趙鵬武葛晨赫王嘉夫周 梅陳曉蕾張 恒

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古大興安嶺林業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 022150；3.鄭州植物園，河南 鄭州 450042）

火是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的自然驅(qū)動力，決定著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1]。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。森林火險區(qū)劃是指在森林可燃物分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他火環(huán)境，將林內(nèi)區(qū)域劃分為不同危險等級，從而更好地進行林火管理[2]。森林火險等級評價及火險區(qū)劃研究是森林防火策略制定的重要依據(jù)。美國、澳大利亞、加拿大等發(fā)達國家對森林火險等級評價與火險區(qū)劃很早就進行了有針對性的研究，且技術(shù)趨于成熟。代表性的林火預(yù)報與評估系統(tǒng)有加拿大森林火災(zāi)天氣指標系統(tǒng)（CFFWIS）[3]、美國森林火險等級系統(tǒng)（NFDR ES）[4]和歐洲林火系統(tǒng)（EFFTS）[5]。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)研究成果對其他地區(qū)的火險等級評價和火險區(qū)域的劃分有著重要的借鑒意義。Jaiswal等[6]以印度得亞邦地區(qū)為研究對象，以衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為參考，將GPS作為工具，劃分出該地區(qū)的森林火災(zāi)危險區(qū)。Chuvieco等[7]利用遙感以及GIS等不斷更新的地理科技探測工具和相關(guān)理論，總結(jié)了新的森林火險區(qū)劃方法。郭懷文等[8]通過參考福建省三明地區(qū)2000年至2009年間森林火災(zāi)發(fā)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用聚類分析方法，針對該地11個區(qū)縣劃分了森林火險等級；鄧歐等[9]借助RS和GIS技術(shù)，以黑龍江省從2000年起10年間的森林火災(zāi)發(fā)生的時間及林火影響因子的空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建Logistic林火風(fēng)險模型，從較大的時間和空間尺度上進行森林火險區(qū)劃。譚三清[10]將廣州市作為研究對象，用聚類分析法對相關(guān)森林火險區(qū)劃數(shù)據(jù)加以歸納梳理，將不同類型的火險區(qū)劃分出來。王華麗[11]針對國內(nèi)各省森林火災(zāi)風(fēng)險，綜合運用了因子及聚類分析法進行不同等級的劃分。張恒等[12-13]運用數(shù)理統(tǒng)計及聚類分析的方法，對內(nèi)蒙古巴林右旗各個蘇木鄉(xiāng)鎮(zhèn)及赤峰市進行了森林火險等級評價并完成了火險區(qū)劃。包興華[14]根據(jù)內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)近60年的火災(zāi)資料，分析了火災(zāi)發(fā)生的時間變化規(guī)律和空間變化規(guī)律。

內(nèi)蒙古大興安嶺是我國最北部邊疆唯一的寒溫帶針葉林區(qū)，生態(tài)功能區(qū)面積、有林地面積、森林蓄積等均居全國國有林區(qū)之首[15-16]。其與俄羅斯、蒙古邊境線長達440 km，區(qū)內(nèi)林草、林木相連，林農(nóng)交錯，火源管理難度大，且林內(nèi)雜草生長旺盛，地被物厚且容易燃燒，極易發(fā)生森林火災(zāi)。本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)為研究對象，利用森林火險等級評價及聚類分析2種方法，對該地區(qū)進行森林火險等級評價并完成火險區(qū)劃，為當?shù)亓謽I(yè)局及相關(guān)管理部門在森林火災(zāi)的管控和相關(guān)資源調(diào)配方面做出理論上的防范預(yù)案，使相關(guān)部門在進行工作時能夠有所參考。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林區(qū)（圖1）位于東經(jīng)119°36′26″～125°24′10″，北緯47°03′26″～

53°20′00″[17]，海拔高度425～1 760 m[16]，總面積

約1.07×107hm2，是我國四大國有林區(qū)之一。林區(qū)地處高緯地帶，南北跨7°，地域遼闊，是中國最大的集中連片的國有林區(qū)[18]。內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫

