高寒荒漠草原季節性放牧管理優化模擬研究

胡志強，宋孝玉，覃琳，劉輝

高寒荒漠草原季節性放牧管理優化模擬研究

胡志強，宋孝玉，覃琳，劉輝

西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048

【目的】保護中國高寒荒漠草原的生態環境，指導草原牧區的全面可持續發展，從草畜平衡的角度為制定高寒荒漠草原牧區合理的放牧管理政策及實現牧草資源高效利用提供依據?！痉椒ā扛鶕竟澬暂喣恋奶攸c和牲畜生產節律，考慮了草地資源的時空隔離和牲畜數量的動態變化，對暖季、冷季兩個草場放牧時間段進行細化，在現有合理載畜量計算方法的基礎上，以載畜量最大為目標，以動態草畜平衡為約束條件，以轉場時間和出欄率為優化參數，建立了放牧-管理優化模型，并選取青海省烏蘭縣牧區作為高寒荒漠草原季節性牧區的典型代表，利用遺傳算法尋優，確定烏蘭縣牧區豐、平、枯3種降水情景下最優放牧條件，進行草畜平衡優化模擬計算和動態草畜平衡分析，并與優化前進行對比?！窘Y果】放牧-管理優化模型對牧區不同降水情景的模擬結果均較好。以未利用飼草量最低為依據，確定烏蘭縣牧區豐、平、枯3種降水情景下最優放牧條件分別為11月1日轉場，出欄率43.4%、11月3日轉場，出欄率38.2%和11月3日轉場，出欄率36.7%，最優合理載畜量分別為109.92、96.14和83.64萬標準羊單位，較優化前合理載畜量分別提高了11.75%、10.44%和10.43%；優化前后烏蘭縣牧區豐水年的合理載畜量分別為98.38和109.92萬標準羊單位，比枯水年的75.74和83.64萬標準羊單位的適宜承載量高30%，可見除牲畜出欄率和轉場時間外，降水量也是影響牧區合理載畜量的重要因素；通過對牧區產草過程與牲畜動態需草過程的分析，進行烏蘭縣牧區平水年動態草畜平衡計算后發現，優化前冷季牧場可利用飼草不能被完全利用，放牧過程存在不合理之處，剩余草量超過6 130萬kg，而優化后可利用飼草未充分利用問題得到有效解決，牧草資源得到高效利用，對于烏蘭縣整個牧區而言，調整放牧轉場時間和牲畜出欄率是改良放牧制度的可靠方式；利用放牧-管理優化模型對牧區放牧過程進行優化，可以在保證牧區全年合理載畜量較高的同時，能夠實現季節性輪牧區動態草畜平衡?！窘Y論】放牧-管理優化模型對高寒荒漠草原季節性牧區的適用性較好，對輪牧區放牧管理過程調控和草畜平衡優化具有一定的優越性；放牧-管理優化模型可有效調控牧區載畜量，其優化結果可為制定合理的放牧制度提供參考，因此可將該模型用于優化單個牧戶或牧場的放牧過程，得到單個牧戶或牧場的最優放牧條件，從而制定相應的放牧制度，對單個牧戶或牧場的生產實踐工作更具有實際指導意義和可操作性。

