高寒區草地-家畜優化配置研究
——以青海省瑪沁縣1牧戶為例

孫金金， 焦 婷， 李亞娟， 王 芳， 汪鵬斌， 魚小軍

(甘肅農業大學草業學院， 草業生態系統教育部重點實驗室， 中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅省草業工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

草地畜牧業在我國占有重要地位，是草原地區的支柱型產業。近年來，很多地區的草原實際載畜量已經遠遠高于理論載畜能力，這在很大程度上造成草原的破壞或退化。目前，我國草原地區存在夏秋季節飼草豐裕、冬春季節嚴重匱乏或夏秋季節飼草匱乏而冬春季節豐裕的現象。由于草畜季節不平衡造成的草地不合理利用是草地退化的主要原因[1]。如不考慮季節變化,單純以飼草總產量為基礎來確定載畜量,則不能有效解決我國草原地區普遍存在的季節性草地超載過渡放牧問題[2]。

牧草返青期是草地系統生態最脆弱的時期。在牧草返青期間，剛剛萌發返青的幼苗被采食后光合面積迅速減少，嚴重影響其后期的生長和發育，且剛剛返青的牧草不能滿足放牧家畜的需求，造成放牧家畜的“春乏”現象[3]。有研究表明，通過建設人工草地補飼可增加優質飼草料供給，使天然草地通過禁牧或休牧降低放牧強度；或通過草畜的合理配置，減少牲畜對天然草地的過度采食和踐踏，依靠大自然的自我修復能力，可實現草地增產和生態保護[4-5]。

近年來，國內外專家和學者在研究“草畜平衡”問題上有大量報道，Masae[6]研究表明條帶式分配的放牧方式是一種節約高產的適用于周期較短的家畜育肥的方式。Hofstede[7]研究得出結論放牧馴養家畜會使草地初級生產力降低。斯日古楞[8]通過研究認為應以改變家庭牧場的生產管理模式，通過對各種生產要素的優化配置，最終實現草畜平衡，提高畜牧業經濟效益。閆志堅[9]通過對綿羊舍飼育肥的研究發現舍飼可以提高家畜的出欄率，減輕草地放牧承載壓力，減少對草場的破壞，實現草畜平衡。韓國棟[10]提出以有效保護草地生態基本功能和高效利用草地生產資源為核心的草地優化研究理論。閆宏[11]研究表明人工飼養條件下母畜及羔羊的營養狀況得到了改善。王啟基[12]研究得出在生產結構被優化后，家庭牧場可以通過建設暖棚、人工草場等方式，改善農牧民的家畜飼養情況和生活，并提高生態效益。大量研究表明優化草地-家畜結構可有效改善草地利用狀況，提高經濟、生態效益。而現有研究中結合氣候約束條件，將“草地-家畜-生態效益-經濟效益”統一考慮的研究甚少。草地載畜量常使用數量載畜量與營養載畜量中的可消化粗蛋白(digestible crude protein，DCP)和總可消化養分(total digestible nutrients，TDN)載畜量相結合的方法進行評價[13-15]。但是TDN載畜量反映草地能量載畜量尚不精確，而體外產氣估測牧草代謝能(metabolic energy，ME)技術的成熟[16-17]，使ME載畜量的計算成為可能。因此，為了協調家庭牧場草地生產的生態和經濟功能，以青海省瑪沁縣一牧戶為例，根據家庭牧場的不同草地類型，對其草地進行返青期休牧，對家畜-草地系統進行優化、合理配置，進一步增加對草畜生態系統物質的有效輸入，減輕天然草原的承載量，充分利用人工草地高生產力的優勢，讓天然牧草不僅能全面發揮草原生態的積極作用，還能為推動畜牧業的發展提供必要的支持；進而有效緩解或徹底解決當地放牧家畜缺草的局面，促進草地生態系統的可持續利用和良性循環，使畜牧業生產經營由傳統經驗性決策，進入科學決策，做到生態、經濟、社會效益俱佳。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

