賈 旭,高 永**,齊呼格金,魏寶成,崔向新,蒙仲舉,唐國棟

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古林業(yè)廳防火指揮辦公室 呼和浩特 010020;3.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 蘭州 730000)

基于MODIS數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古野火時(shí)空變化特征*

賈 旭1,高 永1**,齊呼格金2,魏寶成3,崔向新1,蒙仲舉1,唐國棟1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古林業(yè)廳防火指揮辦公室 呼和浩特 010020;3.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 蘭州 730000)

野火是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾因子,影響生態(tài)系統(tǒng)的演替和更新。研究基于MCD45A1火燒跡地和MCD12Q1土地利用數(shù)據(jù),提取2002—2014年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)、土地利用類型的過火面積及火點(diǎn)分布,分析該區(qū)域野火的時(shí)空分布格局,同時(shí)結(jié)合降水?dāng)?shù)據(jù),探討野火年際變化對降水的響應(yīng)特性。結(jié)果表明:1)2002—2014年內(nèi)蒙古野火火點(diǎn)空間分布格局表現(xiàn)為由東北向西南逐漸減少,高密度火點(diǎn)主要分布在中蒙邊境區(qū)域、森林-草原區(qū)以及平原典型農(nóng)耕區(qū)。2)內(nèi)蒙古野火過火面積2003年最大,2006年次之,2010年最小,分析表明過火面積的年際變動(dòng)與火災(zāi)高發(fā)月降水異常有關(guān)。過火面積的季節(jié)變化表現(xiàn)為春秋多,冬夏少,尤其是3月、4月、5月和9月災(zāi)情嚴(yán)重。在7大生態(tài)分區(qū)中,90%的過火面積集中在興安嶺山地丘陵區(qū)、呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)和錫林郭勒高平原區(qū),過火面積占比分別為52%、28%和10%。3)野火干擾最嚴(yán)重的土地利用類型為草地,火點(diǎn)主要集中分布于草甸草原和典型草原,其次為農(nóng)業(yè)用地和林地,對其他類型干擾程度最小。充分認(rèn)識野火時(shí)空分布格局有利于深入了解其發(fā)生規(guī)律,為區(qū)域火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

野火;時(shí)空分布;MODIS;內(nèi)蒙古;生態(tài)分區(qū);土地利用

野火是指一切發(fā)生在自然生態(tài)系統(tǒng)中的火[1],它主要通過自然與人為因素共同作用來干擾植物群落結(jié)構(gòu)、動(dòng)物生存繁殖。野火在燃燒的過程中不僅能夠改變土壤化學(xué)性質(zhì),還會(huì)影響大氣中溫室氣體和氣溶膠的含量。溫室氣體尤其是CO2濃度升高易導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉,樹冠蒸發(fā)減弱。氣溶膠的增加,則會(huì)減少抵達(dá)地表的大氣輻射量,地球表層接收的太陽光線因此減弱,其中黑炭氣溶膠的增加,還會(huì)導(dǎo)致太陽光對黑炭的加熱作用加劇,減少天空中的云量,從而減少降雨[2]。目前影響火災(zāi)發(fā)生的因素主要有持續(xù)高溫、雷電大風(fēng)以及人為擾動(dòng)等,具體表現(xiàn)在持續(xù)高溫使得表層土壤濕度和植物體內(nèi)含水量迅速減少,地表可燃物不斷積累,為火災(zāi)發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ);雷電是誘發(fā)森林火災(zāi)的重要自然因子;大風(fēng)可引發(fā)火災(zāi)方向、速度的突變;人為因素主要體現(xiàn)在土地利用與管理方式、路網(wǎng)密度、放牧強(qiáng)度及景觀破碎度等方面。

