尹賽男 王東昶 單延龍 韓喜越 高 博 王明霞

(北華大學林學院 吉林 132013)

森林火災是當今世界最嚴重的自然災害和公共危機事件之一，不但破壞森林資源，危害人民生命財產，還會對生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞(Flanniganetal.，2000；金森等，2002)，因此如何有效預防和控制森林火災發(fā)生，是保護森林資源的一項重要研究內容?；鹪词巧秩紵h(huán)中3要素之一，是引起森林火災的根源(鄭煥能，1988)?；鹪垂芾硎巧只馂念A防過程中的重要工作之一，當森林存在一定量的可燃物且具備引起森林燃燒的天氣條件時，森林能否著火的關鍵就取決于火源(孫玉榮等，2011；李小川等，2008)。因此，掌握森林火災火源的時空分布特點，是防控森林火災發(fā)生和降低林火損失的關鍵。

近年來火源管理工作在降低森林火災發(fā)生方面成效顯著，森林火災火源研究也逐漸受到國內外學者關注。森林火災火源是影響森林火災時空分布規(guī)律和火行為特性的重要因素，相同的火源在一定時間和空間范圍內存在一定規(guī)律性，而根據歷史火災資料一直都是探究火源發(fā)生規(guī)律的重要手段(Carlosetal.，2001；龍騰騰等，2017；白世紅等，2017；尹賽男等，2019；Nicolasetal.，2014)。森林火災火源分為人為火源和自然火源，其中人為火源引起的森林火災發(fā)生最頻繁。近年來由于人類活動日益頻繁，森林火災發(fā)生也呈增加趨勢，人類的行為、活動范圍及固定的生產生活方式等都可影響森林火災發(fā)生。有學者借助零膨脹二項式模型研究指出，由吸煙引起的森林火災會隨著吸煙人數的減少而降低(Butryetal.，2014)；根據遙感影像通過空間模擬得出，在道路、村莊等人類活動密集地區(qū)，森林火災發(fā)生頻繁(Yeetal.，2017；Laonaetal.，2006；Wittenbergetal.，2009)；每年農耕活動更是引發(fā)春秋兩季森林火災的主要原因(尹賽男等，2018；孫玉榮等，2011)。自然火源主要是通過雷擊引發(fā)森林火災，大興安嶺林區(qū)是我國雷擊火主要發(fā)生區(qū)域之一，該地區(qū)雷擊火的時空分布特點及發(fā)生時的外界條件也成為了一些學者的研究重點(舒立福等，2003；郭福濤等，2009；杜春英等，2010)；國外的加拿大阿爾伯塔省、美國華盛頓州東部、澳大利亞維多利亞州等地區(qū)是雷擊火的多發(fā)地區(qū)，相關學者使用空間點格局、核密度估計、擬合Logistic廣義回歸模型等方法，對由雷擊引起森林火災的時空格局和預測預報展開了一系列研究(Wangetal.，2010；Narayanarajetal.，2012；Readetal.，2018)。

