胡志強(qiáng)，宋孝玉，覃琳，劉輝

高寒荒漠草原季節(jié)性放牧管理優(yōu)化模擬研究

胡志強(qiáng)，宋孝玉，覃琳，劉輝

西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048

【目的】保護(hù)中國高寒荒漠草原的生態(tài)環(huán)境，指導(dǎo)草原牧區(qū)的全面可持續(xù)發(fā)展，從草畜平衡的角度為制定高寒荒漠草原牧區(qū)合理的放牧管理政策及實(shí)現(xiàn)牧草資源高效利用提供依據(jù)?！痉椒ā扛鶕?jù)季節(jié)性輪牧的特點(diǎn)和牲畜生產(chǎn)節(jié)律，考慮了草地資源的時(shí)空隔離和牲畜數(shù)量的動態(tài)變化，對暖季、冷季兩個(gè)草場放牧?xí)r間段進(jìn)行細(xì)化，在現(xiàn)有合理載畜量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以載畜量最大為目標(biāo)，以動態(tài)草畜平衡為約束條件，以轉(zhuǎn)場時(shí)間和出欄率為優(yōu)化參數(shù)，建立了放牧-管理優(yōu)化模型，并選取青海省烏蘭縣牧區(qū)作為高寒荒漠草原季節(jié)性牧區(qū)的典型代表，利用遺傳算法尋優(yōu)，確定烏蘭縣牧區(qū)豐、平、枯3種降水情景下最優(yōu)放牧條件，進(jìn)行草畜平衡優(yōu)化模擬計(jì)算和動態(tài)草畜平衡分析，并與優(yōu)化前進(jìn)行對比?！窘Y(jié)果】放牧-管理優(yōu)化模型對牧區(qū)不同降水情景的模擬結(jié)果均較好。以未利用飼草量最低為依據(jù)，確定烏蘭縣牧區(qū)豐、平、枯3種降水情景下最優(yōu)放牧條件分別為11月1日轉(zhuǎn)場，出欄率43.4%、11月3日轉(zhuǎn)場，出欄率38.2%和11月3日轉(zhuǎn)場，出欄率36.7%，最優(yōu)合理載畜量分別為109.92、96.14和83.64萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位，較優(yōu)化前合理載畜量分別提高了11.75%、10.44%和10.43%；優(yōu)化前后烏蘭縣牧區(qū)豐水年的合理載畜量分別為98.38和109.92萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位，比枯水年的75.74和83.64萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位的適宜承載量高30%，可見除牲畜出欄率和轉(zhuǎn)場時(shí)間外，降水量也是影響牧區(qū)合理載畜量的重要因素；通過對牧區(qū)產(chǎn)草過程與牲畜動態(tài)需草過程的分析，進(jìn)行烏蘭縣牧區(qū)平水年動態(tài)草畜平衡計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)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(yōu)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(gè)牧區(qū)而言，調(diào)整放牧轉(zhuǎn)場時(shí)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(yōu)化模型對牧區(qū)放牧過程進(jìn)行優(yōu)化，可以在保證牧區(qū)全年合理載畜量較高的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)季節(jié)性輪牧區(qū)動態(tài)草畜平衡?！窘Y(jié)論】放牧-管理優(yōu)化模型對高寒荒漠草原季節(jié)性牧區(qū)的適用性較好，對輪牧區(qū)放牧管理過程調(diào)控和草畜平衡優(yōu)化具有一定的優(yōu)越性；放牧-管理優(yōu)化模型可有效調(diào)控牧區(qū)載畜量，其優(yōu)化結(jié)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(yōu)化單個(gè)牧戶或牧場的放牧過程，得到單個(gè)牧戶或牧場的最優(yōu)放牧條件，從而制定相應(yīng)的放牧制度，對單個(gè)牧戶或牧場的生產(chǎn)實(shí)踐工作更具有實(shí)際指導(dǎo)意義和可操作性。

