人工草地种植策略下的草原生态变化仿真

潘理虎,刘 卉,闫慧敏,王博宇

(1.太原科技大学 计算机科学与技术学院,山西 太原 030024;2.中国科学院 地理科学与资源研究所,北京 100101)

0 引 言

草地资源是一种重要的可持续利用的共同资源,为国内的畜牧业生产、农业生产以及生态调节起到重要的促进作用。随着气候变化和人类活动的加剧,导致草原退化以及生态系统服务被削弱[1-2]。放牧是人类重要生产活动之一,合理放牧利用也是科学管理草地的基本途径之一[3]。人类牧业生产活动与草原生态环境建设之间仍然存在一定程度的冲突,草原经济发展与草地资源保护两者之间的关系难以协调平衡。为了克服过度放牧产生的消极影响,就必须进行科学有效的管理并采取有效措施[4],缓解草地的生态压力,并保持畜牧业的可持续发展。

人工草地是采用农业技术措施栽培而成的草地,可获得高产优质的牧草[5]。目前,人工草地已成为现代化草地畜牧业生产体系中的一个关键组成部分,是草业建设和环境治理中的重要内容之一[6]。现有研究表明,种植人工草地可以缓解生态压力[7-8]以及促进经济发展。此外,人工草地可以增加牧业生产后劲,在风沙源治理[9]、草原石漠化治理、保水保土等方面都发挥着重要的作用[10]。目前,一些畜牧业发达国家已广泛种植人工牧场,如爱尔兰、法国、德国和新西兰。然而,国内人工草地仍占比较少,数量和质量都有待于提高。

人类活动与草原环境的变化密切相关,草原生态的变化过程往往是由于自然环境因素和人类经济活动的相互交织,且各项要素之间存在诸多非线性关系和复杂的交互行为。刘峰等[11]运用动态变化的土地利用空间分析模型、空间变化率指数和土地利用程度空间自相关等方法,探寻奈曼旗土地利用演变中的时空变化规律。田义超等[12]以广西东南部的南流江流域为研究对象,研究数据为2000年和2015年遥感数据,采用CLUE-S模型探讨2030年土地利用格局与生物多样性。Mialhe等[13]采用智能体模型思想,对菲律宾地区某三角洲的农业用地状态变化进行了分析,描述了各类智能体与农地的不同交互过程。上述研究在模拟人地关系中,更侧重于“地”,而忽略了对“人”的模拟,对社会体制及宏观政策下土地利用决策过程、结果的成因缺乏解释。因此,想要更深层次地探究蕴含的演化规则,更全面且真实的模拟人地关系,将微观行为主体的决策行为与宏观的政策融合到模型中,是解决智能体模型现存问题的重点内容。

该文以锡林郭勒镶黄旗自然地理空间和社会环境为基础构建了基于Agent的人工草地种植模型(Agent-based Artificial Grass Planting Model,APG-ABM),对不同情景下牧户的经济效益形势进行综合研判,并通过调整畜牧政策等不同策略去探讨“人地关系”,实现草原土地利用变化过程中人的行为活动和人工草地种植效果的模拟再现,对锡林郭勒草原人工草地策略实施提供支持。

1 APG-ABM

1.1 模型研究区域

该文选取锡林郭勒镶黄旗作为模拟研究对象,镶黄旗位于内蒙古自治区中部、锡林郭勒盟西南端。镶黄旗全境的可使用草场面积可达4 400平方公里,境内草场可划分为荒漠草原、典型草原和草甸草原,草场面积比重为全旗总面积的98.25%,研究区域如图1所示。研究和编制过程中,将区域划分为栅格数据,每个栅格代表500*500平方米的区域空间。

图1 研究区域地图

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)[14]是植被在单位时间与面积的条件下,抛除自身消耗得出的有机物总量[15]。一些天然草地的NPP已经足够高,足以满足牲畜巨大的饲养需求,因此没有必要将其改造为人工牧场。其他天然草地的NPP很低,但其生态系统通常不稳定,因此转化为人工草地可能会破坏生态系统的结构和功能,导致草地退化。因此,为了明显提高NPP,同时避免草地退化,计算了2000～2020年天然草地NPP的平均值和变异系数(CV),将其平均划分[16],并选择NPP平均值中等和变异系数较低的地区作为人工草地种植的潜在适合区,在此基础上再通过考虑自然约束和社会局限性[7]划分出人工草地适宜区。

1.2 APG-ABM架构

APG-ABM包括三个子模型,分别是牧民身份转换子模型、牧户生产消耗子模型以及人工草地生态调控子模型,模型框架如图2所示。将初始信息输入到模型中,并通过时钟控制进行模型的状态更新,将演化后的数据进行收集并作为模型的原始数据再次进行输入,从而使模型不断演化。