模型；季節性輪牧；動態草畜平衡；放牧管理過程；烏蘭縣

0 引言

【研究意義】草畜平衡是指為保持草原生態系統良性循環，在一定區域和時間內，使草原和其他途徑提供的飼草料總量與飼養牲畜所需的飼草料總量保持動態平衡[1]，而合理載畜量的計算、確定適宜放牧強度是進行草畜平衡的最基礎工作[2-3]?！厩叭搜芯窟M展】近年來，為了草原生態文明建設的深入推進[4]，保持草原畜牧業的健康發展[5]，有關草畜平衡的研究越來越多，如陳全功[6]根據季節放牧的特征，提出了關鍵場理論并應用于西部地區載畜平衡研究；李青豐等[7]通過自由放牧與禁牧的試驗對比研究，認為春季休牧能夠有效保護草原的生態環境；呂鑫等[8]考慮實測資料的局限性，利用產草量遙感估算模型，對比分析青海省兩個地區的草畜平衡狀況；李猛等[9]利用氣候因子驅動的TEM模型對區域植被的生產潛力進行模擬，以三江源自然保護區為研究對象進行草畜平衡分析。我國的草畜平衡管理建立在平衡生態學理論的基礎上，而在以水資源為主要驅動力的干旱半干旱地區，不穩定的降水使牧區草地生態系統呈現出高度的變異性，表現為非平衡態或者多平衡態，因此將牧區水資源納入到牧區草畜平衡管理中，一方面以牧區水-草-畜系統的平衡來實現牧區的水資源平衡與草畜平衡[1]，另一方面結合不同來水頻率，以不同來水條件下草地的生產力的浮動規律來模擬草地生態系統變異性，以牧草產草和牲畜需草的過程平衡來描述牧區的動態載畜能力[10]。烏蘭縣位于我國青海省，擁有豐富的天然草地資源，其面積約占全縣土地總面積的60%，長期以來畜牧業是烏蘭縣重要的經濟支柱，加快畜牧業發展是該地區經濟發展的客觀要求[11]。自1956年起，烏蘭縣牧區開始實行暖、冷兩季輪牧，是典型的高寒荒漠草原季節性牧區。近年來，在經濟發展的驅動下，牧民為實現自身利益最大化，盲目增加牲畜數量，提高牲畜出售數量，不注重牧區放牧管理方式，另外受氣候變暖和水資源短缺的影響，烏蘭縣的生態環境十分脆弱[12]。丁成翔等[13]和LIU等[14]都對烏蘭縣進行了草畜平衡計算工作，其研究結果印證了烏蘭縣牧區超載現實，而且存在冷季牧場欠載、年末存欄量過低和牧草資源未充分利用等問題，提出改良現有放牧制度、調整出欄率等建議。因此研究適宜該地區的放牧方式，優化放牧管理過程，不僅有利于當地畜牧業的現代化轉型[15]，而且對烏蘭縣牧區生態效益和經濟效益都有非常重要的現實意義[16]。在草原牧區放牧過程中，畜牧業管理者通過不斷調控牧區合理載畜量和保持牧區的草畜平衡，根據草地承載能力合理限制草地放牧牲畜數量，從而實現草地資源的可持續利用[17]。【本研究切入點】目前我國關于牧區產草量估算、超載程度和草畜平衡分析的研究較多[18-21]，但關于牧區放牧管理過程優化的研究較少?！緮M解決的關鍵問題】因此，本文根據季節性輪牧的特點和牲畜生產節律，考慮了草地資源的時空隔離和牲畜數量的動態變化，對暖季、冷季兩個草場放牧時間段進行細化，在現有合理載畜量計算方法的基礎上，以載畜量最大為目標，以動態草畜平衡為約束條件，以轉場時間和出欄率為優化參數，建立了放牧-管理優化模型，選取青海省烏蘭縣牧區作為高寒荒漠草原季節性牧區的典型代表，利用遺傳算法尋優，確定烏蘭縣豐、平、枯三種降水情景下最優放牧條件，進行烏蘭縣牧區草畜平衡優化模擬計算和動態草畜平衡分析，以期為進一步優化烏蘭縣單個牧戶或牧場的放牧過程提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文使用的數據來自課題組分別于2017年8月、2018年8月和2020年8月在青海省烏蘭縣獲取的調研數據，主要通過走訪烏蘭縣統計局、水利局、草業局、牧科所等相關單位以及部分當地牧戶。

1.2 研究區概況

本文研究區為青海省烏蘭縣（97°01′—99°27′E、36°19′—37°20′N，圖1），隸屬于青海省海西蒙古族藏族自治州，位于青海省中部、海西蒙古族藏族自治州和柴達木盆地東部，總面積12 858.16 km2，平均海拔4 000 m左右。全縣東西長216.9 km，南北寬112 km。多年平均氣溫1.6—3.3℃，多年平均降水量187.5 mm，水面蒸發量2 000—3 000 mm，無霜期90 d左右，日照充足，晝夜溫差大，雨熱同季，屬高寒大陸性氣候。按照水資源分區原則，可將烏蘭縣劃分為希賽盆地和茶卡盆地兩個分區。全縣共有天然草地109.6萬km2，其中可利用草場面積49.1萬km2。此外，還有人工草地1 540 km2，用于人工飼料草種植，以補充飼料。