模型；季節(jié)性輪牧；動態(tài)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(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，在一定區(qū)域和時(shí)間內(nèi)，使草原和其他途徑提供的飼草料總量與飼養(yǎng)牲畜所需的飼草料總量保持動態(tài)平衡[1]，而合理載畜量的計(jì)算、確定適宜放牧強(qiáng)度是進(jìn)行草畜平衡的最基礎(chǔ)工作[2-3]。【前人研究進(jìn)展】近年來，為了草原生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)[4]，保持草原畜牧業(yè)的健康發(fā)展[5]，有關(guān)草畜平衡的研究越來越多，如陳全功[6]根據(jù)季節(jié)放牧的特征，提出了關(guān)鍵場理論并應(yīng)用于西部地區(qū)載畜平衡研究；李青豐等[7]通過自由放牧與禁牧的試驗(yàn)對比研究，認(rèn)為春季休牧能夠有效保護(hù)草原的生態(tài)環(huán)境；呂鑫等[8]考慮實(shí)測資料的局限性，利用產(chǎn)草量遙感估算模型，對比分析青海省兩個(gè)地區(qū)的草畜平衡狀況；李猛等[9]利用氣候因子驅(qū)動的TEM模型對區(qū)域植被的生產(chǎn)潛力進(jìn)行模擬，以三江源自然保護(hù)區(qū)為研究對象進(jìn)行草畜平衡分析。我國的草畜平衡管理建立在平衡生態(tài)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，而在以水資源為主要驅(qū)動力的干旱半干旱地區(qū)，不穩(wěn)定的降水使牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出高度的變異性，表現(xiàn)為非平衡態(tài)或者多平衡態(tài)，因此將牧區(qū)水資源納入到牧區(qū)草畜平衡管理中，一方面以牧區(qū)水-草-畜系統(tǒng)的平衡來實(shí)現(xiàn)牧區(qū)的水資源平衡與草畜平衡[1]，另一方面結(jié)合不同來水頻率，以不同來水條件下草地的生產(chǎn)力的浮動規(guī)律來模擬草地生態(tài)系統(tǒng)變異性，以牧草產(chǎn)草和牲畜需草的過程平衡來描述牧區(qū)的動態(tài)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(yè)是烏蘭縣重要的經(jīng)濟(jì)支柱，加快畜牧業(yè)發(fā)展是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀要求[11]。自1956年起，烏蘭縣牧區(qū)開始實(shí)行暖、冷兩季輪牧，是典型的高寒荒漠草原季節(jié)性牧區(qū)。近年來，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動下，牧民為實(shí)現(xiàn)自身利益最大化，盲目增加牲畜數(shù)量，提高牲畜出售數(shù)量，不注重牧區(qū)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(tài)環(huán)境十分脆弱[12]。丁成翔等[13]和LIU等[14]都對烏蘭縣進(jìn)行了草畜平衡計(jì)算工作，其研究結(jié)果印證了烏蘭縣牧區(qū)超載現(xiàn)實(shí)，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(xiàn)有放牧制度、調(diào)整出欄率等建議。因此研究適宜該地區(qū)的放牧方式，優(yōu)化放牧管理過程，不僅有利于當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型[15]，而且對烏蘭縣牧區(qū)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益都有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[16]。在草原牧區(qū)放牧過程中，畜牧業(yè)管理者通過不斷調(diào)控牧區(qū)合理載畜量和保持牧區(qū)的草畜平衡，根據(jù)草地承載能力合理限制草地放牧牲畜數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)草地資源的可持續(xù)利用[17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前我國關(guān)于牧區(qū)產(chǎn)草量估算、超載程度和草畜平衡分析的研究較多[18-21]，但關(guān)于牧區(qū)放牧管理過程優(yōu)化的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本文根據(jù)季節(jié)性輪牧的特點(diǎn)和牲畜生產(chǎn)節(jié)律，考慮了草地資源的時(shí)空隔離和牲畜數(shù)量的動態(tài)變化，對暖季、冷季兩個(gè)草場放牧?xí)r間段進(jìn)行細(xì)化，在現(xiàn)有合理載畜量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以載畜量最大為目標(biāo)，以動態(tài)草畜平衡為約束條件，以轉(zhuǎn)場時(shí)間和出欄率為優(yōu)化參數(shù)，建立了放牧-管理優(yōu)化模型，選取青海省烏蘭縣牧區(qū)作為高寒荒漠草原季節(jié)性牧區(qū)的典型代表，利用遺傳算法尋優(yōu)，確定烏蘭縣豐、平、枯三種降水情景下最優(yōu)放牧條件，進(jìn)行烏蘭縣牧區(qū)草畜平衡優(yōu)化模擬計(jì)算和動態(tài)草畜平衡分析，以期為進(jìn)一步優(yōu)化烏蘭縣單個(gè)牧戶或牧場的放牧過程提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)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(diào)研數(shù)據(jù)，主要通過走訪烏蘭縣統(tǒng)計(jì)局、水利局、草業(yè)局、牧科所等相關(guān)單位以及部分當(dāng)?shù)啬翍簟?/p>

