荒漠草原區家庭牧場草畜優化模擬研究

竇焱艷 ,韓國棟,李治國,王忠武

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院/草地資源教育部重點實驗室,呼和浩特 010018)

草原是我國的重要生態系統之一,也是我國畜牧業發展的基礎。內蒙古草原地域遼闊,草地面積為5.4×107hm2,草原畜牧業成為內蒙古重要的支柱產業,對當地牧民的生計和經濟發展有著重要的影響。內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特中旗地處內蒙古烏蘭察布高原西部,草地類型以荒漠草原為主,風沙天數較多,夏季短促、冬季漫長,草地返青恢復晚。草地畜牧業是當地的經濟主體,也是巴彥淖爾市經濟發展的重要組成部分。然而,在草原畜牧業生產經營中,存在著一系列的問題,由于牧民長期忽視管理、粗放經營,牧民在經濟利益的驅使下,不斷增加牲畜數量,致使草地超載放牧、過度開墾以及生態環境日益惡化等一系列環境問題日益嚴重。另外,牧區對草地可持續發展的意識不強,無法摒棄因單純盲目而過度飼養家畜的固有思想,導致生產和經濟效益降低、凈收益下降的現狀非常普遍,使得草地畜牧業面臨草地大面積退化和家畜數量居高不下的現實,致使草場生態承載力逐步降低[1-2],植被覆蓋度的降低使牧民失去基本的優良草原生產資料;另外,草地退化引發了毒害草比例上升、生物多樣性降低[3],生態系統受損[4],畜產品的供應減少[5],生態系統穩定性減弱[6],優良牧草產量和質量顯著下降[7]等現象,嚴重影響草原生態系統的穩定和可持續發展。

早期的畜牧業生產方式已不能實現草原增綠、牧業增效、牧民增收的目標,針對這些問題,國家和地方政府已經采取了一系列的政策和措施,以促進草原畜牧業的可持續發展。其中,家庭牧場作為一種具有傳統特色的草原畜牧業生產組織形式,在保護草原生態環境、促進畜牧業生產發展等方面具有重要的作用。從目前來看,國內許多學者的注意力逐漸轉移到了如何對現有的草地畜牧業生產模式進行優化?，F代畜牧業生產需要新的思維方式和管理理念,如整合資源、融合技術、發展新的生產和管理機制、掌握現代科技要素,以此建立家庭牧場新模式,確保牧場的可持續利用,促進經濟發展[8,9]。

本研究的目的在于通過建立草畜平衡模型和優化生產模型,分析內蒙古烏拉特中旗荒漠草原區家庭牧場在不同載畜率下的草畜平衡、草地生物量、甲烷排放量和經濟收支情況,探討家庭牧場生產經營的優化策略和管理模式,為該地區的家庭牧場生產經營提供科學依據和決策支持,促進草原畜牧業的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區烏拉特中旗位于內蒙古自治區巴彥淖爾市東北部,地處107°16′—109°42′E, 41°07′—41°28′N,平均海拔1 280 m以上。草地資源豐富,全旗可利用草場約2.2×106hm2,占全旗土地總面積的95.1%。該旗寒暑變化劇烈,屬大陸性干旱氣候區,年平均氣溫3.0～6.8℃,年平均降水量115～250 mm,無霜期130 d左右,一年中平均風速≥8 m/s的時數為2 382 h,是內蒙古自治區風能最佳區域。土壤類型主要有:以棕鈣土為主,栗鈣土次之,鹽土、風沙土、草甸土、灌淤土6種。

1.2 試驗設計

本研究于2022年對內蒙古巴彥淖爾市烏拉特中旗荒漠草原區家庭牧場進行大范圍隨機入戶調研。對家庭基本信息、草場面積、家畜、補飼和經濟狀況進行現場問卷調查。根據調研結果,當地最低和最高載畜率處于0羊單位/hm2～1羊單位/hm2之間,因此將調研牧戶按照載畜率等差結果劃分為5個載畜率梯度范圍:極低載畜率0.1羊單位/hm2～0.33羊單位/hm2(SR1)、較低載畜率0.33羊單位/hm2～0.55羊單位/hm2(SR2)、中等載畜率0.55羊單位/hm2～0.78羊單位/hm2(SR3)、較高載畜率0.78羊單位/hm2～1羊單位/hm2(SR4)、極高載畜率1羊單位/hm2以上(SR5)。利用家庭牧場優化模型(OMMLP)對不同載畜率下草畜平衡、草地生物量、甲烷排放量現狀進行模擬分析。

