基于系统相悖理论的生态家庭牧场天然与栽培草地资源配置探析

傅理，谢应忠，马红彬，邢恩德，田秀民

（1.宁夏大学农学院，银川 750021；2.宁夏大学新华学院，银川 750021；3.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020）

我国天然草原总面积约4.0×108hm2，约占国土面积的41%，占世界草原面积的13%，其中可利用面积约3.1×108hm2，是我国陆地上面积最大的生态系统类型[1-3]，在防治水土流失、应对气候变化和保护生物多样性等方面发挥着十分重要的作用[4-5]。但近年来，受全球气候变化影响，降水区域差异明显增加，极端天气现象频发[4,6-7]，加之受地下水资源过度开发、天然草地超载过牧、草原监管环节薄弱等影响，草原退化严重，恢复难度和成本倍增，严重威胁着国家生态安全[8-9]。我国天然草原主要分布于西藏、内蒙古、青海、新疆、四川、甘肃等地，占全国草原总面积的80%以上[3,10-12]。作为草地畜牧业最基础组成单位的家庭牧场最早起源于19世纪初的北美，国内近年来也开展了相关研究[13-17]，内蒙古自治区也于2015年发布了《内蒙古自治区家庭农牧场认定工作意见》，目前发展生态家庭牧场逐渐成为牧区生态友好、农牧民增收和社会可持续发展的趋势[18-19]。众多研究结果表明，制约荒漠草原区发展最关键的因素是水[20-21]。地处我国北方的内蒙古草地和宁夏草地以温性和荒漠草原为主，年降水量最低时小于200 mm[3]。在干旱与半干旱区的牧区，降水年际变化、季节分布等会对草地地上生物量产生重要影响[22]。

草地农业生态系统相悖，指2个或2个以上的系统，在进行系统耦合时所发生的系统性的结构不完善结合，以及由此导致的功能不协调运行，是系统耦合的对立面[23]。系统相悖作用于家畜和草地，就是通常所指的放牧过重或放牧过轻，即放牧程度失度。实际上，植物生产系统与动物生产系统的相悖群，可归结为时间相悖、空间相悖和种间相悖。时间相悖，即在自然状态下，一年中植物生产峰值（P）与谷值（V）相比，可以是P∶V→∞，而动物生产的P∶V＜60%；故以植物为食物的草食动物每年在植物生长季外，出现一段时间的亏缺期，而在植物生长旺季，又会出现一段时期的盈余期，我国牧区亏缺时段可长达4～7个月，即一年中的33%～84%时间放牧家畜处于营养不足状态，家畜体质量下降和冬春死亡损失总和约占牧业总产值的30%[23]。时间相悖不仅危害动物生产，同时也损害草地自身。动植物生产系统的空间相悖分为地区间相悖和季节放牧地的相悖，而在我国北方季节放牧地中冷季放牧地的负荷远比暖季放牧地重。总之，空间相悖与时间相悖互为因果，使草地资源的艰难处境愈演愈烈。而要实现天然草地与栽培草地合理配置，需在调查当地气象、水、土、草、畜及社会经济等状况的基础上，根据生态系统相悖理论，系统、科学统筹草地资源，有计划地进行草地资源配置，实现牧区在生态良性循环的前提下提高经济效益[4]。本文选取鄂托克前旗近30年气象因子及近年来的水、土、草、畜为研究对象，以草地农业生态系统相悖理论为基础，探讨草地资源配置方案，为实现牧区可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鄂托克前旗是一个以蒙古族为主体、汉族人口占多数的半农半牧地区，地处鄂尔多斯高原的毛乌素沙漠腹地，位于蒙陕宁3省交界（37°44′～38°44′N，106°26′～108°32′E）处，海拔1 161～1 564 m，属中温带温暖型半干旱、干旱大陆性气候[24-25]，日照长，辐射强，春暖快，夏热短，秋凉早，冬寒长；地表水总体缺乏，地下水较丰富；主要植被类型有典型草原、荒漠草原和草原化荒漠，隐域性植被为低地草甸[26-27]。

1.2 研究内容

研究区近30年的气象因子，水资源潜力，土地利用现状，天然与栽培草地建设现状，家畜结构和饲草料配置方案。

1.3 研究方法

近30年近地面空气温湿度、降水量、日照时数及百分率等气象数据从中国气象数据网（https://data.cma.cn/）获取；历年水资源监测数据及规划指标通过当地相关部门查询，其中地下水均衡模型以研究区内的地表、地下水为研究对象，研究各类水体在含水层中运移、转化、排泄的规律，以供用水为纽带，将地下水补排平衡关系和人工侧支水循环的供用耗排水平衡关系共同研究[28]。地下水均衡公式如下：