图2 APG-ABM框架

在该模型中,牧民身份转换子模型规则设定来自于文献[17]。

人工草地生态调控子模型模拟了生态系统的供给与消耗过程,以及生态压力指数的变化,并通过人工草地决策进行生态系统的协调与发展,所种植的人工草地与草甸草原提供的NPP为同一水平。

NPP是反映草原生态条件最常用的指标,在衡量土地利用/覆被变化标准的同时也为牲畜能量供给提供了可靠的数据基础[14]。

根据研究区域地上生物量与地下生物量的研究结果表明,该区域共包括荒漠草原、典型草原和草甸草原三种草原类型。每种草原类型供牲畜补给的能量不相同,详细的可利用供给信息如表1所示。

表1 不同类型草原单位面积NPP值

研究表明,草原生态服务供给变化与草原气候状况存在一定的关联。实际提供的NPP受到气候影响指标以及草场退化指标的影响,该文用β表示气候影响指标,γ表示草场退化指标,定义生态系统服务供给变化规则为:

IdealNPPi=∑NPP

(1)

FactNPPi=βi×γi×IdealNPP

(2)

其中,FactNPPi表示第i年生态系统供给NPP值,ΣNPP为所有地块理想状态下所提供的NPP值的总和,规定β的取值由随机数定义来表示气候的不稳定性,如公式3所示。

βi=1+Random(-0.3,0.2)

(3)

草场退化指标γ的变化规则由公式4定义。

(4)

其中,IdealNPPi-1为第i-1年的理想供给NPP值,FactNPPi-1表示第i-1年的供给NPP值,ConsumedNPPi-1表示第i-1年的牲畜饲草消耗NPP值。

牧户的生产活动主要为放牧,牧户中所含牧民越多则劳动力越大,牲畜的数量也越多。牲畜的数量、草的营养价值对牲畜饲草消耗NPP起决定性用,其计算方法如公式5所示。

ConsumedNPP= Sum×Hay×Hayd×(1-Hayw)×Fc

(5)

其中,Sum为饲养牲畜的总数量;Hay代表每天每只牲畜需要的干草重量;Hayd为牲畜一年的食草天数,其中存栏牲畜为365天,出栏牲畜为180天;Hayw代表干草的含水比例,按15%计算;Fc为草生物量(单位为g)与碳含量(单位为gC)的转换系数,在草地中通常为0.45。

草原压力指数代表草原土地利用的状态,由牧户生产消耗与当地生态系统生产力供给的比值表示,如公式6所示。

(6)

草原压力指数越大表示草原生态消耗越大,指数越小表示草原资源利用不完全。指数过大过小对草原土地利用都不是很好的状态,在本模型中,压力值处于[0,0.5]区间内为压力正常,处于[0.5,1]为压力较大,压力值为1以上表示压力极大。

人工草地决策主要是当天然草地足够供给牲畜消耗时,牧民继续在自然草地上放牧;当生态压力过大时,牧民自发性的就近选择适宜性高的地块种植人工草地,以此来减缓生态压力,并且每个牧民一年只能种植一块人工草地,直到附近的人工草地适宜区被完全种植,所种植的人工草地与草甸草原提供的NPP为同一水平,其运行流程如图3所示。

图4 情景1

牧户生产消耗子模型用来模拟牧户的收入以及家庭消耗,在模型中,牧户饲养牲畜的总数量由牲畜产子数量及购买幼崽数量决定,其中购买幼崽数量受草原压力值影响,根据牧户的决策不同,以经济效益为核心时牲畜的入栏率θ如公式7:

θ=

(7)

以生态效益为核心时牲畜的入栏率θ'如公式8:

θ'=

(8)

出栏率υ在[0.4,0.5]之间,并受环境因子μ,饲养因子ω以及决策因子η的影响,公式如下:

(9)

家庭通过家庭成员身份转换影响饲养因子,牧畜的饲养因子ω公式如下:

(10)

环境因子μ的定义为:

μ=

(11)

决策因子η的定义为:

(12)

第i年牲畜总数量SUMi根据当年入栏率进行变化,定义为:

(13)

第i年牲畜出栏数量根据出栏率υ定义为:

SLAi=υi×SUMi

(14)

第i年年末剩余牲畜数量为:

NUMi=(1-υi)×SUMi

(15)

牧业生产收入(FIncome)主要以贩卖牲畜为主,公式16以羊为例。

FIncome=SLA×SharpP+SUM×Wool×WoolP

(16)

