呼伦贝尔地区草原火灾的时空分布特征规律研究

伊伯乐杨逸安李 婧安慧君周 梅都瓦拉齐呼格金那顺勿日图

（1.内蒙古农业大学林学院，内蒙古呼和浩特 010019；2.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010010；3.内蒙古林业和草原局，内蒙古呼和浩特 010020；4.通辽市林业和草原局，内蒙古通辽 028000）

草原是陆地生态系统的重要组成部分，是目前全球分布最广的植被类型。草原生态系统具有保持水土、涵养水源、调节气候、维持生物多样性等功能[1]。火是陆地生态系统中非常重要的干扰因子之一[2-3]。草原火灾属于突发性、破坏性强，管理救助困难的自然灾害[4]。一方面能够对草地生态系统造成严重的破坏，同时也会损失大量的草地资源；另一方面，很大程度上影响着自然生态系统中植被的演替和更新[5]。

火灾随时间和空间而变化，有足够长时间的火行为研究，才能够得出时空分布特征。随着草原火灾的发生与蔓延，其时空分布规律研究已成为一项热点领域，可以应用卫星遥感数据[6]、火灾历史统计数据[7-8]、以及两种资源结合来揭示时空格局。近年来，通过卫星遥感技术研究集中于木本植物[9]，尽管草原是最容易发生火灾的生物群落之一[10]，但是关于草原火灾研究的报道较少[11]。世界草原面积占陆地面积的27%[12]，与森林一起构成了陆地生态系统的主体，并且草原火和森林火的发生常常具有很强的关联性，应予以同样的重视。

近年来，国内关于草原火灾的时空动态研究，大多采用统计分析和遥感技术结合的方法[13-14]。针对内蒙古草原火灾，峰芝[15]、周怀林等[16]采用统计分析和地理信息系统空间统计法进行了时空特征研究。高策[17]以内蒙古自治区东部呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市以及赤峰市4个盟市作为研究区，运用统计分析、地理信息系统以及空间模式分析等方法分析了区域草原火灾的时空分布模式及其影响因素。徐英睿[18]提出基于MODIS时序数据的火烧迹地提取算法，对内蒙古东部2001—2015年的野火时空分布进行了研究。这些针对内蒙古东部草原火灾发生规律的研究均取得了较好的成果，而呼伦贝尔地区作为内蒙古东部草原火灾重发区，研究其草原火灾时空分布规律有着极其重要的意义。故本研究基于呼伦贝尔地区近30年（1990—2019年）的草原火灾信息数据，应用Mann-Kendall突变分析法来确定草原火灾时间序列的突变点，同时计算草原火灾质心，并绘制其地理分布图，探究呼伦贝尔地区草原火灾动态特征，从而分析该地区草原火灾时空分布规律，为今后呼伦贝尔地区草原火灾管理提供参考，研究成果对区域草原火灾预测预报和宏观决策具有重要意义。

1 研究区概况

呼伦贝尔地区位于内蒙古自治区东北部，从东到西630 km，从北到南700 km，总面积2.5003×107hm2。南与兴安盟相连，东至大兴安岭与黑龙江毗邻，北及西北与俄罗斯为界，西与西南同蒙古接壤，中俄边境线1 051.08 km，中蒙边境线682.24 km。呼伦贝尔地跨森林草原、草甸草原和干旱草原三个地带，除东部地区约占本区面积的10.5%为森林草原过渡地带外，其余多为天然草场，总面积9.9333×106hm2，其中可利用面积920 hm2[19]。呼伦贝尔草原介于115.22°～126.06°E和47.08°～53.23° N，属于温带大陆性季风气候[20]，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。由于呼伦贝尔纬度偏北，因此春季干燥风大，秋季气温骤降、霜冻早[21]。年气候总特征为：年降水量250～350 mm；年平均温度0 ℃左右，无霜期80～120 d[22]，年温度差、日期温差大。地势东高西低，海拔在650～700 m。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究所使用的呼伦贝尔地区1990—2019年草原火灾的统计数据均来源于内蒙古自治区林草局防火办。各旗县行政区划面积和草地面积均来自呼伦贝尔市政府官网。由于本研究所应用的数据中尚缺少2003年、2008年呼伦贝尔地区草原火灾的详细数据资料，导致未能对草原火灾的月份变化、日变化、火灾密度、草原受害率和火灾等级等进行更加全面的分析，且在草原火灾质心转移和质心经纬度移动方向的分布图存在不连贯性，但数据的缺失并不影响本研究结论的准确性。

