基于家畜生产优化管理模型的家庭牧场可持续发展研究

哈 洁，李治国，韩国栋

（内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010010）

我国是天然草地面积位居世界第三位的国家，约占国土面积的41.7%，仅次于澳大利亚和俄罗斯［1］。 我国天然草地复杂多样且空间差异大，由于全球气候时空格局的剧烈变化， 加之人为因素的频繁干扰，草地面积的年际变化频率增加［2］。 内蒙古草地是我国连片面积最大的草原，位于干旱、半干旱地区的温带草地是欧亚草地的重要组成部分［3］。 我国是草地资源十分丰富的大国，但自20世纪后半期以来， 人口数量的与日俱增导致人均草地面积仅0.33 hm2，不足世界人均草地面积的一半，人类活动对草地的影响日益广泛而深刻［4］。 同时因人口数量的不断增加， 带动了家畜数量的持续上涨。 牧户认为增加家畜数量可以实现畜牧业产值的增加，但高载畜率会带来较高的成本投入，导致净利润降低［5-6］，同样会使得草地资源和草地生态承载力问题更加突出， 不同程度地超载利用和经营草场使得草畜问题日益严重， 人为破坏草地的现象屡禁不止，草原不堪重负，草原生态和草地退化持续恶化［7-8］。

草地畜牧业作为我国重要的基础产业之一，既要满足人们日益增长的畜产品需求， 又要兼顾草地资源的长期利用， 保证草地的健康可持续发展是当前面临的主要问题。 任继周等［9］提出草畜平衡是实现草地畜牧业可持续发展的前提， 是一个系统问题， 需要从生产体系的角度提出配套系统的解决方案。 杨博等［10］提出以代谢能为评价指标，同时考虑牧草地植被组成、不同生长季节消化率及代谢能的动态变化3 种因素， 提出了通过冷季补饲、暖棚舍饲和调整产羔时间实现草畜平衡。白永飞等［11］提出草地退化的主要原因是人们片面追求草地生产效率而忽略生态功能， 若想实现草地生态功能合理配置，必须遵从生态优先、功能置换和因地制宜这几条原则。 侯向阳［12］提出只有将生态与生产结合起来， 同时考虑双方才是解决草地退化问题的可持续性和长久性方法， 任何偏袒某一方面的方法都不可能达到持续改善草原生态畜牧业状况的目的。

实施草畜平衡工作， 涉及家畜生产能力和牧民的经济效益等多方面因素［13］，不仅要按照以草定畜的基本原则，适当减少家畜数量，降低草原承载压力，还要保证农牧民的收入，认真贯彻以人为本和草地畜牧业可持续发展的生态理念， 以期为今后家庭牧场草地可持续发展和生态文明建设打下重要基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区乌兰察布市西北部四子王旗， 该旗地理坐标为北纬41°10′～43°22′，东经110°20′～113°00′。 总面积约256×104hm2，草地总面积为221×104hm2， 温性荒漠草原面积为168×104hm2，温性典型草原面积为12×104hm2，草地类型见图1。 该旗年平均气温3.4 ℃，年平均降水量280 mm， 具有高原地区气候条件下形成的干旱、降水量小于蒸发量、气候干燥等特点。 冬季严寒漫长，多寒潮天气；夏季炎热短促，降水少而集中，日照充足；春秋两季气温变化剧烈，干旱多风，四季更替非常明显。 主要土壤类型为淡栗钙土、棕钙土以及灰褐土，土壤含沙量大且疏松，若地表植被遭到破坏或大风剥蚀， 极易造成水土流失。

1.2 试验设计

该研究利用中国农业科学院草原研究所和内蒙古农业大学联合研发的软件——家畜生产优化管理模型（OMMLP），于2017 年对内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗的典型草原和荒漠草原两种草地类型进行大范围等距离的系统抽样调研，抽取牧户， 以两种不同草地类型的牧户作为研究对象， 采用入户走访的形式对与牧户有关的家畜生产经营现状填写调查问卷， 以不同草地类型面积的平均值和载畜率为模型模拟数据， 建立两个典型牧户作为分析对象， 典型牧户代表当地牧户实际生产规模的平均生产效率和技术水平。 通过OMMLP 中的草畜平衡模型模拟两个典型牧户草畜能量平衡现状；利用经济数据，结合草畜平衡模型模拟的研究结果， 通过优化管理模型模拟不同载畜率水平下牧户草畜供需现状及牧场生产系统牧民收入和支出状况。