最初人們對火災(zāi)的時(shí)空分布規(guī)律多利用火災(zāi)歷史記錄數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析[3-5]。Seol等[6]基于1991—2005年韓國火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、過火面積數(shù)據(jù),利用聚類分析和主成分分析探究森林火災(zāi)季節(jié)變化特征。王明玉等[7]利用美國加利福尼亞州及中國黑龍江省的林火統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),計(jì)算每年火場質(zhì)心的經(jīng)緯度,結(jié)合波譜分析探討了林火質(zhì)心隨時(shí)間的波動(dòng)現(xiàn)象。蘇立娟等[8]根據(jù)年鑒數(shù)據(jù),借助聚類分析、主成分分析及信息擴(kuò)散理論探討中國1950— 2010年森林火災(zāi)時(shí)空分布格局及風(fēng)險(xiǎn)狀況。隨著遙感技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,特別是具有高空間、時(shí)間分辨率傳感器的成功發(fā)射,使得眾多學(xué)者將目光從火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向利用多種遙感數(shù)據(jù)來源對火災(zāi)長時(shí)間序列的監(jiān)測。目前對于火災(zāi)的遙感監(jiān)測手段較多,主要包括環(huán)境衛(wèi)星[9-10]、MODIS[11-13]及 NOAA 系列[14-15]等不同監(jiān)測目的的遙感數(shù)據(jù)。Arag?o等[16-17]利用NOAA-12數(shù)據(jù)集提取巴西亞馬遜流域的火燒跡地,分析降水量、森林砍伐對火災(zāi)的響應(yīng)特征。Araújo等[18]利用MCD45A1及TRMM降雨數(shù)據(jù)集,探討巴西不同生態(tài)分區(qū)上的過火面積時(shí)空分布格局及影響因子,認(rèn)為拉尼娜現(xiàn)象引發(fā)的降水異常是巴西野火過火面積年際動(dòng)態(tài)變化的主要原因。何誠等[19]基于MOD14A1火點(diǎn)及MCD45A1火燒跡地?cái)?shù)據(jù),探究黑龍江省森林火險(xiǎn)的空間分布規(guī)律。鄧歐等[20]采用MCD45A1數(shù)據(jù),結(jié)合氣候因子、地物類型、地形因子及人類活動(dòng)等森林火險(xiǎn)影響因子,建立基于空間Logistic的黑龍江省林火風(fēng)險(xiǎn)模型與火險(xiǎn)區(qū)劃。

內(nèi)蒙古位于中國北部邊疆,是我國北方重要的天然生態(tài)屏障。該區(qū)域森林、草地覆蓋面積大、分布連續(xù),易燃物儲量多,火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)高。但對于該區(qū)域的野火分布格局及其在自然生態(tài)系統(tǒng)中的作用研究較少。因此,本文基于MCD45A1火燒跡地和MCD12Q1土地利用數(shù)據(jù),提取 2002—2014年內(nèi)蒙古七大生態(tài)分區(qū)及不同土地利用類型的過火面積及火點(diǎn)分布,分析了內(nèi)蒙古野火的時(shí)空分布特征,為該區(qū)域火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測、重點(diǎn)防治及防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處中國北部邊疆,介于37°24′～53°23′N,97°12′～126°04′E。北部與蒙古國接壤,東部與黑龍江、吉林毗鄰,西部為甘肅,南部為寧夏、山西、陜西、河北、遼寧。全區(qū)土地總面積為118.3萬km2,其中東西直線距離2 400 km,南北跨度1 700 km,總?cè)丝? 498萬。地貌類型以高平原為主,地勢西高東低,海拔高度900～1300 m。氣候類型屬典型的溫帶大陸性氣候,冬季寒冷漫長、夏季炎熱干燥。年降水量50～ 450 mm,降水區(qū)域分布不均勻,東部多西部少,且降水主要集中在夏季。根據(jù)第7次森林資源清查結(jié)果顯示,內(nèi)蒙古林地面積為4389.89萬hm2,其中森林面積為2 487.90 hm2,位居全國首位。植被覆蓋類型由東北向西南依次為森林→森林草原→草甸草原→典型草原→荒漠草原→草原化荒漠,森林植被主要分布在大興安嶺、陰山山脈、賀蘭山等山區(qū),主要樹種有落葉松(Larix gmelinii)、云杉(Picea asperata)、樟子松(Pinus sylvestris)、白樺(Betula platyphylla)、山楊(Populus davidiana)、蒙古櫟(Quercus mongolica)、榆樹(Ulmus pumila)等。