黑龍江省森林資源豐富，屬森林火災高發(fā)地區(qū)。根據黑龍江省1997—2017年森林火災資料，共發(fā)生已知火源的森林火災1 839起，其中由雷擊火、農事用火、野外吸煙引起的森林火災共1 403起，占總次數的76.29%。所以非常需要研究森林火災的雷擊火、農事用火、野外吸煙等火源的時空格局。由雷擊火引起的森林火災在黑龍江省發(fā)生最頻繁且危害也大，但近年來的對黑龍江省雷擊火時空分布特點的研究，或時間跨度較短，或年代較遠，因此急需更新和更加深入的研究；黑龍江全省33.85%的土地為農用耕地，且旅游資源豐富(霍玉盛，2018)，由農事用火和野外吸煙引起的森林火災也頻頻發(fā)生。但是目前針對于黑龍江省森林火災火源的研究卻很少涉及到農事用火和野外吸煙火源，所以針對于這2種火源的研究也需要重視起來。綜上所述，本研究基于黑龍江省歷史森林火災資料，通過使用方差分析、多距離空間聚類分析等方法，掌握3種火源的時間變化規(guī)律和空間分布特征，旨在為黑龍江省火源管理和森林火災預防提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省地處121°11′—135°05′E、43°25′—53°23′N，西部毗鄰內蒙古，南部與吉林接壤，東北部與俄羅斯隔江相望，面積47.3萬km2。全省地貌分為5個區(qū)域：西北部的大興安嶺、東北部的小興安嶺、東南部的東部山地、西部的松嫩平原區(qū)及東部的三江興凱湖平原。山地海拔在300～1 600 m，平原地區(qū)海拔在35～200 m。省內有較大面積的森林土壤、草原土壤和森林草原土壤，屬地帶性土壤，同時存在著大面積的非地帶性土壤。氣候為大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春秋季多大風、空氣濕度低，年降水量500～600 mm。地帶性植被屬寒溫帶針葉林和溫帶針闊混交林，主要樹種包括紅松(Pinuskoraiensis)、興安落葉松(Larixgmelinii)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等。森林主要分布在大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺、老爺嶺和完達山林區(qū)，天然林比重大但人工林少；松嫩平原和三江平原是少林區(qū)(金森等，2002)。

2 材料與方法

2.1 研究材料

森林火災資料來源于黑龍江省林業(yè)廳森林防火辦公室，數據包括黑龍江省1997—2017森林火災的起火地點、起火時間、起火原因、經緯度、火場總面積等信息?？臻g分析地圖來自國家基礎地理信息中心的全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/，審圖號為：GS(2016)2556號)。

2.2 研究方法

2.2.1 數據處理 使用Excel對原數據進行整理，使用Origin繪制不同火源的森林火災次數和火場總面積時間變化圖；使用SPSS19.0完成每種火源在火場總面積上的不同月份和不同時刻的雙因素方差分析(P<0.05)；若二者之間的交互作用顯著則需要進行簡單效應分析(劉琳等，2017)，多重比較方法采用LSD(P<0.05)。不同火源的多距離空間聚類分析則在ArcGIS10.4軟件中完成。大興安嶺地區(qū)以林地為主，因此本文在空間分析中，大興安嶺地區(qū)以林業(yè)局界限劃分，其他地區(qū)則以縣級行政區(qū)劃分。

2.2.2 多距離空間聚類分析 多距離空間聚類分析(Ripley’sK函數)是點格局分析的最常用方法。該方法把局部景觀視為空間內的一個點，繪制點位置分布圖，以點圖為基礎分析景觀空間分布格局。Ripley’sK函數的定義為(Ripley，1977)：

式中：n為火點個數；d為距離尺度；dij是火點i與j之間的距離；A為研究區(qū)面積。

為使結果更可靠，方差更穩(wěn)定，通常引入K(d)/π的平方根對函數進行修正，得出L(d)函數，公式如下(Besag，1997)：

使用ArcMap10.4空間統(tǒng)計工具下的多距離空間聚類分析(Ripley’sK函數)，分析3種火源的空間格局。距離段數量為30次，置信區(qū)間設置為99.9%，邊界校正方法選擇SIMULATE_OUTER_ BOUNDARY_VALUES。

3 結果與分析

3.1 3種火源的時間變化特征

黑龍江省1997—2017年由雷擊火引起的森林火災次數最多，共586起，其次是農事用火共發(fā)生490起、野外吸煙327起，分別造成火場總面積587 099.90、84 148.88、452 318.07 hm2。

3.1.1 3種火源的年際變化特征 由農事用火和野外吸煙火源引起的林火次數和火場總面積都在波動中下降，尤其是野外吸煙火源，在2010、2013、2016年更是全年沒有野外吸煙引起的森林火災；而農事用火在2010、2013、2014、2016年僅分別發(fā)生1、5、5和3起，造成的火災面積也極小。雖然農事用火和野外吸煙引起的火災近年來呈下降趨勢，但野外吸煙引起的火災在2003發(fā)生了61起(18.65%)，造成的火場總面積達413 040.74 hm2(91.31%)；農事用火引起的火災在2000年發(fā)生了110起(22.45%)，共造成火場總面積23 188.79 hm2(27.56%)，其次是2002年發(fā)生43起(8.78%)和30 818.94 hm2(36.62%)。因此在森林防火中絕對不能忽視這2種火源(圖1)。

