基于改进关键场的干旱风沙草原牧区草畜平衡评价

刘 辉，宋孝玉，覃 琳，文 望，刘晓迪，胡志强，刘 雨

（省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室（西安理工大学），西安 710048）

0 引 言

草畜平衡的内涵是为保持草原生态系统良性循环，在一定区域和时间内，使草原和其他途径（如人工草地、农作物、外购等途径）提供的饲草料总量与牲畜所需的饲草料总量保持动态平衡[1-4]。维持牧区草畜平衡是实现中国草地畜牧业可持续发展的核心任务，载畜量的计算、确定适宜放牧强度则是进行草畜平衡评价的最基础工作。在已开展的牧区草畜平衡研究中，合理载畜量的确定大都采用现行规范《天然草地合理载畜量的计算》（NY/T 635—2015）[5]（简称“规范”）中提出的方法（传统方法），李刚等[6]基于遥感监测结合改进的CASA模型对青藏高原草地产草量进行了估算，采用传统方法结合超载率指标评价了青藏高原秸秆补饲条件下的草畜平衡状况；李猛等[7]基于TEM模型评估了三江源建立自然保护区前后的草地产草量，并利用传统方法结合草地载畜压力指数分析了三江源地区的草畜平衡状况；吕鑫等[8]利用遥感技术进行草地产草量反演，采用传统方法结合草畜平衡指数和草地载畜压力指数对2006－2015年青海果洛与玉树地区的草畜平衡动态进行了分析。对于基于传统方法的草畜平衡评价，陈全功[9]指出其计算得到的合理载畜量反映的是草地平均承载能力，载畜量评价过程与草地畜牧业生产的实践相脱离；徐敏云[10]指出该平衡理论对草地生产力的年度和季节性差异以及家畜需求的季节性差异考虑不够，是一种静态平衡。李青丰[11]和覃琳等[12]指出该平衡理论只是“草地面积与家畜的平衡”，简化了草地系统和畜牧系统之间的联系，不利于现代畜牧业的发展。2005年陈全功[9]在传统方法的基础上从草地生态系统保护的角度出发，针对季节性牧场提出了关键场方法；之后，储少林等[13]基于MODIS-NDVI数据建立了新疆克州天然草地生物量估测模型，并利用关键场方法分析了该地区草地载畜能力；李文娟等[14]基于MODIS-NDVI数据建立了青海省天然草地产量估算模型，采用关键场方法结合草畜平衡指数研究了青海省草畜平衡状况。然而，徐敏云[10]指出关键场方法尚不能很好解决草畜时空动态差异，可能会导致草地资源浪费；覃琳等[12]指出关键场方法对草畜过程平衡分析不够深入，忽视了牲畜需草过程的动态变化。可见，传统方法和关键场方法在季节性牧区草畜平衡评价的实际应用中均存在不足。

鄂托克旗位于中国鄂尔多斯高原，拥有丰富的草地资源，草原类型主要为干旱风沙草原，是鄂尔多斯市最大的牧业旗，但受不合理放牧影响，牧区天然草地退化、沙化、盐碱化问题突出[15]，生态功能衰退严重，为修复和保护天然草原生态系统，牧区实施季节性牧场间歇放牧制度。本研究以鄂托克旗牧区作为干旱风沙草原牧区的典型代表，深入分析传统方法和关键场方法在季节性牧区草畜平衡评价的实际应用中存在的不足，在此基础上提出一种兼顾草原生态系统保护和牧区草畜供需动态过程的改进关键场方法，可为干旱风沙草原牧区草畜平衡评价以及区域社会经济和草原生态系统的可持续发展提供科学支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况

鄂托克旗（106°41′E～108°54′E，38°18′N～40°11′N，图1）地处中国内蒙古自治区鄂尔多斯市西南部，总面积2.04×104km2，海拔在962～2 063 m，呈西北高、东南低走势，多年平均气温7.7 ℃，年平均降水量仅241.2 mm，寒暑变化大，风多雨少，气候干燥，蒸发强烈，日照时数长，昼夜温差大，是典型的干旱、半干旱大陆性气候区。全旗依据流域水系特征共划分为3个水资源分区，分别为：桌子山及山前平原分区（分区Ⅰ）、都斯图流域分区（分区Ⅱ）以及内流河分区（分区Ⅲ）。鄂托克旗拥有天然草地面积197.45 万hm2，占全旗总面积的94%，同时还是内蒙古自治区重要的人工饲草料基地，考虑研究区资料序列的完整性，选取2016年作为现状年开展研究，现状年实际用于放牧的天然草地面积为112.76 万hm2，人工草场面积为2.50 万hm2。