1.2 數(shù)據(jù)源

選取搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星上由MODIS傳感器獲取的 2002—2014年覆蓋整個(gè)內(nèi)蒙古的MCD45A1(a monthly Level-3 gridded 500 meter fire burned area product)火燒跡地產(chǎn)品數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品由NASA網(wǎng)站提供(http://ladsweb.nascom.nasa.gov),數(shù)據(jù)格式為HDF,投影類型為Sinusoidal,整個(gè)研究區(qū)由7景影像覆蓋,用來提取過火像元和著火日期信息。

采用 Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù),可由美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey,USGS)網(wǎng)站下載(http://glovis.usgs.gov)。Landsat數(shù)據(jù)投影類型為UTM投影,帶號為48,橢球體基準(zhǔn)為WGS-84。對Landsat數(shù)據(jù)目視解譯提取3場草原火災(zāi)和1場森林火災(zāi)的過火面積,驗(yàn)證由MCD45A1火燒跡地產(chǎn)品提取的過火面積,具體的火場及驗(yàn)證影像信息見表1。

表1 單場火火場及驗(yàn)證影像信息Table1 Verification information of fire and landsat images

2005年內(nèi)蒙古土地利用數(shù)據(jù)采自搭載于 Terra和Aqua衛(wèi)星上的MCD12Q1(Land Cover Type Yearly L3 Global 500 m SIN Grid)產(chǎn)品數(shù)據(jù),同時(shí)采用國際地圈生物圈計(jì)劃(International Geosphere Biosphere Programme,IGBP)的土地覆蓋分類體系。根據(jù)本文的研究目的,將IGBP計(jì)劃中的19大地類合并為林地、草地、農(nóng)業(yè)用地及其他類型4類。

內(nèi)蒙古生態(tài)分區(qū)采用《中國草地資源區(qū)劃圖》中的分區(qū)方法[21],將內(nèi)蒙古劃分為興安嶺山地丘陵區(qū)、阿拉善高平原區(qū)、烏蘭察布高平原區(qū)、呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)、遼河平原沙地區(qū)、錫林郭勒高平原區(qū)、鄂爾多斯高平原區(qū)七大生態(tài)區(qū)(圖1)。

圖1 內(nèi)蒙古七大生態(tài)分區(qū)分布Fig.1 Spatial distribution of seven ecological regions in the Inner Mongolia

在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)下載2002—2012年內(nèi)蒙古 48個(gè)氣象站點(diǎn)的月降水量數(shù)據(jù),探究野火年際變化對降水的響應(yīng)特性。

1.3 研究方法

利用 MRT轉(zhuǎn)換工具做批量圖幅拼接及投影轉(zhuǎn)換,將原有的 Sinusoidal投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為適合中國地區(qū)的蘭伯特投影。利用 ENVI/IDL軟件進(jìn)行裁剪并提取MCD45A1中burntdata.HDF數(shù)據(jù)。Burntdata包含過火像元及著火日期,其中著火日期采用儒略日表示,著火像元各屬性值對應(yīng)內(nèi)容如表 2所示。將過火像元與內(nèi)蒙古生態(tài)分區(qū)及土地利用類型圖疊加,提取2002—2014年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)和土地利用類型的過火像元。

表2 MCD45A1數(shù)據(jù)集屬性值含義Table 2 Specific contents of MCD45A1 database

采用降水量異常值來分析野火年際變化對降水的影響。降水異常值的計(jì)算采用Armenteras-Pascual等[22]的方法,其計(jì)算公式如下:

式中:i為年份,A為降水量異常值;PPTi為第i年火災(zāi)高發(fā)月(3月、4月、5月、9月)的降水量,為2002—2012年降水平均值,SD為降水量標(biāo)準(zhǔn)差。如果A為正值,則表示該年火災(zāi)高發(fā)月的降水量高于多年平均值;A為負(fù)值,則表示該年火災(zāi)高發(fā)月的降水量低于多年平均值。計(jì)算過程為:首先計(jì)算每個(gè)像元上的火災(zāi)高發(fā)月總降水量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差,然后獲得每個(gè)生態(tài)分區(qū)降水異常值的平均值,從而得到2002—2012年內(nèi)蒙古七大生態(tài)分區(qū)的降水異常值。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

