黑龙江省是我国森林大省, 也是林火多发区域。研究该地区林火规律既可为该地区的森林火险等级区划和林火测报服务, 又可为研究林火在生态系统和景观中的作用提供必需的参数(Li, 1999)。目前已开展的研究有:利用10 a的林火数据, 对林火时间动态和空间分布进行基本描述, 对现有格局的成因进行有限的分析(寇晓军, 1997; 胡远方, 1998)。在这些工作的基础上, 作者通过收集更丰富的资料(1980~1999年共20 a的林火资料), 利用地理信息系统等工具, 对黑龙江省的林火时空规律和成因, 特别是林火空间格局与人口、植被类型及气候因子的空间关系进行了研究, 在研究中注意尺度的影响。由于篇幅原因, 本文只涉及黑龙江省林火的时空动态规律, 包括林火次数和面积的时空动态及其统计分布。对于影响因素的分析将另文论述。

1 研究地区概况

黑龙江省位于东经121·11′~135·05′、北纬43·25′~53·23′之间, 面积45.4×10⁴km², 人口3300×10⁴。大陆性气候, 冬季寒冷干燥, 夏季炎热多雨, 春秋季多大风, 空气湿度低, 干燥。全省地貌分为5个区域:西北部的大兴安岭、东北部的小兴安岭、东南部的东部山地(由数条并行的东北—西南走向的山岭组成, 有张广才岭、老爷岭和完达山等)、西部的松嫩平原区及东部的三江兴凯湖平原。山地海拔高度在300~1600 m左右, 平原地区海拔在35~200 m左右。山地面积占58.9%, 其中中山为4.4%, 低山为20.4%, 丘陵占21.8%, 台地为1.8%, 山区河谷和冲积平原为10.5%;平原占41.1%。省内有较大面积的森林土壤、草原土壤和森林草原土壤, 属地带性土壤, 同时存在着大面积的非地带性土壤。

地带性植被属寒温带针叶林和温带针阔混交林。森林主要分布在大兴安岭、小兴安岭、张广才岭、老爷岭和完达山3大片林区。松嫩平原和三江平原是少林地区。天然林比重大、人工林少。

黑龙江省是全国森林防火的重点省份, 年均森林过火面积居全国之首, 是火灾危害最严重的地区。

2 研究方法

收集下列资料: (1)黑龙江省1980~1999年的林火统计数据, 包括林火发生时间、扑灭时间、火点地理坐标、过火面积、火因等; (2)黑龙江省的行政区图。

根据各林火的起灭火时间、过火面积计算林火持续时间和平均蔓延速率。用统计软件拟合过火面积、持续时间和平均蔓延速率的统计分布并对其进行自组织函数的拟合(Ricotta et al., 1999)。

对数据分区域进行谱分析(幺枕生等, 1990), 绘制周期图, 计算正弦、余弦函数的系数, 确定林火次数、面积的周期。

利用地理信息系统软件ARC/INFO数字化黑龙江省的行政区图。根据各火点地理坐标建立火点空间分布图层。将该图层与行政区图叠加, 绘制火点行政区分布图。

3 结果与分析 3.1 林火时间分布规律 3.1.1 年际变化

(1) 林火次数年际变化  黑龙江省20 a共发生林火3995次, 年均200次。其中人为火3108次, 占总次数的78.6%, 年均155次, 是林火次数的主体; 雷击火195次, 占总次数的4.8%, 年均10次; 火源不明的692次, 占总林火的17.3%。

图 1是黑龙江省林火次数的年际波动情况(为便于比较, 将数值较小的雷击火次数和面积乘上一个比例因子, 但总的波动规律不变。以下各图同样处理, 但所乘因子不同)。从图 1可见, 总林火次数随时间发展呈下降趋势。以1987年为界, 分为有明显差异的两个阶段:1980~1987年的高发阶段和1988年以后的低发阶段。高发段年均394次, 低发段年均95次, 低于20 a的平均值。次数最少的是1993和1994年, 分别为24次和29次; 最多的是1982和1980年, 分别为543次和511次。

人为火次数与总林火次数的年际波动规律相似, 两者的相关系数为0.99。

雷击火次数虽远比人为火少, 但显示了更强烈的波动特点。在1986和1987年出现了最大峰值。雷击火次数与总林火次数和人为火次数的相关系数仅为0.08和0.03, 独立于总林火次数和人为火次数, 不具有明显的两阶段。

对林火年际数据的谱分析表明, 林火在0.06频率处有一明显峰值, 占总方差的67.4%, 在0.22和0.44频率上也有峰值, 占方差的比例较小, 分别为9.3%和7.8%。上述3组分占总方差的84.5%, 可较好地刻画总林火次数的年际波动。其周期强度统计检验值J (幺枕生等, 1990)分别为:4.31、3.54、3.11, 大于0.05水平阈值2.996, 在0.05水平上显著。即总林火次数在16、4.5和2.3 a上有一定的周期性, 可用下列公式近似描述(忽略小于1的系数并取整) :