圖1 烏蘭縣地理位置示意圖

1.2.1 牧草資源現狀 烏蘭縣牧草物候期從4月初開始返青至10月底停止生長，生長期約206 d。依據已有研究成果[10,22-23]和草地基礎資料（表1），可計算得到牧區可利用產草量。而牧區可利用產草量的計算包括天然草地可利用產草量計算和人工草地可利用產草量計算，計算方法參考《T∕CHES 60-2021牧區水草畜平衡計算與評價技術規范》和課題最新的研究成果。由于受放牧空間和時間的限制，天然草地可利用產草量利用公式（1）進行計算，牧草利用率參考烏蘭縣草原工作站的數據，分別取冷季草場利用率為0.75，暖季草場利用率為0.80；而人工草地可利用產草量受到的限制較小，可直接采用其產草量值，按烏蘭縣牧區實際，人工牧草利用率為0.9，草地生產力為12 000 kg·hm-2。具體計算公式如下：

（1）

式中：表示牧區天然草地可利用產草量，kg；表示天然草地種類；表示天然草地的牧草利用率；表示不同降水情景下的產草量豐枯系數，取豐、平、枯3個降水情景分別為1.13、1.00和0.87；S表示各類天然草地面積，hm2；Y表示各類天然草地生產力，kg·hm-2。

F=U·S·Y·（2）

式中：F表示牧區人工草地可利用產草量，kg；U表示人工草地的牧草利用率；S表示人工草地面積，hm2；Y表示人工草地生產力，kg·hm-2；表示人工草地的灌溉系數，本文取1。

表1 烏蘭縣牧區草地資源現狀

通過上述計算公式可得烏蘭縣不同降水情景下天然草地和人工草地可利用產草量（表2）。人工草地產草量作為當地牲畜冷季補飼。

1.2.2 牲畜放牧規律 當前烏蘭縣牧區實行冷（冬春）、暖（夏秋）兩季輪牧，其中暖季牧場從7月初開始放牧至11月中旬結束，輪牧144 d，冷季牧場從11月下旬開始放牧，輪牧221 d，至翌年6月底結束。

烏蘭縣草場牲畜飼養主要以青海半細毛羊為主。由于烏蘭縣冬季寒冷，氣候變化異常，該地半細毛羊普遍進行冬配春產，最大限度提高雜種羔羊的成活率。牧區牲畜數量動態變化受控于牲畜的產羔和出欄兩個生產節點：1—4月和9—10月。據此可以將全年牲畜數分為兩個階段，第一階段：5—10月，由于4月母羊產羔過程完畢，牲畜數量達到最大值，即年中牲畜統計量；第二階段：上一年11月至當年4月，隨著牲畜的出售出欄，牲畜數量減少到最小值，即年末牲畜存欄量。依據收集2008— 2019年烏蘭縣畜牧業資料，可得烏蘭縣牧區牲畜出欄率最高為57.28%，最低為37.13%，多年均值為45.53%。

1.3 研究方法

通過分析牧區是否達到動態草畜平衡來判斷牧區全年合理載畜量是否最優的主要思路，有效的優化方法能夠尋找最優情況下牧區全年最大合理載畜量。本研究將同時通過優化結果計算牧區可利用產草量和牲畜需草量之間的差值對牧區動態草畜平衡狀況進行分析。

表2 不同降水情景下天然草地和人工草地可利用產草量

根據牧區降水情況設置豐、平、枯 3 個降水情景，分別對應降水頻率為 25%、50%和 75%；表中可利用產草量不包括野生動物采食量

According to the rainfall in the pastoral area, three precipitation scenarios of wet, normal and dry were set, corresponding to the precipitation frequency of 25%, 50%, and 75%, respectively; the available forage yield in the table does not include the wildlife feed intake

1.3.1 放牧-管理優化模型 季節性輪牧是一種草地季節性利用的放牧管理方式[24-25]，即根據氣候、草地植被、地形、水源和管理等條件的差異以及牧民對草地的利用習慣，按季節劃分放牧草地，隨季節更替順序進行輪流放牧，在充分利用草地飼養牲畜的同時，又能夠有效地保護草地實現可持續利用[26-28]。目前，天然草地合理載畜量的計算公式為：

（3）

（4）

式中：A、A分別表示牧區暖季、冷季牧場合理載畜量，標準羊單位；F、F分別表示牧區暖季、冷季草場可利用產草量，kg；D、D分別表示牧區暖季、冷季牧場放牧天數，d；表示標準羊單位的日食草量（干草），kg·d-1。