由Landsat數(shù)據(jù)和MCD45A1火產(chǎn)品提取的3次草原火災(zāi)和1次森林火災(zāi)的過火面積分別為244 km2、37 km2、184 km2、342 km2和222 km2、32 km2、146 km2、266 km2,其誤差率為 9%、14%、21%和 22%。MCD45A1火產(chǎn)品提取的過火面積與 TM影像提取的單場火過火面積接近。因此,MCD45A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以作為大范圍火災(zāi)災(zāi)情監(jiān)測的重要手段。同時(shí),MCD45A1數(shù)據(jù)集對草原火災(zāi)的監(jiān)測精度高于森林火災(zāi)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是:①林地發(fā)生地表火時(shí),上層植被的遮擋導(dǎo)致傳感器難以探測到地表火的發(fā)生。②林地內(nèi)空氣流通不暢,著火時(shí)產(chǎn)生的煙霧很難快速擴(kuò)散,從而影響傳感器對過火跡地的監(jiān)測精度[18]。

2.2 內(nèi)蒙古野火時(shí)空分布

2.2.1 空間分布特征

圖 2表明,野火火點(diǎn)總的空間分布格局表現(xiàn)為由東北向西南逐漸減少,局部地區(qū)火點(diǎn)較為密集,高密度火點(diǎn)主要分布在以下3個(gè)區(qū)域:①中蒙邊境區(qū)域:自錫林郭勒盟阿巴嘎旗北部起,沿中蒙邊境線向東橫穿錫林郭勒草原,一直延伸至呼倫貝爾草原東南端;自呼倫貝爾草原西部起,向東北方向延伸至額爾古納河流域區(qū)域。②森林—草原區(qū)域:主要分布在大興安嶺寒溫帶/溫帶針葉/闊葉林、大興安嶺西麓森林向呼倫貝爾草原過渡的森林—草原區(qū)以及錫林郭勒東部典型草原區(qū)。③平原典型農(nóng)耕區(qū)域:主要分布在大興安嶺東側(cè)的嫩江西岸平原、松嫩平原西緣及河套—土默川平原的典型農(nóng)耕區(qū)。

圖2 2002—2014年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)野火火點(diǎn)空間分布Fig.2 Distribution of wildfire hotspots in Inner Mongolia from 2002 to 2014

2.2.2 時(shí)間分布特征

圖3表明,2003年內(nèi)蒙古野火過火總面積為1.46萬km2,是整個(gè)研究時(shí)段過火面積最大的年份。2014年、2006年次之,其過火面積分別為0.58萬km2、0.55萬km2。2010年野火過火面積為0.08萬km2,是整個(gè)研究時(shí)段火災(zāi)災(zāi)情最輕的年份。內(nèi)蒙古 90%的野火過火面積集中于興安嶺山地丘陵區(qū)、呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)、錫林郭勒高平原區(qū),過火面積分別占整個(gè)區(qū)域過火面積的 52%、28%、10%,其余 4個(gè)生態(tài)區(qū)的野火過火面積均小于 5%。野火過火面積年際波動(dòng)明顯的生態(tài)區(qū)主要分布在興安嶺山地丘陵區(qū)、呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)及錫林郭勒高平原區(qū),且興安嶺山地丘陵區(qū)與呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)野火過火面積的變化趨勢基本一致,尤其是 2003年和 2006年,上述兩個(gè)生態(tài)區(qū)的過火面積之和占研究時(shí)段總過火面積的34%和11%,其余年份均小于7%。錫林郭勒高平原區(qū)在2003年和2006年過火面積變動(dòng)不大。其余4個(gè)生態(tài)區(qū)過火面積年際波動(dòng)不明顯。

圖3 2002—2014年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)野火過火面積的年際變化特征Fig.3 Annual variation of burned area over seven ecological regions in Inner Mongolia from 2002 to 2014