研究點位于青海省瑪沁縣，地理位置為98°48′～100°55′ E，33°43′～35°16′ N。該地區屬高原寒冷氣候，主要植被類型有高山草甸、高山灌叢和沼澤化草甸。土壤為高山草甸土、高山灌叢草甸土和沼澤土。地勢平坦，海拔3 760 m。年均溫-3.9℃，≥5℃積溫850.3℃，最冷月1月的平均氣溫為-12.6℃，最熱月7月的平均氣溫為9.7℃。牧草生長季為156 d，無絕對無霜期。年均降水513.2 mm，年蒸發量2 471.6 mm[18]。該地區普遍存在家畜超載過牧，牧戶草地-家畜系統主要存在夏秋季節飼草豐裕、而冬春季節嚴重匱乏，或夏秋季節飼草匱乏而冬春季節豐裕兩種現象。本研究以夏季牧場飼草嚴重匱乏、秋季牧場可滿足家畜數量和營養采食，冬春牧場飼草豐裕但營養不足，存在夏季牧場家畜超載、冬春季牧場營養超載的牧戶(表1)為例，進行草地家畜優化配置。牧戶草地基本情況見表2。

表1 牧戶草地-家畜現狀Table 1 The status of herdsmen grassland and livestock

表2 牧戶草地-家畜基本情況Table 2 Herdsmen basic conditions of grassland - livestock

注：S(f):草地面積、B(f):單位面積可食牧草產量、P(f):單位面積草地可消化蛋白輸出量、M(f):單位面積草地代謝能輸出量、L(f):草地可利用率、D(f)：放牧天數、Ed:單個羊單位日需干物質量、Pd:單個羊單位日需可消化蛋白量、Md:單個羊單位日需代謝能量。Q(f):數量載畜量、DCP(f):可消化蛋白載畜量、ME(f) :代謝能載畜量。數據來源：網絡資料和入戶調查以及草地實測

Note:S(f):grassland area,B(f):edible grass yield per unit area,P(f):output of grassland digestible crude protein per unit area,M(f):output of grassland metabolic energy per unit area,L(f):grassland availability,D(f):number of grazing days,Ed:dry matter of a sheep units daily,Pd: digestible crude protein content of a sheep unit daily,Md:metabolic energy of a sheep unit daily.Q(f):Amount carrying capacity,DCP(f) :DCP carrying capacity,ME(f):ME carrying capacity. Sources of data:network data and household surveys,and measurement of grassland

1.2 方法

1.2.1 技術思路 草地-家畜配置的總體目標，是合理利用天然草地的前提下使經濟與生態效益達到最優。依據草地資源的承載能力，結合區域特性、氣候等約束條件，按照牧業生產方式和牧民生存需求合理調整種植結構，以天然草地與人工草地的可食飼草料產量、可消化蛋白輸出量和代謝能輸出量合理控制牲畜飼養規模，達到草地-家畜動態平衡，使大面積的天然草地得以休養生息，恢復和保護草原生態，實現草地可持續利用、生態環境良性發展和社會經濟可持續發展[4]。

1.2.2 決策變量的確定 決策變量包括草地資源配置量和經濟指標的發展量，具體分為草地面積S(f)、單位面積可食牧草產量B(f)、單位面積草地可消化蛋白輸出量P(f)、單位面積草地代謝能輸出量M(f)、草地可利用率L(f)和放牧天數D(f)、單個羊單位日需干物質量Ed、單個羊單位日需可消化蛋白量Pd、單個羊單位日需代謝能量Md；參數的選擇為5年或5年以上測定的平均值。以及生態效益、經濟效益。每個羊單位日需干物質量Ed是1.8 kg，單個羊單位日需可消化蛋白量Pd是0.0539 kg，單個羊單位日需代謝能量Md是8.38 MJ，粗蛋白消化率為62.25%。依據為中華人民共和國農業行業標準-天然草地合理載畜量的計算[19](NY/T635-2015)。

1.2.3 目標函數 確定目標函數，包括數量載畜量Q(f)=S(f)×B(f)×L(f)/(D(f)×Ed)，可消化蛋白載畜量DCP(f)=S(f)×P(f)×L(f)/(D(f)×Pd)，以及代謝能載畜量ME(f)=S(f)×M(f)×L(f)/(D(f)×Md)。