雷擊火是黑龍江省發(fā)生最頻繁、危害最大的火源。2006年全年由雷擊火引發(fā)的森林火災有9起(1.54%)，但卻造成了409 325.50 hm2(69.72%)的火場總面積。雷擊火發(fā)生次數和火場總面積在1997—2013年于波動中下降。但從2014年開始，發(fā)生次數驟升，2015年達到峰值，全年共發(fā)生73起(12.46%)，但是造成的火場總面積與前幾年相比有很大降低(圖1)。

圖1 黑龍江省3種火源引發(fā)的森林火災次數和面積在1997—2017年間的年際變化Fig.1 Interannual variation of forest fire times and areas induced by three fire sources from 1997 to 2017 in Heilongjiang Province

3.1.2 3種火源的季節(jié)變化特征 從季節(jié)分布上看，由這3種火源引起的森林火災皆主要發(fā)生在春季和夏季，野外吸煙和農事用火主要發(fā)生在4月和5月，其中野外吸煙在這2個月內共引發(fā)森林火災244起(74.62%)和造成火場總面積440 833.30 hm2，占到了野外吸煙總面積的97.46%；而農事用火雖在這期間引發(fā)了298起林火(60.82%)，但在9月的火場總面積卻是最大的(33 129.70 hm2，39.37%)。雷擊火在6月和7月發(fā)生最頻繁，共發(fā)生371起(63.31%)；但在5月的危害卻最大，共造成火場總面積419 888.31 hm2(71.52%)(圖2)。

圖2 黑龍江省3種火源引發(fā)的森林火災次數和面積在1997—2017年的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of forest fire times and areas induced by three fire sources from 1997 to 2017 in Heilongjiang Province

3.1.3 3種火源的日變化特征 從日內分布上看，3種火源在一天不同時刻的發(fā)生特征呈偏峰狀，即下午發(fā)生最頻繁。野外吸煙和農事用火在14：00—14：59發(fā)生次數最多，分別為52起(15.90%)和72起(14.69%)；雷擊火則在16：00—16：59發(fā)生次數最多，共96起(16.38%)。野外吸煙在早晨7：00—7：59共造成森林火災面積319 332.30 hm2(70.60%)、農事用火在傍晚16：00—16：59共造成18 046.93 hm2(21.45%)、雷擊火在10：00—10：59共造成224 531.82 hm2(38.24%)(圖3)。

圖3 黑龍江省3種火源引發(fā)的森林火災次數和面積在1997—2017年間的日變化Fig.3 Daily variation of forest fire times and areas induced by three fire sources from 1997 to 2017 in Heilongjiang Province

3.2 3種火源造成森林火場總面積的差異分析

為進一步分析3種火源造成的森林火場總面積在時間上的特征，使用雙因素方差分析，比較了各火源在不同月份、時刻條件下對造成火場總面積的影響差異。

通過方差檢驗可看出，雷擊火和農事用火造成的火場總面積在月份、時刻及二者交互作用上存在極其顯著差異(P<0.01)，因此需對該2種火源進一步進行簡單效應分析。而野外吸煙造成的火場總面積在月份、時刻及二者交互作用上皆不存在顯著差異，說明野外吸煙引起的森林火災在每個月、每個時間段都應該重點防范(表1)。

表1 3種火源對森林火場總面積影響的月份、時刻及其交互作用的差異Tab.1 Differences in the months,times and interaction of three fire sources on total fire area

通過對雷擊火和農事用火在關鍵月份內的日內不同時刻的簡單效應分析發(fā)現(xiàn)，雷擊火造成的火場總面積在9月份的不同時刻存在顯著差異，農事用火造成的火場總面積則分別在6月和9月的不同時刻存在顯著差異(表2)。因此應對雷擊火9月以及農事用火6月和9月的火場總面積在不同時刻之間進行多重比較。

