间序列x。构造秩序列：

(3)

(4)

式中：Sk是在时间序列内第i时刻样本值大于j时刻样本值个数的累计数，在时间序列随机独立的假设下定义统计量：

(5)

(6)

式中：UF1=0，E(Sk)和var(Sk)是Sk的均值和方差。

按时间逆序列构建逆序列xn，xn-1，xn-2，…，x1，使新序列UBk=-UFk.如果UBk与顺序列的UFk出现交点，且交点在临界线之间，交点对应的时刻是突变的开始时间。本文给定显著性水平α=0.5，置信区间为±1.96，若UFk>0，则表明序列呈上升趋势，反之则呈下降趋势，若超出置信区间则表明上升或下降趋势显著。

2.2.2 空间规律分析

利用ArcGIS10.3提取火点的海拔、坡度和坡向等地形因子，分析火点的空间分布、密度、以及不同地形因子上的火灾发生规律。

3 结果与分析

3.1 时间序列上的火灾发生规律

3.1.1 年尺度发生规律

如图2所示，2001—2019年期间研究区共发生森林火灾192次，年均发生火灾约10次，火灾总面积约18 424 hm2，年均火灾面积约970 hm2。火灾主要以较大森林火灾为主，约占火灾总次数的80.2%，其次是一般森林火灾(9.9%)、重大森林火灾(8.3%)和特别重大森林火灾(1.6%)。2010年和2019年火灾次数最多，均为23次，只有2009年未发生森林火灾。2002年火灾损失最严重，过火面积达8 653 hm2,其次是2014年(2 738 hm2)和2017年(1 937 hm2)，其余年份则相对比较平稳。

图2 火灾次数和过火森林面积年际变化

火灾年际变化大致可分为2个阶段(图2)：2001—2012年火灾次数呈明显的“M”型周期性波动，大约每2～4年会出现1次低谷和1次峰值；2013—2019年则呈波动性上升趋势，并于2019年达到第2次峰值。从火面积与火灾次数的关系来看，年度火灾面积与火灾次数变化规律并不完全一致，相关性分析显示(表1)，年度火灾总面积与重大和特别重大森林火灾次数极显著正相关(P<0.01)，相关性系数分别为0.783和0.949，表明研究区年度火灾面积受重特大森林火灾的影响极显著。

3.1.2 季节尺度发生规律

分别统计春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)火灾次数和面积及其比例(表2)。结果显示，由于冰雪覆盖，林区冬季几乎不会发生森林火灾，春、夏、秋为森林防火季，其中夏季火灾发生次数最多，过火面积最大，占比分别达到了88.0%和78.6%，其次是春季和秋季，火灾次数比较接近，但春季过火面积要远大于秋季，相差近10倍。

分别制作各个季节火灾次数和面积的年际变化折线图(图3)，结果显示，在火灾次数上，2001年以来夏季森林火灾次数要明显多于春季和秋季，整体呈波动性上升趋势，春季和秋季则比较平稳；在过火面积上，除2014年外，夏季均要大于春季和秋季，并分别在2002年和2014年出现极端值，从2017年开始呈下降趋势，春季和和秋季则一直比较平稳。

表1 过火面积与火灾次数Pearson系数

表2 森林火灾季节性分布

图3 防火季火灾次数和面积的年度变化

3.1.3 月尺度发生规律

如图4所示，研究区森林火灾主要发生在5—10月份，其中6—7月份是集中暴发的时段，6月份火灾次数最多(43.2%)，但7月份则火灾面积最大(47.4%)，且远大于 6月份(22.2%)，5月份与8月份相比同样如此，这与年度火灾次数与过火面积的关系一致。

图4 月尺度上的森林火灾发生规律

3.2 空间方向上的火灾发生规律

3.2.1 火灾发生密度

如图5a所示，火点分布比较分散，无明显规律。为更准确分析火点分布情况，利用GIS分析火点密度(图5b)，同时对火灾规模进行反距离加权插值(IDW)(图5c)。结果显示，西线火点密度高于东线，中部地区要明显高于北部和南部，最高达0.058次/ km2(折合5.8次/(100· km2))。一般规模火灾在全区范围内呈零星分布，较大规模火灾集中发生在北部和中部区，并在南部与其他规模火灾交叉分布，重大规模火灾主要发生在西部和东南部地区，特别重大规模的火灾则在西部边境地区和中南部呈零散分布。

3.2.2 不同海拔上的火灾发生规律

如图6a所示，林区地貌为中、低山地，由西北向东南海拔逐渐升高，变化范围在306～1 352 m之间，平均海拔686 m，最大高差1 046 m。分别统计各个海拔梯度上的火灾次数(图6b)和火灾面积比例(图6c)。结果显示，随海拔升高，火灾发生率和火灾面积呈先上升后下降的变化规律。综合来看，超过70%的火灾发生在海拔为400～800 m的地带，在该海拔范围内火灾面积同样达到70%以上，其中600～800 m的海拔范围内火灾发生率最高，火灾面积比例最大，分别为48.4%和40.1%，其次是400～600 m 的地域，火灾发生率和火灾面积比例分别为30.2%和31.9%。