1.3 模型介紹及原理

家庭牧場優化模型(OMMLP)模型(Optimized Management Models for Household Pasture Livestock Farm Production)是一種適應中國北方牧區家庭牧場且側重于牧場經營模擬和優化生產設計的軟件系統,包括4個模型。本文選用OMMLP模型中的草畜平衡模型(Feed Balance Analyzer,FBA)模塊與優化生產模型(Linear Program Optimizer,LPO)模塊。

1.3.1草畜平衡模型

草畜平衡模型是OMMLP模型的基礎模型,涉及草地面積、家畜數據日歷、經濟、氣象數據等787個基本參數。運用模型前要求使用者對家庭牧場的基本數據進行整合,將正確的參數代入模型中,它的評價指標是代謝能,參數輸入正確可模擬出一年內試驗地家畜-草地能量平衡狀態、畜群甲烷排放量以及草地生長速率和生物量狀況。

1.3.2優化生產模型

優化生產模型較草畜平衡模型更加的全面,以經濟作為評價指標,通過對不同載畜率和其他生產經營中的6類上千個參數,如草場、飼草飼料、農作物、補飼、支出費用、勞動力等參數進行設置,其中條件設置還包括了放牧方式的選擇,放牧或(和)圈養,以及草場輪牧設置。運行模型可計算出該家庭牧場具體的收入、開支、凈利潤等結果,以報表和圖示的形式展現,旨在評估不同載畜率下的經濟效益變化,起到預測的效果,最終得出有限資源與環境條件下家庭牧場的最優生產運營配置以及實現經濟、生態效益的最大化。

1.4 模型參數

OMMLP模型涉及到的主要參數詳見表1。

2 結果與分析

2.1 不同牧場載畜率下家庭牧場草畜平衡模擬分析

由草畜能量平衡模擬結果可知,如圖1(a)所示,在載畜率0.1 綿羊單位(SE)/hm2下,當地在10月份進入寒冷期,地上植物枯死,而家畜需要大量的能量抵御寒冬,畜群所需能量大于草地所供給的能量,因此出現能量缺口。家畜在1—2月份進入繁殖產羔期,能量需求出現跳躍式的增長,形成全年能量最大空缺期,缺值高達6.87 MJ/SE/day,可能導致家畜不能順利越冬。在夏季草原進入生長期,僅在8—9月份草地供給的能量大于畜群所需能量,出現能量剩余期,平均富余值為0.34 MJ/SE/day。在0.33 SE/hm2載畜率下如圖1(b)所示,也僅在8—9月份能量有剩余,富余量均值有所下降,為0.21 MJ/SE/day。在0.55 SE/hm2、0.78 SE/hm2、1 SE/hm2載畜率下如圖1(c)、(d)、(e)所示,均呈現出冬季能量不足,夏季無富余,且隨著載畜率的升高能量缺乏量均值逐漸增加。

注:a: SR1; b: SR2; c: SR3; d: SR4; e: SR5圖1 不同載畜率條件下草畜能量平衡分析

2.2 不同牧場載畜率下家庭牧場草地生物量模擬分析

烏拉特中旗家庭牧場受資源、氣候環境等影響,天然草地不劃分冬季放牧場和夏季放牧場,草場全年連續利用。由圖2可以看出不同載畜率下天然草場總體的干物質量變化趨勢,在極低載畜率、較低載畜率下,5—9月份隨著氣溫逐漸升高,草地開始返青,干物質量快速增加并在9月份達到峰值,分別為0.88 t/hm2、0.81 t/hm2;9月份至翌年4月份,隨著溫度的不斷降低,牧草停止生長,草地干物質的量持續減少,在4月份降到全年最低量,僅為0.32 t/hm2、0.25 t/hm2。在中等載畜率、較高載畜率、極高載畜率水平下,5—8月份草地干物質量持續增加,8月份達到最大值,分別為0.56 t/hm2、0.53 t/hm2、0.49 t/hm2,在4月份時干物質量最低,分別為0.19 t/hm2、0.17 t/hm2、0.14 t/hm2。