?4～?2 ℃，≥10 ℃積 溫1 100～2 000 ℃。冬 季

（平均氣溫＜10 ℃）長達9個月，夏季（平均氣溫≥22 ℃）不超過1個月。全年降水量在350～500 mm之間，相對濕度70%～75%。積雪期5個月之久，無霜期80 d[19]。林區(qū)主要以草甸土、棕色針葉林土、沖積土、暗棕壤、沼澤土和灰色森林土等土壤類型為主[20-21]。

圖 1 內(nèi)蒙古大興安嶺各林業(yè)局行政區(qū)劃Fig.1 Administrative divisions of each forestry bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

2 研究方法

2.1 森林火險等級評價方法

根據(jù)內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局防火辦公室、氣象局、交通局等部門提供的內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺20個林業(yè)局及1個管護局的樹種燃燒類型、人口密度、防火期平均降水量、防火期平均氣溫、防火期平均風(fēng)速、路網(wǎng)密度6項火險因子數(shù)據(jù)，運用森林火險等級評價方法計算出森林火險因子的權(quán)值之和（森林火險區(qū)劃單位根據(jù)區(qū)劃地區(qū)各項火險因子的實際數(shù)值與表1中的級距對號，并把相應(yīng)的權(quán)值累加，得出權(quán)值之和）以及3項綜合得分值（第1項綜合得分值＝有林地、灌木林地與未成林造林面積之和×火險因子權(quán)值之和；第2項綜合得分值＝活立木蓄積量×火險因子權(quán)值之和；第3項綜合得分值＝有林地、灌木林地與未成林造林面積之和與該地區(qū)總面積之比×火險因子權(quán)值之和），根據(jù)3項綜合得分值，對照行業(yè)標準中的火險等級閾值表（表2）的標準分值，取其中對應(yīng)值高的火險等級作為該地區(qū)的森林火險等級[14]。

表 1 森林火險因子權(quán)重表Table 1 Weight of forest fire risk factor

表 2 火險等級閾值表Table 2 Threshold of fire danger rating

2.2 聚類分析法

聚類分析方法即利用數(shù)學(xué)方法反映出把變量（樣品或指標）由其相應(yīng)的某些特性加以歸納分類后其不同個體間的關(guān)系圖譜[22]。使用的系統(tǒng)聚類是將每個樣品分成若干類的方法，也是目前最常用的聚類方法之一。

造成森林火險的原因多種多樣，其因子量綱也有較大差異，這尤其表現(xiàn)在各數(shù)據(jù)的大小上，故而標準化處理是不可缺少的首要一步，然后再進行針對性的分類。本研究中的數(shù)據(jù)需經(jīng)過標準化處理，先把每一列的數(shù)據(jù)值減掉均值，再用得出的數(shù)據(jù)值除以標準差。即：

對得出的公式加以變換，可以得到每一列數(shù)值的平均值是0，而方差為1。經(jīng)過歐式距離加以計算，即：

式中： EUCLID(x,y)為樣本之間的距離；k為指標個數(shù)；i為指標次序；x、y為樣本，xi是 個體x的第i個變量的變量值，yi是個體y的 第i個變量的變量值。

根據(jù)不同樣本間的距離，逐一把距離最小的樣本歸為一類，從而連接出聚類分析圖。

2.3 數(shù)據(jù)分析

本研究采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)整理好的有關(guān)人口密度、路網(wǎng)密度、氣象因子差異等數(shù)據(jù)用Origin 2018軟件繪制該地區(qū)各相應(yīng)曲線，運用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件，按照經(jīng)過標準正態(tài)變換后的指標體系的歐式距離[23]，以內(nèi)蒙古大興安嶺各行政區(qū)劃的原始火線數(shù)據(jù)為基準，選取路網(wǎng)密度和總面積進行聚類，得出聚合系數(shù)隨分類數(shù)變化曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林火險等級評價