根據牧區季節性輪牧的現狀，考慮輪牧過程草地資源的時空隔離和牲畜數量的動態變化，本文對暖季、冷季草場放牧時間段進行細化，設1為出欄至轉場的間隔天數，設2為出欄至產羔的間隔天數。在D時間段內，牲畜數量發生一次變化，即牲畜出欄，將D細分為兩個階段：①牲畜出欄前的放牧天數D-1，對應牲畜數量為；②牲畜出欄至轉場時的放牧天數1，對應牲畜數量為/(1+)。同樣，在D時間段內，牲畜數量再一次發生變化，即牲畜產羔，將D細分為兩個時間段：①牲畜轉場至產羔前的放牧天數2-1，對應牲畜數量為/(1+)；②牲畜產羔至放牧周期結束時的放牧天數D-2+1，對應牲畜數量為。因此，在進行暖季放牧時牲畜需草量等于兩個時段的牲畜需草量之和，第一個時段牲畜需草量為××(D-1)，第二個時段牲畜需草量為××1；在進行冷季放牧時牲畜需草量也等于冷季兩個時段的牲畜需草量之和，第一個時段牲畜需草量為××(2-1)，第二個時段牲畜需草量為××(D-2+1)。從而得到暖季、冷季草場牲畜需草量計算公式為：

式（5）、（6）中：E、E分別表示牧區暖季、冷季牧場牲畜需草量，kg；表示牧區牲畜的年中統計量，標準羊單位；1表示牧區牲畜的出欄至轉場間隔天數，d；2表示牧區牲畜的出欄至產羔間隔天數，d；表示牧區牲畜出欄率。

基于此，本文通過調整牲畜由夏秋牧場進入冬春牧場放牧的時間和控制牲畜出欄率，以牧區達到動態草畜平衡狀態為衡量標準，實現牧區全年合理載畜量最大的最終目標，提出放牧-管理優化模型。在放牧-管理優化模型中，最優合理載畜量目標反映了牧區草場的最大承載能力，在對牲畜轉場時間和牲畜出欄率進行優化時，以最優合理載畜量作為首要目標，同時為了使多目標優化問題轉化為單目標優化問題，將牧區動態草畜平衡目標轉為動態草畜平衡約束。模型主要結構如下：

（1）目標函數

牧區全年合理載畜量達到最大，即：

Max=（7）

式中，表示牧區全年合理載畜量，標準羊單位。

該模型將牧區輪牧牧場中載畜量較小的一個作為整個牧區的關鍵場，而此關鍵場的合理載畜量決定了整個牧區草場的合理載畜量。計算公式為：

=min{A,A} （8）

式中，符號意義同前。

考慮暖、冷季放牧天數和牲畜數量分別受轉場時間和出欄率的影響，引入變量1、2對暖、冷季合理載畜量進行計算，此時暖季草場兩個時段的放牧天數發生變化：①牲畜出欄前的放牧天數D-1；②牲畜出欄至轉場時的放牧天數1。同樣，冷季草場兩個時段的放牧天數也發生變化：①牲畜轉場至產羔前的放牧天數2-1；②牲畜產羔至放牧周期結束時的放牧天數D+1-2。據此可以得到暖、冷季合理載畜量計算公式為：

（9）

（10）

式（9）、（10）中：1（變量）表示優化后牧區牲畜的出欄至轉場間隔天數，d；2（變量）表示牧區牲畜的出欄率。

（2）約束條件

牧區牲畜需草量主要取決于牧區牲畜數量，牧區牲畜數量的變化主要體現在牧區的牲畜生產節律。由于牧區牲畜的產羔和出欄，牧區年中牲畜數和年末牲畜數之間差異較大，導致各輪牧區的牲畜需草量也發生變化。為實現整個牧區的草畜平衡，需在各輪牧區放牧天數內，使其可利用產草量與牲畜需草量相等，因此該模型的動態草畜平衡約束如下：

①當暖季草場合理載畜量小于冷季草場合理載畜量（A＜A）時，暖季草場作為整個牧區的最小關鍵場，此時需要冷季草場可利用產草量與牲畜需草量達到平衡狀態，即：

式中，符號意義同前。

②當冷季草場合理載畜量大于暖季草場合理載畜量（A＞A）時，冷季草場作為整個牧區的最小關鍵場，此時需要暖季草場可利用產草量與牲畜需草量達到平衡狀態，即：

式中，符號意義同前。

（3）模型求解

遺傳算法GA（Genetic Algorithm）是基于生物界規律和自然遺傳機制的一種全局優化算法[29]。自其誕生以來就受到眾多學者的關注，經過多年的不斷發展，GA在各個領域都得到了廣泛應用，本研究采用GA對放牧-管理優化模型進行求解，算法具體步驟見圖2。