式中:N为林火次数; π为圆周率, 3.14;T为年份。

人为火次数的周期性与总林火次数相似。其近似表达为:

式中符号同上式。

雷击火次数从周期图上得到的周期是9.1 a (0.11频率)和3.0 a (0.33频率)。其周期强度统计检验值J (幺枕生等, 1990)分别为:3.65、3.31, 大于0.05水平阈值2.996, 在0.05水平上显著。但与总林火次数和人为火次数不同的是, 雷击火次数各频率组分没有对总方差贡献特别大者。

(2) 林火面积年际变化  黑龙江省20 a总过火面积为251.3×10⁴hm², 年均过火面积为12.6×10⁴hm²。其中, 人为火总面积为212.2×10⁴hm², 占总过火面积的84.4%, 年均10.6×10⁴hm², 是林火面积的主体; 雷击火总面积为4.03×10⁴hm², 占总过火面积的1.6%, 年均0.202×10⁴hm²; 不明火源的林火面积为35.07×10⁴hm², 占总面积的13.95%。

图 2是黑龙江省林火面积的年际变化。与林火次数的年际变化相似, 林火面积以1987年为界, 分明显差异的两个阶段, 即1980~1987年的大面积阶段和1988年以后的小面积阶段。1987年(含1987年)之前的年均过火面积为22.4×10⁴hm², 1987年之后的年均面积为1.4×10⁴hm²。统计时段内的5个重灾年份, 均在1987年以前, 1987年过火面积达114.36×10⁴ hm²。1987年以后13 a的年均过火面积为1.9×10⁴hm², 远远低于总平均值。1993年总林火面积最低, 仅为0.06×10⁴hm²; 1988和1997年也较少, 分别为0.13×10⁴hm²和0.23×10⁴hm²。

人为火面积的年际波动与总林火面积的波动相似, 两者的相关系数为0.99。雷击火面积在1985年达到最大, 其年际波动与人为火有一定的相似, 但在相位上有一定的滞后。

对林火面积的谱分析表明, 总林火面积和人为火面积有6 a的周期成分(频率0.16)。雷击火面积有9.1 a的周期组分(频率0.11)。其周期强度统计检验值J (幺枕生等, 1990)分别为:3.87和3.62, 大于0.05水平阈值2.996, 在0.05水平上显著。与林火次数不同, 面积的各频率在总方差中的比例较均匀。

(3) 林火次数和面积的关系  总林火次数和面积的相关系数为0.40, 在0.01水平上显著; 人为火次数与人为火面积的相关系数为0.39, 在0.01水平上显著。这表明人为火和总林火的次数和面积正相关。但雷击火次数与面积的相关系数仅为0.118, 不相关。

3.1.2 林火季节变化

黑龙江省林火主要出现在3~6月和9~11月。表 1是20 a间总林火和雷击火次数、面积在各季节中的分布。总林火(人为火)主要发生在4、5月, 面积集中在3、4月。雷击火主要发生在4、5月间, 面积则集中在5月。7月没有林火, 8月仅有个别林火。

3.2 林火空间分布规律

图 3是1980~1999年黑龙江省林火次数的空间分布图。林火由西北向东南呈带状分布, 有5个多发区:西北部的加格达奇、松岭区域、中北部的黑河、孙吴、逊克、德都、嫩江区域、东北部的同江、嘉荫区域、中部的木兰、依兰区域和东南部的林口、密山、鸡西区域。区域间变幅较大。县际20 a总林火面积均值为184.9 km², 最小值为0.0 km², 最大值为5206.2 km², 标准差为760.9 km²。其频率分布与林火面积的频率分布也相似。在黑龙江省的西部、西南部和东北部森林林火次数很少, 面积也很小, 这些地区主要是农业区和沼泽地。

以上分析表明, 黑龙江省的林火空间分布具有异质性。

3.3 黑龙江省林火特征的统计分布 3.3.1 林火特征的概率分布

黑龙江省林火持续时间、平均蔓延速率、过火面积具有良好的对数正态分布, χ²值分别为199.98、35.24、57.22, 均大于χ_0.99²=10.196, 显著水平在0.99以上。对数均值和方差分别是:1.218和1.691、0.736和4.333、1.953和7.7196。对数分布见图 4。

3.3.2 林火特征的自组织性

符合下列负幂函数关系的特征具有自组织性质:

(1)

式中, p为大于x的特征出现的频率, a、b为参数, a > 0, b > 0。

对黑龙江省林火面积、持续时间和平均蔓延速率计算累积频率, 进行对数变换后进行线性回归得到参数a、b列于表 2。其中林火面积频率对数共分26组, 从小于-11到大于13, 步长为1;持续时间频率对数共分22组, 从-3到大于7, 步长0.5;平均蔓延速率频率对数共分20组, 从-9到10, 步长为1。表 2表明, 这3个特征具有良好的自组织特点, 其分数维分别是0.86、1.045和0.68。

