中国南部生态区森林损失与火灾的时空关联特征

杜林翰 吴志伟 巫清芸 郭灵灵 东晓珺 林世滔

（1.江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌 330022；2.江西师范大学地理与环境学院，江西 南昌 330022；3.江西环境工程职业学院林业学院，江西 赣州 341000）

森林是陆地生态系统的重要组成部分，不仅为人类提供了丰富的资源和能源，而且在调节气候、维持生态平衡等方面起着重要的作用[1−4]。受自然和人为等因素的干扰，森林损失在各个国家都很普遍[5−6]。基于地面观测和卫星数据的研究表明，过去几十年来全球森林损失率一直很高[5]，2000—2012 年间全球年均森林资源损失面积约为19 万km2[5]。森林资源的损失会影响到陆地生态系统服务功能的提供，包括生物多样性、气候调节和碳存储等[7−11]。因此，探究森林损失的时空分布格局及其驱动因素是必要的[12−13]。引起森林损失的因素是多样的，如采伐[14−16]、城市化[17−18]、冰雪灾害[19−22]、森林火灾[23−24]等。其中，火灾被认为是造成森林损失的重要因素[13,25]，2003—2012年，全球年均约有6.7×105km2的森林资源被烧毁[26]。森林火灾亦造成了中国森林资源的损失，如1987 年5 月6 日中国大兴安岭森林火灾烧毁了约1.3×104km2的森林[27]。此外，研究表明，随着气候变暖，长期干旱、高温和大风等火险性天气出现的频率上升；植物的生长季延长，导致可燃物的积累，森林火灾频率和火烧面积将呈增加趋势[28−31]。森林火灾的增加可能会加剧森林资源的损失。可见，研究森林火灾对森林损失的影响是重要的。

东北林区（如大、小兴安岭林区）和南方林区（如东南林区、西南林区）是中国森林资源的主要分布区，在国家林业产业发展和生态环境平衡中具有重要的地位[32]。南方地区森林火灾面积通常比东北地区小，但受人口密度大、交通网络发达等因素影响，该区域火烧频率更高[33−34]。一些学者探究了中国东北地区森林资源与火灾关系的研究[35−36]，但在区域尺度研究南方地区森林损失与森林火烧之间关联的研究仍然缺乏。因此，本研究以中国南方地区森林生态系统为研究对象，分析区域2003—2015 年森林火灾和森林损失的时空分布格局，以期揭示森林损失与火烧的时空关联特征及其尺度效应，可为中国南方地区林火管理和火烧后植被恢复管理策略的制定提供科学参考。

1 研究区概况

本研究中南方地区指的是中国南部生态区，即秦岭、淮河以南，青藏高原藏东南边缘以东的广大区域，面积约2.476×106km2。该地区以亚热带季风气候为主，部分地区为热带季风气候，高原山地等气候类型。四季温度变化明显，全年降水充沛，呈现出夏季高温多雨，冬季温和少雨的特点。该地区的地形地貌多样，既包括平原、丘陵等低海拔地貌，也有高原、山地等高海拔地貌。主要植被类型为亚热带常绿阔叶林，部分地区有常绿针叶林、热带雨林等[37]。

整个中国南部生态区可分为4 个生态地区，分别是长江中下游生态地区（海拔5～100 m，属亚热带季风气候）、川渝生态地区（海拔500～2 000 m，属亚热带季风气候和高原山地气候）、云贵高原生态地区（500～3 500 m，属高原型亚热带季风区，立体气候特征明显）、华南生态地区（500 m以下，属亚热带季风气候和热带季风气候）[37]。

南部生态区森林资源广泛分布，也是中国森林火灾发生次数较多的地区之一。1950—2014 年间南部生态区年均发生森林火灾1 万余次，年均森林火灾面积数千平方千米。受植被、地形地貌、气候、社会经济发展水平（如人口密度、道路网络通达度等）等的差异性影响，4 个生态亚区森林火灾状况呈现显著区别。其中，长江中下游和华南生态地区年均火灾8 000 余次，约占全国年均森林火灾次数的52.4%。年均火灾面积约2.18×103km2，约占全国年均受灾森林总面积的21.1%；川渝和云贵高原生态地区年均火灾5 000余次，占全国年均火灾发生次数的39.9%。年均火灾受害森林面积约2.52×103km2，占全国年均受害森林总面积的24.4%[38]。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1 森林损失数据

