基于家畜生產優化管理模型的家庭牧場可持續發展研究

哈 潔，李治國，韓國棟

（內蒙古農業大學草原與資源環境學院，內蒙古 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］。 我國天然草地復雜多樣且空間差異大，由于全球氣候時空格局的劇烈變化， 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世紀后半期以來， 人口數量的與日俱增導致人均草地面積僅0.33 hm2，不足世界人均草地面積的一半，人類活動對草地的影響日益廣泛而深刻［4］。 同時因人口數量的不斷增加， 帶動了家畜數量的持續上漲。 牧戶認為增加家畜數量可以實現畜牧業產值的增加，但高載畜率會帶來較高的成本投入，導致凈利潤降低［5-6］，同樣會使得草地資源和草地生態承載力問題更加突出， 不同程度地超載利用和經營草場使得草畜問題日益嚴重， 人為破壞草地的現象屢禁不止，草原不堪重負，草原生態和草地退化持續惡化［7-8］。

草地畜牧業作為我國重要的基礎產業之一，既要滿足人們日益增長的畜產品需求， 又要兼顧草地資源的長期利用， 保證草地的健康可持續發展是當前面臨的主要問題。 任繼周等［9］提出草畜平衡是實現草地畜牧業可持續發展的前提， 是一個系統問題， 需要從生產體系的角度提出配套系統的解決方案。 楊博等［10］提出以代謝能為評價指標，同時考慮牧草地植被組成、不同生長季節消化率及代謝能的動態變化3 種因素， 提出了通過冷季補飼、暖棚舍飼和調整產羔時間實現草畜平衡。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效率而忽略生態功能， 若想實現草地生態功能合理配置，必須遵從生態優先、功能置換和因地制宜這幾條原則。 侯向陽［12］提出只有將生態與生產結合起來， 同時考慮雙方才是解決草地退化問題的可持續性和長久性方法， 任何偏袒某一方面的方法都不可能達到持續改善草原生態畜牧業狀況的目的。

實施草畜平衡工作， 涉及家畜生產能力和牧民的經濟效益等多方面因素［13］，不僅要按照以草定畜的基本原則，適當減少家畜數量，降低草原承載壓力，還要保證農牧民的收入，認真貫徹以人為本和草地畜牧業可持續發展的生態理念， 以期為今后家庭牧場草地可持續發展和生態文明建設打下重要基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區烏蘭察布市西北部四子王旗， 該旗地理坐標為北緯41°10′～43°22′，東經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， 具有高原地區氣候條件下形成的干旱、降水量小于蒸發量、氣候干燥等特點。 冬季嚴寒漫長，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，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剝蝕， 極易造成水土流失。

1.2 試驗設計

該研究利用中國農業科學院草原研究所和內蒙古農業大學聯合研發的軟件——家畜生產優化管理模型（OMMLP），于2017 年對內蒙古自治區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行大范圍等距離的系統抽樣調研，抽取牧戶， 以兩種不同草地類型的牧戶作為研究對象， 采用入戶走訪的形式對與牧戶有關的家畜生產經營現狀填寫調查問卷， 以不同草地類型面積的平均值和載畜率為模型模擬數據， 建立兩個典型牧戶作為分析對象， 典型牧戶代表當地牧戶實際生產規模的平均生產效率和技術水平。 通過OMMLP 中的草畜平衡模型模擬兩個典型牧戶草畜能量平衡現狀；利用經濟數據，結合草畜平衡模型模擬的研究結果， 通過優化管理模型模擬不同載畜率水平下牧戶草畜供需現狀及牧場生產系統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

該研究使用中國農業科學院草原研究所和內蒙古農業大學聯合研發的軟件——家畜生產優化管理模型（OMMLP）的草畜平衡模型（feed balance analyzer，FBA）和優化管理模型（linear program optimizer，LPO），模型分別以代謝能和金額作為評價指標，通過對研究區牧戶的基本信息、草地面積、家畜生產、經濟效益、氣象因素等相關數據進行概括說明和整合分析。 利用草畜平衡模型可以計算得出試驗地一年中草地和家畜的能量平衡狀態。利用優化管理模型， 通過對家庭牧場經濟各類條件的設置，可以得到該家庭牧場具體消耗的資源、產出、利潤等結果。以報表和曲線的形式描述該牧場的家畜現狀，可以達到預測的效果，最終得出該家庭牧場最優的家畜生產模式， 實現在有限條件下的資源和環境的最優化配置以及牧民經濟效益的最大化。

