基于家畜生產(chǎn)優(yōu)化管理模型的家庭牧場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展研究

哈 潔，李治國，韓國棟

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

我國是天然草地面積位居世界第三位的國家，約占國土面積的41.7%，僅次于澳大利亞和俄羅斯［1］。 我國天然草地復(fù)雜多樣且空間差異大，由于全球氣候時(shí)空格局的劇烈變化， 加之人為因素的頻繁干擾，草地面積的年際變化頻率增加［2］。 內(nèi)蒙古草地是我國連片面積最大的草原，位于干旱、半干旱地區(qū)的溫帶草地是歐亞草地的重要組成部分［3］。 我國是草地資源十分豐富的大國，但自20世紀(jì)后半期以來， 人口數(shù)量的與日俱增導(dǎo)致人均草地面積僅0.33 hm2，不足世界人均草地面積的一半，人類活動(dòng)對(duì)草地的影響日益廣泛而深刻［4］。 同時(shí)因人口數(shù)量的不斷增加， 帶動(dòng)了家畜數(shù)量的持續(xù)上漲。 牧戶認(rèn)為增加家畜數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)產(chǎn)值的增加，但高載畜率會(huì)帶來較高的成本投入，導(dǎo)致凈利潤降低［5-6］，同樣會(huì)使得草地資源和草地生態(tài)承載力問題更加突出， 不同程度地超載利用和經(jīng)營草場(chǎng)使得草畜問題日益嚴(yán)重， 人為破壞草地的現(xiàn)象屢禁不止，草原不堪重負(fù)，草原生態(tài)和草地退化持續(xù)惡化［7-8］。

草地畜牧業(yè)作為我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，既要滿足人們?nèi)找嬖鲩L的畜產(chǎn)品需求， 又要兼顧草地資源的長期利用， 保證草地的健康可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前面臨的主要問題。 任繼周等［9］提出草畜平衡是實(shí)現(xiàn)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提， 是一個(gè)系統(tǒng)問題， 需要從生產(chǎn)體系的角度提出配套系統(tǒng)的解決方案。 楊博等［10］提出以代謝能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)考慮牧草地植被組成、不同生長季節(jié)消化率及代謝能的動(dòng)態(tài)變化3 種因素， 提出了通過冷季補(bǔ)飼、暖棚舍飼和調(diào)整產(chǎn)羔時(shí)間實(shí)現(xiàn)草畜平衡。白永飛等［11］提出草地退化的主要原因是人們片面追求草地生產(chǎn)效率而忽略生態(tài)功能， 若想實(shí)現(xiàn)草地生態(tài)功能合理配置，必須遵從生態(tài)優(yōu)先、功能置換和因地制宜這幾條原則。 侯向陽［12］提出只有將生態(tài)與生產(chǎn)結(jié)合起來， 同時(shí)考慮雙方才是解決草地退化問題的可持續(xù)性和長久性方法， 任何偏袒某一方面的方法都不可能達(dá)到持續(xù)改善草原生態(tài)畜牧業(yè)狀況的目的。

實(shí)施草畜平衡工作， 涉及家畜生產(chǎn)能力和牧民的經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素［13］，不僅要按照以草定畜的基本原則，適當(dāng)減少家畜數(shù)量，降低草原承載壓力，還要保證農(nóng)牧民的收入，認(rèn)真貫徹以人為本和草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)理念， 以期為今后家庭牧場(chǎng)草地可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)打下重要基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市西北部四子王旗， 該旗地理坐標(biāo)為北緯41°10′～43°22′，東經(jīng)110°20′～113°00′。 總面積約256×104hm2，草地總面積為221×104hm2， 溫性荒漠草原面積為168×104hm2，溫性典型草原面積為12×104hm2，草地類型見圖1。 該旗年平均氣溫3.4 ℃，年平均降水量280 mm， 具有高原地區(qū)氣候條件下形成的干旱、降水量小于蒸發(fā)量、氣候干燥等特點(diǎn)。 冬季嚴(yán)寒漫長，多寒潮天氣；夏季炎熱短促，降水少而集中，日照充足；春秋兩季氣溫變化劇烈，干旱多風(fēng)，四季更替非常明顯。 主要土壤類型為淡栗鈣土、棕鈣土以及灰褐土，土壤含沙量大且疏松，若地表植被遭到破壞或大風(fēng)剝蝕， 極易造成水土流失。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該研究利用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的軟件——家畜生產(chǎn)優(yōu)化管理模型（OMMLP），于2017 年對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗的典型草原和荒漠草原兩種草地類型進(jìn)行大范圍等距離的系統(tǒng)抽樣調(diào)研，抽取牧戶， 以兩種不同草地類型的牧戶作為研究對(duì)象， 采用入戶走訪的形式對(duì)與牧戶有關(guān)的家畜生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀填寫調(diào)查問卷， 以不同草地類型面積的平均值和載畜率為模型模擬數(shù)據(jù)， 建立兩個(gè)典型牧戶作為分析對(duì)象， 典型牧戶代表當(dāng)?shù)啬翍魧?shí)際生產(chǎn)規(guī)模的平均生產(chǎn)效率和技術(shù)水平。 通過OMMLP 中的草畜平衡模型模擬兩個(gè)典型牧戶草畜能量平衡現(xiàn)狀；利用經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合草畜平衡模型模擬的研究結(jié)果， 通過優(yōu)化管理模型模擬不同載畜率水平下牧戶草畜供需現(xiàn)狀及牧場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)牧民收入和支出狀況。