表2 雷擊火和農事用火在不同月份的不同時刻造成火場總面積的簡單效應分析Tab.2 Simple effect analysis of total fire area caused by lightning and agricultural in different months and different times

通過多重比較可以看出，農事用火在6月的12：00—12：59和9月的16：00—16：59造成的火場總面積均值最大，且與其他時刻均差異顯著。雷擊火在9月的16：00—16：59火場總面積均值與其他時刻差異顯著(表3)。

表3 雷擊火和農事用火不同時刻造成火場總面積的差異性分析①Tab.3 Difference analysis of total fire area by lightning and agricultural at different times

3.3 3種火源的空間分布格局

根據多距離空間聚類分析結果，利用Origin繪制觀測值L(d)值與預期值、上包跡線和下包跡線的關系圖。若L(d)值大于預期值則火點呈聚集分布；若L(d)值小于預期值說明火點呈離散分布；如果L(d)值大于上包跡線值，則該距離的空間聚集具有統(tǒng)計顯著性。如果L(d)值小于下包跡線值，則該距離的空間離散具有統(tǒng)計顯著性。黑龍江省1997—2017年野外吸煙、農事用火、雷擊火這3種火源的L(d)值皆大于預期值和上包跡線，說明3種火源引起的森林火災在空間上皆呈現(xiàn)顯著聚集分布狀態(tài)，且空間尺度越大，聚集程度越強。雷擊火的L(d)值要大于野外吸煙和農事用火這2種火源，說明雷擊火的空間聚集程度要強于野外吸煙和農事用火(圖4)。

圖4 1997—2011年黑龍江省3種火源的空間分布格局Fig.4 Spatial distribution pattern of three fire sources from 1997 to 2017 in Heilongjiang Provincea.野外吸煙；b.農事用火；c.雷擊火。a.Smoking;b.Agricultural;c.Lightning.

黑龍江省1997—2017年由農事用火引起的森林火災主要聚集在北部和東南部。北部地區(qū)的火點集中在黑河市市轄區(qū)、嫩江縣、五大連池市、孫吳縣、遜克縣等地，危害程度要強于東南部地區(qū)。其中由農事用火引發(fā)危害最嚴重的森林火災(共造成火場總面積18 000 hm2，占總量的21.39%)就發(fā)生在2002年的孫吳縣。農事用火在東南部的分布較為離散，樺南縣、雙鴨山市市轄區(qū)、寶清縣、勃利縣、七臺河市、林口縣等皆有分布。其中以樺南縣危害程度最強，1997—2017年雖然僅發(fā)生森林火災9起(1.84%)，卻造成了火場總面積5 181.21 hm2(6.16%)，平均每次造成火場總面積575.69 hm2。七臺河市轄區(qū)面積較小，但由農事用火引起的森林火災火點卻較為密集(表4)。

表4 1997—2017年黑龍江省農事用火火源引起的森林火災次數和面積的空間分布①Tab.4 Spatial distribution on forest fire times and areas of agricultural fire cause in Heilongjiang Province from 1997 to 2017

野外吸煙引起的森林火災在黑龍江省呈帶狀聚集分布，主要集中在西北部大興安嶺地區(qū)、北部以及東南部，其中以大興安嶺地區(qū)危害程度最強。大興安嶺地區(qū)由野外吸煙引起的森林火災共80起(24.46%)，主要分布在加格達奇林業(yè)局、韓家園子林業(yè)局、呼瑪縣林業(yè)局、松嶺林業(yè)局等地，而頂端西林林業(yè)局、圖強林業(yè)局等地則發(fā)生較少。大興安嶺地區(qū)共造成火場總面積351 570.84 hm2(77.73%)，尤其是2003年發(fā)生在十八站林業(yè)局的一起森林火災，造成了319 253.00 hm2(70.58%)的火場總面積。北部主要集中在遜克縣、嘉蔭縣以及伊春市市轄區(qū)這3地，共發(fā)生113起(34.56%)，造成火場總面積69 997.26 hm2(15.48%)。東南部則主要集中發(fā)生在七臺河市和雞東縣(表5)。