从马里兰大学地理科学系全球土地分析和发现实验室（https://glad.umd.edu/）获得了2003 年1 月至2015 年12 月的全球森林损失数据集（空间分辨率为30 m）。该森林损失数据源自Landsat 5 专题测绘仪（TM），Landsat 7 专题测绘仪plus（ETM+）和Landsat 8 等陆地成像仪（OLI）传感器的多光谱卫星图像资源[5]。

该数据集将林木高于5 m 且树冠覆盖率大于20%的区域定义为森林。将现有林地受到的干扰（如从天然林地转换为其他土地用途）或在某一特定年份中森林被完全移除（如森林覆盖率由50%以上转变为0%）定义为森林损失。在空间上，每个像元编码为0 的代表无森林损失；编码在特定年份范围内的值（如2003—2015 年）则代表在这个特定年份中检测到森林损失。森林损失数据已经通过LiDAR 检测，FAQ 统计数据和其他卫星的测量数据的检验，并且显示出数据的总体精度在99%以上[5]。为了与森林火烧数据的空间分辨率一致，本研究将森林损失的数据重采样到空间分辨率为500 m×500 m。

2.1.2 森林火烧数据

从NASA 的全球碳监测项目（https://www.globalfiredata.org/）中获得了空间分辨率为500 m的全球火灾地图数据集（2003—2015 年）。该火灾地图集包含点火位置（经度和纬度坐标），边界以及其他相关信息[39]。这些火灾数据的投影系统是WGS84。在ArcGIS 环境中，本研究将火灾矢量文件转换为像素大小为0.004 509 974 7°（空间分辨率为500 m）的栅格格式火灾数据。本研究采用MODIS 土地覆盖类型产品（MCD12Q1）（时间段为2003—2015 年，空间分辨率为500 m）用于识别森林土地覆盖率（包括常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林、落叶针叶林和针阔混交林等5 种植被类型），进而得到森林火灾数据集（即排除草地、农田等火灾类型）。

采用以下公式计算火灾中每个像元的面积[40]：

式中：Area 代表像元的面积；R 为地球的半径（6 371.004 km）；res 为像元的分辨率（本研究中为0.004 509 974 7°）；k 是度到弧度的转换因子（π/180）；lat 是像元中心的纬度。

2.2 分析方法

本研究将研究区划分为0.25°×0.25°空间分辨率的网格单元（总共3 582 个网格单元）。在每个网格内计算了当年的森林损失和火烧面积。以0.25°×0.25°的网格作为统计单元，在2 个空间尺度上（即整个中国南方生态区和4 个生态地区）量化了森林损失和火烧的时空分布特征，并揭示二者之间的时空关联特征。统计分析均使用R 软件3.5 版进行。

2.2.1 变化趋势分析

本研究使用普通最小二乘法线性回归分析确定每个0.25°×0.25°网格内森林损失和火烧面积随时间（2003—2015 年）的变化趋势。计算公式如下

式中：Slope 表示森林流失或火烧面积的趋势（2003—2015 年）；n表示年数；和Xi是第i年的森林损失或火烧面积。斜率为正表示在此年份期间森林损失或火烧面积增加，使用t检验以检测趋势的显著性水平（P0.05 为显著）。

2.2.2 相关性分析

在每个0.25°×0.25°的网格单元中，使用Spearman 相关系数（r）分析了2003—2015 年间的森林损失与火烧面积之间的相关性。计算公式如下：

式中：是森林损失与火烧面积之间的相关系数；和 是2 个变量的平均值。值的范围是−1.0 至1.0，负/正值越高表示相关性越强。使用t检验用于确定相关性的显著性水平（P0.05 为显著）。