2.2 草原火灾突变点检验

以草原火灾发生时间为自变量，过火面积、频次为因变量，通过MATLAB软件，利用Mann-Kendall检验对时间序列进行分析，并对时间序列的突变点进行检验，探讨草原火灾随时间的变化转折点。具体方法如下：

对于具有n个样本量的火灾时间序列X，构造一秩序列：

式中：秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的积累数。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

ES kVarS kSk

式中：UF1=0，、 是累计数的均值和方差，计算方法如下：

按时间序列X逆序Xn,Xn-1,···,X1，重复公式1、2、3、4过程，构造U Bk序列。

式中：UB1=0。其中，给定显著性水平，α=0.05。

2.3 草原火灾质心计算

质心是描述空间目标分布的最有用的单一量算量，火点的质心是火点的平均位置，它是火点空间分布的平衡点[23]。计算30 a间每年的草原火灾质心坐标，建立草原火灾质心数据库。利用ArcGIS软件绘制呼伦贝尔地区30 a间的草原火灾质心转移轨迹图，得出草原火灾过火面积和火灾频次空间分布的变动情况，进一步对草原火灾的空间变化进行分析。质心的计算公式如下：

式中：Pi为单元内草原火灾过火面积或火灾频数，xi为 单元内火点的经度，yi为单元内火点的纬度，X、Y分别为草原火灾质心的横坐标和纵坐标。

2.4 火灾密度计算

草原火灾的火灾密度可以用来表示草原火灾发生次数在空间上的分布。本研究以县级行政区划为单元来计算草原火灾密度。

2.5 草原受害率计算

草原受害率可以用来表示草原火灾的过火面积在空间上的分布。

2.6 草原火灾等级划分依据

依据国家林业和草原局发行的《林业和草原主要灾害种类及其分级（试行）》[24]，草原火灾等级主要根据受害草原面积、伤亡人数和经济损失等分为一般火灾、较大火灾、重大火灾和特别重大火灾4个等级。因此，本研究结合研究区草原火灾面积和火灾历史档案记载，将草原火灾等级进行划分，结果见表1。

表1 草原火灾等级的划分指标Table 1 Classification index of grassland fire rating

3 结果与分析

3.1 草原火灾时间分布规律

3.1.1 火灾年际变化规律

根据呼伦贝尔地区1990—2019年草原火灾Mann-Kendall突变点检验发现（图1），过火面积与火灾次数的统计值UF和UB均在1998年有交点，证明1998年是呼伦贝尔地区草原火灾的过火面积与火灾次数突然发生改变的突变点。30年的草原火灾分成了2个区间，1990—1998年的过火面积与火灾频数远高于1998—2019年，且1990—1998 年间重特大火灾占总火灾次数的17.3%，重特大火灾的年均次数是1998年后年均次数的6.89倍，火灾恶劣程度严重。

图1 呼伦贝尔地区1990—2019年草原火灾Mann-Kendall突变点检验Fig.1 Inspection of Mann-Kendall mutation points of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

根据草原火灾的年际变化分析发现（图2），1990—2019年间共发生草原火灾838次，年均76次，总体上草原火灾次数随时间发展呈现下降趋势。30年间共出现4个波峰，1995年达到峰值，为110次，随后呈下降趋势；1999—2019年较平稳，每年草原火灾发生的次数均低于30次。研究期内草原火灾过火面积达到220.11×104hm2，年均7.34×104hm2。草原火灾过火面积总体随时间变化呈现下降趋势，与草原火灾次数的年际变化相似，2000年后受害面积小且呈现平稳状态。综上所述，呼伦贝尔地区草原火灾在1990—2019年间过火面积和火灾次数呈波动变化状态，但整体上随着时间的发展呈现下降趋势。

图2 呼伦贝尔地区1990—2019年草原火灾年际变化Fig.2 Interannual changes of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

3.1.2 火灾月份变化规律

根据草原火灾月变化规律分析发现（图3），其发生具有很强的季节性规律，主要集中在春、秋两季，4月、5月、10月份是火灾发生的高峰期，3个月共发生火灾664次，过火面积达1 809.09×104hm2，火灾发生次数和过火面积分别占全年的81.67%、89.94%。火灾发生最集中的月份是4月份，火灾次数289次，过火面积123.94 hm2，分别占全年的35.55%、58.95%。其他月份火灾发生相对较少。

图3 呼伦贝尔地区1990—2019年草原火灾月份变化Fig.3 The monthly changes of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