4 结论

黑龙江省林火次数、面积年际波动并呈下降趋势。以1987年为界, 分为1980~1987年的多发阶段和1988年以后的低发阶段。

人为火与总林火有相似的规律:次数周期为16、4.5和2.3 a, 面积周期为6 a。雷击火次数周期为9.1 a和3.0 a左右, 面积周期为9.1 a。

总林火次数和面积、人为火次数与人为火面积均具有显著的正相关, 但雷击火的次数与面积不具有明显的相关性。

林火(人为火)主要发生在4、5月, 面积集中在3、4月。雷击火集中在4、5月间, 面积集中在5月。7月没有林火, 8月仅有个别林火。

黑龙江省林火由西北向东南呈条带状分布。在西部、西南部和东北部森林林火次数较少。有5个林火高发区:西北部的加格达奇、松岭区域、中北部的黑河、孙吴、逊克、德都、嫩江、东北部的同江、嘉荫、中部的木兰、依兰和东南部的林口、密山、鸡西。

黑龙江省林火面积、平均蔓延速率、持续时间呈对数正态分布, 具有自组织特点, 分数维分别是0.86、1.045和0.68。

5 讨论

本文的火周期与文献中的3.3~3.6 a (Cumming et al., 1995; Li et al., 1997)或4 a (Granstrom, 1993)较一致。由于本文仅用20 a的数据, 故在对林火周期性研究中所能反映的只能是林火实际周期(如果周期存在)中的高频部分, 即变动成分, 而真正能够反映林火基本特性的低频部分由于样本数太少而被截掉。这对人为火和雷击火都是一样。

描述火扰动常用的特征有:火频率与轮回期、火周期、火面积分布、火强度分布、火烈度、季节规律和火的种类等(Malanson, 1987)。对频率与轮回期将另文分别森林类型讨论。对火强度分布、火烈度、火的种类将收集有关数据, 进一步研究。

自组织特性将林火的空间属性与时间属性结合在一起。Ricotta用1986~1993年8 a间的资料对意大利Liguria地区的林火进行研究发现, 面积在1~100 hm²的林火具有良好的自组织性。小于1 hm²和大于100 hm²的林火则不然。Ricotta对此的解释是, 一是自组织性可能本身有尺度的上下界限制。另一个是小于1 hm²的林火数据不全, 而大于100 hm²的林火因面积较大, 可燃物异质性较强, 不能表现出统一的自组织特点。

事实上, 负幂函数是以Y轴为渐进线的函数, 当x趋向0时, 累积频率趋向无穷, 这显然与累积频率上限为1相矛盾。因此, 用负幂函数描述自组织性质时应有适用下限, 该下限值为a^1/b, 即函数值为1时的x值。根据表中a、b的数值计算黑龙江省林火面积、持续时间和平均蔓延速率自组织性质的下限分别为8.992 hm²、0.541 h、0.640 hm²·h^-1。

本文研究的尺度要比Ricotta的尺度大得多, 但在大面积、时间上仍表现出良好的自组织性, 其中的原因有待进一步研究。

林火面积自组织特点显然应有上限, 上限为所研究区域的总面积, 因为一个地区的任何一次林火在研究区域内的面积不应大于研究区的面积。其它特征的上限是否存在等问题有待进一步研究。

自组织函数中a、b的值与区域有关(Ricotta et al., 1997), 不同地区数值不同, 陕西省面积的分数维为0.9832 (薄颖生等, 1997), 黑龙江省的林火面积分数维是0.86, 意大利Liguria地区的林火面积的分数维是0.723 (Ricotta et al., 1997)。它们可能是区域火系统(fire regime)的特征值, 其火生态学意义比较复杂, 我们将专门阐述。比较简单地讲, a越小, 具有自组织特点的林火特征下限越小。在低于下限部分的林火特征, 如本文所述的3个指标, 可由对数正态分布描述。

长期的防火工作导致可燃物的大量积累, 人们用计划火烧来减少可燃物并期望恢复火在生态系统中的作用。应按怎样的频度和强度进行计划火烧?人类的干扰使林火的次数增加, 但又使每次林火的面积减少, 大大低于自然状态下的面积。目前还无法判断人类活动下的多次小面积火与自然状态下少次大面积火对生态系统的影响是否等价或在一定意义上等价。但雷击火是自然火的主体, 在自然条件下, 黑龙江省的年林火次数最少为10次, 若向上浮动一个数量级, 可在10~100次之间。火的面积最小为0.202×10⁴hm², 也可向上浮动。根据前面数据, 黑龙江省年林火次数低值有24次(1993年)、29次(1994年), 面积低值有0.06×10⁴hm² (1993年)、0.13×10⁴hm² (1988年)和0.23×10⁴hm² (1997年), 这说明经过适当的措施可将林火控制在接近自然状态的水平上, 如果达到这种水平, 林火管理工作就已经很有成绩了。这也意味着无林火记录不一定好, 至少在生态意义上讲不是自然正常的。事实上, 人为火源是很难根除的。