其中,SLA代表当年羊的出栏数量,SharpP代表羊的单价,SUM代表当年羊的总数,Wool代表单只羊的羊毛产量,WoolP代表羊毛的单价。

牧户智能体的生活消耗是指每个牧户中所包含的所有牧民智能体个体因其食物消耗而产生的NPP消耗。依据草原区统计年鉴与问卷调研所获取的各类牧业产物价格及生产这些牧业产物所消耗的草量,获取NPP与价值之间的数量转换关系。

牧户生活消耗NPP的计算公式为:

(17)

其中,ConsumedNPPg为获取NPP与价值之间的转换系数,Food为牧户智能体的食物经济消费。

2 仿真场景及结果分析

2.1 模拟情景分析

为了准确研究人工草地调控政策的影响,设置了五个情景进行模拟,探讨不同调控策略对未来30年草地发展趋势的引导作用。

情景1:牧户以经济效益为中心,不使用任何决策干涉现行的草原生态系统发展轨迹,牧民按照规定的行为规则进行生活。

情景2:牧户把生态效益作为重点并且不使用决策干涉现行的草原生态系统发展轨迹。

情景3:牧户追求经济效益并且采取人工草地决策方式,根据草原情况判定草原压力,当压力过大不足以维持养殖规模时,牧民通过在附近种植新的适宜性较高的人工草场增加效益,从而减小生态压力。

情景4:该情景下牧民采取人工草地决策,并以生态效益为侧重点,力求最大程度减少放牧对生态的破坏。

情景5:在人工草地决策情景下,为了达到生态保护的目的,采取50%的生产力被保护的前提下实现草畜平衡,使生态效益与经济效益协调发展。

2.2 仿真结果分析

在情景1中,牧民智能体以经济效益优先,在前七年牧畜数量快速攀升,人均收入同样快速增长,但由于生态压力不断增大,草原逐渐退化,草地资源减少,使得养殖规模在达到峰值后逐渐下降,最后年中养羊数下降到140只左右,年末养羊数下降到80只左右。养殖规模与出栏率下降导致牧民收入下降,在2050年稳定在牧民人均30 000～35 000元左右。虽然生态压力指数随着养殖规模的减小而缓慢下降,但仍然处于压力较大范围。

情景2中,为了保护草地资源,降低生态压力,牧民智能体养殖规模(图5)总体呈下降趋势,随着养殖规模的缩小,牧民人均收入也随之降低,在2050年下降到20 000元,压力指数在这期间缓慢减小,最后稳定在[0.4,0.5]的正常压力内。

图5 情景2

情景3中牧民种植人工草地,并以经济效益为主,人工草地为牲畜提供足够的资源,牧户养殖规模增加,出栏率也随之增加,养殖收入(图6)达到人均70 000元。但因牧户的养殖规模增长速度过大,导致草地仍然处于压力较大的范围,草原生态压力指数在[0.7,0.9]内波动。

图6 情景3

图7 情景4

情景4中养殖规模与情景3相比相对较小,年中养羊数在[200,240]范围内,牧民人均收入达到原来的两倍,且生态压力指数逐渐减小,稳定在0.2左右。

为了进一步进行生态保护,将50%的生态资源进行保护,不作用于牧民的放牧活动,图8为情景5的数据分析图。虽然NPP供给减少50%,但养殖规模仍然是增长的趋势,在2035年年中养羊数达到在200只左右,随后缓慢下降,最后在180～200区间内浮动,牧民收入达到了45 000～50 000元,与情景4相比收入略低,但最主要的是,生态压力指数在前15年迅速下降到0.5的正常水平,该情景不仅很大程度地保护了草地资源,还使经济效益得到了发展。

图8 情景5

图9显示了2050年人工草地种植的分布情况,适宜度较高的地块大部分都被种植为人工草地,为牧畜提供能源供给,并减小草原压力,大部分适宜度低的地块未种植。

图9 人工草地分布图

3 结束语

建立了一个APG-ABM,并以锡林郭勒镶黄旗为例模拟了牧户实施人工草地策略后牧户生活、财富状况以及对草原的影响作用。在模型中,牧民主体具有观察自然环境和政策环境的初始能力,同时计算生态系统压力和牧民生活水平指标,观察草地利用对生态系统和牧民福祉的影响。 通过对五种情景的仿真结果发现,种植人工草地能够有效缓解当前生态压力,明显提升牧民生活品质,从而达到生态效益和经济效益的协调发展,为提供草原改进和优化牧户生产生活方式提供了有力的决策支持。

并且,该模型将智能体的微观决策行为与宏观政策相结合,在探究“地”转换的同时也兼顾了“人”的变化,这对完善现有模型中“人地关系”的演化过程有着重要意义。草原生态系统的研究是一个规模庞大、结构复杂的问题,在该研究模型中,只构造了牧民智能体、牧户智能体以及人工草地智能体三类主体之间的交互行为的刻画,该模型在后续研究中还有待进一步完善。