圖1 四子王旗草地類型圖

1.3 模型介紹及原理

該研究使用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的軟件——家畜生產(chǎn)優(yōu)化管理模型（OMMLP）的草畜平衡模型（feed balance analyzer，F(xiàn)BA）和優(yōu)化管理模型（linear program optimizer，LPO），模型分別以代謝能和金額作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)研究區(qū)牧戶的基本信息、草地面積、家畜生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益、氣象因素等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行概括說明和整合分析。 利用草畜平衡模型可以計(jì)算得出試驗(yàn)地一年中草地和家畜的能量平衡狀態(tài)。利用優(yōu)化管理模型， 通過對(duì)家庭牧場(chǎng)經(jīng)濟(jì)各類條件的設(shè)置，可以得到該家庭牧場(chǎng)具體消耗的資源、產(chǎn)出、利潤等結(jié)果。以報(bào)表和曲線的形式描述該牧場(chǎng)的家畜現(xiàn)狀，可以達(dá)到預(yù)測(cè)的效果，最終得出該家庭牧場(chǎng)最優(yōu)的家畜生產(chǎn)模式， 實(shí)現(xiàn)在有限條件下的資源和環(huán)境的最優(yōu)化配置以及牧民經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1.4 數(shù)據(jù)來源

該研究以四子王旗的兩種不同草地類型的家庭牧場(chǎng)作為研究對(duì)象，通過問卷調(diào)查、綜合評(píng)定、實(shí)地監(jiān)測(cè)、取樣分析的方法，獲取模型所需變量數(shù)據(jù)，主要變量信息如下：

1.4.1 草地 天然草地（面積、植被組成、產(chǎn)量、利用時(shí)間和方式、牧草消化率）、人工草地（面積、種植種類、產(chǎn)量、利用時(shí)間和方式、牧草消化率）。

1.4.2 氣象 最高/低環(huán)境溫度、 月平均環(huán)境溫度、風(fēng)速、降水量。

1.4.3 家畜 品種、年齡結(jié)構(gòu)及數(shù)量、體重（母羊：產(chǎn)羔前體重、產(chǎn)羔后體重，羔羊：初生重、監(jiān)測(cè)月齡體重、出售前體重）、補(bǔ)飼量、產(chǎn)羔率、雙羔率、死亡率、產(chǎn)毛（絨）量。

1.4.4 補(bǔ)飼 開始補(bǔ)飼日、補(bǔ)飼結(jié)束日、補(bǔ)飼干物質(zhì)消化率、補(bǔ)飼費(fèi)用。

1.4.5 經(jīng)濟(jì) 羔羊出欄數(shù)量及價(jià)格、 母羊淘汰數(shù)量及價(jià)格、購買家畜數(shù)量及價(jià)格、羊毛（絨）出售數(shù)量和價(jià)格、補(bǔ)飼飼料購買量和價(jià)格、雇工、草地租用、燃油、機(jī)械、暖棚、圍欄等方面的花費(fèi)、人工草地花費(fèi)、其他收入與支出。

1.4.6 生產(chǎn)日歷 產(chǎn)羔時(shí)間、 斷奶時(shí)間、 剪毛時(shí)間、羔羊出欄時(shí)間、母畜出售時(shí)間、打草時(shí)間、配種時(shí)間、補(bǔ)飼時(shí)間。