圖2 基本遺傳算法求解流程圖

1.3.2 優化參數設置 烏蘭牧區牲畜在10月底出欄完畢，實際轉場時間為11月下旬，在此期間牲畜數量急劇下降，牲畜轉場時間提前會使合理載畜量變大，因此設置變量1取值范圍：

0≤1≤30。

出欄率是動態聯系暖季、冷季草場載畜量的最關鍵因子，提高出欄率能夠有效提升牧民經濟收入，降低冷季草場載畜壓力，改善暖季、冷季草場載畜量結構，但出欄率過高會導致存欄不足，影響翌年牲畜數量的繁殖恢復，而出欄率過低又直接影響牧民收入，造成冷季草場載畜壓力過大。對于烏蘭縣牧區，其牲畜出欄率歷年最高為57.28%，最低為37.13%，因此設置變量2取值范圍：

35%≤2≤60%。

通過改變出欄率計算得出（圖3）：提高出欄率能夠增大合理載畜量但會造成更多的牧草資源不能夠充分利用，降低出欄率雖然使合理載畜量變小但可以減少未利用飼草量。馮秀等[3]通過試驗監測確定出內蒙古典型草原合理放牧強度閾值，認為該閾值中存在使生態效益和經濟效益二者均衡最優的放牧強度，因此為尋得烏蘭縣牧區未利用飼草量最低且全年合理載畜量最優時的出欄率，變量2取值范圍設置較為合理。

注：未利用飼草量是指可利用產草量和牲畜需草量之間的差值

2 結果

2.1 不同降水情景下最優放牧條件

根據已有資料，利用遺傳算法對放牧-管理優化模型求解得到優化結果（表3）。由表3可知，3種降水情景下1、2的解并不唯一，而是分別有4、4、3組優化結果。這是由于優化模型中的變量1的實際意義是表示天數，在計算過程中只能取整，找不到恰好滿足約束條件的解（未利用飼草量無法為0 kg），另外遺傳算法是一種近似優化算法，具有隨機性，它的每個解都是近似最優解，因此優化結果實際上是一個調控方案集[30]，在此調控方案集中無論采取何種方案，理論上結果都是最優的。

通過對比優化前后合理載畜量和未利用飼草量可知，放牧-管理優化模型對牧區不同降水情景的模擬結果均較好。優化后烏蘭縣牧區在豐水年合理載畜量較優化前提高了9.80%—11.75%，未利用飼草量降低到2.8—3.5萬kg；平水年合理載畜量較優化前提高了9.78%—11.75%，未利用飼草量降低到0.4—3.1萬kg；枯水年合理載畜量較優化前提高了10.43%—11.72%，未利用飼草量降低到1.2—4.7萬kg。這表明相比之前提到的改變單一變量的影響，同時改變1、2更為合理，變量1、2之間存在明顯的相關關系，在提高出欄率的同時將牲畜轉場時間提前，可以增大牧區合理載畜量且能夠極大減少未利用飼草量，但并非變量1越小、2越高結果就越優，而是在牧區未利用飼草量最低時達到最優，此時的1、2作為牧區最優放牧條件，牧區合理載畜量作為最優合理載畜量。因此，烏蘭縣牧區在豐水年最優放牧條件為牲畜在11月1日轉場和出欄率43.4%，最優合理載畜量為109.92萬標準羊單位；平水年最優放牧條件為牲畜在11月3日轉場和出欄率38.2%，最優合理載畜量為96.14萬標準羊單位；枯水年最優放牧條件為牲畜在11月3日轉場和出欄率36.7%，最優合理載畜量為83.64萬標準羊單位。建議烏蘭縣牧區畜牧業管理者基于優化結果對放牧管理過程作出相應調整，這對烏蘭縣的經濟發展和生態環境保護具有一定的借鑒意義。

從不同降水情景下載畜能力結果來看，進行放牧管理優化并不能改變牧區豐、平、枯水年合理載畜量的差距，優化前后烏蘭縣牧區豐水年合理載畜量較枯水年均高出30%，牧區載畜能力表現為多平衡態的浮動性，可見除牲畜出欄率和轉場時間外，降水量也是影響牧區合理載畜量的重要因素，特別是干旱半干旱草原牧區的草地生態系統受降水量影響較大[19]，因此對部分天然草地進行人工灌溉，以彌補牧區枯水年份天然來水量不足，能夠提高天然草地生產力從而增加牧區的載畜能力。