3.1.1 火險因子分析

1）樹種燃燒類別。在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)植被中，興安落葉松占絕對優(yōu)勢，主要包括杜香（Ledum palustre）?興安落葉松（Larix gmelinii）林、杜鵑（Rhododendron simsii）?興安落葉松（Larix gmelinii）林等12種林型[24]。落葉闊葉林主要有白樺（Betula platyphylla）林、岳樺（Betula ermaniivar.ermanii）林、蒙 古 櫟（Quercus mongolica）林、山楊（Populus davidiana）林、鉆天柳（Chosenia arbutifolia）林、甜楊（Populus suaveolens）林。灌木有杜鵑和杜香等[25]。這些樹種的蓄積量占各地區(qū)總蓄積量的55%以上，且燃燒類別均為可燃類（其中蒙古櫟為易燃類）。

2）人口密度狀況。通過對內(nèi)蒙古大興安嶺20個林業(yè)局及1個管護局的人口調(diào)查與土地面積的相關(guān)統(tǒng)計報告分析，人為因素對森林火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展影響相對較大，由圖2可知，人口密度最高的區(qū)域為甘河，所以當?shù)氐纳只痣U指數(shù)表現(xiàn)的尤為突出；阿爾山、綽源、綽爾、烏爾旗漢、圖里河、庫都爾、伊圖里河、克一河、阿里河、吉文、阿龍山、金河、滿歸、莫爾道嘎、得爾布爾、根河等林業(yè)局人口密度相對較低，對森林的人為干擾相對較低，因此森林火災(zāi)危險性相對較低；而大楊樹、北大河、畢拉河、管護局人口密度最低，人為因素對森林影響最小，故這些地區(qū)的森林火險指數(shù)最低。

3）路網(wǎng)密度狀況。通過對內(nèi)蒙古大興安嶺20個林業(yè)局及1個管護局公路數(shù)據(jù)加以梳理[26]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)造成路網(wǎng)密度各不相同的原因較多，其中主要原因是不同地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展程度各不相同，土地面積總量有較大差異，且人口數(shù)量差異更為明顯。森林火災(zāi)的危險性大小同時取決于路網(wǎng)密度的高低，由圖3可知，阿龍山的森林火災(zāi)危險性最高，大楊樹的森林火災(zāi)危險性最低。

4）氣象因子狀況。根據(jù)2015年內(nèi)蒙古大興安嶺20個林業(yè)局及1個管護局防火期內(nèi)3項氣象因子的月平均數(shù)據(jù)梳理得出，阿里河森林火災(zāi)危險性較高，管護局森林火災(zāi)危險性較低，其他林業(yè)局森林火災(zāi)危險性中等（圖4）。

圖 2 內(nèi)蒙古大興安嶺各林業(yè)局及管護局人口密度狀況Fig.2 Population density of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

圖 3 內(nèi)蒙古大興安嶺各林業(yè)局及管護局路網(wǎng)密度狀況Fig.3 Road network density of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

圖 4 內(nèi)蒙古大興安嶺各林業(yè)局及管護局氣象因子差異Fig.4 Differences of meteorological factors among different forestry bureaus and management bureaus in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.2 森林火險因子權(quán)值之和

根據(jù)對內(nèi)蒙古大興安嶺20個林業(yè)局及1個管護局的6項火險因子數(shù)據(jù)分析，對比該標準，計算各項權(quán)值然后進行求和，結(jié)果見表3。

表 3 內(nèi)蒙古大興安嶺各林業(yè)局及管護局火險因子權(quán)值之和Table 3 Sum of weights of fire risk factors of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.3 綜合得分值計算