2 結(jié)果

2.1 草地生長速率年動(dòng)態(tài)變化

對(duì)兩種草地類型的草地生長速率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)（見圖2），從圖2 可以看出，雖然整體走勢(shì)都是自4 月返青后， 牧草生長速率隨著氣溫升高和水分增加而逐漸提高，7 月牧草生長速率和產(chǎn)草量達(dá)到全年最大值，其次是6 月和8 月，但不同草地類型的生長速率因其自然地理環(huán)境、 利用方式以及放牧強(qiáng)度的不同存在較大的差異。 相對(duì)充足的降水量使得典型草原在7 月草地生長茂盛期，生長速率最大可達(dá)15.5 kg/（hm2·d）； 而荒漠草原地區(qū)達(dá)12 kg/（hm2·d），植被狀況較差，難以滿足家畜需求。

圖2 四子王旗家庭牧場(chǎng)草地生長速率

2.2 研究區(qū)超載過牧狀況

不同草場(chǎng)經(jīng)營面積的牧戶的載畜率平均值和分布如圖3 所示。隨著草場(chǎng)面積的增加，載畜率的平均值逐步減少， 典型草原草場(chǎng)面積在［0，250）、［250，500）、［500，750）、［750，1 000］hm2的牧戶的載畜率的平均值分別為1.86、1.24、0.89、0.49 羊單位/hm2。 荒 漠 草 原 草 場(chǎng) 面 積 在［0，250）、［250，500）、［500，750）、［750，1 000］hm2的牧戶的載畜率的平均值分別為1.59、0.92、0.63、0.44 羊單位/hm2。 載畜率的分布可以更清晰地顯示，無論是典型草原還是荒漠草原地區(qū)， 草場(chǎng)經(jīng)營面積越大的牧戶，載畜率越低，相反，草場(chǎng)經(jīng)營面積越小的牧戶，載畜率越高，由此可以看出中小牧戶是草原超載的主體。

表1 的回歸結(jié)果顯示： 草料費(fèi)支出項(xiàng)目與載畜率在0.01 水平上顯著正相關(guān)，說明草料費(fèi)支出越大的牧戶，載畜率越大。 調(diào)研顯示，典型草原牧戶平均每戶草料費(fèi)支出為2.15 萬元，荒漠草原牧戶平均每戶草料費(fèi)支出為1.93 萬元。 同時(shí)還有一個(gè)較有趣的發(fā)現(xiàn)，牧民年齡與載畜率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，說明牧民年齡越高，載畜率呈下降趨勢(shì)。

2.3 草畜能量平衡分析

圖3 不同草場(chǎng)面積的牧戶的載畜率平均值和分布

表1 超載牧戶過牧的相關(guān)性分析

圖4 四子王旗家庭牧場(chǎng)家畜能量平衡

圖5 模型模擬預(yù)測(cè)不同載畜率水平下家庭牧場(chǎng)牧戶的經(jīng)濟(jì)效益變化

圖4 的草畜能量平衡分析表明， 典型草原和荒漠草原類型的草場(chǎng)都于10 月開始進(jìn)入寒冷季節(jié)，地上部分完全枯死，生物量降至最低，加上家畜御寒需要大量的能量， 畜群整體能量需求遠(yuǎn)高于草地能量供給，能量供給出現(xiàn)缺口。家畜在1 月進(jìn)入妊娠期、產(chǎn)羔期和哺乳期，能量需求急速增加并出現(xiàn)跳躍式、急劇增長，從而形成全年能量的最大虧空期，典型草原地區(qū)能量缺值可高達(dá)10.5 MJ/（羊單位·d）， 荒漠草原地區(qū)高達(dá)9.5 MJ/（羊單位·d），家畜體重?fù)p失嚴(yán)重，甚至很難維持生命。 5—9月是牧草生長期， 典型草原類型夏季能量富余量平均可達(dá)2 MJ/（羊單位·d），荒漠草原類型夏季能量富余量可達(dá)1.5 MJ/（羊單位·d）， 草地能量供給大于家畜需求，家畜生長的代謝能得到了滿足，體重雖然上升，然而很難恢復(fù)到前一年的體況水平。

2.4 不同類型草地家庭牧場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益比較

由調(diào)研數(shù)據(jù)計(jì)算可得， 典型草原牧戶當(dāng)前實(shí)際的家畜載畜率為1.72 羊單位/hm2， 荒漠草原牧戶當(dāng)前實(shí)際的家畜載畜率為0.79 羊單位/hm2。 利用生產(chǎn)優(yōu)化管理模型分析不同載畜率水平下總支出、總收入及凈收入的生產(chǎn)經(jīng)營狀況，結(jié)果如圖5所示。 由圖5 可以看出，隨著載畜率的升高，牧場(chǎng)經(jīng)營的總支出、總收入不斷增加，凈收入呈先增加后減少的狀態(tài)，這個(gè)分界的閾值就是最佳載畜率。按照模型模擬分析計(jì)算得出， 當(dāng)?shù)湫筒菰突哪菰翍糨d畜率調(diào)整至最佳載畜率1.16 羊單位/hm2和1.01 羊單位/hm2時(shí)， 牧場(chǎng)的凈收入達(dá)到全年最大值。

