林业科学  2002, Vol. 38 Issue (2): 98-102   PDF    
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胡海清, 金森.
Hu Haiqing, Jin Sen.
黑龙江省林火规律研究Ⅱ.林火动态与格局影响因素的分析
STUDY ON FOREST FIRE REGIME OF HEILONGJIANG PROVINCE Ⅱ.ANALYSIS ON FACTORS AFFECTING FIRE DYNAMICS AND DISTRIBUTIONS
林业科学, 2002, 38(2): 98-102.
Scientia Silvae Sinicae, 2002, 38(2): 98-102.

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收稿日期:2001-02-05

作者相关文章

胡海清
金森

黑龙江省林火规律研究Ⅱ.林火动态与格局影响因素的分析
胡海清 , 金森     
东北林业大学森林资源与环境学院 哈尔滨 150040
摘要: 本文对在大尺度(5 0 0km2以上)上影响黑龙江省林火的因素及其影响途径进行了分析。结果表明, 年林火次数(人为火次数)与林业人口正相关, 林火面积与人口无关。干燥度的空间差异对林火燃烧率格局有正向影响。林火特征与气候因子之间没有线性关系。黑龙江省林火次数和面积对年均温和降水量的响应可归纳为旋转的单叶双曲面和双叶抛物面两种模式。林火特征的周期与年均温、年降水量的周期关系很大。黑龙江省森林类型对林火次数、面积的影响在省级区划尺度上不显著的。较高的管理水平显著减少林火。林火次数、面积与了望塔数量、消防车数量及通讯覆盖率等无线性关系。
关键词: 因素    黑龙江省    林火    
STUDY ON FOREST FIRE REGIME OF HEILONGJIANG PROVINCE Ⅱ.ANALYSIS ON FACTORS AFFECTING FIRE DYNAMICS AND DISTRIBUTIONS
Hu Haiqing, Jin Sen     
College of Forest Resources and Environment, Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: Factors and their ways affecting forest fires in Heilongjiang Province were analyzed here at a scale larger than 500 km2.The results indicated that the annual fire occurrence (anthropogenic fires) is direct proportional to populations engaging in forestry while the annual burned area is irrelevant to them.The spatial variance of drought index directly affects the spatial pattern of burning rates.Forest fire characters have no linear relationships with climatic factors.The response of fire occurrence and burned areas to annual averaged temperature and precipitation in the province can be concluded into two modes:one described by single leafed hyperboloid and another by dual leafed paraboloid.The cycles of forest fire characters are closely related to that of annual averaged temperature and precipitation.The effects of forest types on fire in the province are not significant.Better management significantly reduces forest fires.Fire occurrence and burned area have no linear relationships with number of fire outlooks, fire engines and communication network covers.
Key words: Factors    Forest fires    Heilongjiang    

林火的发生发展与火源、可燃物数量和干燥程度及其空间分布有关。在小尺度上, 可燃物数量和含水率对林火发生和蔓延影响很大, 可燃物类型常为林型所替代, 其干燥程度与天气状况关系密切(王瑞军, 1997)。在景观尺度上, 林火蔓延和影响与景观格局关系密切(Brown, 1999)。在更大的尺度上, 影响的可能因素包括林火管理水平、人口、植被类型、气候因子标等, 但它们对林火的影响在黑龙江省这样大的尺度上到底怎样?目前较少研究。本文在前文林火时空动态和统计分布研究的基础上, 对此问题进行了探讨。

1 研究地区概述

黑龙江省位于东经121°11′~135°05′、北纬43°25′~53°23′之间, 面积45.4×104 km2, 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300~1600m左右, 平源地区海拔有35~200m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年的林火数据, 包括各次火的起灭时间、火点地理坐标、面积等。2)黑龙江省各县、市和森工局的人口数、了望塔数量、消防车数量、通讯覆盖率及这些地区防火期的平均气温、降水量、相对湿度、风速。3)黑龙江省行政区图和森林类型图。4)黑龙江省43个气象站点1980~1999年的月气温和月降水资料。

