東北地區自然植被火動態特征及其對干旱的響應

于成龍, 劉 丹, 何 鋒, 韓俊杰

(1.中國氣象局 東北地區生態氣象創新開放實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象院士工作站, 黑龍江 哈爾濱 150030; 3.黑龍江省氣象科學研究所, 黑龍江 哈爾濱 150030)

火改變植被群落結構[1]、碳水循環[2]、土壤化學成分[3]乃至全球氣候系統[4]。遙感監測以其監測范圍大、成本低、人機交互判識率高等特點，成為當前火點監測及過火面積提取的重要手段之一[5]，目前成序列的衛星監測產品主要有美國航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)基于Terra和Aqua衛星數據的近20 a全球火數據產品MCD45A1和MCD64A1(空間分辨率為500 m)[6]；歐洲航天局(European Space Agency， ESA)Globcarbon計劃支持的碳監測產品(空間分辨率為1 000 m)[7]，氣候變化項目(climate change initiative， CCI)支持的全球火燒面積產品Fire_cciv4.1(空間分辨率為300 m)和Fire_cciv5(空間分辨率為250 m)[8]等，這些產品為全球植被燃燒規律[9-10]、火排放[11-12]、火險等級預報[13-14]等的研究提供了基礎數據。

東北境內有廣袤的森林和草原，歷來是森林(草原)火災的高發區。隨著全球氣候變化，該地區氣溫增加趨勢明顯，降水分布不均，大面積干旱時有發生，森林(草原)火動態形勢值得關注。許多學者從森林火災發生發展的時空分布規律[15]、火源特點[16]、碳排放量估算[17]、火險區劃[18]以及火對氣候變化的響應[19]等方面開展了廣泛研究，為進一步開展自然生態系統火干擾研究提供了理論基礎。2000—2015年是自19世紀80年代以來最溫暖的時段[20]，為回答在近幾十年中最暖時段東北地區自然植被火的發生發展規律及其對干旱的響應，本研究以東北地區自然植被為研究對象，基于MCD64A1數據和改進帕默爾干旱指數(self-calibrating palmer drought severity index， scPDSI)，從季節和年際尺度，分析2002—2017年東北地區自然植被火次數和過火面積的時空變化特征；探尋季節和年際尺度下火對scPDSI的響應關系，明確干旱對年平均發生火次數和平均單次過火面積的影響。從而為區域火管理、火險等級預報和森林資源保護提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

東北地區包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古自治區東部的赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市及興安盟[21]，位于東經111.15°—135.09°，北緯37.95°—53.56°之間，土地面積7.87×105km2，境內有大興安嶺、小興安嶺、長白山系和東北平原(包括松嫩平原、遼河平原和三江平原)，海拔高度在2～2 667 m之間。該地區屬溫帶季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，近30 a(1981—2010年)年平均氣溫-4.08～11.34 ℃，年降水量199.53～1 170.60 mm，日平均日照時數5.26～9.21 h[22]。該區植被屬歐亞森林、草原植物亞區和中國—日本森林植物亞區，分布著寒溫帶針葉林、溫帶針闊葉混交林、暖溫帶落葉闊葉林和廣袤的草原[23]。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 MCD12Q1數據產品 本研究基于MODIS的MCD12Q1數據產品(土地類型覆蓋產品)的“IGBP全球植被分類方案”的分類結果提取研究區自然植被分布范圍，該數據原始空間分辨率為500 m。研究中將MCD12Q1數據分類結果分為自然植被(森林、灌木林地、草地、濕地)和非自然植被(包括城市用地、農田、水體和雪地)，東北地區森林和草地分別占自然植被總面積的47.74%和52.24%，因此把森林和草地作為研究對象。

1.2.2 MCD64A1數據產品 MCD64A1數據是MODIS數據的燃燒面積(burned area)累計月合成值產品，原始空間分辨率為500 m，包括燃燒日期(burn date)、燃燒數據不確定性(burn date uncertainty)、質量確認(quality assurance)等5個文件。在燃燒日期文件中的DN值含義詳見表1。

MCD12Q1和MCD64A1數據均應用MODIS Reprojection Tool software(MRT)V4.0進行影像的拼接、重采樣和投影轉換(由Sinusoidal投影轉換為經緯度投影)等預處理，時間范圍為2002—2017年，空間范圍為東北地區。