圖2 不同載畜率下草地生物量變化 圖3 不同載畜率下畜群甲烷排放量

2.3 不同載畜率下家庭牧場甲烷排放量模擬分析

當地家庭牧場的畜群甲烷排放量如圖3所示,總體上呈現出先增長后下降的趨勢,且夏季排放量較冬季排放量大。在極低載畜率水平下,甲烷排放量總體上無較大變化,在4月份之后開始有小幅度增長,8月份到達最大值1.37 kg/day/farm后又開始下降。在較低載畜率、中等載畜率水平下,甲烷排放量的變化趨勢基本相同,從4月份開始增長,8月份達到峰值,最大值分別為3.79 kg/day/farm、3.81 kg/day/farm,此后開始下降,12月份降到全年最低值,為2.17 kg/day/farm、1.75 kg/day/farm。在較高載畜率、極高載畜率下,畜群甲烷排放量在7月份達到峰值,分別為7.33 kg/day/farm、11.46 kg/day/farm,12月份均降到最低值,分別為3.11 kg/day/farm、6.15 kg/day/farm。

2.4 不同載畜率下家庭牧場經濟收支模擬分析

利用生產優化模型分析家庭牧場的經營收支狀況,如圖4結果所示,當載畜率為0.1 SE/hm2時,總收入4.04萬元,草地供給牧草量可以滿足當前家畜數量的采食,無需再購買飼草料,故總支出僅有0.02萬元,凈收入4.02萬元;在0.33 SE/hm2載畜水平下,總收入8.97萬元,這時需要開始購買少量冬季所需的飼草料,總支出0.05萬元,凈收入8.92萬元;載畜率為0.55 SE/hm2時,總收入上漲到11.56萬元,總支出1.81萬元,凈收入達到9.75萬元;在0.78 SE/hm2載畜水平時,總收入12.33萬元,總支出為3.46萬元,凈收入降低為8.87萬元;當載畜率為1 SE/hm2時,總收入為11.79萬元,總支出高達5.99萬元,凈收入降低至5.79萬元。隨著載畜水平的升高,總收入、總支出、凈收入也不斷增加,但當載畜水平超過0.55 SE/hm2后凈收入開始出現下降的趨勢。在調研中我們了解到,近年來當地草場不斷退化,而牲畜數量居高不下,給草場帶來了巨大的承載壓力。相反,如果載畜水平過低,雖然總支出少,但總收入也少,因此凈收入也不高,不足以維持牧場正常的生產經營活動。

圖4 家庭牧場經濟收支現狀

3 討論

烏拉特中旗位于荒漠草原區,屬于大陸性干旱氣候區,降水稀少,蒸發強烈,導致牧草覆蓋度低。當前天然草地無法滿足畜牧業的生產需求,且受到惡劣氣候等自然條件的限制,家庭牧場生產經營一直采用傳統方式,草場常年進行放牧利用。冬季漫長,牧民需大量購買飼草以供家畜冬季需求,然而天然草場不足以滿足打草條件,優質干草供給不足,故需從外地采購,造成飼草開銷巨大。牧民追求利益,不斷增加牲畜數量和擴大飼養規模,導致草場超載和惡化,無法滿足家畜的能量需求。這種情況下,當地畜牧業的生產力水平低下,草畜平衡與家庭牧場的生產經營面臨著嚴峻的挑戰。