表3 不同降水頻率下模型優化結果

2.2 平水年動態草畜平衡分析

參考覃琳等[10]對祁連山北麓牧區的動態草畜平衡研究，以平水年為例，分析烏蘭縣季節性牧區產草過程和基于最優合理載畜量的牲畜需草動態過程（圖4）。烏蘭縣天然草地可利用產草量主要集中在5月至10月，7月份達到峰值，冷季草場整體高于暖季草場，其中暖季草場可利用飼草供牧區進行暖季放牧時牲畜采食，冷季草場可利用飼草供牧區進行冷季放牧時牲畜采食；各月牲畜需草量隨牲畜數量的變化在牧業年度內形成波動性周期。

整體牲畜需草量分為兩個階段，第一階段：5月至10月，牲畜數量為年中統計量（即最優合理載畜量96.14萬標準羊單位），該階段飼草資源豐富、載畜量高、需草量大，牧民主要依靠這個階段的牲畜育肥、產毛等獲得經濟收益，因此該階段也稱“育畜收益”階段；第二階段：11月至翌年4月，隨著10月底牲畜出欄的結束，該階段牲畜數量減少為年末存欄量（即出欄后載畜量69.57萬標準羊單位），需草量相應減少，在冬季惡劣環境的條件下，牧民需要克服冷季飼草不足的困難，維持一定數量的存欄牲畜，保證翌年的牲畜繁殖和數量恢復，因此該階段也稱為“保畜越冬”階段。

圖4 烏蘭縣牧區產草過程與牲畜動態需草過程

根據烏蘭縣牧區產草過程和牲畜動態需草過程進行牧區動態草畜平衡分析（圖5）。牲畜在牧草的生長季（7月初）進入暖季牧場放牧，由于8—10月牧場可利用產草量小于牲畜需草量，月末剩余草量呈下降趨勢，直至11月2日飼草剩余0.4萬kg；11月3日牲畜轉場進入冷季牧場放牧，此時牧區牧草不再生長，且隨著牲畜的不斷采食，牧場可利用飼草量呈下降趨勢，直至翌年6月底飼草剩余0 kg，即全部消耗殆盡。

通過對比優化前后的動態草畜平衡過程可以看出，放牧-管理優化模型對烏蘭縣季節性牧區的適用性較好。優化前后均可實現動態草畜平衡，說明季節性輪牧是一種適宜烏蘭縣牧區的放牧方式。但是按優化前（牲畜在11月22日轉場，出欄率為45.33%）載畜放牧，冷季牧場剩余草量超過6 130萬kg，可見由于草場輪牧，冷季牧場可利用飼草不能被完全利用，這說明烏蘭縣牧區放牧管理方式存在不合理之處。在調整牲畜轉場時間為11月3日、出欄率為38.2%后，烏蘭縣牧區的關鍵場由暖季牧場變成冷季牧場，暖季牧場余草量僅剩0.4萬kg，可見優化后可以實現牧草資源高效利用，牧區可利用飼草未充分利用問題得到有效解決。這表明在牧區暖季牧場可利用產草量明顯低于冷季牧場時，此時牲畜未出欄，牲畜數量較高，對牧草的采食強度高，提前轉場（縮減暖季牧場的放牧時間而延長冷季牧場的放牧時間）不僅可以緩解夏秋草畜矛盾，減輕暖季草場載畜壓力，更有利于暖季草場牧草充分發揮其再生優勢。