表1 MCD64A1燃燒日期的像元分級

1.2.3 scPDSI數據 選用全球月尺度scPDSI數據產品，該數據來源于英國東英格利亞大學(University of East Anglia， UEA)氣候研究中心(Climatic Research Unit)編輯的降水和干旱數據集(http:∥www.cru.uea.ac.uk/)，數據的空間分辨率為0.5°×0.5°的柵格數據，本研究所用數據為2002年1月至2017年12月，由CRUTS3.26月尺度氣候數據集驅動，無量綱，數據范圍為[-5.0,5.0]。為減小邊緣鋸齒，將scPDSI柵格數據重采樣為空間分辨率為0.005°×0.005°。

1.2.4 地面監測數據 利用2次地面監測火點數據驗證MCD64A1數據的精度，地面監測地點和過火面積情況詳見表2。

表2 地面監測火場信息

1.2.5 地理信息數據 數字高程模型(DEM)為SRTM地形產品V4.1版本數據，空間分辨率為90 m，數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http:∥www.gscloud.cn)。研究所需的行政區劃數據來自于中國氣象局下發的1∶25萬基礎地理信息，對數據進行拓補檢查。

1.3 研究方法

1.3.1 火點數據精度驗證 把地面監測的起火位置疊加到MCD64A1數據對應日期的圖層上，結果顯示2次起火位置均準確落入MCD64A1數據代表的燃燒點上，利用MCD64A1數據計算的燃燒面積分別為14.21和20.56 km2，誤差率分別為-3.46%和-7.02%，可見MCD64A1數據可以作為分析東北地區火時空動態特征的數據源。

1.3.2 統計方法 四季劃分標準為：3—5月為春季；6—8月為夏季；9—11月為秋季；1，2和12月為冬季。為避免重復統計火點次數，把當年同一地點發生多次火點記錄記為1次。采用趨勢分析和Pearson相關性分析方法，統計火點發生時間、面積的變化趨勢，采用SPSS軟件中的曲線估計工具，分析火與干濕狀況的關系。

1.3.3 干濕等級劃分 參考王兆禮[24]的干濕等級劃分標準，將scPDSI從極端干旱到極端濕潤劃分為9個等級(詳見表3)。

表3 scPDSI干濕等級劃分標準

2 結果與分析

2.1 自然植被火的時間尺度差異

2.1.1 時間分布特征 由圖1可知，東北地區森林火年平均為284±170次，其中2008年最多(為769次)，2012年最少(84次)，2002年以來呈顯著下降趨勢(sig.=0.047)，下降速度為每年18次；草地火年均為366±220次，其中2015年最多(為836次)，2004年最少(為89次)，2002年以來呈極顯著上升趨勢(sig<0.001)，上升速度為每年36次。分析年平均過火面積的年際變化可見，森林火點16 a平均面積為0.98±0.63 km2，2008年最大(2.40 km2)，2012年最小(0.22 km2)，2002年以來呈線性增加趨勢，但未通過95%的顯著性檢驗；草地火點16 a平均面積為0.84±0.44 km2，2012年最大(為1.95 km2)，2017年最小(為0.38 km2)，2002年以來呈線性減小趨勢，但同樣未通過95%的顯著性檢驗。

圖1 東北地區2002-2017年自然植被火點年際變化

由季節分析可見(圖2)，春季和秋季是森林和草地火的多發期，2002年以來森林在春季平均每年發生179±159次火，秋季平均發生83±82次，夏季只有25±35次，這種規律在2008年表現尤為明顯，該年森林火總次數為769次，其中春季高達693次；草地在春季平均每年發生175±171次，秋季115±108次，夏季76±43次，在2013年以后火災次數明顯增多，每年均超過400次，最多的2015年達到836次，總體上來看在草地發生的火次數要多于森林。從時間變化趨勢上看，春季、夏季和秋季森林火次數呈減少趨勢，但均未達顯著水平(sig.>0.05)；草地火次數在夏季呈減少趨勢，未達到顯著水平，但在春季呈現極顯著增加趨勢(sig.=0.003，平均每年增加25次)，在秋季呈現顯著增加趨勢(sig.=0.035，平均每年增加12次)。

圖2 東北地區2002-2017年自然植被火次數的季節變化特征

統計森林和草地在春、夏、秋季平均過火面積可見(圖3)，森林(0.76 km2)總體小于草地(0.80 km2)，各季節排序均為：春季(森林為1.03 km2，草地為1.11 km2)>夏季(森林為0.66 km2，草地為0.66 km2)>秋季(森林為0.58 km2，草地為0.62 km2)。分析各個季節森林平均過火面積的時間變化趨勢可見，草地均存在下降趨勢，森林均存在上升趨勢，但都未通過95%的顯著性檢驗。