式中：Q补为地下水补给量，m3；Q排为地下水排泄量，m3；ΔQ变为地下水蓄水变化量，m3。

式中：Δh为地下水位变幅，m；μ为含水层给水度或释水系数；F为地下水位变化区面积，m2。

土地利用概况通过当地相关部门查询；栽培草地的种类、面积、产量等和天然草地的面积、季节牧场种类、利用方式、产量等通过野外观测获得；家畜状况、饲养方式、放牧（舍饲）起止时间、日粮组成等通过实地监测完成，在研究区重点选取饲喂方式相近的10个家庭牧场，对其羊只进行为期18个月的跟踪观测（忽略羊只品种及年龄结构差异）。数据统计及制图用Excel 2003和SPSS 20.0完成。

2 结果与分析

2.1 气象因子

降水是荒漠草原区发展家庭牧场十分关键的影响因子。研究区近30年的年降水量呈现峰谷波动态势，年降水量最高值为444.9 mm（1989年），最低值为135.9 mm（2005年），1987—1996年、1997—2006年和2007—2016年每10年的总降水量分别为2 893.6、2 397.3和2 664.1 mm，前15年和后15年总降水量分别为3 899.4和4 055.6 mm，在30年中只有5年的年总降水量低于200 mm（图1）。因此可以看出，研究区降水量总体呈先降后增的趋势，自2002年以来，降水量整体增多且平稳，生态环境逐渐好转。

图1 研究区近30年年降水量Fig.1 Annual precipitation in research area over the past 30 years

通过时间序列指数平滑法得出其他气象因子的月平均值与拟合值（图2），其中：降水量模型的R2＝0.684，空气相对湿度模型的R2＝0.659，日照时数模型的R2＝0.688，风速模型的R2＝0.469，气温模型的R2＝0.662。对研究区近30年气象因子原始数据的月平均值统计发现：月平均降水量呈峰状分布，多集中于6—9月，占全年的74.6%，8月最高，占全年的25.6%，12—2月降水量非常少，仅占全年的2.0%，将会严重影响翌年牧草返青；月平均最低气温从10月下旬至次年的3月中旬，约有5个月在0℃以下，7月平均温度达到峰值（23℃），最低气温17℃左右，最高气温接近30℃，同时，7月和8月也是全年极端温差最大的时段；空气相对湿度4月最低（33%），8月最高（57%），2—6月距平值为负值，这与此时期降水量及风速直接相关，而研究区草场自3月20日至6月20日是围封禁牧期，空气相对湿度的持续走低不利于牧草返青。年日照时数为2 874.6 h，光照充足，5月最多（288.4 h），约占全年的10.3%，2月最少（201.2 h），约占全年的7%，4—8月高于均值，9—3月低于均值。

图2 研究区近30年气象因子时间序列Fig.2 Time series of meteorological factors in research area over the past 30 years

对研究区近30年气象因子的相关性分析（表1）可知，月平均降水量与月平均相对湿度、月平均日照时数及月平均气温均呈极显著正相关，而月平均相对湿度与月平均日照时数及月平均风速呈极显著负相关，月平均日照时数与月平均风速及月平均气温呈极显著正相关，月平均风速与月平均气温也呈极显著正相关。结合表1的结果，并通过主成分分析提取确定了2个主成分，其中，在各气象因子中，第一主成分包含原变量中的月平均气温和月平均降水量，说明这2大因子在研究区发展家庭牧场非常关键。

表1 研究区近30年气象因子相关矩阵Table 1 Correlation matrix in research area over the past 30 years

2.2 水资源

从表2可以看出：本研究区2015年4个乡镇的供水总量约为1.4×108m3，以地下水为主体，约占总量的90%；农牧业用水约为1.3×108m3，约占总量的92%，其中农业灌溉用水比重最大，约占总量的89%[4]。根据本研究区发展规划[29]，2015年用水总量应控制在1.1×108m3，2020年为1.7×108m3，2030 年为2.7×104m3，农田灌溉水有效利用率达到60%～65%，而当前仅农牧业用水总量就已接近总供水量的92%，也逼近了2030年农牧业用水指标。因此，当前研究区用水压力很大且结构很不合理，急需通过调整产业结构、控制用水主体规模、提高用水效率等措施实现生态、社会和经济的协调可持续发展。

2.3 土地利用

由表3看出，研究区4个镇的耕地占比均非常少，林地面积约为耕地的12倍，牧草地比重最大（61.6%）。其中：上海庙镇牧草地面积比重最大，但是地下水位较低；城川镇的草地面积比重最小，地下水位较高，且由于受无定河补给，耕地面积高于其他镇；敖勒召其镇耕地、牧草地面积居中间水平，林地面积比重在4个镇中最高，原因在于该镇地下水位相对较高，适宜于根系较深的林木成活，且其地势较为平坦，农牧民可以通过现代化节水灌溉设备发展农耕产业，玉米秸秆及籽粒可以置换天然草场牧草，使天然草场得以休养生息。调查发现：研究区耕地粗放，重用轻养，地力衰退；林地干旱缺水，风大沙多，植树造林困难；天然牧草地面积虽大，但过度放牧严重，草场质量差，对生态家庭牧场的构建及可持续发展带来非常不利的影响。