3.1.3 火灾日变化规律

根据草原火灾日变化（图4）可以看出，火灾高峰期集中在10：00—15：00，发生火灾的次数占总火灾次数的71.57%，峰值是14：00，发生火灾的次数占总火灾次数的17.52%。该时段特点是升温、起风、干燥，劳作与午休并在。

图4 呼伦贝尔地区1990—2019年草原火灾日变化Fig.4 The diurnal changes of grassland fires of Hulunbuir area in 1990-2019

3.2 草原火灾空间分布规律

3.2.1 火灾频次的空间分布

通过草原火灾密度的计算和ArcGIS软件进行分布规律分析，图5a、5b、5c分别为1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年3个时间段的草原火灾密度空间分布图。可以看出，草原火灾的发生主要集中在陈巴尔虎旗、新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗、鄂温克族自治旗、海拉尔区。20世纪90年代期间的火灾密度较大，2000年后呈明显的下降趋势，2010年后又呈上升趋势。火灾发生较集中区域的火灾密度总体变化不明显，但新巴尔虎右旗在30年来的草原火灾密度随着时间推移呈下降趋势。

图5 呼伦贝尔地区不同年代草原火灾密度的空间分布Fig.5 The spatial distribution of grassland fire density of Hulunbuir area in different years

3.2.2 火灾面积的空间分布

根据该地区1990—1999年、2000—2009年、2010—2019年3个时间段的草原受害率的空间分布图可以看出（图6a、6b、6c），大面积的草原火灾主要集中发生在满洲里市、新巴尔虎右旗和新巴尔虎左旗。20世纪90年代草原受害率较高，火灾面积在空间上的分布总体下降。20世纪90年代，陈巴尔虎旗是县级单元草原受害率最大的地区，火情较为严重。

图6 呼伦贝尔地区不同年代草原受害率的空间分布Fig.6 The spatial distribution of grassland damage rate of Hulunbuir area in different years

3.2.3 火灾质心转移

通过草原火灾质心模型，计算呼伦贝尔地区每年的草原火灾过火面积与火灾频数质心坐标，建立质心坐标数据库（表2），并利用ArcGIS软件绘制草原火灾过火面积质心和火灾频次质心的移动轨迹（图7a、7b）。由图7可知，30 a来该地区草原火灾面积质心与频次质心主要集中在鄂温克族自治旗、陈巴尔虎旗、新巴尔虎左旗和新巴尔虎右旗；火灾面积质心与频数质心的移动轨迹均呈面状，且移动范围较大。

图7 呼伦贝尔地区1990—2019年草原火灾过火面积和火灾频次质心转移情况Fig.7 The area of grassland fire burned and the center of mass shift of fire frequency of Hulunbuir region in 1990-2019

表2 呼伦贝尔地区草原火灾面积质心和火灾频数质心Table2 Thecentroid of grassland firearea and fire frequency in Hulunbuir area

以草原火灾面积质心和频次质心的经度与纬度为纵坐标，应用Origin软件绘制30 a来的草原火灾面积质心和频数质心的空间分布，并进行线性拟合趋势（图8～9）。草原火灾频次质心经度的拟合直线R2为0.3982，达到显著水平；草原火灾面积质心的经度和纬度转移方向均存在较大波动，整体上都向高经度和高纬度方向偏移；草原火灾频次质心的经度和纬度转移方向同样均存在较大波动，但整体上都很明显地向低经度和低纬度方向偏移，与火灾面积质心恰恰相反。

图8 呼伦贝尔地区草原火灾面积质心在经度方向和纬度方向的分布情况Fig.8 Distribution of grassland fire area centroid in the direction of longitude and latitude in Hulunbuir area

图9 草原火灾频次质心在经度方向和纬度方向的分布情况Fig.9 Distribution of centroid of grassland fire frequency in the direction of longitude and latitude

3.2.4 火灾等级的空间分布

将1990—2019年草原火灾等级应用ArcGIS软件作出30 a间的空间分布图（图10）。其中特、重大草原火灾集中发生在新巴尔虎右旗、陈巴尔虎旗和新巴尔虎左旗，占整个呼伦贝尔地区特、重大草原火灾的87.6%；而东部地区草原火灾以一般火灾为主。

图10 呼伦贝尔地区草原火灾等级的空间分布情况Fig.10 The spatial distribution of grassland fire grade in Hulunbuir area