2.2.3 森林损失与火烧关联性的影响因素分析

森林火灾后是否能造成森林损失的因素诸多。受数据资源可获取性制约，本研究仅分析了植被类型和地形地貌类型对森林损失与火烧的关联性的影响。本研究统计了每个0.25°×0.25°的网格单元中针叶林、阔叶林、混交林3 个森林植被类型分别占总面积的百分比。植被类型划分主要是参考林分类型划分的方法。为了与植被类型划分的方法一致，地形地貌也采用了相同的标准。在某一个0.25°×0.25°的网格单元中，如果某一个森林植被类型，如针叶林，占总森林面积百分比超过70%，则将该格网单元的植被类型定义为针叶林。本研究统计了每个0.25°×0.25°的网格单元中平原（海拔0～200 m）、丘陵（海拔200～500 m）、山地（海拔500～1 000 m）3 个地貌类型分别占总面积的百分比；同样，采用面积占比超过70%来定义某一个格网的地貌类型。

基于R 软件中的laercio 包，采用Duncan 多重比较法识别不同植被类型和地形地貌条件下森林损失和火烧面积的关联性之间的差异性。

3 结果与分析

3.1 森林损失的时空变化

2003—2015 年，中国南部生态大区共损失森林资源69 314.8 km2，年均损失5 331.9 km2的森林。如图1 所示，在研究期间（2003—2015 年），森林损失呈显著增加趋势（R2=0.72；P0.05）。森林损失也出现了一些波动。其中，最大值出现在2014 年（7 240.5 km2）；最小值则出现在2003 年（1 762.4 km2）。

图1 2003—2015 年中国南部生态区森林损失面积的年际变化Fig.1 Interannual variation of forest loss area in the ecological region of southern China during 2003-2015

2003—2015 年各生态地区的森林损失的整体趋势均呈波动上升趋势（图2）。其中，上升最快的是云贵高原生态地区，上升最慢的是川渝生态地区。川渝生态地区森林损失面积最小，为2 574.2 km2；华南生态地区的森林损失面积最大，为50 822.1 km2。各个生态地区的森林损失趋势对比南部生态大区来说，长江中下游生态地区、云贵高原生态地区、华南生态地区森林流失显著增加（P0.05），与南部生态大区一致，但川渝生态地区呈不显著增加趋势。

图2 2003—2015 年各生态地区的森林损失面积年际变化Fig.2 Interannual variation of forest loss area in different ecological regions during 2003-2015

由表1 可知，2003—2015 年有75.1%的网格单元（0.25°×0.25°）森林损失呈上升趋势（slope0）。由表2 可知，其中有24.1% 的格网森林损失呈显著上升趋势（P0.05）。研究期间整个生大态区的网格平均森林损失为值0.098 km2，其中最大的森林损失值为1.7 km2，以及森林损失最小值为−0.8 km2，即研究期内该网格森林增加了0.8 km2。

表1 2003—2015 年各生态区森林损失趋势Table 1 Trend of forest loss in different ecological regions from 2003 to 2015

表2 森林损失变化趋势的显著性格网比例Table 2 Grid ratio of significance analysis for forest loss change trend %

3.2 森林火烧面积的时空变化

2003—2015 年，中国南部生态大区森林火烧面积为8 104.9 km2（图3），年均森林火烧面积为623.5 km2。在整个研究期间森林火烧面积整体呈下降趋势，且波动较大，但每年的燃烧总体面积变化不显著（R2=0.18，P=0.15）。其中，森林火烧面积的最大值出现在2008 年为1 464.3 km2，最小值出现在2015 年为180.3 km2。

图3 2003—2015 年中国南部生态区森林火烧面积的年际变化Fig.3 Interannual variation of forest burning area in the ecological region of southern China over the 2003-2015

2003—2015 年，森林火烧面积最小的是川渝生态地区，为145.9 km2（图4），年均火烧面积11.2 km2；而华南生态地区的森林火烧面积最大，为3 454.2 km2，年均火烧面积265.7 km2。从火烧面积的趋势来看，各个生态地区每年火烧面积均有不同，且波动较大，其中长江中下游生态地区、云贵高原生态地区、华南生态地区的森林火烧面积整体呈现出下降趋势，与南部生态大区一致；而川渝生态地区则区别南部生态大区和其他3 个生态地区，呈现出上升趋势。