保持合理數量的家畜是草畜平衡的關鍵[10]。本文通過比較不同載畜水平條件下的草畜能量平衡和經濟收支變化,以此預測家庭牧場的最佳載畜率水平、優化內部資源配置,試圖解決草畜平衡和凈收入改善問題。多年來,隨著載畜率的不斷攀升,畜群能量需求增加,而草地供給的能量越來越少,導致能量缺乏量越來越大,草地生產力水平大大降低,牧民所擁有的草場根本無法滿足家畜的營養需求,家畜所需能量得不到供給就會導致個體性能低下甚至無法越冬,不及時淘汰畜群中的老、弱、病、殘以及飼養過多羯羊,不僅造成飼草料的浪費而且對牧戶自身的收益造成極大影響。同時,大量家畜的采食、排泄、踐踏行為對草地生態健康帶來消極影響。另一方面,由于夏季氣溫升高,家畜放牧采食時呼吸加快,代謝活動旺盛,加之草場干物質量增加,因此產生的甲烷排放量總體上呈現夏季多、冬季少的態勢,并且隨著載畜率的增大,甲烷排放量也隨之增多。馬燕芬[11]研究指出,畜群甲烷排放量與環境溫度密切相關,與自身體重成正相關關系。隨著溫度的降低,家畜食糜流通速度增強,飼料的可消化率降低,導致甲烷排放冬季少夏季多。低載畜率可以帶來更多的生態效益,如草地資源得到保護、草地能量剩余量增多、甲烷排放量減少等,可以緩解溫室效應,對于大氣溫度升高有遏制作用。但是,隨著牧區人口數量的增加以及受到家畜市場價格的波動影響,低載畜率在一定程度上限制了牧民家庭的經濟收入,無法滿足家庭牧場正常的生產經營活動和牧民對于物質生活的需求。因此,實現草畜平衡管理是關鍵,既要保障生態效益,經濟效益也要考慮。根據當地草地的實際情況,控制牲畜數量,增加出欄率,可以通過購買更多的飼草料、建立飼草飼料庫、冷季暖棚舍飼、草場租賃流轉等措施使草畜資源加以平衡,直接減輕天然草地的放牧壓力,提高草地生產能力和利用率,使得草與畜之間可持續發展,不僅要使草地有“休養生息”的機會,同時也要保證牧民減畜不減收。利用模型對牧戶的草畜能量平衡模擬可知,該典型牧戶家畜能量在冬季供不應求,夏季能量有剩余,通過合理科學的減少一定量的家畜,一方面家畜能量需求減少可以緩解草場壓力,維持草地自身恢復能力,另一方面草地牧草供應能力相應增加,冬季家畜所需的代謝能也可以得到滿足。通過優化管理模型對牧戶的經濟收支狀況模擬可知,在5個遞增載畜率條件下,家庭牧場的總收入與總支出都不斷增加,而凈收入呈現先增加后降低的趨勢。該典型牧戶目前處于0.51 SE/hm2的載畜率水平條件下,凈收入在9.21萬元左右,結合研究區當地規定理論載畜率水平與模擬預測不同載畜率下的經濟效益變化,建議將載畜率控制在0.33 SE/hm2～0.55 SE/hm2間。家庭牧場要加強自身建設,經營者要培養科學文化思想,科學養畜,政府在提出禁牧、休牧、減畜等措施的同時也要加強思想教育,更好的提高家庭牧場自我發展能力。

此外,本研究還存在一些不足之處,需要在后續研究中進一步完善和改進。例如,模型參數仍存在不確定性,需要進一步考慮不同條件下的變化,以提高模型的精度和可靠性。同時,本研究的樣本數據僅限于內蒙古烏拉特中旗荒漠草原區,對其他地區的推廣應用存在局限性,需要進一步拓展研究范圍,以提高研究結果的普適性和可靠性。綜上所述,本研究為內蒙古烏拉特中旗荒漠草原區家庭牧場的草畜優化模擬研究提供了科學的理論支持和實證研究結果,為家庭牧場的可持續發展和草原生態保護提供了有益的參考和借鑒。

4 結論

烏拉特中旗荒漠草原地區家庭牧場草畜能量平衡表現出不平衡的現象。隨著載畜率的攀升,家畜實際攝入能量與維持需要的能量之間存在供不應求的狀態,僅在0.1 羊單位/hm2、0.33 羊單位/hm2載畜率水平下草地能量有剩余。甲烷排放量隨著載畜率的升高而增加,而草地生物量則相反。

家庭牧場凈收益隨著載畜率的升高先增加后降低,綜合生態和經濟效益,由此可以確定最佳載畜率范圍為0.33 羊單位/hm2～0.55 羊單位/hm2。