氣候變化是影響火災(zāi)強(qiáng)度和蔓延速度的重要因素[23-24]。圖 4顯示2002—2012年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)的降水異常值。興安嶺山地丘陵區(qū)與呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)的降水異常值變化趨勢基本一致,這兩個(gè)生態(tài)區(qū)在2003年、2006年的降水量均低于前一年及 2002—2012年的多年平均降水量。興安嶺山地丘陵區(qū)在2003年降水量比2002年少2 mm,低于平均值1.02 mm。2006年降水量比2005年少64 mm,低于平均值1.53 mm,是降水最異常的年份。呼倫貝爾高平原區(qū)在2003年降水量比2002年少16 mm,低于平均值1.06 mm。2006年降水量比2005年少43 mm,低于平均值0.81 mm。2010年,是內(nèi)蒙古地區(qū)降水最充沛的一年,7大生態(tài)區(qū)的降水量均高于2009年降水量及多年平均降水量。降水異常值可很好地解釋內(nèi)蒙古野火過火面積的年際異常。值得注意的是,興安嶺山地丘陵區(qū) 2006年降水量異常值大于2003年的降水量異常值,但2006年過火面積卻小于 2003年的過火面積,這與人口素質(zhì)提升、居民防火意識增強(qiáng)、營林管理及滅火技術(shù)的提高有關(guān)。

圖4 2002—2012年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)的降水異常值分布Fig.4 Precipitation anomalies over seven ecological regions in Inner Mongolia from 2002 to 2012

圖5 2002—2014年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)的野火過火面積月際變化特征Fig.5 Inter-monthly variation of burned area over seven ecological regions in Inner Mongolia from 2002 to 2014

過火面積季節(jié)變化。圖5顯示了2002—2014年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)野火過火面積季節(jié)變化特征?；馂?zāi)具有明顯的季節(jié)性,秋季野火過火面積最大,為1.94萬km2;春季次之,過火面積為1.81萬km2;夏季較少,除非高溫、干旱,強(qiáng)對流活動(dòng)引發(fā)雷電,導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。冬季幾乎不發(fā)生火災(zāi)。人為干擾是野火發(fā)生的重要原因,其中吸煙、機(jī)動(dòng)車失火、燒荒、上墳燒紙是最常見的人為火源[25]。內(nèi)蒙古春季干燥少雨、大風(fēng)頻發(fā),尤其是返青期之前,植物體內(nèi)含水量小、枯草量大,導(dǎo)致高火險(xiǎn)天數(shù)急劇增多。隨著人民生活水平的提高及林區(qū)旅游的發(fā)展,城市周邊地區(qū)外出旅行的人數(shù)增加,生產(chǎn)建設(shè)性活動(dòng)頻繁,再加上清明前后上墳燒紙的人群增加,使得內(nèi)蒙古地區(qū)春季火災(zāi)隱患大。6月開始,降雨增加,可燃物濕度大,起火的可能性減小。進(jìn)入秋季后,降水量急劇下降,空氣相對溫度不斷升高。植被生長期結(jié)束,開始逐漸萎蔫干枯,地表積累大量枯落物。有利的環(huán)境條件結(jié)合大量的可燃物質(zhì)(牧草、樹葉、枯萎的細(xì)樹枝等),一旦起火,火勢易快速蔓延擴(kuò)大,這也是9月份野火燃燒劇烈的原因。

2.2.3 不同土地利用類型的野火分布

通過提取2002—2014年內(nèi)蒙古4種主要土地利用類型的過火面積,可知草地是受火災(zāi)干擾最嚴(yán)重的土地利用類型,其過火面積為 2.18萬 km2,占總過火面積的 48%;其次為農(nóng)業(yè)用地和林地,過火面積分別為1.29萬km2、0.98萬km2,占總過火面積的29%、22%,其他類型僅占1%。進(jìn)一步對草地火點(diǎn)空間分布分析得出,不同草地類型的火點(diǎn)具有明顯的空間分布規(guī)律,火點(diǎn)主要集中在草甸草原與典型草原,荒漠草原分布較少。草甸草原植被生長良好,生物量豐富,隨著干旱季節(jié)的來臨,表層土壤濕度和植被體內(nèi)含水量逐漸降低,地面可燃物大量積累,極易引發(fā)火災(zāi)。典型草原植被生長相對較緩,地上生物量積累次于草甸草原。荒漠草原受土地荒漠化的影響,地表植被零散分布,缺乏火災(zāi)發(fā)生、蔓延的物質(zhì)基礎(chǔ)。