1.2 草畜供需节律分析

依据相关研究成果[16-18]和收集的牧区基础资料，可获得鄂托克旗现状年天然草地和人工草地可利用产草量（标准干草）以及牧区实际载畜量数据，见表1。本研究中牲畜数量均已折合为羊单位[5]（sheep unit）。

表1 现状年草地可利用产草量及牧区实际载畜量Table 1 Available forage yield and stocking rate of meadows in the status quo year

依据对鄂托克旗牧区草畜供需自然节律的认知，本研究提出并绘制了牧区草畜供需节律匹配示意图（图2）。

供草过程分析：供草过程划分为3个阶段，主要受控于鄂托克旗牧区实行的间歇性放牧制度（见图2中放牧制度）。阶段1：1－3月为冷季放牧，共90 d，该阶段利用冷季草场放牧同时补饲人工牧草，补饲标准为0.75 g/(羊单位·d) 的标准干草；阶段2：4－6月属于禁牧季舍饲，共91 d，主要利用人工牧草进行舍饲，舍饲标准为1.80 kg/(羊单位·d) 的标准干草；阶段3：7－12月为暖季放牧，共计184 d，利用暖季草场放牧，不再进行补饲。

需草过程分析：需草过程由2个阶段构成，主要取决于牧区牲畜数量的变化，而牲畜数量的变化则受控于牧区的牲畜生产节律（见图2中载畜量变化过程）。鄂托克旗草原牧区牲畜数量动态变化的节点是产羔和出栏，分别在4月和9月，据此将全年牲畜数量变化过程划分为2个阶段，也就是牲畜的需草过程。阶段1：5－9月，由于4月份牲畜产羔过程结束，牲畜数量出现激增并达到最高，采用6月份的牲畜年中统计量表示，该阶段饲草资源丰富、载畜量高、需草量大，牧民主要依靠这个阶段的牲畜育肥、产毛等获取经济收益，因此也称为“育畜收益”阶段；阶段2：10－4月（翌年），随着牲畜的出售出栏，牲畜数量再一次调整而达到最低，采用牲畜年末存栏量表示，该阶段牲畜数量减少为年末存栏量，需草量相应减少，牧民需克服冷季饲草不足困难以及抵抗冬季恶劣的环境条件，维持一定数量的存栏牲畜，以保证翌年的牲畜繁殖和数量恢复，因此又称为“保畜越冬”阶段。

草畜供需节律关系分析：在一个牧业年度周期内，鄂托克旗牧区不同放牧阶段内的载畜量不是固定不变的，放牧制度中的3个时间节点（3月31日、6月30日、12月31日）与牲畜数量变化过程中的2个时间节点（4月30日、9月30日）相互交叉，形成了包含5个供需子过程的动态周期（见图2中子过程及持续天数），并与草场利用类型构成3种对应关系，分别为：子过程①、②对应暖季草场；子过程③对应冷季草场+人工草场；子过程④、⑤对应人工草场。可见鄂托克旗牧区草畜供需关系具有独特的复杂性，因此需进一步细化草畜平衡管理，才能实现牧区“真实”的动态草畜平衡。

1.3 分析方法

1.3.1 传统方法

传统方法主要采用“草畜平衡原理”进行草地承载能力计算[5]。依据鄂托克旗牧区的间歇性放牧制度可推求不同草场及全年总的合理载畜量，计算公式如下：

式中Aw、Ac、Ah、Ay分别为基于传统方法的牧区暖季草场、冷季草场、人工草场及全年总的合理载畜量，羊单位；Fw、Fc、Fh分别为暖季草场、冷季草场、人工草场的可利用标准干草量，kg；I为1羊单位标准日食量，kg/(羊单位·d)；Is为1羊单位冷季补饲标准，kg/(羊单位·d)；Dw、Dc、Dh分别是暖季、冷季、禁牧季天数，d。

1.3.2 关键场方法

关键场方法[9]认为在一个放牧系统中，受草场面积、草地类型、产草量、草地利用率、畜群结构、放牧天数等因素的影响，不同草场载畜量之间有着显著的差异，将放牧系统中载畜量最小的草场定义为关键场，则关键场决定整个草地放牧系统的最大牲畜承载能力。鄂托克旗牧区不同草场及全年总的合理载畜量为