1.2.4 約束條件 牧草返青期是草地系統生態最脆弱的時期，是草地放牧的忌牧期，同時也是放牧牲畜的“跑青”期[1]。為避開牧草禁牧期，在牧草返青期應該舍飼。受氣候影響，牧草生長期較短。因此，在草地-家畜優化配置方案中，應將返青期休牧和氣候因素作為約束條件，返青期休牧(舍飼)時間為草地返青的40～60 d，放牧和轉場時間應該考慮當地氣候確定。

1.2.5 方案集 優化配置方案集是根據李比希(Liebig)最小因子定律[20-22]和載畜量最小的季節放牧場-關鍵場[17,23]，在不同季節選擇關鍵場的草地最大理論載畜量為理論載畜量，以不同季節草地最小理論載畜量作為限制因子，優化配置不同放牧季節所缺少的部分。根據實際放牧的家畜數量和不同季節草地利用情況增減牧戶家畜，由純放牧到放牧與舍飼(返青期休牧)相結合的草畜平衡設置多組參數值，每組參數值結合目標函數和約束條件構成一個方案，多個方案組成方案集。

根據決策變量和目標函數，計算不同季節的數量載畜量，可消化蛋白載畜量以及代謝能載畜量，即Q(f)、DCP(f)和ME(f)，綜合3種載畜量，確定關鍵場，以關鍵場的最大載畜量為合理載畜量。不同季節最小理論載畜量為限制因子，出現3種載畜量為限制因子的情況，根據不同情況，按照差值優化配置草地。

(1)當Q(f)為f季節牧場最小理論載畜量時，出現2種情況，分別為DCP(f)為關鍵場最大理論載畜量，差值X(f)=DCP(f)-Q(f)=Sf×Bf×L(f)/(Df×Ed),為了滿足X(f)=DCP(f)-Q(f)，則對Sf、Bf、Df作相應的調整，分別是優化后的f季節放牧草地面積、單位面積可食牧草產量和放牧天數；或當ME(f)為關鍵場最大載畜量，差值X(f)=ME(f)-Q(f)=Sf×Bf×L(f)/(Df×Ed),為了滿足X(f)=ME(f)-Q(f)，則對Sf、Bf、Df作相應的調整，即為調整后的f季節放牧草地面積、單位面積可食牧草產量和放牧天數。

調整方案為增加f季節草地放牧面積，或增加可食牧草產量，或調整放牧時間。增加f季節草地放牧面積可通過將其他季節放牧草地面積劃分為f季節放牧，劃分方式為冬春牧場部分劃分到夏季牧場或秋季牧場，冬春牧場缺少部分用人工草地代替；增加可食牧草產量的途徑有禿斑地補播，改良原來牧場；調整放牧時間的途徑有增加或縮短f季節放牧時間或調整舍飼時間。

(2)當ME(f)為f季節牧場最小載畜量時,出現2種情況，分別為DCP(f)為關鍵場最大載畜量，差值X(f)=DCP(f)-ME(f)=Sf×Mf×L(f)/(Df×Ed),為了滿足X(f)=DCP(f)-ME(f)，則對Sf、Mf、Df作相應的調整，分別是為調整后的f季節放牧草地面積、單位面積草地代謝能輸出量和放牧天數；或當Q(f)為關鍵場最大載畜量，差值X(f)=Q(f)-ME(f)=Sf×Mf×L(f)/(Df×Md),為了滿足X(f)=Q(f)-ME(f)，則對Sf、Mf、Df作相應的調整，即為調整后的f季節放牧草地面積、單位面積草地代謝能輸出量和放牧天數。

調整方案為增加f季節草地放牧面積；或增加草地代謝能輸出量；或調整放牧時間；增加f季節草地放牧面積可通過將其他季節放牧草地面積劃分為f季節放牧，劃分方式為冬春牧場部分劃分為夏季牧場或秋季牧場，冬春牧場缺少部分用人工草地代替；增加草地代謝能輸出量的途徑有補播優良草種改良天然草地，購買飼草料；調整放牧時間的途徑有適當增加或縮短f季節放牧時間或調整舍飼時間。