1.2 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)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(dá)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(fā)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(qū)原則，可將烏蘭縣劃分為希賽盆地和茶卡盆地兩個(gè)分區(qū)。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(bǔ)充飼料。

圖1 烏蘭縣地理位置示意圖

1.2.1 牧草資源現(xiàn)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(jù)已有研究成果[10,22-23]和草地基礎(chǔ)資料（表1），可計(jì)算得到牧區(qū)可利用產(chǎn)草量。而牧區(qū)可利用產(chǎn)草量的計(jì)算包括天然草地可利用產(chǎn)草量計(jì)算和人工草地可利用產(chǎn)草量計(jì)算，計(jì)算方法參考《T∕CHES 60-2021牧區(qū)水草畜平衡計(jì)算與評價(jià)技術(shù)規(guī)范》和課題最新的研究成果。由于受放牧空間和時(shí)間的限制，天然草地可利用產(chǎn)草量利用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，牧草利用率參考烏蘭縣草原工作站的數(shù)據(jù)，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(chǎn)草量受到的限制較小，可直接采用其產(chǎn)草量值，按烏蘭縣牧區(qū)實(shí)際，人工牧草利用率為0.9，草地生產(chǎn)力為12 000 kg·hm-2。具體計(jì)算公式如下：

（1）

式中：表示牧區(qū)天然草地可利用產(chǎn)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(chǎn)草量豐枯系數(shù)，取豐、平、枯3個(gè)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(chǎn)力，kg·hm-2。

F=U·S·Y·（2）

式中：F表示牧區(qū)人工草地可利用產(chǎn)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(chǎn)力，kg·hm-2；表示人工草地的灌溉系數(shù)，本文取1。

表1 烏蘭縣牧區(qū)草地資源現(xiàn)狀

通過上述計(jì)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(chǎn)草量（表2）。人工草地產(chǎn)草量作為當(dāng)?shù)厣罄浼狙a(bǔ)飼。

1.2.2 牲畜放牧規(guī)律 當(dāng)前烏蘭縣牧區(qū)實(shí)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(jié)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(jié)束。

烏蘭縣草場牲畜飼養(yǎng)主要以青海半細(xì)毛羊?yàn)橹?。由于烏蘭縣冬季寒冷，氣候變化異常，該地半細(xì)毛羊普遍進(jìn)行冬配春產(chǎn)，最大限度提高雜種羔羊的成活率。牧區(qū)牲畜數(shù)量動態(tài)變化受控于牲畜的產(chǎn)羔和出欄兩個(gè)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)：1—4月和9—10月。據(jù)此可以將全年牲畜數(shù)分為兩個(gè)階段，第一階段：5—10月，由于4月母羊產(chǎn)羔過程完畢，牲畜數(shù)量達(dá)到最大值，即年中牲畜統(tǒng)計(jì)量；第二階段：上一年11月至當(dāng)年4月，隨著牲畜的出售出欄，牲畜數(shù)量減少到最小值，即年末牲畜存欄量。依據(jù)收集2008— 2019年烏蘭縣畜牧業(yè)資料，可得烏蘭縣牧區(qū)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(qū)是否達(dá)到動態(tài)草畜平衡來判斷牧區(qū)全年合理載畜量是否最優(yōu)的主要思路，有效的優(yōu)化方法能夠?qū)ふ易顑?yōu)情況下牧區(qū)全年最大合理載畜量。本研究將同時(shí)通過優(yōu)化結(jié)果計(jì)算牧區(qū)可利用產(chǎn)草量和牲畜需草量之間的差值對牧區(qū)動態(tài)草畜平衡狀況進(jìn)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(chǎn)草量