图4 2003—2015 年各生态地区的森林火烧面积年际变化Fig.4 Interannual variation of forest burning area in different ecological regions from 2003 to 2015

3.3 森林损失与火烧面积的关系分析

2003—2015 年的研究期间，对整个生态区的全部3 582 个网格单元进行森林损失与森林火烧面积的关联性进行统计（表3、表4），发现在26.2%的网格单元（n=939）中森林损失与森林火烧呈正相关（r0）。其中，有1.9%网格（n=68）呈现出显着的正相关性（r≥0.55，P0.05）。只有15 个网格单元的森林损失与森林火烧呈现出显着的负相关性（r≤−0.55，P0.05）。

表3 2003—2015 年森林损失与火烧面积相关性格网数Table 3 Grid numbers of correlation between forest loss and burned area from 2003 to 2015

表4 2003—2015 年森林损失与火烧面积相关性格网比例Table 4 Grid ratio of correlation coefficient between forest loss and burned area from 2003 to 2015 %

3.4 植被类型和地貌对森林损失与火烧相关性的影响

由图5a 可知，当植被类型为针叶林时，对森林损失与火烧的相关性影响最高，且与阔叶林和混交林差异显著（P0.05）；而阔叶林和混交林对其相关性影响较低，且二者差异不显著。由图5b 可知，从海拔地形的结果来看，山地对森林损失与火烧的相关性影响最高，与平原差异性显著（P0.05）；其次为丘陵，且与平原差异显著（P0.05）；而平原对森林损失与火烧的相关性影响最小。而在中国南部生态大区中，针叶林多位于较高海拔的山地，这与本研究中植被类型和地貌对森林损失与火烧相关性的影响相契合。

图5 植被类型和地貌类型对森林损失与火烧相关性的影响。Fig.5 Effects of vegetation type and landform type on the correlation between forest loss and forest fire

4 结论与讨论

森林资源的变化包括增加和减少，以及它们之间的差额，这两者共同决定了特定时期内一个地区的森林资源的净变化。本研究表明，2003—2015年中国南部生态区森林损失总面积为69 314.8 km2。值得注意的是，本研究的结果并不代表该地区的森林变化的净值，只是该地区的森林损失情况，即并没有研究该地区森林资源的增加值。因此，并不能说明该地区森林资源是呈现减少趋势。相反，过去几十年来中国采取了积极的、富有成效的森林资源恢复和造林举措，大幅增加了森林覆盖率和森林资源面积，如据国家森林资源清查数据集从2000—2010 年，中国森林面积增加了327 808 km2[41]。

研究结果表明，在整个中国南部生态区中，森林损失2014 年最高，其次是2008 年。森林火烧面积是2008 年最高，并且这个结果同样体现在川渝、云贵和华南生态地区中。推测是由于在2008 年春季，中国南方地区都遭受了过去50 年来最严重的冰雪灾害，这使得该区域的森林中可燃物大量堆积，随后助长了该地区森林火灾的发生，进而导致森林大量损失[20]。2003—2015 年中国南部生态大区森林损失总面积为69 314.8 km2，整体呈现出波动上升的状态，这与Wu 等[23]对中国森林流失的时空变化的研究的结论一致。而除了森林火烧等自然因素，人为因素也是不可忽视的，如Lin 等[42]在探究中国2000—2012 年城市化对森林流失的影响时发现城市化对森林流失的影响具有规模效应和区域差异，在中国东部地区，城市化水平和公路里程是影响森林流失的关键因素。