表5 1997—2017年黑龍江省野外吸煙火源引起的森林火災次數和面積的空間分布Tab.5 Spatial distribution on forest fire times and areas of smoking fire cause in Heilongjiang Province from 1997 to 2017

黑龍江省由雷擊火引起的森林火災除在遜克縣、伊春市市轄區(qū)、黑河市市轄區(qū)、嫩江縣等地有零散分布外，絕大多數都發(fā)生在大興安嶺地區(qū)，雷擊火多發(fā)生在高緯度的原始森林中，共發(fā)生555起(94.71%)，造成火場總面積587 099.90 hm2(50.10%)。雖然火場總面積偏小，但2006年在毗鄰大興安嶺地區(qū)的嫩江縣嘎拉山林場發(fā)生的一起由雷擊火引起的森林火災就造成了185 698 hm2的火場總面積(31.63%)。由于雷擊火分布過于集中，因此著重分析大興安嶺地區(qū)的雷擊火空間分布特征。

整個大興安嶺地區(qū)由雷擊火引起的森林火災極多，每個林業(yè)局都有發(fā)生。其中大興安嶺地區(qū)的中心地帶圖強林業(yè)局、阿木爾林業(yè)局、塔河林業(yè)局、新林林業(yè)局等地雷擊火的危害程度較弱；而邊緣地帶呼中林業(yè)局、呼中自然保護區(qū)、松林林業(yè)局、加格達奇林業(yè)局則危害較嚴重，尤其是呼中林業(yè)局和呼中自然保護區(qū)發(fā)生最頻繁，共發(fā)生111起(18.94%)，造成火場總面積27 847.40 hm2(4.74%)。松嶺林業(yè)局由雷擊火造成的危害程度最強，共發(fā)生46起(7.85%)，造成火場總面積230 264.68 hm2(39.22%)，其中2006年發(fā)生在砍都河的雷擊火造成了221 129.00 hm2(37.66%)的火場總面積，是1997—2017年由雷擊引起的最大森林火災(表6)。

表6 1997—2017年黑龍江省大興安嶺地區(qū)雷擊火火源引起的森林火災次數和面積的空間分布Tab.6 Spatial distribution on forest fire times and areas of lightning fire cause in Daxing’anling area of Heilongjiang Province from 1997 to 2017

4 討論

黑龍江省是我國林業(yè)大省，是歐亞大陸北方森林帶的重要組成部分，年均森林過火面積居全國之首，是火災危害最嚴重的地區(qū)(張冬有等，2012)。火源是引起森林火災發(fā)生的關鍵，掌握火源引發(fā)森林火災的時間規(guī)律和空間格局是預防森林火災的重要依據。本文對黑龍江省1997—2017年由農事用火、野外吸煙、雷擊火3種火源引起的森林火災時空格局進行了研究，使用的森林火災資料跨度較大，可以較全面地研究3種火源在黑龍江省的時空分布特征，對該地區(qū)森林防火有重要的現(xiàn)實意義。3種火源造成的火場總面積在1997—2017年都呈下降趨勢，歸功于近年來黑龍江省逐步實現(xiàn)林火的規(guī)范化、法制化管理，火源管控和林火監(jiān)測力度逐漸加強。同時在撲救上，單位面積林火撲救費用和撲救人數也在逐年上升，最大程度上實現(xiàn)森林火災的“打早、打小、打了”撲救原則。這一系列措施大大降低了森林火災的危害程度(鄭宏等，2017；車旺等，2018)。