利用统计软件, 统计黑龙江省各地区的20a林火次数, 计算各气象站点历年年均温和降水量。计算黑龙江全省林火次数、面积与人口、气候等因素的相关系数。对全省年林火次数、面积与年降水、年均温绘制散点图和年际波动图并进行谱分析(幺枕生, 1990)。以年均温和降水为x轴和y轴, 以林火特征为z轴, 分别绘制三维关系图。

3 结果与分析 3.1 林火与人口的关系

为研究林火与人口的关系, 我们收集了黑龙江省40个森工局、54个农业县和城市的郊区9a (1980~1987年和1991年)的总人口和农业人口(对森工局而言, 总人口和农业人口与林业人口相似)。统计各区域1980~1999年期间历年林火次数、面积及20a总林火次数和面积。由于各区域以年为单位的林火数据比较离散, 受其它因素影响变动较大, 在与同一年份的人口数据进行统计分析时难以体现出人口对火灾的影响, 为此采用各区域20a的总林火次数、面积。对于不同年份的人口, 采用历年的年均人口数据作为人口影响的代表。

94个区域的人口数、农业人口数与林火次数和面积的相关系数分别为0.0971和0.0523、0.1236和-0.0623, 都不显著。40个森工局的年均人口数与火灾面积的相关系数为0.0847, 不显著, 但与林火次数的相关系数为0.3972, 在0.016水平上显著, 可用下面方程近似描述:

F=0.00278P+7, 其中, F:林火总次数; P:林业人口数, t (38) =2.46, 显著水平0.016。这表明, 总林火次数与林业人口正相关, 与行政县的农业人口和总人口关系都不大; 总火灾面积与各种人口数都无关。这显然由于大多数火灾由人为火源引起, 人为火源的多少与直接在林区从事生产活动的人数有关, 这部分人数又与林业人口等价或与林业人口具有极好的正比关系。火灾蔓延的情况则与人口关系不大。因此, 进行火险区划或火源管理时, 应考虑区域的林业人口, 而不是其它人口。

由于人为火和总林火的规律相似(金森, 2002), 上述结果同样适用于人为火次数、面积与人口之间的关系。

3.2 林火与气候因素的关系 3.2.1 林火空间格局与气候因子空间分布的关系

用94个区域防火期平均气温、平均相对湿度、平均风速和降水量及干燥指数(防火期平均气温与平均风速的乘积除以防火期降水量)表征气候因子的空间分布, 与各区域20a林火次数、面积及派生指标如平均每次火的面积、森林燃烧率、平均蔓延速度等进行相关分析, 结果多不显著或没有意义。用30个林业局的同样数据(部分林业局的气候数据因存在明显的错误, 如平均气温偏高而被剔除)进行同样分析, 只有森林燃烧率与干燥度具有极好的正相关, 相关系数为0.85, 显著水平为0.000, 其线性回归方程为

R=3.5D-0.11, 式中:R为森林燃烧率, D为干燥度, t (28) =8.53, 显著水平0.0001。这说明空间干燥度的差异对林火燃烧率空间格局有正向影响。

3.2.2 林火年际变化与气候因素的年际变动的关系

黑龙江省面积大, 省内气候因子变异较大。为此计算年均温、年降水量各气象站点间的相关系数。结果表明, 站点间的年均温高度正相关, 但只有空间距离较近的站点间的年降水量才正相关。因此, 全省的年均温可以用43个站点的算术平均来表示, 但年降水量地区差异较大, 应分区域研究。大兴安岭地区、伊春地区、黑河地区和牡丹江地区是黑龙江省林火多发区(金森, 2002)。各地区内站点的年降水量相关较强。因此, 我们选择这四个地区和整个省区作为不同的空间尺度分别研究、比较。为简单计, 省区气温、降水数据采用站点算术平均值, 各地区的数据采用区域中心站点值。