3.2.3 不同坡向上的火灾发生规律

如图7所示，分别统计北坡、东北坡、东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡等8个坡向上的火灾次数(7b)和火灾面积比例(图7c)。结果显示，各个坡向上的火灾面积和火灾次数变化规律并不一致，西南坡和南坡火灾发生率最高，分别为17.3%和14.1%，北坡火灾发生频率最低(7.9%)，其余坡向则相对比较均衡。东坡火灾面积最大(31.7%)，其次是东北坡(28.6%)，两个坡向上的火灾面积比例之和达60.3%，表明东北坡和东坡的火灾破坏性比较大，需加以关注。

3.2.2 不同坡度上的火灾发生规律

如图8a所示，林区大多数地区起伏度为0°～24°，最大坡度超过了45°。分别统计不同坡度等级上的火灾次数(图8b)和火灾面积比例(图8c)。结果显示，火灾发生率随坡度升高呈先增加后减少的趋势，火灾面积则相反。绝大多数火灾发生在坡度为0～24°的地域，火灾发生率最高的坡度为5°～14°，达到56.0%，火灾面积最大的坡度则为0°～4°，比例为50.2%，表明平坡(0°～4°)和缓坡(5°～14°)较容易发生森林火灾，且火灾破坏力较大，应当加强这些地域的火灾预警监测。

图5 火灾分布及发生密度

图6 不同海拔高度的林火发生规律

图7 各个坡向上的火灾发生规律

图8 不同坡度上的火灾分布

表3 森林火灾轮回期及初始概率

图9 森林火灾次数和过火面积Mann-Kendall统计量曲线

3.3 火灾发生趋势

火灾轮回期和初始概率计算结果显示(表3)，2001—2019年间火灾轮回期为977年，火灾初始概率为0.001 023。根据火灾阶段变化规律， 2001—2012年、2013—2019年两个阶段火灾轮回期分别为1 008年和846年，初始概率分别为0.000 992和0.001 181，第二阶段(2013—2019年)轮回期缩短了16.1%，初始概率却提高了20.5%，表明第一阶段(2001—2012年)是火灾高发期，第二阶段是火灾上升期。

为更准确地判断火灾发生趋势，分别对年度火灾次数和火灾面积进行M-K突变检验(图9)。结果显示，火灾次数和火灾面积均表现为先上升、后下降、再上升的变化规律。自2017年和2014年开始，二者UFk均大于0，即表现为上升趋势，同时分别于2019年和2014年发生突变，但UFk值均保持在±1.96范围内，表明上升趋势还尚未达到显著水平。这种变化趋势说明该地区存在火灾发生愈加频繁的可能性，需采取更有效的防控措施进行抑制。

4 结论与讨论

森林火灾的发生、蔓延和发展主要受地形、植被和气候和人为活动等因素的影响。气候、植被和人为活动的变化影响着可燃物积累过程及其空间分布，导致火灾动态也会发生变化[11, 27]。在年尺度上，研究区森林火灾次数和火灾面积均表现出明显的波动性，年度过火面积与森林火灾次数变化规律不完全一致，年度火灾面积与重特大森林火灾次数呈极显著正相关，这与张冬有[28]等人对相近纬度的黑龙江省大兴安岭森林火灾时空分布规律的研究结果相近。火灾次数和火灾面积分别在2017年和2014年开始呈上升趋势，并分别于2019年和2014年发生突变，上升趋势趋于显著。近几年以来火灾轮回期逐渐缩短，火灾发生概率逐渐增加，并维持在相对较高的水平。推断认为，这是由于特别重大森林火灾主要发生在第一阶段，大火会导致可燃物积累减少，但同时也激发人们防火意识不断增强，加之2009年开始实行更为严格有效的《森林防火条例》[23]和“有火必救”的防控策略，大火灾之后可燃物迅速积累，加之近几年以来气候趋向于暖干，加剧了火灾发生风险[29]。火灾的发生频率和周期与可燃物量积累的多少有关，由于森林植被所构成的森林可燃物在火烧以后，可燃物负荷量有一个从少到多的积累过程，可燃物积累越多，发生大火灾的可能性也越大[30]。