烏蘭察布高平原區(qū)、錫林郭勒高平原區(qū)、鄂爾多斯高平原區(qū)的草地過火面積相對較大(圖 6c、圖6f、圖6g)。以錫林郭勒高平原區(qū)為例,該區(qū)域的生產(chǎn)活動(dòng)主要以天然植被及人工植被上的放牧行為為主。野火的強(qiáng)度及蔓延速度主要受氣候條件的影響,而火災(zāi)發(fā)生則多由人為火源引起,其中草地管理方式是草地火災(zāi)發(fā)生的重要原因。當(dāng)?shù)啬撩癯３Ｍㄟ^一定數(shù)量的人為火,利用燒荒后產(chǎn)生的入侵種及植被二次生長達(dá)到修復(fù)草地的目的。

興安嶺山地丘陵區(qū)東側(cè)的嫩江西岸平原和烏蘭察布高平原區(qū)、鄂爾多斯高平原區(qū)及錫林郭勒高平原區(qū)三大生態(tài)區(qū)交界處的河套平原以及松嫩平原的西緣是內(nèi)蒙古主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),農(nóng)業(yè)用地上的密集火點(diǎn)與頻繁的燒荒活動(dòng)有關(guān),每年秋末春初是農(nóng)民燒荒的高峰期,也是火災(zāi)發(fā)生的高危期。本文提取的農(nóng)業(yè)用地上的過火面積與統(tǒng)計(jì)資料的記錄并不完全一致,造成這種現(xiàn)象的原因可能為:①農(nóng)田較破碎,起火后蔓延的幾率相對較小,單場火火燒跡地的面積如果小于MCD45A1產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分辨率即<0.25 km2,則該類野火不能被探測到。②受云、氣溶膠(光學(xué)厚度大)等的影響,尤其是秋季收獲的季節(jié),多云天氣較多,傳感器誤判的可能性增大[26]。

由圖6a、圖6d可以看出,興安嶺山地丘陵區(qū)與呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)在不同土地利用下的野火過火面積變化趨勢相近。林地過火面積的年際波動(dòng)主要體現(xiàn)這兩個(gè)生態(tài)區(qū),該地分布著內(nèi)蒙古最大的林區(qū),即大興安嶺林區(qū)。

遼河平原沙地區(qū)東部以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,西部以草地為主。近些年,該生態(tài)區(qū)呈草地面積減少、耕地面積不斷增加的趨勢。耕地上的過火面積也隨著耕地面積的增加而隨之增大(圖 6e)。阿拉善高平原區(qū)的土地利用類型多為荒漠戈壁,因此,火災(zāi)主要發(fā)生在其他類型區(qū)(圖6b)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

比較MODIS和TM數(shù)據(jù)對單場火的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)對于同一場火兩種不同數(shù)據(jù)源提取的過火面積存在一定差異。產(chǎn)生這種差異的原因可能為TM影像目視解譯提取的過火面積對于只要產(chǎn)生火燒跡地的區(qū)域均歸為過火面積,而MODIS產(chǎn)品提取過火面積時(shí)使用的火算法,可能對火場邊緣火燒強(qiáng)度較小的區(qū)域進(jìn)行了誤判,導(dǎo)致過低的估計(jì)了過火面積。但MODIS提取4場火災(zāi)的過火面積與TM影像目視解譯提取的過火面積產(chǎn)生的誤差率均小于30%,達(dá)到了預(yù)期效果。因此,MODIS產(chǎn)品可以很好地用來進(jìn)行火災(zāi)的大尺度研究。同時(shí),周小成等[27]研究結(jié)果表明 MODIS產(chǎn)品所采用的火算法在中國具有良好的適用性。