林火特征与气候因子的年际动态比较:通过计算黑龙江省年林火发生次数、面积和燃烧时间与省年均温和降水量的相关系数和用原数据除以各自的均值得到标准化值, 以年份为横轴, 林火特征与气候因子为纵轴绘图来研究林火特征与气候因子的关系(见图 1)。结果表明, 林火特征与气候因子之间没有线性关系, 在某些气候指标区间上, 林火特征随机性很强, 变幅大。其年际变化的振幅和相位差异也较大, 构造两者之间的显式解析关系比较困难。

图 1 林火特征与气候因子的年际动态比较 Fig. 1 Comparison of annual fire characters and climatic factors —◆—总火次数Total Burning times —■—面积Area —▲—燃烧时间Lasting time ——干燥度Drought index —|×—年气温Annual temperature ——年降水Annual precepitation

双气候因子对林火特征的影响:基于上述原因和气候因子间的相互作用, 我们以年气温和降水量作为x、y轴, 以林火特征作为z轴, 用最小误差法拟合空间曲面, 以揭示林火特征对气温和降水共同作用的响应。

全省林火次数在降水和气温平面上有一个极大值(见图 2), 出现在由降水量区间[480, 580] (mm)和气温区间[1.0, 1.8] (℃)构成的区域, 年次数大于300, 区域的中心次数最多, 年次数超过440次。从此向周围年林火次数递减, 最低区域出现在降水量低于400mm、高于640mm的区域以及由降水量区间[530、590] (mm)和[3.4, 3.8] (℃)构成的区域。称此种曲面为山脊形, 可由一旋转单叶双曲面的一部分近似拟合。林火次数呈现此种特征, 表明火源的随机特点、社会性和非气候影响性。全省林火面积在降水和气温平面上有两个极大值(见图 3), 大极值区为降水区间[600, 680] (mm)和气温[1.4, 3.0] (℃)所围成区域的内切椭圆内, 中心点在[600, 640] (mm)和[2.0, 2.8] (℃)围成的区域内, 年过火面积超过1.4×105hm2。小极值区出现在[420, 460] (mm)和[3.2, 3.6] (℃)之间。低值出现在平面的两个角上, 即[520, 680] (mm)和[3.8, 3.4] (℃)围成的区域及[360, 440] (mm)和[1.0, 2.0] (℃)围成的区域。称此曲面为鞍形, 可由一旋转的双叶抛物面来拟合。在鞍形中, 低温低湿和高温高湿时林火特征值(此处为林火面积)小, 高湿中高温时特征值大。在此, 人的因素很重要。在高温高湿时, 虽然年降水量很高, 但在两次降水的间隔期内, 由于高温的条件, 可燃物仍能很干燥, 因此人们高度重视, 过火面积就可能小。在低湿高温时, 人们更重视预防和扑救, 但此条件下发生的林火往往都是人力不可控制的大火, 尽管人类高度重视, 但过火面积仍较大。最显著的例子就是1987年的“5.6”特大森林火灾。

图 2 黑龙江省年林火次数与年均温和降水 Fig. 2 Annual fire number vs.annual averaged temp.and precipt.Heilongjiang Province
图 3 黑龙江省年林火面积与年均温和降水 Fig. 3 Annual burned area vs.annual averaged temperature and precipitation, Heilongjiang province

林火次数、面积与降水和气温的关系, 虽然极值个数不同, 但从高温低湿到低温高湿的对角线上的数值均高于其它点, 另外两个角处数值较低。

全省雷击火次数与气温、降水的关系曲面呈宽脊形, 面积呈鞍形, 具体数值见图 4~5

图 4 黑龙江省年雷击火次数与年均温和年降水的关系 Fig. 4 Annual L-fire number vs.annual averaged temp.and preciptation.Heilongjiang province
图 5 黑龙江省年雷击火面积与年均温和降水量的关系 Fig. 5 Annual burned area by L-fires vs.annual averaged temp.and preciptation., Heilongjiang province