圖5 烏蘭縣牧區動態草畜平衡分析

3 討論

3.1 牧區草場發生退化的原因分析

超載過牧仍是導致草地退化的主要原因[26]。但部分超載過牧的背后，是對牧區草地資源分配及利用的不合理，實際上牧區并沒有達到其最大載畜能力，反而低載畜量也會導致牧區不能進行高效持續的放牧利用，從而使草地植被發生不期望的變化。本研究針對季節性輪牧過程中草地資源的時空隔離和牲畜數量的動態變化，構建出放牧-管理優化模型，通過該優化模型可以提高不同降水情景下牧區合理載畜量，對于草原牧戶來說，更高的合理載畜量意味著更高的經濟收入，且不會造成草原牧區超載過牧，有效解決草原牧區對草地資源利用的不合理。而對于季節性輪牧區冷、暖季草場面積劃分的不合理，放牧-管理優化模型可以在改進后進一步對草場面積進行劃分，調整部分冷季草場進行暖季放牧，但由于縣級情況復雜，可操作性并不強。此外，研究表明降水量是影響牧區合理載畜量的重要因素，與覃琳等[10]在肅南縣祁連山北麓牧區的研究結論一致，天然草場產草量受天然來水量影響較大，因此建議重點培育和發展人工草地以提升草場劃分的合理性，人工草地作為高效、穩定、可控的灌溉草地，一直都被視為解決牧區畜牧業發展與天然草原生態保護之間矛盾的重要措施[31]。

3.2 放牧-管理優化模型的優勢

草畜平衡作為當前草原管理的主要措施，牧區載畜量調控是草畜平衡的核心工作。牲畜轉場時間和出欄率在季節性輪牧過程中直接影響牧區全年合理載畜量，將二者作為草原放牧管理調控過程中的關鍵因子引入到放牧-管理優化模型中，按照放牧-管理優化模型優化得到的最優放牧條件進行放牧對草原牧區統一管理更具有實際指導意義和可操作性。尹燕亭等[32]通過對蘇尼特右旗畜牧業產值和牲畜結構的各影響因素定量分析認為，氣候變化是影響縣域畜牧業發展的重要因素，付偉等[33]通過對青藏高原高寒草地放牧生態系統的分析認為,合理放牧是決定放牧生態系統草地群落結構的關鍵?；跁r空異質性并綜合考慮氣候變化，在實現草原牧區可持續發展理念的基礎上合理利用草地資源，利用放牧-管理優化模型進行科學計算得到最優合理載畜量，遵照保護性利用的原則，同時考慮高寒荒漠草原季節性牧區不同的生態環境條件，基于最優合理載畜量對牧區進行適宜載畜量調控，不僅有利于實現草原牧區動態草畜平衡，還能夠有效解決牧區超載過牧帶來的草地退化和生態環境惡化等問題抑或是欠載放牧帶來的經濟收入水平較低等問題[17]。因此，建議今后烏蘭縣牧區可以依據當年的氣候情況動態調整放牧條件，發揮草地資源的最大效能, 實現放牧草場的優化控制。

3.3 放牧-管理優化模型在單個牧戶或牧場的應用與意義

目前針對縣域開展草畜平衡計算工作的研究頗多，其目的是評價區域草畜平衡狀況，為提出合理的建議和制定具有針對性的措施提供理論和科學依據[2-3,10,13-14]。而本文構建的放牧-管理優化模型則是以優化放牧制度為研究思路，以縣域為研究尺度，即以整個烏蘭縣牧區為研究實例，從理論上來說，得到的放牧制度可以作為整個牧區的放牧依據，但由于它是一個固定策略，實際上政府很難規定單一普適的放牧制度，因牧戶個體和草原生態的多樣性，各生產單位、牧戶也不可能步調一致。若將該模型應用于單個牧戶或牧場，其結果靈活多變，會優于固定策略，能夠為牧戶或牧場制定合適的放牧制度，對于指導牧業生產實踐具有實用價值。由于調研時未收集到單個牧戶或牧場的放牧生產系統的詳細資料，因此本文并未對單個牧戶或牧場的放牧生產系統進行優化模擬研究，希望能夠在日后的調研工作中獲得更為詳細的數據資料，進行單個牧戶或牧場的放牧制度優化。

4 結論

（2）除牲畜出欄率和轉場時間外，降水量也是影響牧區合理載畜量的重要因素。優化前后烏蘭縣牧區豐水年合理載畜量分別是98.36和109.92萬標準羊單位，較枯水年合理載畜量75.74和83.64萬標準羊單位均高出30%，說明放牧-管理優化模型并不能改變牧區豐、平、枯水年合理載畜量的差距。

（3）通過優化前后動態草畜平衡分析的對比，放牧-管理優化模型能夠實現高寒荒漠草原牧區牧草資源高效利用，有效解決冷季草場的可利用飼草未充分利用問題，從而避免牧區出現冷季牧場牲畜欠載和年末牲畜存欄量過低的情況，說明該優化模型對高寒荒漠草原季節性牧區放牧管理過程調控和草畜平衡優化的適用性較好。今后，可以在研究牧草補償性生長和草畜平衡相互關系的基礎上進一步構建優化模型，確定優化放牧條件，為保護我國高寒荒漠草原生態環境和指導草原牧區綜合可持續發展提供科學依據。