根據(jù)牧區(qū)降水情況設(shè)置豐、平、枯 3 個(gè)降水情景，分別對應(yīng)降水頻率為 25%、50%和 75%；表中可利用產(chǎn)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(yōu)化模型 季節(jié)性輪牧是一種草地季節(jié)性利用的放牧管理方式[24-25]，即根據(jù)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(xí)慣，按季節(jié)劃分放牧草地，隨季節(jié)更替順序進(jìn)行輪流放牧，在充分利用草地飼養(yǎng)牲畜的同時(shí)，又能夠有效地保護(hù)草地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用[26-28]。目前，天然草地合理載畜量的計(jì)算公式為：

（3）

（4）

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

根據(jù)牧區(qū)季節(jié)性輪牧的現(xiàn)狀，考慮輪牧過程草地資源的時(shí)空隔離和牲畜數(shù)量的動態(tài)變化，本文對暖季、冷季草場放牧?xí)r間段進(jìn)行細(xì)化，設(shè)1為出欄至轉(zhuǎn)場的間隔天數(shù)，設(shè)2為出欄至產(chǎn)羔的間隔天數(shù)。在D時(shí)間段內(nèi)，牲畜數(shù)量發(fā)生一次變化，即牲畜出欄，將D細(xì)分為兩個(gè)階段：①牲畜出欄前的放牧天數(shù)D-1，對應(yīng)牲畜數(shù)量為；②牲畜出欄至轉(zhuǎn)場時(shí)的放牧天數(shù)1，對應(yīng)牲畜數(shù)量為/(1+)。同樣，在D時(shí)間段內(nèi)，牲畜數(shù)量再一次發(fā)生變化，即牲畜產(chǎn)羔，將D細(xì)分為兩個(gè)時(shí)間段：①牲畜轉(zhuǎn)場至產(chǎn)羔前的放牧天數(shù)2-1，對應(yīng)牲畜數(shù)量為/(1+)；②牲畜產(chǎn)羔至放牧周期結(jié)束時(shí)的放牧天數(shù)D-2+1，對應(yīng)牲畜數(shù)量為。因此，在進(jìn)行暖季放牧?xí)r牲畜需草量等于兩個(gè)時(shí)段的牲畜需草量之和，第一個(gè)時(shí)段牲畜需草量為××(D-1)，第二個(gè)時(shí)段牲畜需草量為××1；在進(jìn)行冷季放牧?xí)r牲畜需草量也等于冷季兩個(gè)時(shí)段的牲畜需草量之和，第一個(gè)時(shí)段牲畜需草量為××(2-1)，第二個(gè)時(shí)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(jì)算公式為：

式（5）、（6）中：E、E分別表示牧區(qū)暖季、冷季牧場牲畜需草量，kg；表示牧區(qū)牲畜的年中統(tǒng)計(jì)量，標(biāo)準(zhǔn)羊單位；1表示牧區(qū)牲畜的出欄至轉(zhuǎn)場間隔天數(shù)，d；2表示牧區(qū)牲畜的出欄至產(chǎn)羔間隔天數(shù)，d；表示牧區(qū)牲畜出欄率。

基于此，本文通過調(diào)整牲畜由夏秋牧場進(jìn)入冬春牧場放牧的時(shí)間和控制牲畜出欄率，以牧區(qū)達(dá)到動態(tài)草畜平衡狀態(tài)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)牧區(qū)全年合理載畜量最大的最終目標(biāo)，提出放牧-管理優(yōu)化模型。在放牧-管理優(yōu)化模型中，最優(yōu)合理載畜量目標(biāo)反映了牧區(qū)草場的最大承載能力，在對牲畜轉(zhuǎn)場時(shí)間和牲畜出欄率進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，以最優(yōu)合理載畜量作為首要目標(biāo)，同時(shí)為了使多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，將牧區(qū)動態(tài)草畜平衡目標(biāo)轉(zhuǎn)為動態(tài)草畜平衡約束。模型主要結(jié)構(gòu)如下：