式中Ak,w、Ak,c、Ak,h、Ak,y为基于关键场方法的牧区暖季草场、冷季草场、人工草场及全年总的合理载畜量，羊单位。

1.3.3 改进的关键场方法构建

传统方法和关键场方法在季节性牧区合理载畜量确定的应用中，很大程度上弱化了草地生产力时空分异、牲畜数量生产性浮动等因素的影响，对草畜供需的自然节律匹配关系考虑不够充分，均是近乎静态的草畜平衡分析方法，此外关键场方法易造成非关键场的草地资源利用不充分，且利用其确定的合理载畜量过小会影响牧民收益。基于上述原因，立足草原生态系统保护并结合草畜供需自然节律提出改进关键场方法。

改进关键场方法的构建思路：针对牧区草畜供需的5个子过程、3种对应关系，同样采用“草畜平衡原理”进行等式关系构建，在此过程中引入牧区草畜平衡动态参数——载畜量年内波动系数η和不同降水情景下的草地生产力丰平枯系数μ，利用构建的等式关系分别计算暖季牧场、冷季牧场、人工草场对应的年中统计量（或年末存栏量，二者可由η相互推算），取数值最小者对应的草场作为关键场，关键场的载畜量即年中统计量（或年末存栏量）合理控制指标。牧区各草场及全年总的合理载畜量按照规范[5]并结合牧区草畜供需节律匹配关系逐一求得。

载畜量年内波动系数η，定义为年末存栏量与年中统计量的变化值同年中统计量的比值，η越大表明载畜量波动程度越大，这一系数反映了牧区年内载畜量动态变化过程。草地生产力丰平枯系数μ，代表不同年降水情景对草地生产力的影响，本研究将不同降水情景简化为3种水文年型，即丰水年、平水年、枯水年，以现状年草地生产力为基础可推求其他水文年型草地生产力；依据相关成果[16-18]和收集的数据，不同降水情景的草地生产力丰、平、枯系数近似取为1.38、1.00和0.58。

改进关键场方法构建过程具体如下：

式中a、b分别为牧区牲畜年中统计量和年末存栏量，羊单位。依据鄂托克旗2008－2016年畜牧业统计资料可知，鄂托克旗牧区的η取多年均值0.35。

对于子过程①、②，采用暖季牧场放牧，可构建等式关系见式（7），利用式（6）和式（7）可推求出基于暖季草场供应能力的牲畜年中统计量，记为a′，见式（8）。

式中DIK,1、DIK,2分别为子过程①、②持续的天数，d。

对于子过程③，采用冷季牧场放牧并辅以人工牧草补饲，可构建等式关系见式（9），利用式（6）和式（9）可推求出基于冷季草场供应能力的牲畜年中统计量，记为a″，见式（10）。

式中DIK,3为子过程③持续的天数，d。

对于子过程④、⑤，采用人工牧草进行舍饲，可构建等式关系见式（11），利用式（6）和式（11）可推求出基于人工草场供应能力的牲畜年中统计量，记为a‴，见式（12）。

式中DIK,4、DIK,5分别为子过程④、⑤持续的天数，d。依据关键场方法基本原理，a′、a″、a‴中的最小值即为牧区牲畜年中统计量的合理控制值，记为aT，与之相对应的草场即为关键场，利用式（6）可推求出相应的年末存栏量合理控制值，记为bT。牧区暖季草场、冷季草场、人工草场及全年总的合理载畜量计算公式如下：

式中AIK,w、AIK,c、AIK,h、AIK,y为基于改进关键场方法的牧区暖季草场、冷季草场、人工草场及全年总的合理载畜量，羊单位。

本研究中，基于改进关键场方法的草畜平衡评价是将改进关键场方法与草畜平衡指数（Balance of Grassland and Livestock Index，BGLI）[1,8,12,19]相结合进行牧区草畜平衡状况评价，计算公式见式（19）。参考已有研究[1,8,12,19]，同时考虑生态保护优先的原则，可依据BGLI值将载畜情况划分为6个等级，分别为极度超载（BGLI≥150%）、严重超载（80%≤BGLI ＜150%）、超载（20%≤BGLI ＜80%）、临界超载（0≤BGLI ＜ 20%）、平衡（-20%≤BGLI ＜ 0）、欠载（BGLI ＜ -20%）。

式中Ai为合理载畜量，羊单位，取值为AIK,w、AIK,c、AIK,h、AIK,y；Li为实际载畜量，羊单位，取值为LIK,w、LIK,c、LIK,h、LIK,y。