林火特征与气候因素谱周期的比较:表 1是黑龙江省和四个地区林火特征与气候因子的谱分析周期。从中可见林火特征的频谱周期与年气温和降水的部分频谱周期是一致的, 表明黑龙江省林火特征的周期受气候因子的周期性影响很大, 但其中的机理尚不清楚。

表 1 林火特征周期与气候因子谱分析周期比较 Tab.1 Cycles comparison between fire character and that of climatic factors
3.3 其它因子的影响 3.3.1 管理水平对林火的影响

黑龙江省火灾次数、面积的年际变化两个阶段的划分说明林火管理水平对人为火的发生、发展都有影响。合适的措施使火灾年均次数从394降到95次, 年均面积由2.24×105hm2降到1.9×104hm2

3.3.2 扑火力量的影响

林火的发展可能与各区域的扑火力量、装备等有关。94个区域和40个林业局的林火特征与相应的扑火力量指标的相关系数表明两者之间都没有线性关系。其中林火特征有:总过火面积、平均每次火灾的燃烧时间和平均蔓延面积速度(用总过火面积除以总燃烧时间); 扑火力量指标有:了望塔数量、消防车数量及通讯覆盖率。

4 结论与讨论

年林火次数(人为火次数)与直接决定林区人为活动水平的林业人口正相关, 与其它人口关系不大; 林火面积与人口无关。

干燥度D的空间差异对林火燃烧率R空间格局有正向影响, 其关系可用方程R=3.4D-0.11描述。林火特征与气候因子之间没有线性关系, 在某些气候指标区间上, 林火特征随机性很强, 变幅大。其年际变化的振幅和相应差异也较大。

黑龙江省和大兴安岭、黑河、牡丹江、伊春四地区的林火次数和面积对年均温和降水量的响应可归纳为脊形和鞍形两种, 脊形可用单叶双曲面旋转后拟合, 鞍形可由双叶抛物面旋转后拟合。黑龙江省的林火次数响应为脊形, 林火面积响应为鞍形。

黑龙江省林火特征的周期与年均温和年降水量的周期性关系很大。

较高的管理水平显著减少林火。林火次数、面积与了望塔数量、消防车数量及通讯覆盖率等无线性关系。

本文研究的是人为活动占主体的条件下大尺度上林火的规律及其与环境因子的关系, 初步揭示了人类活动对林火的一些影响。也揭示了部分雷击火的发生和在人类灭火实践的前提下的发展规律。结论表明, 在大尺度上, 林火的发生主要取决于人类的活动, 目前关于这方面的研究和自然条件下(自由燃烧) (Li, 1999)林火的规律研究将为搞清林火对森林生态系统的动态过程的影响提供基础数据。

大区域林火与气候因子的关系与小尺度不同。均值算法的选择非常重要。如何选择合适的尺度, 既要是符合区域的要求, 又要使区域内的差异最小, 是应进一步研究的。

影响林火的因素很多, 这些因子的作用可能是交互的, 更可能是非线性的。目前的分析方法基本基于线性方法, 应考虑的非线性方法。本文分析林火与气候因子的方法即是一种非线性方法。

参考文献(References)
金森, 胡海清. 2002. 黑龙江省林火规律研究Ⅰ:林火时空动态与分布. 林业科学, 38(1): 88-94.
王瑞军, 于建军, 郑春艳. 1997. 森林可燃物含水率预测及燃烧性等级划分. 森林防火, (17): 16-17.
幺枕生, 丁裕国.气候统计.北京: 气象出版社, 1990: 590~ 610
Brown P M, Kaufmann M R, Shepper W D. 1999. Long-term landscape patterns of pst fire events in a montane ponderosa pine forest of central Colorao. Landscape Ecology, (14): 513-532.
Li C, Lan Corns G W, Yang R C. 1999. Fire frequency and size distribution under natural conditions: a new hypothesis. Landscape Ecology, (14): 533-542.