通過對內(nèi)蒙古大興安嶺20個林業(yè)局及1個管護局的6項火險因子數(shù)據(jù)進行歸納計算，由其權(quán)值得出3項綜合得分值。由圖5可知，第1項綜合得分值最高為管護局、最低為綽源、得爾布爾、北大河等3個林業(yè)局，比較行業(yè)標準的同一數(shù)據(jù)值，低于0.2～5.3，表示其相應(yīng)的發(fā)生林火造成危險的可能性較??；5.3～65.1，表示發(fā)生林火造成危險的可能性中等；大于65.1，表示發(fā)生林火造成危險的可能性最大。造成這一差異原因主要在于防火期平均氣溫和路網(wǎng)密度2項火險因子所得權(quán)值的不同。第2項綜合得分值最高為莫爾道嘎林業(yè)局，最低為伊圖里河、克一河、管護局，比較行業(yè)標準的同一數(shù)據(jù)值，小于256.4，表示其相應(yīng)的發(fā)生林火造成危險的可能性較?。?56.4～856.9，表示發(fā)生林火造成危險的可能性中等；大于856.9，表示發(fā)生林火造成危險的可能性最大。造成這一差異的原因主要在于各林業(yè)局及管護局的活立木蓄積量不同。第3項綜合得分值的最高為綽爾、阿里河等兩個林業(yè)局、最低為大楊樹、北大河等兩個林業(yè)局，根據(jù)行業(yè)標準的同一數(shù)據(jù)值來看，小于43，表示其相應(yīng)的發(fā)生林火造成危險的可能性較?。?3～72表示發(fā)生林火造成危險的可能性中等；大于72，表示發(fā)生林火造成危險的可能性最大。造成這一差異的原因主要在于各個林業(yè)局的土地面積不同以及灌木林地、未成林造林地和各林地面積之和的不同。根據(jù)國家對森林火險等級評價有關(guān)規(guī)定取3項綜合得分值中的1項對應(yīng)火險等級最高的，作為各林業(yè)局及管護局最終的森林火險等級。

圖 5 內(nèi)蒙古大興安嶺各林業(yè)局及管護局3項綜合得分值Fig.5 Three comprehensive scores of each forestry bureau and management bureau in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

3.1.4 森林火險等級

根據(jù)行業(yè)標準得出森林火險等級,進而完成火險區(qū)劃。火險等級Ⅱ級是森林火災(zāi)危險性中，易燃、易蔓延，以橙色表征；火險等級Ⅰ級是森林火災(zāi)危險性高，表現(xiàn)為極易燃燒及蔓延，以紅色表征。由圖6可知，伊圖里河的火險等級屬于Ⅱ級，其他地區(qū)火災(zāi)危險等級屬于Ⅰ級（相應(yīng)權(quán)值見圖6）。

3.2 森林火災(zāi)危險性分析

由圖7知，分類數(shù)值對應(yīng)5的時候，符合聚類要求。由聚類分析結(jié)果（圖8）可將此地區(qū)的火災(zāi)危險性分為5類，金河火災(zāi)危險性最高，為聚類1；綽源、得爾布爾火災(zāi)危險性次之為聚類2；甘河、阿龍山、克一河、吉文、北大河、圖里河、滿歸、阿爾山、庫都爾、綽爾、伊圖里河、阿里河火災(zāi)危險性高為聚類3；根河、莫爾道嘎、畢拉河、烏爾旗漢火災(zāi)危險性較低為聚類4；大楊樹、管護局火災(zāi)危險性最低為聚類5。

圖 6 內(nèi)蒙古大興安嶺火險等級Fig.6 Fire risk rating of Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

圖 7 聚合系數(shù)隨分類數(shù)變化曲線Fig.7 Cluster coefficient curve with the change of number of classifications

由聚類結(jié)果得到內(nèi)蒙古大興安嶺各行政區(qū)劃森林火災(zāi)危險性分布（圖9）。對各林業(yè)局原始數(shù)據(jù)和區(qū)域概況進行分析可得，聚類1和2的區(qū)別主要是活立木總蓄積量差異過大，而聚類1與3的不同集中體現(xiàn)于2個聚類的活立木蓄積量及防火期平均風(fēng)速相差較大，聚類1與4的不同集中體現(xiàn)于防火期平均氣溫、防火期平均風(fēng)速、活立木蓄積量不同，聚類1和5的主要區(qū)別是人口密度不同，聚類2和3的區(qū)別主要是防火期平均氣溫、防火期平均風(fēng)速不同，聚類2和4是由于防火期平均降水量存在差異，聚類2與5的不同集中體現(xiàn)于人口分布的密集度、防火期的溫度均值、路網(wǎng)密度相差較多，聚類3和4的不同是由于防火期平均氣溫、路網(wǎng)密度不同，聚類3和5的不同是由于人口密度、防火期平均氣溫、路網(wǎng)密度之間有差異，聚類4和5的不同主要是因為人口密度、防火期平均氣溫和有林地、灌木林地、未成林造林地面積的差異過大。