图1 四子王旗草地类型图

1.3 模型介绍及原理

该研究使用中国农业科学院草原研究所和内蒙古农业大学联合研发的软件——家畜生产优化管理模型（OMMLP）的草畜平衡模型（feed balance analyzer，FBA）和优化管理模型（linear program optimizer，LPO），模型分别以代谢能和金额作为评价指标，通过对研究区牧户的基本信息、草地面积、家畜生产、经济效益、气象因素等相关数据进行概括说明和整合分析。 利用草畜平衡模型可以计算得出试验地一年中草地和家畜的能量平衡状态。利用优化管理模型， 通过对家庭牧场经济各类条件的设置，可以得到该家庭牧场具体消耗的资源、产出、利润等结果。以报表和曲线的形式描述该牧场的家畜现状，可以达到预测的效果，最终得出该家庭牧场最优的家畜生产模式， 实现在有限条件下的资源和环境的最优化配置以及牧民经济效益的最大化。

1.4 数据来源

该研究以四子王旗的两种不同草地类型的家庭牧场作为研究对象，通过问卷调查、综合评定、实地监测、取样分析的方法，获取模型所需变量数据，主要变量信息如下：

1.4.1 草地 天然草地（面积、植被组成、产量、利用时间和方式、牧草消化率）、人工草地（面积、种植种类、产量、利用时间和方式、牧草消化率）。

1.4.2 气象 最高/低环境温度、 月平均环境温度、风速、降水量。

1.4.3 家畜 品种、年龄结构及数量、体重（母羊：产羔前体重、产羔后体重，羔羊：初生重、监测月龄体重、出售前体重）、补饲量、产羔率、双羔率、死亡率、产毛（绒）量。

1.4.4 补饲 开始补饲日、补饲结束日、补饲干物质消化率、补饲费用。

1.4.5 经济 羔羊出栏数量及价格、 母羊淘汰数量及价格、购买家畜数量及价格、羊毛（绒）出售数量和价格、补饲饲料购买量和价格、雇工、草地租用、燃油、机械、暖棚、围栏等方面的花费、人工草地花费、其他收入与支出。

1.4.6 生产日历 产羔时间、 断奶时间、 剪毛时间、羔羊出栏时间、母畜出售时间、打草时间、配种时间、补饲时间。

2 结果

2.1 草地生长速率年动态变化

对两种草地类型的草地生长速率进行了监测（见图2），从图2 可以看出，虽然整体走势都是自4 月返青后， 牧草生长速率随着气温升高和水分增加而逐渐提高，7 月牧草生长速率和产草量达到全年最大值，其次是6 月和8 月，但不同草地类型的生长速率因其自然地理环境、 利用方式以及放牧强度的不同存在较大的差异。 相对充足的降水量使得典型草原在7 月草地生长茂盛期，生长速率最大可达15.5 kg/（hm2·d）； 而荒漠草原地区达12 kg/（hm2·d），植被状况较差，难以满足家畜需求。

图2 四子王旗家庭牧场草地生长速率

2.2 研究区超载过牧状况

不同草场经营面积的牧户的载畜率平均值和分布如图3 所示。随着草场面积的增加，载畜率的平均值逐步减少， 典型草原草场面积在［0，250）、［250，500）、［500，750）、［750，1 000］hm2的牧户的载畜率的平均值分别为1.86、1.24、0.89、0.49 羊单位/hm2。 荒 漠 草 原 草 场 面 积 在［0，250）、［250，500）、［500，750）、［750，1 000］hm2的牧户的载畜率的平均值分别为1.59、0.92、0.63、0.44 羊单位/hm2。 载畜率的分布可以更清晰地显示，无论是典型草原还是荒漠草原地区， 草场经营面积越大的牧户，载畜率越低，相反，草场经营面积越小的牧户，载畜率越高，由此可以看出中小牧户是草原超载的主体。

表1 的回归结果显示： 草料费支出项目与载畜率在0.01 水平上显著正相关，说明草料费支出越大的牧户，载畜率越大。 调研显示，典型草原牧户平均每户草料费支出为2.15 万元，荒漠草原牧户平均每户草料费支出为1.93 万元。 同时还有一个较有趣的发现，牧民年龄与载畜率呈现负相关，说明牧民年龄越高，载畜率呈下降趋势。