表2 不同草地類型模擬牧場(chǎng)與實(shí)際值比較

由表2 可知， 通過對(duì)不同草地類型下牧場(chǎng)草地和經(jīng)濟(jì)收益現(xiàn)狀的方差分析， 當(dāng)前實(shí)際狀況下典型草原和荒漠草原區(qū)家庭牧場(chǎng)家畜數(shù)量和總支出存在顯著（P<0.05）差異，即典型草原的家畜數(shù)量是荒漠草原的1.51 倍，典型草原的總支出是荒漠草原的1.95 倍。 典型草原載畜率和總收入均高于荒漠草原，差異尚未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。 荒漠草原的草地面積和凈收入高于典型草原區(qū)，但兩組差異尚未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。 雖然二者凈收入差異不顯著，但是典型草原總支出較大，凈收益低于荒漠草原。這與表1 的分析結(jié)果吻合，在不同草地類型下，當(dāng)草地面積不變時(shí)，家畜數(shù)量代表的載畜率與總支出呈正相關(guān)和極顯著的關(guān)系。

通過優(yōu)化管理模型， 將兩種草地類型的家庭牧場(chǎng)的載畜率適當(dāng)調(diào)整后， 牧場(chǎng)凈收入有大幅度提高。 典型草原家庭牧場(chǎng)當(dāng)前載畜率為1.72 羊單位/hm2，正處于相對(duì)較高的水平，當(dāng)載畜率下降到1.16 羊單位/hm2時(shí)，當(dāng)?shù)氐哪翍魞羰找婵捎稍瓉淼?.14 萬元增加到現(xiàn)在的7.79 萬元。 荒漠草原家庭牧場(chǎng)當(dāng)前處于較低載畜率0.79 羊單位/hm2，當(dāng)載畜率上升到1.01 羊單位/hm2時(shí)， 當(dāng)?shù)氐哪翍魞羰找婵捎稍瓉淼?.26 萬元增加到現(xiàn)在的10.28 萬元。

3 討論與結(jié)論

草畜平衡是一個(gè)實(shí)現(xiàn)草和畜的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的過程，家畜和草地存在內(nèi)在的聯(lián)系，生態(tài)系統(tǒng)中各部分并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系［14］。 通過馬紅彬等［15］的研究，植物在放牧干擾條件下存在超補(bǔ)償性生長情況， 植物補(bǔ)償性生長的發(fā)生與放牧強(qiáng)度密切相關(guān)， 植物產(chǎn)生超補(bǔ)償或等補(bǔ)償生長的狀態(tài)可以通過降低放牧強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。 對(duì)典型草原和荒漠草原兩種草地類型的草地生長速率的分析結(jié)果得出，典型草原由于降水量相比荒漠草原較多，物種生長速度相比較快， 生長速率也呈現(xiàn)較大的趨勢(shì)。同時(shí)因?yàn)橄募痉拍翀?chǎng)有較高的載畜率，放牧強(qiáng)度大導(dǎo)致植物生長緩慢， 冬季打草場(chǎng)生長速率大于夏季放牧場(chǎng)。

通過對(duì)牧戶載畜率的調(diào)查分析得出， 在草料費(fèi)項(xiàng)目支出越大的牧戶其載畜率也相對(duì)較大。 這是一個(gè)很重要且合理的現(xiàn)象， 隨著人口數(shù)量的急劇增長， 傳統(tǒng)的飼養(yǎng)模式和人們對(duì)農(nóng)畜產(chǎn)品日益增長的需求成為當(dāng)前畜牧業(yè)發(fā)展的一對(duì)突出矛盾［16］。自1980 年實(shí)施“家庭聯(lián)產(chǎn)承包制”將草地劃分到戶以來，將牧區(qū)的生產(chǎn)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，形成了我國北方牧區(qū)以家庭牧場(chǎng)為基本單元的草地畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式和經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)， 放牧方式也進(jìn)行了小部分變革， 從遷徙的游牧生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ǖ纳a(chǎn)牧場(chǎng)的新經(jīng)濟(jì)格局［17］。 由于滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷地利用草地， 兼以人口數(shù)量越來越多和家畜存欄數(shù)越來越大， 使草原生態(tài)系統(tǒng)功能嚴(yán)重受損，造成對(duì)生態(tài)資源掠奪性利用。不合理地開發(fā)利用草地以及氣候變化導(dǎo)致草地退化和荒漠化，草地狀況已經(jīng)難以支撐畜牧業(yè)的發(fā)展［18］。 為應(yīng)對(duì)人類和家畜的平穩(wěn)需求， 買草買料已經(jīng)成為促進(jìn)草原畜牧業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展以及維護(hù)草畜平衡的重要組成部分［19］。