(3)當DCP(f)為f季節牧場最小載畜量時,出現2種情況，分別為Q(f)為關鍵場最大載畜量，差值X(f)=Q(f)-DCP(f)=Sf×Pf×L(f)/(Df×Pd),為了滿足X(f)=Q(f)-DCP(f)，則對Sf、Pf、Df作相應的調整，分別是調整后的f季節放牧草地面積、單位面積草地粗蛋白輸出量和放牧天數；或當ME(f)為關鍵場最大載畜量，差值X(f)=ME(f)-DCP(f)=Sf×Pf×L(f)/(Df×Pd),為了滿足X(f)=ME(f)-DCP(f)，則對Sf、Pf、Df作相應的調整，即為調整后的f季節放牧草地面積、單位面積草地粗蛋白輸出量和放牧天數。

調整方案為增加f季節草地放牧面積；或增加草地粗蛋白輸出量；或延長放牧時間；增加f季節草地放牧面積可通過將其他季節放牧草地面積劃分為f季節放牧，劃分方式為冬春牧場部分劃分為夏季牧場或秋季牧場，冬春牧場缺少部分用人工草地代替；增加草地粗蛋白輸出量的途徑有草地補播優良草種，購買飼草料，補充高蛋白精料；調整放牧時間的途徑有增加或縮短f季節放牧時間。

1.2.6 各方案效益的計算 方案的效益根據以下公式確定：

Fc(f)=Max(Em(f)+Eg(f))

式中Fc(f)、Em(f)、Eg(f)分別為f季節的綜合效益、經濟效益和生態效益的增量；

經濟效益增量Em(f)通過以下公式確定：

式中R(i),Y(i)分別為方案調整前i類產品的產量和單價，C(j)為方案調整前j類產品發生的費用；Ra(i),Ya(i)分別為方案調整后i類產品的產量和單價，Ca(j)為方案調整后j類產品發生的費用；

i表示家畜、肉、奶、皮毛、酥油；所述j可表示為購買飼草的費用、種子費、運輸費、防疫費、人工草地收割費；

生態效益增量Eg(f)通過以下公式確定：

Eg(f)=∑(A1+A2+A3+A4)

式中A1,A2,A3,A4分別為f季節草地利用變化率，可食牧草利用變化率，草地載畜量變化率和害情發生變化率；

A1,A2,A3,A4通過以下公式確定：

式中Gb，Ga分別為調整后草地可利用面積和調整前草地可利用面積；

式中Fb，Fa分別為調整后單位面積可食牧草的產量和調整前單位面積可食牧草的產量；

式中Sb，Sa分別為調整后草地載畜量和調整前草地載畜量；

式中Rb，Ra分別為調整后草地害情發生面積和調整前草地害情發生面積。

根據不同優化配置方案計算各方案的經濟效益和生態效益，綜合兩者，選擇綜合效益最大的方案作為不同季節配置的最佳方案。

2 結果與分析

2.1 牧戶草地-家畜優化配置方案集

根據調查與實測數據，輸入決策變量，季節草場的草地面積S(f)、單位面積可食牧草產量B(f)、單位面積草地蛋白輸出量P(f)、單位面積草地代謝能輸出量M(f)、草地可利用率L(f)和放牧天數D(f)、單個羊單位日需干物質量Ed、單個羊單位日需可消化蛋白量Pd、單個羊單位日需代謝能量Md；根據輸入的變量計算不同季節的3種載畜量。確定約束條件，為返青期休牧，根據地域、氣候、水熱條件等確定該牧戶家畜補飼時間為5月20日至6月底(40 d)。

根據載畜量最小的季節放牧場確定關鍵場，該牧戶的關鍵場是夏季牧場，關鍵場的草地最大理論載畜量是可消化蛋白載畜量DCP(f)，根據李比希(Liebig)最小因子定律，確定夏季牧場草地最小理論載畜量是數量載畜量Q(f)，秋季牧場草地最小理論載畜量是代謝能載畜量M(f)，冬春季牧場草地最小理論載畜量是可消化蛋白載畜量DCP(f)。按照差值優化配置草地，形成8個可選方案(表3)。根據不同方案集，結合收益與成本計算各個方案的經濟效益和生態效益并求得綜合效益(表3)。