表2 研究区供用水情况（2015）Table 2 Water supply and use in research area(2015)

从表4可以看出，研究区土地利用方式与水资源潜力关系密切。农业灌溉用水量与总用水量极显著相关（0.01水平），与耕地面积显著相关（0.05水平）；家畜饮水量与农业灌溉耗水量极显著相关（0.01水平），与总供水量和耕地面积显著相关（0.05水平）。可见，研究区发展生态家庭牧场的关键要素是水，在地下水资源丰沛区建立高效栽培饲草地尤为重要。

2.4 牧草资源

研究区饲草资源主要源自天然草地、栽培饲草地和农作物秸秆，供需关系如图3所示。研究区天然草原总面积约为96.3×104hm2，占该区土地面积的79.1%，其中可利用草原面积为81.5×104hm2，占草原总面积的84.6%。天然草地生长旺季平均可食单产约为450 kg/hm2，枯草期可食单产约为298 kg/hm2，而标准羊单位天然草地需求面积为暖季0.65 hm2，冷季1.9 hm2。

表3 研究区农业用地概况Table 3 Survey of agricultural land in research area

表4 研究区土地利用与水资源的相关性分析Table 4 Correlation analysis between land use and water resources in research area

研究区栽培饲草料和农作物用地约为8.1×104hm2，占该区土地面积的6.7%，占草料地总面积的7.8%。饲草料类型主要有苜蓿（Medicago sativa）、玉米（Zea mays）秸秆、玉米籽粒和黄贮玉米，其中：苜蓿为 4 399～4 459（头茬）、2 964～3 015（二茬）、2 401～2 456 kg/hm2（末茬），玉米秸秆为3 610～3 660 kg/hm2，玉米籽粒为 8 550～9 300 kg/hm2。研究发现：研究区栽培饲草料结构相对单一，青贮饲料严重缺乏，而玉米黄贮条件简陋，存量非常有限；日粮结构搭配主要依靠经验，缺乏科学指导；饲养规模超出应有的承载力，在全舍饲期间栽培饲草料供应只能勉强维持羊只生存需要，直接影响产羔母畜能量补充和体力恢复。

2.5 家畜结构与天然草地利用

图3 研究区天然与栽培饲草料供需关系Fig.3 Supply and demand relationship between natural and artificial forage in research area

由表5可知：羊只总量于2007—2011年均低于均值，2012—2015年逐年递增，2016年虽有小幅回落，但仍大于均值；大牲畜总量10年来总体保持平稳；因为羊只在家畜总量中占比约90%，所以年末牲畜存栏总量与羊只的分布态势相似，家畜增速总体态势也反映出当地水资源控制阈值及畜牧业中长期发展规划得到了较好的贯彻执行，以确保研究区生态家庭牧场可持续发展。若将大牲畜折算成羊单位，2016年末家畜存栏总量已触及规划年调控限额（2020年为90万～100万羊单位，2030年为114万～120万羊单位），给家畜饲草料供应带来了巨大压力。

表5 研究区家畜结构Table 5 Structure of livestock in research area 104heads

结合《内蒙古植被》中的内蒙古植被图（1∶400万），研究区地带性植被有沙地植被、低湿地植被、草原植被和荒漠植被。其中：沙地植被约占75%，有沙地柳叶鼠李（Rhamnus erythroxylon）灌丛，北沙柳（Salix psammophila）灌丛 ，沙地柏（Juniperus sabina）灌丛，油蒿（Artemisia ordosicaKrasch）半灌木，油蒿、麻黄（Ephedra sinica）群落；低湿地植被约占6%，主要是芨芨草（Achnatherum splendens）盐化草甸；草原植被约占8%，有戈壁针茅（Stipa tianschanicavar.gobica）草原，红砂（Reaumuria soongarica）—戈壁针茅草原，冷蒿（Artemisia frigida）草原；荒漠植被约占7%，主要为藏锦鸡儿（Caragana tibetica）+小针茅（Stipa caucasicasubsp.glareosa）草原化荒漠[30]。当地畜牧主管部门根据草地历史多年平均牧草产量和家畜结构，确定当前天然草地合理载畜量约为0.65羊单位/hm²，但在实际利用中超载现象较为普遍。因此，需结合研究区水资源分布特征，在放牧暖季，沙地灌丛和荒漠植被群落以山羊采食为主，而绵羊除了采食沙地灌丛部分植被外，还以草原植被和荒漠植被为食源，在放牧冷季，2种羊只牧草采食选择性不大；大牲畜主要以低湿地植被为采食对象。因此，研究区家畜饲养结构需要合理配置，确保各类型牧草得到有效利用。