研究结果表明，在整个中国南部生态大区中，森林火烧面积呈现出下降的趋势，其中长江中下游、云贵和华南生态地区的森林火烧面积趋势和整个生态区相同，而川渝生态地区的森林火烧则呈现出上升的趋势。说明在未来森林火烧面积仍然有扩大的机会，这需要结合已有的统计数据进行预测。如Tian 等[43]以2 种不同气候变化情景，预测了中国未来100 年西南地区的火灾危险性和季节变化。结果表明在2011—2040 年、2041—2070 年和2071—2100 年期间，火灾天气指数（FWI）将增加。在此期间，火灾天数将分别延长9～13、18～21 d 和28～31 d。结合现阶段森林火烧面积数据和对未来火险情况的预测，说明中国森林防火工作卓有成效，但森林火灾防控形势依然险峻，一些地区仍需加强预防和管理[44]。

对于森林损失和火烧面积来说，有28.1%的格网森林损失和火烧面积呈正相关（包括显著正相关和不显著正相关2 种情况），而其中只有1.9%为显著正相关。这说明中国南部生态大区森林损失与火烧有一定的关联，但关联性不强。这应该跟南方地区森林火灾特征有一定的关联。在南方地区虽然火烧频率高，但是相比北方地区（如大兴安岭林区），火烧强度较低，火烧面积较小，而且区域水热与光照条件较好，在低火烧强度下的植被较容易恢复。

中国的森林火烧主要发生在冷温带落叶针叶林区和亚热带常绿阔叶林区。但Wu 等[23]在研究2003—2015 年中国森林损失与火烧面积的相关性发现，尽管冷温带落叶针叶林区的森林损失率低于亚热带常绿阔叶林区的森林流失率，但冷温带落叶针叶林区的森林流失与烧毁面积之间的相关性更高。因为在中国北方落叶针叶林地区，森林火灾的发生频率较低，但森林火烧面积通常较大（树木死亡率很高），受此影响，该地区的森林损失与森林火烧关联性较高。相反，在中国南部生态大区中，气候炎热潮湿，森林以亚热带常绿阔叶为主，虽然火灾频率较高，但是森林火烧面积较小，强度较低，以至树木死亡率较低。因此，中国南部生态大区森林损失与火烧面积之间的相关性较低。而且中国南部生态大区道路发达，人口密度高。森林火烧一旦发生就更容易发现和扑灭，这也导致森林损失与烧毁面积之间的相关性较弱。

从森林损失趋势的上升和火烧面积的趋势下降，也可以得出在该地区森林损失更可能是因为其他因素的干扰而导致的。而且，本研究分析的该地区2003—2015 年间森林损失数据，其不仅包括因火烧损失的森林面积，还包括其他自然干扰如病虫害，暴风等，以及人类活动如木材采伐，或从天然林转为其他用途的土地利用。如Zhou 等[17]研究表明中国某些地区城市扩张是森林流失因素之一。为了更科学的揭示森林损失与火灾之间的关联，今后需要区分火灾导致森林资源的直接损失和间接损失，以及森林资源损失对火烧的时间滞后性。

本研究选取了植被类型和地形地貌条件作为影响因子来探讨对森林损失与火烧相关性的影响。从植被类型的因子来看，可能是针叶林所含油脂较为丰富，叶片含水率不及阔叶林，可燃物载量较高，致使林木和林冠更加易燃[45]。这与Merschel 等[46]在对美国俄勒冈州中部野外森林观察结果相近，植被类型的不同会导致森林火烧强度的不同，针叶林的密度相较于阔叶林更高，树冠堆积密度更高，森林火烧的严重性也随之增加。这些结果都说明，相比于阔叶林地区，针叶林地区更容易受到森林火烧的影响，进而造成森林损失。从地形地貌的因子来看，山地的海拔高于平原和丘陵地区，坡度更大，地形更加复杂，不利于扑救，这些因素有助于火势的蔓延[47−48]。这与何雨芩等对云南林火时空分布的研究结果一致，对云南的森林火烧的海拔分布做统计，结果显示云南的森林火烧主要发生在山地地区，并且在山地地区针叶林是主要的植被类型，这也与植被类型因子相契合[49−50]。因此对于这2 个因素，要重点关注，避免此类地区出现因森林火灾导致的森林损失的情况。