圖 8 聚類分析圖Fig.8 Cluster analysis

圖 9 內(nèi)蒙古大興安嶺森林火險危險性Fig.9 Forest fire risk rating in Daxing'an Mountains,Inner Mongolia

4 結(jié)論與討論

本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)為研究對象，利用森林火險等級評價及聚類分析2種方法，對該地區(qū)進行森林火險等級評價并完成火險區(qū)劃，結(jié)論如下：

1）由行業(yè)標準的相關(guān)判別依據(jù)，內(nèi)蒙古大興安嶺森林火險等級結(jié)果評價為：伊圖里河的森林火險等級為Ⅱ級，其他地區(qū)的火險等級是Ⅰ級。

2）以內(nèi)蒙古大興安嶺的森林火險等級評價將該地分類為2個火險區(qū)：伊圖里河是中等火險區(qū)（占總面積3.97%），而其他地區(qū)為高等火險區(qū)（占總面積96.03%）。

3）按照聚類分析結(jié)果，把內(nèi)蒙古大興安嶺分成5個火災(zāi)危險性不同的區(qū)域：金河火災(zāi)危險性最高（占總面積6.04%）；綽源、得爾布爾火災(zāi)危險性較高（占總面積5.49%）；甘河、阿龍山、克一河、吉文、北大河、圖里河、滿歸、阿爾山、庫都爾、綽爾、伊圖里河、阿里河火災(zāi)危險性高（占總面積46.77%）；根河、莫爾道嘎、畢拉河、烏爾旗漢火災(zāi)危險性較低（占總面積22.97%）；大楊樹、管護局火災(zāi)危險性低（占總面積18.73%）。

森林火險等級的劃分，要考慮人為因素給其造成的影響，包括森林火險等級公式的表現(xiàn)方式、防火期強燃級天數(shù)的確定等[27]。雖然森林火險等級能較細致清晰地描述該日森林火災(zāi)發(fā)生可能性，但造成森林火災(zāi)發(fā)生因素還主要取決于火源的相關(guān)情況以及林內(nèi)可燃物的分布狀況；通過對已有的森林火災(zāi)相關(guān)狀況及數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以根據(jù)歸類不同來進行森林火險等級劃分，并根據(jù)已有案例來驗證劃分的準確性，盡管與實際情況有著一定差異，但其所得的林火可能發(fā)生的概率，仍有較大的參考價值。另外針對此類情況，建議相關(guān)部門可以構(gòu)建氣象信息共享系統(tǒng)（CIMISS）[28]，進而同森林火災(zāi)數(shù)據(jù)庫相互聯(lián)系并使其能夠及時得到數(shù)據(jù)更新，實現(xiàn)更為精確預(yù)警森林火災(zāi)的目的，從而更好的劃分森林火險等級[27]。

本研究基于內(nèi)蒙古大興安嶺各行政區(qū)樹種燃燒類別、人口密度、路網(wǎng)密度、防火期月平均降水量、氣溫、以及風(fēng)速等6項火險因子數(shù)據(jù)，經(jīng)過森林火險等級評價方法和聚類分析方法將該地區(qū)劃分為2個火險等級、5個火險區(qū)。本研究結(jié)論的得出，有助于內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)有針對性的加大對防火基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，也使得處于高火險區(qū)的林業(yè)局更加關(guān)注森林防火與林火發(fā)生的火源管控、搶險救援團隊的培養(yǎng)、相關(guān)護林科技新設(shè)備的研究和使用等角度更加全面地、有針對性地進行管控，努力實現(xiàn)森林防火由被動撲火向主動預(yù)防的轉(zhuǎn)變[29]。