2.3 草畜能量平衡分析

图3 不同草场面积的牧户的载畜率平均值和分布

表1 超载牧户过牧的相关性分析

图4 四子王旗家庭牧场家畜能量平衡

图5 模型模拟预测不同载畜率水平下家庭牧场牧户的经济效益变化

图4 的草畜能量平衡分析表明， 典型草原和荒漠草原类型的草场都于10 月开始进入寒冷季节，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， 畜群整体能量需求远高于草地能量供给，能量供给出现缺口。家畜在1 月进入妊娠期、产羔期和哺乳期，能量需求急速增加并出现跳跃式、急剧增长，从而形成全年能量的最大亏空期，典型草原地区能量缺值可高达10.5 MJ/（羊单位·d）， 荒漠草原地区高达9.5 MJ/（羊单位·d），家畜体重损失严重，甚至很难维持生命。 5—9月是牧草生长期， 典型草原类型夏季能量富余量平均可达2 MJ/（羊单位·d），荒漠草原类型夏季能量富余量可达1.5 MJ/（羊单位·d）， 草地能量供给大于家畜需求，家畜生长的代谢能得到了满足，体重虽然上升，然而很难恢复到前一年的体况水平。

2.4 不同类型草地家庭牧场经济效益比较

由调研数据计算可得， 典型草原牧户当前实际的家畜载畜率为1.72 羊单位/hm2， 荒漠草原牧户当前实际的家畜载畜率为0.79 羊单位/hm2。 利用生产优化管理模型分析不同载畜率水平下总支出、总收入及净收入的生产经营状况，结果如图5所示。 由图5 可以看出，随着载畜率的升高，牧场经营的总支出、总收入不断增加，净收入呈先增加后减少的状态，这个分界的阈值就是最佳载畜率。按照模型模拟分析计算得出， 当典型草原和荒漠草原牧户载畜率调整至最佳载畜率1.16 羊单位/hm2和1.01 羊单位/hm2时， 牧场的净收入达到全年最大值。

表2 不同草地类型模拟牧场与实际值比较

由表2 可知， 通过对不同草地类型下牧场草地和经济收益现状的方差分析， 当前实际状况下典型草原和荒漠草原区家庭牧场家畜数量和总支出存在显著（P<0.05）差异，即典型草原的家畜数量是荒漠草原的1.51 倍，典型草原的总支出是荒漠草原的1.95 倍。 典型草原载畜率和总收入均高于荒漠草原，差异尚未达到显著水平（P>0.05）。 荒漠草原的草地面积和净收入高于典型草原区，但两组差异尚未达到显著水平（P>0.05）。 虽然二者净收入差异不显著，但是典型草原总支出较大，净收益低于荒漠草原。这与表1 的分析结果吻合，在不同草地类型下，当草地面积不变时，家畜数量代表的载畜率与总支出呈正相关和极显著的关系。

通过优化管理模型， 将两种草地类型的家庭牧场的载畜率适当调整后， 牧场净收入有大幅度提高。 典型草原家庭牧场当前载畜率为1.72 羊单位/hm2，正处于相对较高的水平，当载畜率下降到1.16 羊单位/hm2时，当地的牧户净收益可由原来的6.14 万元增加到现在的7.79 万元。 荒漠草原家庭牧场当前处于较低载畜率0.79 羊单位/hm2，当载畜率上升到1.01 羊单位/hm2时， 当地的牧户净收益可由原来的7.26 万元增加到现在的10.28 万元。

3 讨论与结论

草畜平衡是一个实现草和畜的动态平衡状态的过程，家畜和草地存在内在的联系，生态系统中各部分并不是简单的线性关系［14］。 通过马红彬等［15］的研究，植物在放牧干扰条件下存在超补偿性生长情况， 植物补偿性生长的发生与放牧强度密切相关， 植物产生超补偿或等补偿生长的状态可以通过降低放牧强度来实现。 对典型草原和荒漠草原两种草地类型的草地生长速率的分析结果得出，典型草原由于降水量相比荒漠草原较多，物种生长速度相比较快， 生长速率也呈现较大的趋势。同时因为夏季放牧场有较高的载畜率，放牧强度大导致植物生长缓慢， 冬季打草场生长速率大于夏季放牧场。