圖3 東北地區2002-2017年自然植被平均過火面積的季節變化特征

2.1.2 空間分布特征 由圖4可以看出，2002年以來森林火點主要分布在大興安嶺和小興安嶺，長白山脈只有零星分布，集中分布區域與春季相近；草地火點覆蓋了呼倫貝爾、松嫩平原和霍林郭勒，較為集中的區域在松嫩平原西部和呼倫貝爾西北部。

從不同季節火點的空間分布可見(圖5)，春季森林火主要集中在3個區域： ①沿大興安嶺中南部區域：鄂倫春自治旗中部—阿榮旗西部—扎蘭屯市北部一線； ②中俄邊境區域：呼瑪縣東部和鄂倫春自治旗東北部； ③小興安嶺東南部區域：包括遜克縣、嘉蔭縣、慶安縣北部、鶴崗市南部。夏季森林火密度明顯小于春季，春季時火最密集的區域(沿大興安嶺中南部)很少有夏季火出現，而春季火較少的大興安嶺北部區域(額爾古納市北部和呼瑪縣)夏季火明顯增多。秋季火分布區域與春季相近，但火密度小于春季。

圖4 東北地區2002-2017年自然植被火點空間分布

圖5 東北地區2002-2017年自然植被不同季節火點空間分布

春季草地火分布最集中的區域在松嫩平原西部，包括扎賚特旗、烏蘭浩特市、科爾沁右旗前旗東部、齊齊哈爾市、杜蒙縣、大慶市、泰來縣；其它草地有零星分布。夏季草地火最集中的區域在呼倫貝爾草原，松嫩平原區域火密度明顯減小，其它地區的火密度與春季相近。秋季火集中的區域有呼倫貝爾草原和松嫩平原，其它區域的火密度也大于春季和夏季。

2.2 自然植被火對干濕狀況響應的尺度差異

2.2.1 火對scPDSI的響應 在年際尺度上分析森林和草地火次數與對應scPDSI的相關性可見，森林火次數與scPDSI呈現弱的相關關系(y=-61.60x+261.45，R2=0.201 8， sig.=0.081)，草地火次數與scPDSI呈現出極顯著線性負相關關系(y=-298.55x-233.24，R2=0.662 4， sig.<0.001)。在季節尺度上，春季和秋季的森林火次數與對應的scPDSI均呈顯著線性負相關關系(春季：y=-59.58x+161.65，R2=0.269 1， sig.=0.040；秋季：y=-26.61x+66.92，R2=0.307 9， sig.=0.026)，夏季未見顯著相關關系，春季與對應的前一年冬季的scPDSI也未見顯著相關關系；春季和秋季的草地火次數與對應的scPDSI均呈極顯著線性負相關關系(春季：y=-104.57x-4.59，R2=0.425 6， sig.=0.006，秋季：y=-48.58x+1.56，R2=0.395 1， sig.=0.009)，其它季節未見顯著相關關系。可見草地火次數對scPDSI的敏感性要大于森林。

用同樣的方法分析年際尺度上森林和草地的過火面積與對應scPDSI之間的相關關系可見，森林過火面積與scPDSI呈現弱的相關關系(y=170.60e-0.385x，R2=0.242 8， sig.=0.053)，草地的過火面積與scPDSI呈現極顯著指數關系(y=57.82e-0.696x，R2=0.454 9， sig.=0.006)。

從季節尺度上看，春季森林過火面積、秋季森林過火面積、春季草地過火面積與對應的scPDSI均呈顯著的指數關系(春季森林：y=94.72e-0.460x，R2=0.265 2， sig.=0.041；秋季森林：y=11.97e-0.835x，R2=0.370 3， sig.=0.012；春季草地：y=38.34e-0.576x，R2=0.275 7， sig.=0.037)；夏季森林和草地的過火面積與對應的scPDSI均未見顯著相關關系，春季森林與對應的前一年冬季的scPDSI也未見顯著相關關系；秋季的草地過火面積與對應的scPDSI呈極顯著的指數關系(y=7.176e-0.700x，R2=0.681 4， sig.<0.001)。說明scPDSI對秋季草地的過火面積影響最大。其原因可能是秋季草地的地上生物量大于春季和夏季，即使在植被自身含水量相同的情況下，一旦起火，可燃物載量大，火蔓延速率快，火強度大，過火面積可能就會增大。

2.2.2 火對干旱等級的響應 為了解森林和草地在不同時間尺度下對不同干旱等級的響應規律，分別季節和年尺度提取了森林和草地的年平均發生火次數、平均單次過火面積對應的干旱等級(圖6)，分析可見，在年際尺度上，森林和草地同樣表現為隨著干旱程度的加深，年平均發生火次數有增加的趨勢，但均未達到顯著水平。用同樣的方法分析干旱等級對平均單次過火面積對的影響，結果顯示與年平均發生火次數有相似的規律，但干旱的貢獻均未達到顯著水平。