在季节尺度上，火灾主要发生在夏季，防火季从传统的“春、秋两防”演化为“春、夏、秋三防”，这与气候变化背景下该地区森林火险期发生了较大变化有关[27]，春季气温回升，冰雪融化，农事活动频繁，增加了引发林区森林火灾的可能性，但降水少于秋季，导致秋季火灾发生率相对较低[31-33]。受大陆性季风气候影响，在春末夏初季节，来自贝加尔湖、蒙古国的冷锋气旋在北部原始林区一带通过的机会较多，在地形和空气湿度不足的影响下容易出现雷阵雨和干打雷不下雨的雷暴天气现象，每年夏季都会出现一个雷击火高潮，并呈现逐渐增多的趋势，所以夏季火灾发生频率要高于春秋季[20]。

在月尺度上，6—7月份是火灾集中爆发期，杜野、赵可新等人的研究结果与此相近[34]。森林火灾主要受自然和人为两个方面的因素交互影响，自1998年天然林资源保护工程提出后，内蒙古大兴安岭林区开始实施以生态建设为主的发展战略，加快由木材生产为主向生态建设为主转变，且一直实行严格的林火管理政策并不断调整优化政策、加大宣传力度，导致可燃物载量不断积累。另外，大兴安岭地区自2001年开始年平均气温、年平均最高和最低气温均呈上升趋势且最低气温上升趋势显著，而降水呈下降趋势，气候逐渐变暖变干，导致该地区干雷暴频次增加，夏季火灾次数也明显增加[20, 32-33]，所以影响力较大的森林火灾大多出现在7—8月，如 2002年的7、8月份就集中爆发了多起重特大森林火灾。气候变暖导致土壤的干湿程度也趋向于干旱，导致可燃物湿度降低，也是加剧火灾发生的重要原因，比如气候异常干旱的2002 年，黑龙江大兴安岭地区25 d内发生森林火灾36 次，是2001年以来火灾次数较多、过火面积最大的年份[35]。

在海拔分布上，研究区中部和东南部海拔要高于其他地区，西北到东南海拔逐渐升高。通常情况下海拔升高会导致气温降低、降水增多，森林火灾发生率逐渐减少，且400～800 m内森林分布面积最广，局地气象条件和微地形条件都利于林火蔓延，是最主要的过火区域[28, 36]，所以火灾发生率和火灾面积随着海拔的升高呈先增加后减少的变化趋势，且集中发生于400～800 m的海拔范围内[28, 36]。这种变化规律导致中部地区火灾发生密度较高，东南部地区比较容易发生重大及以上规模的森林火灾，另外由于西线紧邻国境线，受外国入境火影响较大，导致西线火灾密度也相对较高，并且容易发生重大及以上规模的森林火灾[37]。

在坡向分布上，南坡和西南坡的火灾发生率最高，东坡和东北坡向的过火面积最大。这是因为西南坡和南坡属于阳坡，吸收的太阳辐射多，温度相应也高，导致土壤水分含量少，可燃物含水率相对较低，森林火灾发生率更高，东坡和东北坡朝向太阳升起的方向，最先接受太阳照射，虽然辐射较南坡相对较弱，但是东向坡受阳光照射升温早，其他坡向的气流向该坡向流动，导致影响林火行为的天气与小气候条件随坡向不同而发生剧烈变化，极有可能导致东坡和东北坡向火灾面积较大[38-40]，所以在火灾监测和扑救上应当重点关注南向和东向地域。

在坡度分布上，一般而言坡度越大，有效降水下渗量越少，同样会导致土壤含水率降低，可燃物水分含量减少，干枯可燃物载量增加。坡度大的地区一旦发生火灾，林火蔓延相对较快，因此山区坡度大的区域需重点进行防火监控[41]。研究区的绝大多数地带的地形起伏度在0～14°之间，这个坡度范围内的植被分布最大，可燃物载量最高，所以5°～14°的平坡地域森林火灾发生率最高，0°～4°的火灾面积比例最高，这与田野、何雨芩等人的研究结果相近[39, 42]。

综上可初步得出以下结论：

(1)2001—2019年期间，内蒙古大兴安岭北部原始林区年均森林火灾次数为10次，年均火灾面积约970 hm2，年度火灾总面积与重大和特别重大森林火灾次数极显著正相关。

(2)2001—2012年是森林火灾高发期，呈“M”型周期性波动，2013—2019年火灾发生率增加，呈波动性上升趋势。年度火灾次数和火灾面积分别于2019和2014年发生突变，上升趋势趋于显著；火灾主要发生在夏季，其中6—7月份是火灾集中爆发期。

(3)林区中部地区火灾密度最高，为5.8次/(100·km-2)，西部和东南部地区较容易发生重大及以上规模的森林火灾；火灾主要集中发生在海拔400～800m，坡度为0～14°的区域，其中西南坡和南坡上的火灾发生率最高，东坡和东北坡上的火灾面积比例最大、破坏力最强，应加强这些地域的火灾预警监测和扑救技战术研究。