為了統(tǒng)計(jì)的方便,很多學(xué)者在探究火災(zāi)的時(shí)空分布特征時(shí),采用省、市、縣等行政單位為基本統(tǒng)計(jì)單元[3,8,26]。本文將內(nèi)蒙古劃分為七大生態(tài)分區(qū),從自然地理區(qū)劃的角度分析了火災(zāi)的分布特征,符合火災(zāi)發(fā)生的自然屬性。田曉瑞等[28]對中國進(jìn)行生態(tài)地理區(qū)劃分,進(jìn)一步明確不同分區(qū)上的火險(xiǎn)期。本文側(cè)重于從時(shí)間和空間兩個(gè)角度來分析火點(diǎn)位置和過火面積在不同生態(tài)分區(qū)上的分布,從而為后期火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)管理奠定基礎(chǔ)。

由于MODIS數(shù)據(jù)僅可以提取火災(zāi)時(shí)間、火場位置和過火面積信息,因此在探究內(nèi)蒙古野火的時(shí)空變化特征時(shí),僅考慮過火面積和火點(diǎn)位置的分布特征,并未涉及火災(zāi)次數(shù)和火燒強(qiáng)度等。

圖6 2002—2014年內(nèi)蒙古七大生態(tài)分區(qū)不同土地利用類型的過火面積分布Fig.6 Distribution of burned areas according to the major land cover classes in seven ecological regions in Inner Mongolia from 2002 to 2014

野火是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象,與環(huán)境因子有著密切關(guān)系。本文在分析內(nèi)蒙古野火時(shí)間變化特征時(shí),發(fā)現(xiàn)降水量異常值能很好地解釋過火面積異常年的出現(xiàn)。但對于氣溫、地表植被狀況、地形條件等環(huán)境因子對野火的發(fā)生與蔓延作用機(jī)理并不清楚,同時(shí)由于本研究的時(shí)間尺度為2002—2014年,研究時(shí)段較短,不能很好地分析火災(zāi)的發(fā)生周期等問題,在后續(xù)工作中需進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

火災(zāi)是影響生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要因素,目前利用遙感技術(shù)手段已實(shí)現(xiàn)了對全球地表火災(zāi)的監(jiān)測。MODIS產(chǎn)品因其對過火跡地信息的準(zhǔn)確提取而成為火災(zāi)監(jiān)測的重要手段。本文基于MCD45A1火燒跡地、MCD12Q1土地利用數(shù)據(jù),提取 2002—2014年內(nèi)蒙古不同生態(tài)分區(qū)及土地利用類型的過火面積及火點(diǎn)分布來分析該區(qū)域野火的時(shí)空分布格局,同時(shí)結(jié)合氣象站降水?dāng)?shù)據(jù),探討野火年際變化對降水的響應(yīng)特性,得出以下結(jié)論:

1)2002—2014年內(nèi)蒙古野火火點(diǎn)空間分布格局表現(xiàn)為由東北向西南逐漸減少,局部地區(qū)火點(diǎn)較為密集,高密度火點(diǎn)主要分布在中蒙邊境區(qū)域、森林-草原區(qū)以及平原典型農(nóng)耕區(qū)。

2)通過提取內(nèi)蒙古2002—2014年過火面積看到,內(nèi)蒙古野火過火面積 2003年最大,2006年次之,2010年最小。分析表明過火面積的年際變動(dòng)與火災(zāi)高發(fā)月降水異常有關(guān),過火面積異常的年份其降水量均低(高)于前一年的降水量及多年平均降水量。過火面積的季節(jié)變化表現(xiàn)為春秋多,冬夏少,尤其是3月、4月、5月、9月災(zāi)情嚴(yán)重。在劃分的七大生態(tài)分區(qū)中,90%的過火面積集中在興安嶺山地丘陵區(qū)、呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)和錫林郭勒高平原區(qū),過火面積占比分別為52%、28%和10%。

3)草地是2002—2014年內(nèi)蒙古地區(qū)受野火干擾最嚴(yán)重的土地利用類型,其次為農(nóng)業(yè)用地和林地,其他類型受野火干擾程度最小。不同草地類型的火點(diǎn)具有明顯的空間分布規(guī)律,主要集中在草甸草原和典型草原,荒漠草原較少。以燒荒為主的草地管理方式是草原火災(zāi)發(fā)生的重要原因,而秋末春初的農(nóng)民燒荒導(dǎo)致了嫩江西岸平原、河套平原及松嫩平原西緣等典型農(nóng)耕區(qū)的野火火點(diǎn)密集分布。興安嶺山地丘陵區(qū)與呼倫貝爾高平原丘陵區(qū)的野火過火面積變化趨勢相近,其中林地過火面積的年際波動(dòng)主要體現(xiàn)在這兩個(gè)生態(tài)區(qū)。