（1）目標(biāo)函數(shù)

牧區(qū)全年合理載畜量達(dá)到最大，即：

Max=（7）

式中，表示牧區(qū)全年合理載畜量，標(biāo)準(zhǔn)羊單位。

該模型將牧區(qū)輪牧牧場中載畜量較小的一個(gè)作為整個(gè)牧區(qū)的關(guān)鍵場，而此關(guān)鍵場的合理載畜量決定了整個(gè)牧區(qū)草場的合理載畜量。計(jì)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(shù)和牲畜數(shù)量分別受轉(zhuǎn)場時(shí)間和出欄率的影響，引入變量1、2對暖、冷季合理載畜量進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)暖季草場兩個(gè)時(shí)段的放牧天數(shù)發(fā)生變化：①牲畜出欄前的放牧天數(shù)D-1；②牲畜出欄至轉(zhuǎn)場時(shí)的放牧天數(shù)1。同樣，冷季草場兩個(gè)時(shí)段的放牧天數(shù)也發(fā)生變化：①牲畜轉(zhuǎn)場至產(chǎn)羔前的放牧天數(shù)2-1；②牲畜產(chǎn)羔至放牧周期結(jié)束時(shí)的放牧天數(shù)D+1-2。據(jù)此可以得到暖、冷季合理載畜量計(jì)算公式為：

（9）

（10）

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

（2）約束條件

牧區(qū)牲畜需草量主要取決于牧區(qū)牲畜數(shù)量，牧區(qū)牲畜數(shù)量的變化主要體現(xiàn)在牧區(qū)的牲畜生產(chǎn)節(jié)律。由于牧區(qū)牲畜的產(chǎn)羔和出欄，牧區(qū)年中牲畜數(shù)和年末牲畜數(shù)之間差異較大，導(dǎo)致各輪牧區(qū)的牲畜需草量也發(fā)生變化。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)牧區(qū)的草畜平衡，需在各輪牧區(qū)放牧天數(shù)內(nèi)，使其可利用產(chǎn)草量與牲畜需草量相等，因此該模型的動態(tài)草畜平衡約束如下：

①當(dāng)暖季草場合理載畜量小于冷季草場合理載畜量（A＜A）時(shí)，暖季草場作為整個(gè)牧區(qū)的最小關(guān)鍵場，此時(shí)需要冷季草場可利用產(chǎn)草量與牲畜需草量達(dá)到平衡狀態(tài)，即：

式中，符號意義同前。

②當(dāng)冷季草場合理載畜量大于暖季草場合理載畜量（A＞A）時(shí)，冷季草場作為整個(gè)牧區(qū)的最小關(guān)鍵場，此時(shí)需要暖季草場可利用產(chǎn)草量與牲畜需草量達(dá)到平衡狀態(tài)，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(guī)律和自然遺傳機(jī)制的一種全局優(yōu)化算法[29]。自其誕生以來就受到眾多學(xué)者的關(guān)注，經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，GA在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，本研究采用GA對放牧-管理優(yōu)化模型進(jìn)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(yōu)化參數(shù)設(shè)置 烏蘭牧區(qū)牲畜在10月底出欄完畢，實(shí)際轉(zhuǎn)場時(shí)間為11月下旬，在此期間牲畜數(shù)量急劇下降，牲畜轉(zhuǎn)場時(shí)間提前會使合理載畜量變大，因此設(shè)置變量1取值范圍：

0≤1≤30。

出欄率是動態(tài)聯(lián)系暖季、冷季草場載畜量的最關(guān)鍵因子，提高出欄率能夠有效提升牧民經(jīng)濟(jì)收入，降低冷季草場載畜壓力，改善暖季、冷季草場載畜量結(jié)構(gòu)，但出欄率過高會導(dǎo)致存欄不足，影響翌年牲畜數(shù)量的繁殖恢復(fù)，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(qū)，其牲畜出欄率歷年最高為57.28%，最低為37.13%，因此設(shè)置變量2取值范圍：