通过对牧户载畜率的调查分析得出， 在草料费项目支出越大的牧户其载畜率也相对较大。 这是一个很重要且合理的现象， 随着人口数量的急剧增长， 传统的饲养模式和人们对农畜产品日益增长的需求成为当前畜牧业发展的一对突出矛盾［16］。自1980 年实施“家庭联产承包制”将草地划分到户以来，将牧区的生产关系进行调整，形成了我国北方牧区以家庭牧场为基本单元的草地畜牧业生产经营模式和经济生态系统， 放牧方式也进行了小部分变革， 从迁徙的游牧生产方式转变为固定的生产牧场的新经济格局［17］。 由于满负荷甚至超负荷地利用草地， 兼以人口数量越来越多和家畜存栏数越来越大， 使草原生态系统功能严重受损，造成对生态资源掠夺性利用。不合理地开发利用草地以及气候变化导致草地退化和荒漠化，草地状况已经难以支撑畜牧业的发展［18］。 为应对人类和家畜的平稳需求， 买草买料已经成为促进草原畜牧业健康稳定发展以及维护草畜平衡的重要组成部分［19］。

根据该文对典型草原和荒漠草原这两种草地类型的草畜平衡现状分析可以看出， 两地家庭牧场均表现为夏季饲草料的富余量很少， 冬季家畜所需能量缺乏，一年的能量都得不到满足，这与李江文等［20］对该地区的分析结果基本保持一致。 四子王旗家庭牧场冬季能量缺失主要在1 月， 这是由于家畜进入产羔期，能量缺失达到最大，加之此时该地区处于冬季气温最低时刻， 家畜御寒同样需要消耗大量的能量， 然而上一年的饲草料能量大量流失，饲料供需出现矛盾［21］。由调研数据可得典型草原地区较荒漠草原地区的可利用天然草场相对有限，家畜数量较多，载畜率增加，加之草地畜牧业粗放的管理模式， 使得冬季优质牧草严重缺乏，草料紧缺的矛盾日益突出，草畜平衡状态低于荒漠草原地区。

通过对牧场优化管理模型中牧户经济收支状况的模拟分析可以得到， 典型草原和荒漠草原的牧户在不同载畜率水平下， 总支出都呈现随着载畜率的升高而增加的趋势， 然而总收入和净收入则随载畜率的升高先呈现增加的趋势， 当载畜水平超过一定阈值时， 牧户生产性固定资产支出迅速增多，总收入和净收入开始逐渐减少。典型草原和荒漠草原地区的牧户在当前实际载畜水平条件下， 净收入水平分别保持在6.14 万元和7.26 万元。如果适当减少或调整一定的牲畜数量，其净收入就可达到7.79 万元和10.28 万元。 羊群养殖密度、 饲料贮备和基本防疫都会影响羔羊的出生率和成活率， 保证羔羊的生产性能可以实现牲畜较好的经济效益，从而有效增加牧民收益［22］。需要科学合理的管理和配置， 使家庭牧场的生产经营处在一个效益最佳的水平上， 平衡好生态与经济的关系。通过模型分析，载畜率调控是放牧管理的关键，是维持和提高草地生态的总体效率、实现草地畜牧业可持续发展和增加牧民经济收入的有效措施，为实现可持续发展提供更多的空间［23］。

综上，基于家庭牧场综合分析，可获得以下结论：四子王旗牧草生长周期较短，夏季典型草原地区牧草生长速率大于荒漠草原地区， 冬季基本停止生长；中小牧户是草原超载的主体，草场经营面积越小， 载畜量越高。 同时草料费支出越大的牧户，载畜量越高；夏季牧草茂盛期间草地供给能量基本可以满足家畜能量需求， 其他时间段供不应求，家畜所需能量均得不到满足，冬季典型草原地区在1 月产羔期能量缺值可高达10.5 MJ/（羊单位·d）， 荒漠草原地区高达9.5 MJ/（羊单位·d）；典型草原和荒漠草原牧户实际载畜率分别为1.72羊单位/hm2和0.79 羊单位/hm2， 在适当调整两地草地载畜率为1.16 羊单位/hm2和1.01 羊单位/hm2时，牧场生产经营净收入最高。