根據(jù)該文對(duì)典型草原和荒漠草原這兩種草地類型的草畜平衡現(xiàn)狀分析可以看出， 兩地家庭牧場(chǎng)均表現(xiàn)為夏季飼草料的富余量很少， 冬季家畜所需能量缺乏，一年的能量都得不到滿足，這與李江文等［20］對(duì)該地區(qū)的分析結(jié)果基本保持一致。 四子王旗家庭牧場(chǎng)冬季能量缺失主要在1 月， 這是由于家畜進(jìn)入產(chǎn)羔期，能量缺失達(dá)到最大，加之此時(shí)該地區(qū)處于冬季氣溫最低時(shí)刻， 家畜御寒同樣需要消耗大量的能量， 然而上一年的飼草料能量大量流失，飼料供需出現(xiàn)矛盾［21］。由調(diào)研數(shù)據(jù)可得典型草原地區(qū)較荒漠草原地區(qū)的可利用天然草場(chǎng)相對(duì)有限，家畜數(shù)量較多，載畜率增加，加之草地畜牧業(yè)粗放的管理模式， 使得冬季優(yōu)質(zhì)牧草嚴(yán)重缺乏，草料緊缺的矛盾日益突出，草畜平衡狀態(tài)低于荒漠草原地區(qū)。

通過對(duì)牧場(chǎng)優(yōu)化管理模型中牧戶經(jīng)濟(jì)收支狀況的模擬分析可以得到， 典型草原和荒漠草原的牧戶在不同載畜率水平下， 總支出都呈現(xiàn)隨著載畜率的升高而增加的趨勢(shì)， 然而總收入和凈收入則隨載畜率的升高先呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)， 當(dāng)載畜水平超過一定閾值時(shí)， 牧戶生產(chǎn)性固定資產(chǎn)支出迅速增多，總收入和凈收入開始逐漸減少。典型草原和荒漠草原地區(qū)的牧戶在當(dāng)前實(shí)際載畜水平條件下， 凈收入水平分別保持在6.14 萬元和7.26 萬元。如果適當(dāng)減少或調(diào)整一定的牲畜數(shù)量，其凈收入就可達(dá)到7.79 萬元和10.28 萬元。 羊群養(yǎng)殖密度、 飼料貯備和基本防疫都會(huì)影響羔羊的出生率和成活率， 保證羔羊的生產(chǎn)性能可以實(shí)現(xiàn)牲畜較好的經(jīng)濟(jì)效益，從而有效增加牧民收益［22］。需要科學(xué)合理的管理和配置， 使家庭牧場(chǎng)的生產(chǎn)經(jīng)營處在一個(gè)效益最佳的水平上， 平衡好生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系。通過模型分析，載畜率調(diào)控是放牧管理的關(guān)鍵，是維持和提高草地生態(tài)的總體效率、實(shí)現(xiàn)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展和增加牧民經(jīng)濟(jì)收入的有效措施，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供更多的空間［23］。

綜上，基于家庭牧場(chǎng)綜合分析，可獲得以下結(jié)論：四子王旗牧草生長周期較短，夏季典型草原地區(qū)牧草生長速率大于荒漠草原地區(qū)， 冬季基本停止生長；中小牧戶是草原超載的主體，草場(chǎng)經(jīng)營面積越小， 載畜量越高。 同時(shí)草料費(fèi)支出越大的牧戶，載畜量越高；夏季牧草茂盛期間草地供給能量基本可以滿足家畜能量需求， 其他時(shí)間段供不應(yīng)求，家畜所需能量均得不到滿足，冬季典型草原地區(qū)在1 月產(chǎn)羔期能量缺值可高達(dá)10.5 MJ/（羊單位·d）， 荒漠草原地區(qū)高達(dá)9.5 MJ/（羊單位·d）；典型草原和荒漠草原牧戶實(shí)際載畜率分別為1.72羊單位/hm2和0.79 羊單位/hm2， 在適當(dāng)調(diào)整兩地草地載畜率為1.16 羊單位/hm2和1.01 羊單位/hm2時(shí)，牧場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)營凈收入最高。