35%≤2≤60%。

通過改變出欄率計(jì)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(yàn)監(jiān)測確定出內(nèi)蒙古典型草原合理放牧強(qiáng)度閾值，認(rèn)為該閾值中存在使生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益二者均衡最優(yōu)的放牧強(qiáng)度，因此為尋得烏蘭縣牧區(qū)未利用飼草量最低且全年合理載畜量最優(yōu)時(shí)的出欄率，變量2取值范圍設(shè)置較為合理。

注：未利用飼草量是指可利用產(chǎn)草量和牲畜需草量之間的差值

2 結(jié)果

2.1 不同降水情景下最優(yōu)放牧條件

根據(jù)已有資料，利用遺傳算法對放牧-管理優(yōu)化模型求解得到優(yōu)化結(jié)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(yōu)化結(jié)果。這是由于優(yōu)化模型中的變量1的實(shí)際意義是表示天數(shù)，在計(jì)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(yōu)化算法，具有隨機(jī)性，它的每個(gè)解都是近似最優(yōu)解，因此優(yōu)化結(jié)果實(shí)際上是一個(gè)調(diào)控方案集[30]，在此調(diào)控方案集中無論采取何種方案，理論上結(jié)果都是最優(yōu)的。

通過對比優(yōu)化前后合理載畜量和未利用飼草量可知，放牧-管理優(yōu)化模型對牧區(qū)不同降水情景的模擬結(jié)果均較好。優(yōu)化后烏蘭縣牧區(qū)在豐水年合理載畜量較優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(shí)改變1、2更為合理，變量1、2之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系，在提高出欄率的同時(shí)將牲畜轉(zhuǎn)場時(shí)間提前，可以增大牧區(qū)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(jié)果就越優(yōu)，而是在牧區(qū)未利用飼草量最低時(shí)達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)的1、2作為牧區(qū)最優(yōu)放牧條件，牧區(qū)合理載畜量作為最優(yōu)合理載畜量。因此，烏蘭縣牧區(qū)在豐水年最優(yōu)放牧條件為牲畜在11月1日轉(zhuǎn)場和出欄率43.4%，最優(yōu)合理載畜量為109.92萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位；平水年最優(yōu)放牧條件為牲畜在11月3日轉(zhuǎn)場和出欄率38.2%，最優(yōu)合理載畜量為96.14萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位；枯水年最優(yōu)放牧條件為牲畜在11月3日轉(zhuǎn)場和出欄率36.7%，最優(yōu)合理載畜量為83.64萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位。建議烏蘭縣牧區(qū)畜牧業(yè)管理者基于優(yōu)化結(jié)果對放牧管理過程作出相應(yīng)調(diào)整，這對烏蘭縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定的借鑒意義。

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

表3 不同降水頻率下模型優(yōu)化結(jié)果

2.2 平水年動態(tài)草畜平衡分析

參考覃琳等[10]對祁連山北麓牧區(qū)的動態(tài)草畜平衡研究，以平水年為例，分析烏蘭縣季節(jié)性牧區(qū)產(chǎn)草過程和基于最優(yōu)合理載畜量的牲畜需草動態(tài)過程（圖4）。烏蘭縣天然草地可利用產(chǎn)草量主要集中在5月至10月，7月份達(dá)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(qū)進(jìn)行暖季放牧?xí)r牲畜采食，冷季草場可利用飼草供牧區(qū)進(jìn)行冷季放牧?xí)r牲畜采食；各月牲畜需草量隨牲畜數(shù)量的變化在牧業(yè)年度內(nèi)形成波動性周期。

整體牲畜需草量分為兩個(gè)階段，第一階段：5月至10月，牲畜數(shù)量為年中統(tǒng)計(jì)量（即最優(yōu)合理載畜量96.14萬標(biāo)準(zhǔn)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(gè)階段的牲畜育肥、產(chǎn)毛等獲得經(jīng)濟(jì)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(jié)束，該階段牲畜數(shù)量減少為年末存欄量（即出欄后載畜量69.57萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位），需草量相應(yīng)減少，在冬季惡劣環(huán)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(shù)量的存欄牲畜，保證翌年的牲畜繁殖和數(shù)量恢復(fù)，因此該階段也稱為“保畜越冬”階段。