2.2 配置結果

根據關鍵場最大載畜量確定該牧戶理論載畜量為418個羊單位，按照方案1，2，3對夏季牧場草地進行配置，方案1為草地單位面積增產1 136 kg·hm-2。根據氣候因素確定約束條件為返青期休牧40 d，則需要8.1 hm2的人工草地，該牧戶原來有6.7 hm2的人工草地，由于該牧戶的冬春草地為沼澤草甸，夏季牧場為高寒草甸，因此，方案2為劃分原有夏季牧場草地1.4 hm2用來種植人工草地，再劃分5.4 hm2的冬春牧場為夏季放牧所用，方案3為延長夏季放牧時間為97 d。根據不同方案對綜合效益進行計算，得到方案1，2，3的經濟效益分別提高了-84.4%，6.7%和-24.7%，生態效益分別提高了31.7%，5.1%和-16.5%，結合兩者得到綜合效益分別提高了-52.7%，11.8%和-41.2%。

按照方案4、5、6對秋季牧場草地進行配置，分別為減畜到418個羊單位，草地部分不做調整；在方案3的基礎上調整放牧時間為10月6日-11月26日；根據載畜量計算延長放牧時間為55 d。根據不同方案對綜合效益進行計算，得到方案4、5、6的經濟效益分別提高了18.3%，-4.1%和16.7%，生態效益分別提高了9.5%，-11.4%和8.6%，結合兩者得到綜合效益分別提高了27.8%，-15.5%和25.3%。

按照方案7、8對冬春季牧場草地進行配置，方案7，8是基于方案4和6做了調整，方案7為放牧時間縮短到212 d，需購精料補充蛋白；方案8調整是放牧時間縮短到209 d，需購精料補充蛋白。根據不同方案對綜合效益進行計算，得到方案7，8的經濟效益分別提高了5.0%和5.1%，生態效益分別提高了22.3%和22.7%，結合兩者得到綜合效益分別提高了27.3%和27.8%。

表3 牧戶草地-家畜調控方案及效益Table 3 Herdsmen grassland-livestock control program and benefit

3 討論

實現草畜平衡制度受到很多因素的制約，雖然合理的草地載畜量嚴格地受到國家政策的規定，但是牧民為了提高經濟收入，會根據自己的勞動力狀況和經濟條件不斷擴大放牧家畜的規模和數量，而忽略了草地的生態狀況。或是牧民為了避免超載的懲罰而利用增加科技、資金投入等方式提高天然草原的產草量，更多地將天然草地生態系統轉變為栽培草地生態系統，威脅到草地生態經濟系統的彈性[24]，造成不超載情況下的過牧，影響草地生態系統的可持續發展[24-25]。一味地“減畜”和開墾對草地生態系統和牧民的經濟利益都會造成很大的威脅，李艷波等[26]也提出，僅靠控制牲畜數量不能實現草畜平衡。

針對草地-家畜資源開發利用特點，本研究構建了適宜的草畜平衡優化配置模型。根據李比希(Liebig)最小因子定律和關鍵場[17-22]，結合返青期休牧、人工草地舍飼喂養，以一牧戶為例，對其草地-家畜配置進行了合理優化。根據輸入參數和目標函數以及約束條件對不同季節牧場進行優化配置，計算可得該牧戶的關鍵場為夏季牧場，最大載畜量為可消化蛋白載畜量，為418個羊單位。考慮到草地承載力，家畜單位應從現有的520個羊單位減到418個羊單位。本研究中，在夏季放牧地的營養載畜量(包括DCP和ME載畜量)均高于數量載畜量，并且DCP載畜量高于ME載畜量，這與郝力壯等[27]暖季(7-8月牧草)在瑪多縣的研究結果一致。