2 结果与分析

2.1 不同降水情景合理载畜量计算

以2016年草地资源数据为基础，利用μ推演不同降水情景下的草地资源状态，然后分别利用上述3种方法对鄂托克旗牧区不同降水情景下的合理载畜量进行计算。根据鄂托克旗及其周边3个气象站的1960－2016年降水资料计算可知，2016年全旗降水频率为23.5%，属丰水年，则鄂托克旗牧区2016年不同降水情景下的合理载畜量计算结果见表2。

表2 不同降水情景合理载畜量计算结果Table 2 Calculated results of theoretical carrying capacity in different precipitation scenarios ×104 sheep unit

计算结果表明，鄂托克旗牧区暖季草场和冷季草场的载畜能力随来水情况的减少而下降，而人工草场和牧区全年的载畜能力主要受计算方法的不同表现出明显差异。传统方法计算结果显示，不同降水情景各分区冷季草场合理载畜量约为暖季草场的2倍；人工草场合理载畜量随降水的减少而增加；现状年各分区全年合理载畜量分别为15.83、80.36和61.32万羊单位。关键场方法计算结果显示，关键场载畜能力是牧区各草场及全年总的合理载畜量的唯一控制值，随降水的减少分区Ⅰ和分区Ⅲ的关键场未发生变化，而分区Ⅱ的关键场由人工草场转为暖季草场；关键场方法确定的合理载畜量远小于传统方法确定的合理载畜量；现状年各分区全年合理载畜量分别为8.19、11.57和0万羊单位。改进关键场方法计算结果显示，不同水文年型，各分区合理载畜量大小顺序为：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ，不同草场合理载畜量大小顺序为：人工草场＞暖季草场＞冷季草场；随着降水减少，天然草场的可利用产草量下降，各分区的关键场逐渐由人工草场转向暖季草场，各草场及全年总的合理载畜量均呈下降趋势；现状年各分区全年合理载畜量分别为8.60、53.49和27.66万羊单位，计算结果明显异于前两种方法。

传统方法计算结果中，分区Ⅲ在丰水年和平水年出现了无载畜能力的情况，是因为降水条件与天然草地生产力存在一定的正相关关系[20-21]，进而影响了天然草场的载畜能力，同时该方法未考虑牧区草畜供需过程的自然节律配匹配关系，各草场合理载畜量计算相对独立，分区Ⅲ在丰水年和平水年的冷季草场合理载畜量核算结果相对较高，冷季补饲消耗人工饲草过多至超出人工草场的供应能力，进而导致禁牧季无料可用；此外，现状年各分区全年实际载畜量分别为12.53、55.03和56.52万羊单位，均未达到该方法确定的合理载畜量值，但实际情况是牧区天然草地仍处于超载过牧状态。关键场方法以传统方法计算结果中的最小值作为各草场及全年合理载畜量的唯一控制值，同样存在分区Ⅲ在丰水年和平水年无载畜能力的情况，并且其确定的合理载畜量明显低于其他2种方法，这是因为关键场方法重点强调对草原生态系统的保护，事实上牧区牲畜数量会随产羔和出栏发生突变，而并非定值，所以关键场方法在牧区畜牧业发展方面的指导意义不够。改进关键场方法则是基于牧区草畜供需自然节律的客观事实构建的，考虑了牲畜数量变化及草场利用转换的动态关系，确定的合理载畜量整体介于传统方法和关键场方法的计算结果，且未出现人工草场失去承载能力的情况，冷季草场合理载畜量仅为传统方法计算结果的1/3左右，说明牧区冷季草场占比过高，草地资源利用不充分。综上分析可知，改进关键场方法在实际应用中更为合理。

2.2 基于改进关键场方法的草畜平衡评价

采用改进关键场方法结合草畜平衡指数对鄂托克旗现状年草畜平衡状况进行评价，结果见表3。

表3 牧区现状年草畜平衡评价结果Table 3 Evaluation results of forage-livestock balance in pasture in the status quo year

分析可知，鄂托克旗牧区现状年的分区Ⅰ各类草场及牧区全年均处于超载状态，BGLI值分别为46.24%、41.74%、47.43%、45.7%；分区Ⅱ各类草场及牧区全年均处于临界超载状态，牧区草畜平衡状况相对良好；而分区Ⅲ各类草场及牧区全年均处于严重超载状态，BGLI值分别为103.87%、106.96%、103.19%、104.34%。对于分区Ⅰ和分区Ⅲ，超载状况若不加以控制和改善，会导致草地资源的持续退化，不利于区域草地生态系统的稳定，尤其是分区Ⅲ。保持载畜量年内波动系数η不变，分区Ⅰ暖季草场、冷季草场和人工草场实际载畜量应分别减少4.12、2.93、4.53、3.93万羊单位，对应年中统计量减少5.31万羊单位方能达到牧区现状年的草畜平衡；而分区Ⅲ的暖季草场、冷季草场和人工草场实际载畜量则需分别减少29.76、24.14、31.69、28.86万羊单位，对应年中统计量减少35.39万羊单位方能达到牧区现状年的草畜平衡。