1.4 數據來源

該研究以四子王旗的兩種不同草地類型的家庭牧場作為研究對象，通過問卷調查、綜合評定、實地監測、取樣分析的方法，獲取模型所需變量數據，主要變量信息如下：

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

1.4.2 氣象 最高/低環境溫度、 月平均環境溫度、風速、降水量。

1.4.3 家畜 品種、年齡結構及數量、體重（母羊：產羔前體重、產羔后體重，羔羊：初生重、監測月齡體重、出售前體重）、補飼量、產羔率、雙羔率、死亡率、產毛（絨）量。

1.4.4 補飼 開始補飼日、補飼結束日、補飼干物質消化率、補飼費用。

1.4.5 經濟 羔羊出欄數量及價格、 母羊淘汰數量及價格、購買家畜數量及價格、羊毛（絨）出售數量和價格、補飼飼料購買量和價格、雇工、草地租用、燃油、機械、暖棚、圍欄等方面的花費、人工草地花費、其他收入與支出。

1.4.6 生產日歷 產羔時間、 斷奶時間、 剪毛時間、羔羊出欄時間、母畜出售時間、打草時間、配種時間、補飼時間。

2 結果

2.1 草地生長速率年動態變化

對兩種草地類型的草地生長速率進行了監測（見圖2），從圖2 可以看出，雖然整體走勢都是自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草量達到全年最大值，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境、 利用方式以及放牧強度的不同存在較大的差異。 相對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15.5 kg/（hm2·d）； 而荒漠草原地區達12 kg/（hm2·d），植被狀況較差，難以滿足家畜需求。

圖2 四子王旗家庭牧場草地生長速率

2.2 研究區超載過牧狀況

不同草場經營面積的牧戶的載畜率平均值和分布如圖3 所示。隨著草場面積的增加，載畜率的平均值逐步減少， 典型草原草場面積在［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 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， 草場經營面積越大的牧戶，載畜率越低，相反，草場經營面積越小的牧戶，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 的回歸結果顯示： 草料費支出項目與載畜率在0.01 水平上顯著正相關，說明草料費支出越大的牧戶，載畜率越大。 調研顯示，典型草原牧戶平均每戶草料費支出為2.15 萬元，荒漠草原牧戶平均每戶草料費支出為1.93 萬元。 同時還有一個較有趣的發現，牧民年齡與載畜率呈現負相關，說明牧民年齡越高，載畜率呈下降趨勢。

2.3 草畜能量平衡分析

圖3 不同草場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性分析

圖4 四子王旗家庭牧場家畜能量平衡

圖5 模型模擬預測不同載畜率水平下家庭牧場牧戶的經濟效益變化

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都于10 月開始進入寒冷季節，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高于草地能量供給，能量供給出現缺口。家畜在1 月進入妊娠期、產羔期和哺乳期，能量需求急速增加并出現跳躍式、急劇增長，從而形成全年能量的最大虧空期，典型草原地區能量缺值可高達10.5 MJ/（羊單位·d）， 荒漠草原地區高達9.5 MJ/（羊單位·d），家畜體重損失嚴重，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2 MJ/（羊單位·d），荒漠草原類型夏季能量富余量可達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，然而很難恢復到前一年的體況水平。

2.4 不同類型草地家庭牧場經濟效益比較

由調研數據計算可得， 典型草原牧戶當前實際的家畜載畜率為1.72 羊單位/hm2， 荒漠草原牧戶當前實際的家畜載畜率為0.79 羊單位/hm2。 利用生產優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經營狀況，結果如圖5所示。 由圖5 可以看出，隨著載畜率的升高，牧場經營的總支出、總收入不斷增加，凈收入呈先增加后減少的狀態，這個分界的閾值就是最佳載畜率。按照模型模擬分析計算得出， 當典型草原和荒漠草原牧戶載畜率調整至最佳載畜率1.16 羊單位/hm2和1.01 羊單位/hm2時， 牧場的凈收入達到全年最大值。

表2 不同草地類型模擬牧場與實際值比較

由表2 可知， 通過對不同草地類型下牧場草地和經濟收益現狀的方差分析， 當前實際狀況下典型草原和荒漠草原區家庭牧場家畜數量和總支出存在顯著（P<0.05）差異，即典型草原的家畜數量是荒漠草原的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，但兩組差異尚未達到顯著水平（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 的分析結果吻合，在不同草地類型下，當草地面積不變時，家畜數量代表的載畜率與總支出呈正相關和極顯著的關系。

通過優化管理模型， 將兩種草地類型的家庭牧場的載畜率適當調整后， 牧場凈收入有大幅度提高。 典型草原家庭牧場當前載畜率為1.72 羊單位/hm2，正處于相對較高的水平，當載畜率下降到1.16 羊單位/hm2時，當地的牧戶凈收益可由原來的6.14 萬元增加到現在的7.79 萬元。 荒漠草原家庭牧場當前處于較低載畜率0.79 羊單位/hm2，當載畜率上升到1.01 羊單位/hm2時， 當地的牧戶凈收益可由原來的7.26 萬元增加到現在的10.28 萬元。