根據載畜量設置優化配置方案，夏季牧場配置方案分別為1，2，3方案，根據配置方案計算生態效益和經濟效益，綜合可得綜合效益，三種方案中方案2的綜合效益最大，是11.8%，雖然方案1的生態效益最大，但改良草地發生的費用較大，經濟效益為負增長。延長放牧時間對草地的利用時間太長，由于草地本身產草量低及當地氣候限制，牧草的生長季較短，不能滿足家畜采食，對經濟效益和生態效益均起下降作用，因此，方案3的綜合效益仍為負增長。另外，該牧戶秋季牧場最小載畜量為455，滿足關鍵場載畜量要求，結合草地資源，秋季牧場可滿足418個羊單位放牧55 d，所以方案6將放牧時間延長為55 d，方案4除了減畜外不做其他調整，方案5是根據夏季牧場方案3作調整，將放牧時期調整為10月6日-11月26日。根據配置方案得到綜合效益增量分別為27.8%，-15.5%和25.3%，結合地域和氣候，延后秋季放牧時間對草地生態和牧民經濟效益沒有增加反而下降，這與賽希雅拉對內蒙古天然草原草畜平衡管理政策實證研究結果一致，在氣候變化劇烈的系統，采用固定的或保守的載畜量不僅不合適，而且對于牧民來說成本也很高[28]。

牧草返青期是草地系統生態最脆弱的時期，也因此被稱為高寒牧區天然草地的“忌牧期”[3]。研究表明春季休牧可以有效改善草地植被群落，抑制毒草生長，有效控制鼠害[29]，被證明是畜牧業發展和草地生態保護兼顧的一項有效措施[30-32]。因此，在優化配置方案中我們考慮了返青期休牧，對冬春季牧場優化配置方案為7和8，為返青期休牧40 d(補飼5月21日-6月底)舍飼喂養，所需人工草地除了原來的6.7 hm2外，劃分夏季牧場1.4 hm2用來種植人工草地，則原來的冬春季牧場草地面積調整為54.6 hm2，方案7和方案8的放牧時間分別為212 d和209 d。由于冬季牧草粗蛋白含量低，不能滿足家畜營養需求，因此，需購買精料補充蛋白所需。根據配置方案7和8，計算綜合效益增量分別27.3%和27.8%。

牧草的生長除了本身特性外還受地區氣候因素的影響[33-36]。本研究中試驗地位于高寒牧區，返青期從5月中下旬開始，返青期牧草產量增長速度較快，隨著青草期雨季的到來，水熱條件的影響逐漸增大，牧草產量增長速度減慢，青草期牧草產量達到最大，進入枯草期(9月份之后)，牧草枯黃，生物量積累呈現負值[37-38]。因此，在本次配置實例中，根據綜合效益及區域氣候因素，我們選擇的優化配置方案為2，4和7。

本研究構建了適于牧戶的草地-家畜優化配置模型，為草地健康發展及牧民增收提供了參考依據。但牧場草畜平衡調控研究仍處于起步階段，其調控理論、方法應結合牧場實際情況及當地區域氣候作進一步的修正，優化配置方案仍需要在實踐檢驗中進行逐步探索和完善。另外，高寒草地害鼠種群密度很高，下一步的草地-家畜配置應考慮將害鼠控制到某一經濟水平或生態閾值。

4 結論

本文通過對草地-家畜優化配置的研究，構建了適宜的草畜平衡優化配置模型。根據李比希(Liebig)最小因子定律和關鍵場計算，得出瑪沁縣1牧戶的理論載畜量為418個羊單位，相比優化配置前，載畜量減少了102個羊單位。結合經濟效益和生態效益最大化，得出該牧戶3季牧場優化配置的3種最佳方案，分別為劃分冬春季牧場5.4 hm2用于夏季放牧；秋季牧場在數量和營養上都滿足家畜的需求進而不做調整；和冬春牧場放牧212 d，舍飼40 d(5月21日-6月底)，由于冬春季飼草豐裕但營養不足，則需購買精料補充家畜營養。3種方案下綜合效益可分別提高11.8%，27.8%和27.8%。在草地承載力范圍內，返青期休牧40 d，經濟效益和生態效益分別增加了5.0%和22.5%。