3 讨论

3.1 天然与栽培草地质量配置

研究区天然草地产量和质量均低于栽培草地，栽培饲草料主要有紫花苜蓿、青贮玉米、黄贮玉米、玉米秸秆、饲料玉米籽粒等。研究区11—1月是天然草地牧草枯竭期，野外放牧难以满足采食需求，也是羊只产仔集中期。因此，野外短期放牧后需要补充栽培饲草料，以苜蓿干草+玉米秸秆+玉米籽粒混合饲喂，提高消化率，重点补充产羔母羊的体能；1—3月是母畜产仔后营养需求较高期，只能依靠栽培饲草料，此时增加苜蓿和玉米籽粒的配比，降低玉米秸秆的比例，可更好地提高仔畜的存活率；3—4月开始饲喂黄贮玉米，加之幼畜也逐渐采食草料，可停喂玉米籽粒；4—6月上午饲喂黄贮玉米，有限的苜蓿和玉米秸秆可安排在晚间饲喂。总之，应通过天然与栽培饲草料在营养成分上的合理搭配，安全度过饲草亏缺期，提高产投比。

3.2 天然和栽培草地数量与时间配置

天然草地产草量具有明显的季节性，加之冬春季又是母畜产羔集中期，只有通过合理配置和补饲栽培饲草料方能弥补亏缺。此外，为确保当地天然草地返青关键期免受破坏，于3月20日至6月20日全域禁牧是科学可行的，6月20日至10月20日，以天然草地放牧利用为主，栽培饲草料贮存以备冬春季利用，10月20日至11月底，主要采食天然草地枯草和玉米秸秆，12月至翌年3月20日，家畜有一定的野外放牧游走时间，上午和下午都要进行集中补饲，重点确保产羔母畜的营养补给，禁牧期饲喂青贮、黄贮饲料和晒制的干草，根据实际需要可以增加玉米籽粒比例。通过天然草地与栽培草地合理配置，确保饲草料供给与需求在季节上达到动态均衡，以此提高牧民经济收益。

3.3 草地生产与生态功能配置

发展生态家庭牧场既要发挥其生产功能，还要遵循生态优先原则。研究区地表水资源亏缺，但地下水资源开发潜力较大。通过调研发现，20年前该牧区地下水位较高，甚至有的低洼地方长期积水，随着近年来牧区垦田灌溉及造林面积的快速扩大，使得地下水位下降很快，目前该牧区已被列入国家牧区节水灌溉示范区。发展生态家庭牧场，实施天然和栽培草地功能置换，可在水土资源优越的敖勒召其镇和城川镇发展高产优质栽培草地，发挥栽培草地置换天然草地的功能，给天然草地休养生息空间；在水资源匮乏的昂素镇和上海庙镇，天然草地需要守住载畜量底线，冷季来临可淘汰老弱家畜，亏缺的饲草料可从较充裕的周边乡镇购买。此外，政府需按照“以水定草、以草定畜”的原则，严格监管农牧户新开水井数量和灌溉面积，统筹功能区规划，改变节水不省水的现象，合理确定灌溉饲草料基地发展规模和草原载畜量，积极引导发展高效节水的农牧产业。

4 结论

根据生态系统相悖理论[23]，对于研究区发展生态家庭牧场，时间相悖问题最为关键，空间相悖次之，种间相悖居后。在时间相悖问题中，由于天然草地产草能力直接决定于降水量，根据当地降水节律，3—6月的牧草返青期全域禁牧必须坚持，舍饲期间合理配置饲草种类和比例，确保家畜营养摄取，开牧后天然草地草量有限，需要严格控制载牧量，或缩短白天放牧时间并于归牧后补饲适量干草料，在降水丰沛期，通过家畜结构搭配，提高天然草地牧草利用率，进入冷季后，转入冷季牧场并允许采食田间玉米秸秆，进入冬季，确保每日一定时间的野外游走和采食，归牧后加大补饲力度，必要时单独饲喂产羔母畜；在空间相悖问题中，在地上水资源极其匮乏和地下水资源分布不均的情况下，加之气象因子难以干预，发展生态家庭牧场的前提是合理利用天然草场，在地下水土资源优越的敖勒召其镇和城川镇发展高产优质栽培草地，置换天然草地的功能，在地下水资源匮乏的昂素镇和上海庙镇，严格控制天然草地载畜量，缩短饲喂周期，提高周转效率，冷季来临时有序淘汰老弱家畜，亏缺的饲草料可从较充裕的周边乡镇周转；而牧户根据历年自家天然草场状况，已在家畜结构搭配运行中化解了种间相悖问题。