3 討論與結論

草畜平衡是一個實現草和畜的動態平衡狀態的過程，家畜和草地存在內在的聯系，生態系統中各部分并不是簡單的線性關系［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償性生長情況， 植物補償性生長的發生與放牧強度密切相關， 植物產生超補償或等補償生長的狀態可以通過降低放牧強度來實現。 對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， 生長速率也呈現較大的趨勢。同時因為夏季放牧場有較高的載畜率，放牧強度大導致植物生長緩慢， 冬季打草場生長速率大于夏季放牧場。

通過對牧戶載畜率的調查分析得出， 在草料費項目支出越大的牧戶其載畜率也相對較大。 這是一個很重要且合理的現象， 隨著人口數量的急劇增長， 傳統的飼養模式和人們對農畜產品日益增長的需求成為當前畜牧業發展的一對突出矛盾［16］。自1980 年實施“家庭聯產承包制”將草地劃分到戶以來，將牧區的生產關系進行調整，形成了我國北方牧區以家庭牧場為基本單元的草地畜牧業生產經營模式和經濟生態系統， 放牧方式也進行了小部分變革， 從遷徙的游牧生產方式轉變為固定的生產牧場的新經濟格局［17］。 由于滿負荷甚至超負荷地利用草地， 兼以人口數量越來越多和家畜存欄數越來越大， 使草原生態系統功能嚴重受損，造成對生態資源掠奪性利用。不合理地開發利用草地以及氣候變化導致草地退化和荒漠化，草地狀況已經難以支撐畜牧業的發展［18］。 為應對人類和家畜的平穩需求， 買草買料已經成為促進草原畜牧業健康穩定發展以及維護草畜平衡的重要組成部分［19］。

根據該文對典型草原和荒漠草原這兩種草地類型的草畜平衡現狀分析可以看出， 兩地家庭牧場均表現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］對該地區的分析結果基本保持一致。 四子王旗家庭牧場冬季能量缺失主要在1 月， 這是由于家畜進入產羔期，能量缺失達到最大，加之此時該地區處于冬季氣溫最低時刻， 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，飼料供需出現矛盾［21］。由調研數據可得典型草原地區較荒漠草原地區的可利用天然草場相對有限，家畜數量較多，載畜率增加，加之草地畜牧業粗放的管理模式， 使得冬季優質牧草嚴重缺乏，草料緊缺的矛盾日益突出，草畜平衡狀態低于荒漠草原地區。

通過對牧場優化管理模型中牧戶經濟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， 總支出都呈現隨著載畜率的升高而增加的趨勢， 然而總收入和凈收入則隨載畜率的升高先呈現增加的趨勢， 當載畜水平超過一定閾值時， 牧戶生產性固定資產支出迅速增多，總收入和凈收入開始逐漸減少。典型草原和荒漠草原地區的牧戶在當前實際載畜水平條件下， 凈收入水平分別保持在6.14 萬元和7.26 萬元。如果適當減少或調整一定的牲畜數量，其凈收入就可達到7.79 萬元和10.28 萬元。 羊群養殖密度、 飼料貯備和基本防疫都會影響羔羊的出生率和成活率， 保證羔羊的生產性能可以實現牲畜較好的經濟效益，從而有效增加牧民收益［22］。需要科學合理的管理和配置， 使家庭牧場的生產經營處在一個效益最佳的水平上， 平衡好生態與經濟的關系。通過模型分析，載畜率調控是放牧管理的關鍵，是維持和提高草地生態的總體效率、實現草地畜牧業可持續發展和增加牧民經濟收入的有效措施，為實現可持續發展提供更多的空間［23］。

綜上，基于家庭牧場綜合分析，可獲得以下結論：四子王旗牧草生長周期較短，夏季典型草原地區牧草生長速率大于荒漠草原地區， 冬季基本停止生長；中小牧戶是草原超載的主體，草場經營面積越小， 載畜量越高。 同時草料費支出越大的牧戶，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， 其他時間段供不應求，家畜所需能量均得不到滿足，冬季典型草原地區在1 月產羔期能量缺值可高達10.5 MJ/（羊單位·d）， 荒漠草原地區高達9.5 MJ/（羊單位·d）；典型草原和荒漠草原牧戶實際載畜率分別為1.72羊單位/hm2和0.79 羊單位/hm2， 在適當調整兩地草地載畜率為1.16 羊單位/hm2和1.01 羊單位/hm2時，牧場生產經營凈收入最高。