在季節尺度上，春、秋季的森林和草地火的次數對干旱等級有所響應，表現為隨著干旱程度加深年平均火次數和平均單次過火面積都增加的趨勢，通過相關分析探尋干旱對森林和草地火次數的貢獻程度可見，春季和秋季的干旱對森林和草地火的次數和平均單次過火面積的貢獻都達到極顯著水平(sig.<0.010)，夏季干旱對森林火的次數和平均單次過火面積的貢獻都達顯著水平(sig.<0.050)。

3 討 論

NASA的Terra和Aqua衛星上搭載的兩個中分辨率成像光譜儀(MODIS)提供了近20 a來的全球火數據，為研究區域乃至全球火的變化規律、火對全球氣候變化的響應等科學問題提供了較長時間序列的基礎數據。Fusco等[25]、祖笑鋒等[26]、王衛國等[27]利用MCD45A1數據開展火生態的相關研究取得了可信結果；賈旭等[28]在分析內蒙古自治區野火時空變化特征時，利用Landsat數據對MCD45A1數據進行驗證，得出MCD45A1數據產品可以作為大范圍火災情監測的重要手段的結論；鄧歐等[18]將MCD45A1數據與黑龍江省森林歷史火點記錄進行疊加，認為在時空分布上兩種數據源均具有較高的相關性；可見MCD45A1數據產品具有較好的可用性，并可用于東北地區。本研究所應用的MCD64A1數據產品，在MCD45A1算法的基礎上進行了改進，顯著提高了對小燒傷的檢測能力，適度減少了燒傷日期的時間不確定性，并大大減少了未映射區域的范圍[29-31]。另外，本研究利用2次火的地面記錄與MCD64A1數據進行了對比，誤差率分別為-3.46%和-7.02%，可見MCD64A1數據可以作為分析東北地區火時空動態特征的數據源。

本研究發現，春季和秋季是東北地區森林和草地火的多發期，這與許多同類研究結果一致，如田曉瑞等[32]在研究中國主要生態地理區的林火動態特征后得出了北方地區的火災主要發生在春季和秋季的結論；李興華等[33]研究了1981—2007年的內蒙古東北部地區森林草原火災時間變化規律，其中2002—2007年與本研究時段重合，這段時間火災次數的變化規律也與本研究一致。

注：干旱等級中1為極端濕潤，2為嚴重濕潤，3為中等濕潤，4為輕微濕潤，5為正常，6為輕微干旱，7為中等干旱，8為嚴重干旱，9為極端干旱。圖6 干濕程度對應的年平均火次數和平均單次過火面積

自然植被火是一種復雜的自然現象，干旱往往是其高發和蔓延的重要誘因之一，本研究表明，草地火對干旱的敏感程度要大于森林，此結論與Wragg等[34]的研究結果一致，分析其原因與植被自身特點和scPDSI有關，火的起因與植被和死地被物的含水量有密切關系[35-36]，scPDSI劃分的標準反應是淺層土壤的旱澇程度[37]，森林主要利用深層土壤水分，草地主要利用淺層土壤水分，因此當scPDSI處于干旱等級(scPDSI<-1)時，草自身的含水量會比森林下降得更快，同時草地的死地被物上層無遮擋，水分蒸發速度相對于有樹冠遮擋的林下地被物更大，因此起火和火蔓延的可能性更大。

本研究的數據基礎是MODIS數據產品，除其固有的空間分辨率的限制外，本研究的局限性還在于：MCD64A1數據監測火受到云和濃煙的干擾，因此監測結果可能偏小；僅統計了火次數和面積與對應季節或年份干旱等級之間的關系，沒有區分獨立干旱和連續干旱對火的影響。盡管存在以上不足，但本研究還是以定量的方式給出了火次數和過火面積與干濕狀況的關系，從而為森林(草原)火險預測預報、野火防范和撲救等提供可靠參考。

4 結 論

(1) 在季節尺度上，東北地區春季和秋季是森林和草地火的多發期，而且草地火災次數呈顯著增加趨勢；在年際尺度上，森林火次數少于草地，但年平均過火面積大于草地，森林火次數呈顯著下降趨勢，草地火次數呈極顯著上升趨勢。

(2) 無論是季節尺度，還是年際尺度，東北地區火次數與scPDSI均呈負線性相關關系，過火面積與scPDSI呈負指數相關關系。

(3) 在春季和秋季，隨著干旱程度的加深，東北地區森林和草地火的次數和平均單次過火面積均有增加的趨勢；年際尺度也有同樣的規律。