3 讨 论

本研究提出的牧区草畜供需节律匹配关系剖析了草地供草过程和牲畜需草过程的自然关系，是构建改进关键场方法的有力支撑。基于改进关键场方法开展的鄂托克旗牧区草畜平衡评价表明鄂托克旗牧区整体处于超载状态，这与戴微著等[22-23]对邻近年（2015年）内蒙古载畜情况的调研结果相一致，即内蒙古典型牧区普遍存在超载过牧现象。依据改进关键场方法可知，当a′=a″=a‴时，是牧区暖季草场、冷季草场和人工草场载畜能力分配的最理想状态，对于鄂托克旗各分区的冷季草场占比过高问题，可适当调整部分冷季草场进行暖季放牧或发展人工草场以提升草场划分的合理性，改善草地载畜能力、增强抵抗极端天气的能力，同时能够兼顾对草原生态系统的保护。改进关键场方法还给出了牧区年中统计量和年末存栏量的合理控制值，二者作为牧区最直观的牲畜数量控制参数，更具实际指导意义和可操作性。

改进关键场方法中引入了2个动态参数η和μ。对于η，增加年中统计量a或减小年末存栏量b即可提高η值，这也意味着需增加出栏牲畜数量，进而可以提升牧民的经济收入，但是对于鄂托克旗牧区a的增加或b的减小会进一步加剧暖季草场的载畜压力或冷季草场资源的浪费程度，此外b值过小会造成牧区年末存栏不足，影响翌年牲畜数量的繁殖恢复；减小a或增加b即降低η值，则会减少出栏牲畜数量，可以改善鄂托克旗牧区暖季、冷季草场的利用状态，但这与牧区的经济目标相违背，因此，对于鄂托克旗牧区草畜平衡管理应协同考虑牧区草场划分调整、η调整并保证年末存栏量和母畜比例等，以优化鄂托克旗牧区载畜过程[24]。对于μ，则是一个非人为可控的自然因子，主要通过降水情景与草地生产力长序列数据的统计分析获取[20-21]，可利用该参数结合长序列气象数据对未来某年的牧区草地生产力和草畜平衡调控进行预判和指导，μ的准确性直接影响天然草地生产力及其承载能力的确定，进而影响草畜平衡评价成果，实际应用中应根据牧区草地生产力对降水情况的敏感程度设置降水情景数量及对应的μ值。

4 结 论

1）西北干旱风沙草原牧区受其草场类型和放牧制度的影响，牧区不同草场的供给周期与牲畜需草过程存在明显的非一致性，其关键节点相互交叉而形成了5个动态供需子过程，草畜供需过程具有独特的复杂性，这一结论是提出改进关键场方法的重要支撑。

2）针对传统方法和关键场方法在干旱风沙草原牧区合理载畜量计算中存在的不足，引入反映牧区草畜供需自然节律复杂关系的2个动态因子——载畜量年内波动系数和草地生产力丰平枯系数，构建了能够动态评估牧区合理载畜量的改进关键场方法，实现了对传统方法和关键场方法的进一步完善；对比3种方法确定的鄂托克旗牧区合理载畜量结果，改进关键场方法更具实际指导意义和可操作性，基于该方法的合理载畜量计算结果表明牧区冷季草场占比过高，其载畜能力均在关键场载畜能力的2倍以上，现状年桌子山及山前平原分区、都斯图流域分区以及内流河分区的全年合理载畜量分别为8.60、53.49和27.66万羊单位。

3）利用改进关键场方法结合草畜平衡指数评价了鄂托克旗牧区现状年的草畜平衡状况，表明都斯图流域分区的草畜平衡状况相对良好，但各草场及全年总实际载畜量也均达到了临界超载状态；桌子山及山前平原分区各类草场及牧区全年均处于超载状态，草畜平衡指数值均在40%以上；而内流河分区的草畜平衡状况最不乐观，各类草场及牧区全年均处于严重超载状态，草畜平衡指数值均在105%左右。总体而言，鄂托克旗牧区草畜平衡状况并不理想，应给予高度重视。