圖4 烏蘭縣牧區(qū)產(chǎn)草過程與牲畜動態(tài)需草過程

根據(jù)烏蘭縣牧區(qū)產(chǎn)草過程和牲畜動態(tài)需草過程進(jìn)行牧區(qū)動態(tài)草畜平衡分析（圖5）。牲畜在牧草的生長季（7月初）進(jìn)入暖季牧場放牧，由于8—10月牧場可利用產(chǎn)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(zhuǎn)場進(jìn)入冷季牧場放牧，此時(shí)牧區(qū)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(yōu)化前后的動態(tài)草畜平衡過程可以看出，放牧-管理優(yōu)化模型對烏蘭縣季節(jié)性牧區(qū)的適用性較好。優(yōu)化前后均可實(shí)現(xiàn)動態(tài)草畜平衡，說明季節(jié)性輪牧是一種適宜烏蘭縣牧區(qū)的放牧方式。但是按優(yōu)化前（牲畜在11月22日轉(zhuǎn)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(qū)放牧管理方式存在不合理之處。在調(diào)整牲畜轉(zhuǎn)場時(shí)間為11月3日、出欄率為38.2%后，烏蘭縣牧區(qū)的關(guān)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(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)牧草資源高效利用，牧區(qū)可利用飼草未充分利用問題得到有效解決。這表明在牧區(qū)暖季牧場可利用產(chǎn)草量明顯低于冷季牧場時(shí)，此時(shí)牲畜未出欄，牲畜數(shù)量較高，對牧草的采食強(qiáng)度高，提前轉(zhuǎn)場（縮減暖季牧場的放牧?xí)r間而延長冷季牧場的放牧?xí)r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(fā)揮其再生優(yōu)勢。

圖5 烏蘭縣牧區(qū)動態(tài)草畜平衡分析

3 討論

3.1 牧區(qū)草場發(fā)生退化的原因分析

超載過牧仍是導(dǎo)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(qū)草地資源分配及利用的不合理，實(shí)際上牧區(qū)并沒有達(dá)到其最大載畜能力，反而低載畜量也會導(dǎo)致牧區(qū)不能進(jìn)行高效持續(xù)的放牧利用，從而使草地植被發(fā)生不期望的變化。本研究針對季節(jié)性輪牧過程中草地資源的時(shí)空隔離和牲畜數(shù)量的動態(tài)變化，構(gòu)建出放牧-管理優(yōu)化模型，通過該優(yōu)化模型可以提高不同降水情景下牧區(qū)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(jīng)濟(jì)收入，且不會造成草原牧區(qū)超載過牧，有效解決草原牧區(qū)對草地資源利用的不合理。而對于季節(jié)性輪牧區(qū)冷、暖季草場面積劃分的不合理，放牧-管理優(yōu)化模型可以在改進(jìn)后進(jìn)一步對草場面積進(jìn)行劃分，調(diào)整部分冷季草場進(jìn)行暖季放牧，但由于縣級情況復(fù)雜，可操作性并不強(qiáng)。此外，研究表明降水量是影響牧區(qū)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(qū)的研究結(jié)論一致，天然草場產(chǎn)草量受天然來水量影響較大，因此建議重點(diǎn)培育和發(fā)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(wěn)定、可控的灌溉草地，一直都被視為解決牧區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展與天然草原生態(tài)保護(hù)之間矛盾的重要措施[31]。