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MODIS-based spatio-temporal distribution of wildfire in Inner Mongolia*

JIA Xu1,GAO Yong1**,QI Hugejin2,WEI Baocheng3,CUI Xiangxin1,MENG Zhongju1,TANG Guodong1
(1.College of Desert Science and Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China;2.Fir Control Office of Forestry Administration in Inner Mongolia,Hohhot 010020,China;3.College of Earth Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

Wildfire is a key disturbance factor in terrestrial ecosystems that greatly influences not only ecosystem patterns and processes,but also maintaining of diversity,productivity and nutrient cycling throughout global ecosystems.Fire is the result of interaction between natural and anthropogenic factors.The determination of the spatial and temporal distribution characteristics of the fire regimes is critical for predicting the response of fire to climate change and designing strategic fire management plans.Inner Mongolia is an ideal area for studying the distribution patterns of wildfire because of its strategic location,high ecological value and severe wildfire hazards.Inner Mongolia endures severe wildfires,and the area burned by fire in the province is one of the highest among all the provinces in China.Here,we analyzed the spatial and temporal distribution patterns of burned areas and fire spots in Inner Mongolia using MCD45A1 burned areas (a monthly Level-3 gridded 500 meter fire burned area product) and MCD12Q1 (Land Cover Type Yearly L3 Global 500 m SIN Grid) land usedata for the period 2002–2014.Through the integration of precipitation data,the impact of precipitation on the characteristics of annual variations in wildfire was investigated.The results showed that:1) the spatial distribution of fire spots gradually decreased from northeast to southwest and the high density areas were mainly distributed in the border region between China and Mongolia,the forest-grassland belt and typical arable zones.2) The largest wildfire area in Inner Mongolia was in 2003,followed by 2006,and the smallest was in 2010.Analysis showed that the interannual change of burning area was closely linked to fire high-risk monthly precipitation anomaly.The happening of fire showed seasonal variations,which autumn and spring was high-incidence season,especially the months of March,April,May and September.The fire-burned areas in Xing’anling mountainous and hilly region,Hulunbuir plateau and hilly region,and Xilingol Plateau accounted for 90% of the total burned areas in the seven ecological zones of Inner Mongolia,with area ratios of 52%,28% and10%,respectively.3) The fire-burned areas ranked from large to small was in the sequence of pasture land,agriculture land,woodland and other land use types in the study area.Fire spots were mainly distributed in meadow steppe and typical steppe zones.A large proportion of the fire enhanced recovery of old pastures overtaken by invasive species and secondary growth.This form of pasture management in Inner Mongolia was an important cause of wildfires in pasture lands.The practice of burning straw every spring and autumn also intensified the distribution of fire in typical arable lands,especially in the Nenjiangxian Plain,Hetao Plain and Songnen Plain.The fire-burned area in Xing’anling mountainous and hilly region and Hulunbuir plateau and hilly region had the same variation trend.The results were critically helpful in understanding the spatial and temporal patterns of wildfire and provided scientific basis for wildfire monitoring and alert system.

Wildfire;Spatial and temporal distribution;MODIS;Inner Mongolia;Ecological zone;Land use type

X43

:A

:1671-3990(2017)01-0127-09

10.13930/j.cnki.cjea.160577

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* 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)廳“森林災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及評估”項(xiàng)目資助

** 通訊作者:高永,研究方向?yàn)榛哪乐?。E-mail:13948815709@163.com

賈旭,研究方向?yàn)樽匀粸?zāi)害監(jiān)測與防治。E-mail:jx84711230@126.com

2016-06-29接受日期:2016-09-08

* Supported by the Program of Inner Mongolia Autonomous Region Forestry Administration “Risk Assessment and Division of Forest Disaster”

** Corresponding author,E-mail:13948815709@163.com

Received Jun.29,2016;accepted Sep.8,2016