4 结论与讨论

本研究应用相应的分析方法，根据近30 a草原火灾数据资料，系统论述了呼伦贝尔地区草原火灾的时空分布规律特征。火灾发生时间方面，明确了1998年为火灾发生的突变节点，同时，张恒等[25]的研究结论表明呼伦贝尔地区在1990年之后干旱程度增加，1998年为明显干旱突变年份，而干旱程度的增大起初导致植被生长遭到阻碍，可燃物积累受限制，不易发生火灾，进一步导致草原火灾面积与火灾次数在1998年发生突变，大幅度降低。火灾发生空间方面，论证了火灾面积质心整体上向高经度和高纬度方向偏移，而火灾频次质心整体上很明显地向低经度和低纬度方向偏移。

呼伦贝尔地区草原火灾时间分布方面，30 a间以1998年为节点发生突变，此后草原火灾的过火面积与火灾频数都发生了大幅度下降。草原火灾随时间的发展，其火灾次数与火灾面积整体呈现下降趋势，但近几年来火灾次数又呈缓慢上升趋势，而火灾面积仍呈下降趋势，这证明我国草原火灾灭火救援技术与力量大幅度提高，而在草原火灾预防和火源管控方面仍需进一步改善和加强。草原火灾月份变化具有较强的季节规律，主要集中在春季和秋季，火灾次数和火灾面积最大的月份是4月、5月、10月，这与刘美芳[26]和周怀林等[16]得出的结论相似。呼伦贝尔地区草原火灾集中发生在这几月与当地的气候有一定关联，4月、5月、10月份正值草原防火期，气候干燥，草类可燃物含水量低，极易发生草原火灾且蔓延速度较快；7月、8月份降水量大，可燃物含水量较高不易发生草原火灾；12月、1月、2月份为冬季，草地植被上有积雪覆盖很难发生草原火灾。呼伦贝尔地区草原火灾日变化呈双峰型分布，草原火灾发生的高峰期是10：00—15：00，火灾发生次数最多的是下午14：00。一天中气温随着日出后太阳幅射增强，地面储热逐渐增加，从9：00—14：00，温度逐渐升高，14：00左右达到当天最高温，此时蒸发达到当天的最强，可燃物的温度随之升高，含水量降低，容易发生火灾。夜晚和清晨温度下降，湿度增大，可燃物含水量较高不易发生火灾。

呼伦贝尔地区的草原主要分布在西部，草原火灾空间分布方面，草原火灾密度较大的区域主要集中在陈巴尔虎旗、新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗、鄂温克族自治旗和海拉尔区，其他旗县（区）的草原火灾密度相对较小；草原受害率较高的区域主要集中在满洲里市、新巴尔虎右旗和新巴尔虎左旗，其他旗县（区）草原受害率相对较低。该地区草原火灾过火面积质心和火灾频数质心都在不断移动，其移动轨迹反映了研究区域草原火灾空间分布的变动，火灾面积质心在空间上呈分散型分布；火灾频数质心在空间上呈聚集型分布，主要集中在陈巴尔虎旗和鄂温克族自治旗。火灾面积质心有向高经度和高纬度方向偏移的趋势，而火灾频次质心向低经度和低纬度方向偏移的趋势较明显。研究区火灾频数有质心向低纬度地区方向移动的趋势，陈巴尔虎旗、鄂温克旗等旗作为研究区的火灾频数质心聚集低纬度地区，根据呼伦贝尔市统计局官网人口普查报告，其人口数量近些年有增加趋势，这意味着该地区草原火灾的发生与人员活动有着紧密的联系，并且需要进一步加强人为火源的管控。虽然高纬度地区人员稀少，但是研究区林草交错，并且入境火频发，一旦发生草原火灾很容易转变为森林火，而且多为受害面积较大的火灾，所以高纬度地区应当重视草原火灾的预测预报以及火情巡查工作，做到在火灾初期将其扑灭，防止其蔓延发展。研究区域内重大火灾和特别重大火灾的发生主要集中在新巴尔虎右旗，陈巴尔虎旗和新巴尔虎左旗，该研究结论与玉山[27]得出的结论相似。由此可见，呼伦贝尔地区草原火灾具有较明显的地区聚集性，草原火灾的空间分布特征与植被状况、气候条件和人为因素等因子有着密切的联系。如张正祥等[20]和曲炤鹏等[28]的研究表明，草原的植被分布和人员活动是影响草原火空间分布的主导因子。并且，呼伦贝尔地区林草交错、资源丰富，与蒙古和俄罗斯接壤，辖区边境线长，受极端大陆性气候的影响形成西风带[29-30]，严重受到蒙古国和俄罗斯蔓延到我国的境外火的影响[25]。因此，在今后关于呼伦贝尔地区草原火灾空间分布规律的研究中，应综合考虑以上所述因子的影响，进行深入的研究。