3.2 放牧-管理優(yōu)化模型的優(yōu)勢

草畜平衡作為當(dāng)前草原管理的主要措施，牧區(qū)載畜量調(diào)控是草畜平衡的核心工作。牲畜轉(zhuǎn)場時(shí)間和出欄率在季節(jié)性輪牧過程中直接影響牧區(qū)全年合理載畜量，將二者作為草原放牧管理調(diào)控過程中的關(guān)鍵因子引入到放牧-管理優(yōu)化模型中，按照放牧-管理優(yōu)化模型優(yōu)化得到的最優(yōu)放牧條件進(jìn)行放牧對草原牧區(qū)統(tǒng)一管理更具有實(shí)際指導(dǎo)意義和可操作性。尹燕亭等[32]通過對蘇尼特右旗畜牧業(yè)產(chǎn)值和牲畜結(jié)構(gòu)的各影響因素定量分析認(rèn)為，氣候變化是影響縣域畜牧業(yè)發(fā)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(tài)系統(tǒng)的分析認(rèn)為,合理放牧是決定放牧生態(tài)系統(tǒng)草地群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵?；跁r(shí)空異質(zhì)性并綜合考慮氣候變化，在實(shí)現(xiàn)草原牧區(qū)可持續(xù)發(fā)展理念的基礎(chǔ)上合理利用草地資源，利用放牧-管理優(yōu)化模型進(jìn)行科學(xué)計(jì)算得到最優(yōu)合理載畜量，遵照保護(hù)性利用的原則，同時(shí)考慮高寒荒漠草原季節(jié)性牧區(qū)不同的生態(tài)環(huán)境條件，基于最優(yōu)合理載畜量對牧區(qū)進(jìn)行適宜載畜量調(diào)控，不僅有利于實(shí)現(xiàn)草原牧區(qū)動態(tài)草畜平衡，還能夠有效解決牧區(qū)超載過牧帶來的草地退化和生態(tài)環(huán)境惡化等問題抑或是欠載放牧帶來的經(jīng)濟(jì)收入水平較低等問題[17]。因此，建議今后烏蘭縣牧區(qū)可以依據(jù)當(dāng)年的氣候情況動態(tài)調(diào)整放牧條件，發(fā)揮草地資源的最大效能, 實(shí)現(xiàn)放牧草場的優(yōu)化控制。

3.3 放牧-管理優(yōu)化模型在單個(gè)牧戶或牧場的應(yīng)用與意義

目前針對縣域開展草畜平衡計(jì)算工作的研究頗多，其目的是評價(jià)區(qū)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(xué)依據(jù)[2-3,10,13-14]。而本文構(gòu)建的放牧-管理優(yōu)化模型則是以優(yōu)化放牧制度為研究思路，以縣域?yàn)檠芯砍叨龋匆哉麄€(gè)烏蘭縣牧區(qū)為研究實(shí)例，從理論上來說，得到的放牧制度可以作為整個(gè)牧區(qū)的放牧依據(jù)，但由于它是一個(gè)固定策略，實(shí)際上政府很難規(guī)定單一普適的放牧制度，因牧戶個(gè)體和草原生態(tài)的多樣性，各生產(chǎn)單位、牧戶也不可能步調(diào)一致。若將該模型應(yīng)用于單個(gè)牧戶或牧場，其結(jié)果靈活多變，會優(yōu)于固定策略，能夠?yàn)槟翍艋蚰翀鲋贫ê线m的放牧制度，對于指導(dǎo)牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐具有實(shí)用價(jià)值。由于調(diào)研時(shí)未收集到單個(gè)牧戶或牧場的放牧生產(chǎn)系統(tǒng)的詳細(xì)資料，因此本文并未對單個(gè)牧戶或牧場的放牧生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化模擬研究，希望能夠在日后的調(diào)研工作中獲得更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行單個(gè)牧戶或牧場的放牧制度優(yōu)化。

4 結(jié)論

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

（3）通過優(yōu)化前后動態(tài)草畜平衡分析的對比，放牧-管理優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)高寒荒漠草原牧區(qū)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(qū)出現(xiàn)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(yōu)化模型對高寒荒漠草原季節(jié)性牧區(qū)放牧管理過程調(diào)控和草畜平衡優(yōu)化的適用性較好。今后，可以在研究牧草補(bǔ)償性生長和草畜平衡相互關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建優(yōu)化模型，確定優(yōu)化放牧條件，為保護(hù)我國高寒荒漠草原生態(tài)環(huán)境和指導(dǎo)草原牧區(qū)綜合可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0400301）

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

（責(zé)任編輯 林鑒非）