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Study on Seasonal Grazing Management Optimal Model in Alpine Desert Steppe

HU ZhiQiang, SONG XiaoYu, QIN Lin, LIU Hui

State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048

【Objective】 In order to protect the ecological environment of China’s alpine desert steppe and guide the comprehensive and sustainable development of grassland pastoral areas, this study took the alpine desert steppe as the research object, and the optimization simulation calculation and dynamic balance analysis of grassland and livestock were carried out. 【Method】 In this paper, based on the characteristics of seasonal rotational grazing and livestock production rhythms, the spatial and temporal segregation of grassland resources and the dynamic changes in livestock numbers were considered, and the two pasture grazing time periods of warm season and cold season were refined. On the basis of the existing reasonable livestock carrying capacity calculation method, the maximum livestock carrying capacity was the goal, the dynamic grass-livestock balance was the constraint, and the turnout time and slaughter rate were the optimization parameters. A grazing-management optimization model was established, and the Ulan County Pastoral area of Qinghai Province was selected as the typical representative of alpine desert seasonal pastoral area.Based on the genetic algorithm optimization,the optimal grazing conditions under the three precipitation scenarios of wet, normal and dry in the pastoral area of Ulan County were determined, a simulation to optimize the forage-livestock balance and dynamic forage-livestock balance analysis was carried out, and thenthe results with those before optimization were compared. 【Result】The simulation results of the grazing-management optimization model were better for different precipitation scenarios in the grazing area. Based on the lowest amount of unutilized forage, the optimal grazing conditions under the three precipitation scenarios of wet, normal and dry in the pastoral area of Ulan County were determined to be the transition of livestocks on November 1 with a slaughter rate of 43.4%, the transition of livestocks on November 3 with a slaughter rate of 38.2% and the transition of livestocks on November 3 with a slaughter rate of 36.7%, respectively. The optimal proper carrying capacity was 1.099million sheep unit, 0.961million sheep unit and 0.836million sheep unitin high, normal, and low flow years, respectively, which were 11.75%, 10.44% and 10.43% higher than the proper carrying capacity before optimization, respectively. In addition to the livestock slaughter rate and the transition time, the precipitation was also an important factor affecting the proper carrying capacity in pastoral areas. Before and after optimization, the proper carrying capacity of Ulan County’s pastoral area in wet years was 0.983 and 1.099 million sheep unit, respectively, which was 30% higher than the proper carrying capacity of 0.757 and 0.836 million sheep unit in dry years, respectively. Through the analysis of pasture grass production process and livestock dynamic grass demand process, the dynamic grass-livestock balance calculation for the normal flow year in the pasture area of Ulan County was found that the available forage in the cold season pasture before optimization could not be fully utilized, the grazing process was unreasonable, and the surplus grass amount was more than 61.3 million kg, while after optimization, the problem of underutilization of available forage was effectively solved and the forage resources were efficiently utilized. For the whole grazing area of Ulan County, the adjusting grazing turnout time and livestock slaughter rate was a reliable way to improve the grazing system. The grazing-management optimization model was used to optimize the grazing process in the grazing area, which could ensure the high proper annual carrying capacity in the grazing area while being able to achieve a dynamic grass-livestock balance in the seasonal grazing area.【Conclusion】 The grazing-management optimization had the good applicability to alpine desert seasonal pasturing areas and had the certain superiority in the regulation of grazing management process and the optimization of forage-livestock balance in rotating pastoral areas. The grazing-management optimization model could effectively regulate the livestock carrying capacity of a grazing area, and its optimization results could provide reference for the development of a reasonable grazing system. Therefore, the model could be used to optimize the grazing process of a single herding household or ranch, to obtain the optimal grazing conditions for a single herding household or ranch, so as to develop the corresponding grazing system, which was more practical guidance and operability for the production practice of a single herding household or ranch.

model; seasonal rotational grazing; dynamic forage-livestock balance; grazing management process; Ulan County

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.19.015

2021-04-30；

2022-07-28

國家重點研發計劃（2016YFC0400301）

胡志強，E-mail：huzhiqiang233@163.com。通信作者宋孝玉，E-mail：songxy@xaut.edu.cn

（責任編輯 林鑒非）