黑龍江省1997—2017年由雷擊火引起的森林火災發(fā)生最為頻繁，危害也最嚴重。國內學者金森等(2002)、張冬有等(2012)、宋國忠等(2018)研究黑龍江省1980—1999、1980—2005、2008—2017年的林火發(fā)生規(guī)律時也指出，雷擊火引起的森林火災在黑龍江省發(fā)生頻率高且危害較大。據此可看出雷擊火一直都是黑龍江省的主要火源。雷擊火作為一種天然火源，本身就具有很強的隨機性，發(fā)生時需要特定的時間、地點和氣候條件等，在干旱的夏季高緯度林區(qū)發(fā)生干雷暴天氣，有可能由雷擊引起森林火災，且在預防、監(jiān)測和撲救上存在很大的困難，如2003年澳大利亞的維多利亞州由雷擊引起的森林火災共發(fā)生87起，累計燃燒面積110萬hm2(Rorigetal.，1999；Poduretal.，2003；Readetal.，2018)。研究發(fā)現(xiàn)，雷擊火在空間上的分布極為集中，主要聚集發(fā)生大興安嶺地區(qū)的邊緣，尤其是呼中林業(yè)局、呼中自然保護區(qū)、松嶺林業(yè)局等地的高緯度地區(qū)原始森林中。Genton(2006)等指出，雷擊引起的森林火災比其他火源分布更集中。發(fā)生時間多為夏季的6和7月份，這一結論與張巍等(2018)研究結論相符。該區(qū)域環(huán)境復雜、人煙稀少，因此一旦發(fā)生森林火災很難被及時發(fā)現(xiàn)、及時撲救(張玉紅等，2002)。根據本研究，建議在每年的5、6、7、9月加強該地區(qū)高緯度原始森林的林火監(jiān)控，撲救人員以及大型撲救設備如飛機、推土機等全天候待命。

農事用火易發(fā)生的區(qū)域位于松嫩平原與小興安嶺地區(qū)過渡帶和三江平原與東南部山地地區(qū)的過渡帶，這里耕地和林地交織在一起，每年春季農民的燒荒燒秸稈等農事活動很容易造成森林火災發(fā)生，林花明(2017)和尹賽男等(2018)等研究指出農事用火易在春季發(fā)生。同時黑龍江省的氣候條件每年9月下旬—10月就開始降雪(王波等，2019)，在林內和林緣活動的人員較少，森林地表又被大雪覆蓋，所以很難發(fā)生森林火災。野外吸煙火源引起的森林火災造成的火場總面積在月份、時刻上均不存在顯著差異，說明野外吸煙火源的發(fā)生隨機性較大，甚至可以說只要有人為活動的地區(qū)，就可能發(fā)生野外吸煙引起的森林火災，這與Butry等(2014)提出的很難確定吸煙引起的森林火災周期的結論相符。因此針對該種火源要在易發(fā)生的春季進行全天候重點防范。對由農事用火、野外吸煙這2種人為火源引起的森林火災的預防重點應是關注人類活動。人類活動區(qū)域主要集中在林緣，由野外吸煙和農事用火引起的森林火災很容易被發(fā)現(xiàn)，因此要加大巡護和撲救力度，發(fā)現(xiàn)林火及時撲救，降低損失。同時還要加強森林防火宣傳，提高人們的防范意識，堅決禁止打火機、香煙等火種進山。

5 結論

黑龍江省1997—2017年由雷擊火引起的森林火災造成的火場總面積逐年降低，而林火次數卻發(fā)生驟增。大興安嶺地區(qū)對雷擊火要進行重點防范，尤其是呼中林業(yè)局、呼中自然保護區(qū)、松嶺林業(yè)局和加格達奇林業(yè)局。農事用火和野外吸煙引發(fā)的森林火災的次數和火場總面積都在波動中下降，建議在這2種火源發(fā)生最頻繁的4—5月進行重點監(jiān)控。農事用火的重點防范區(qū)域是北部的黑河市轄區(qū)、嫩江縣、五大連池市、孫吳縣等地，以及東南部的樺南縣、七臺河市等地；野外吸煙火源的重點防范區(qū)域是西北部大興安嶺地區(qū)的十八站林業(yè)局、韓家園子林業(yè)局、加格達奇林業(yè)局等地，以及北部的遜克縣、嘉蔭縣等地和東南部的七臺河市、雞東縣等地。