内蒙古草甸草原家庭牧场模型模拟研究

李江文，王静，李治国，王瑞珍，潘占磊，武倩，韩国栋

内蒙古草甸草原家庭牧场模型模拟研究

李江文，王静*，李治国，王瑞珍，潘占磊，武倩，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 010019

家庭牧场是我国牧区的基本草地管理单元，其经营管理的好坏直接影响着家畜的生产和草地的生态环境，因此开展家庭牧场优化管理的研究具有重要的理论和实践意义。以内蒙古草甸草原家庭牧场为研究对象，通过对家庭牧场生产经营中涉及的家畜、草地、气候、经济、政策等进行调查，对各项指标取平均值后建立典型牧户，利用家庭牧场家畜生产优化管理模型（OMMLP），分析不同家畜载畜率水平下草畜平衡现状和牧民的经济收入状况。结果表明：载畜率越高，草畜矛盾越突出；当载畜率水平在1.12 SE·hm-2时，草畜之间可达到或接近最佳平衡状态，即冬季牧草供给可满足畜群能量需求，夏季牧草供给有剩余；家庭牧场生产经营的总支出随家畜载畜率的升高而增多，总收入和净收入的变化则随着家畜载畜率的升高而先增多后减少；当载畜率水平处在1.15 SE·hm-2时，牧场生产经营的净收入达到最大值；故将载畜率水平控制在1.12～1.15 SE·hm-2之间，可使当地家庭牧场生产经营达到最优化水平。在中等载畜率（1.12 SE·hm-2）条件下，既可保持牧场草畜最佳平衡状态，又可保证牧民生产经营净收入达到最高。

家庭牧场；草甸草原；模型；净收入

引用格式：李江文， 王静， 李治国， 王瑞珍， 潘占磊， 武倩， 韩国栋. 内蒙古草甸草原家庭牧场模型模拟研究［J］. 生态环境学报， 2016， 25（7）： 1146-1153.

LI Jiangwen， WANG Jing， LI Zhiguo， WANG Ruizhen， PAN Zhanlei， WU Qian， HAN Guodong. The Modeling of Family Ranch in Meadow Steppe of Inner Mongolia ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（7）： 1146-1153.

内蒙古草原是我国连片分布的草原，是欧亚大陆草原区的重要组成部分（李博等，1995）。草甸草原作为内蒙古主要的草地类型之一，主要位于内蒙古呼伦贝尔盟、锡林郭勒盟东部等地区（刘洪等，2011）。近年来，过度放牧导致草地出现了不同程度的退化（田福平等，2011；赵锦梅等，2010）。研究草甸草原家庭牧场生产经营及草畜平衡问题，对内蒙古草地畜牧业的可持续性生产具有重要的意义（杨永萍，2014）。家庭牧场是以草地和牲畜为经营基础，以商品畜牧业生产为目的，具有一定的基础设施和畜群规模，能够获得稳定经济收入的畜牧业生产单位（张双阳，2010；谢双红，2005）。放牧家畜通过采食、践踏、排泄等形式对草地生产力、植被群落结构、植物生长发育及繁殖等方面产生影响（王明君，2008），而草地的发展状况则会影响家畜的个体性能及畜群数量。家畜与草地之间相互依存、相互制约（祁永，2005；杨智明等，2007；安慧等，2013；李贵霖等，2006）。如何平衡家畜与草地之间的供需矛盾，成为现代畜牧业可持续发展研究的主要课题（马志愤，2008；宫旭胤，2010）。

家庭牧场的可持续性生产经营涉及家畜、草地、气象、经济、政策等各个方面（丁勇等，2010）。要使这个复杂的生产系统持续发展，不仅要求草地能够健康持续地生产，还要提高牧民的经济收入水平，即“人-草-畜”之间的平衡。为此，很多专家建立了关于家庭牧场生产经营的模拟模型，用于指导实际生产，为草地畜牧业的可持续发展提供依据（李治国等，2015）。如侯向阳等（2013）从牧户角度出发，运用模型模拟的方法，提出了分段式减畜，实现牧户心理载畜率向生态优化载畜率的转移；M oore et al.（1997）提出了牧草生长模型Grass Gro，该模型是一种决策支持模型，可以模拟牧草生长，预测牲畜采食对牧草生产所带来的影响；Mohtar et al.（2006）提出的GRASIM综合放牧模型，以及Peyraud et al.（2005）提出的P½turIN模型，都是用来管理牧草生长和家畜采食的模型。另外，本文所借鉴的澳大利亚国际农业研究中心的ACIAR模型（Randall et al.，2011），亦为这个复杂系统服务的。

本文以内蒙古草甸草原家庭牧场为研究对象，通过对家庭牧场生产经营中涉及的各方面参数进行调查、监测、示范和验证，利用OMMLP模型，分析不同载畜率水平下草畜平衡的现状及牧民的经济收入状况，以期为今后家庭牧场的实际生产和草地建设工作提供依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于呼伦贝尔市鄂温克族自治旗锡尼河西苏木巴彦呼硕嘎查（村）（N47°32′50″～49°15′37″，E118°48′02″～121°09′25″），平均海拔为900 m。属中温带半干旱大陆性季风气候，冬季漫长严寒，夏季温和湿润，春季干燥风大，秋季气温骤降。无霜期平均100～120 d，年平均气温-5～-2 ℃，年平均降水量210～500 mm，主要集中在6—9月。土壤类型主要为黑钙土和栗钙土（陈敖仁等，2012）。研究区主要以温性草甸草原为主，小部分地区为平地草甸类和沼泽类地区。植物群落建群种和优势种为贝加尔针茅（Stipa baicalensis）、冰草（Agropyron cristatum）、冷蒿（Artemisia frigida）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、羊草（Leymus chinensis）等（布和敖斯，2013）。

1.2试验设计

本试验采用内蒙古农业大学和中国农业科学院草原研究所联合研发的家畜生产优化管理模型（Optimized Management Models for Household Pasture Livestock Farm Production，简称OMM LP）。选取不同载畜率水平下的牧户，将牧户载畜率分成不同梯度。通过实地调查、采集植物和土壤样品、跟踪监测以及试验示范等途径，对巴彦呼硕嘎查（村）不同载畜率水平下牧户的草场、家畜（数量折算成羊单位）（表1）、饲草料、经济、气象等数据进行分析整理。利用该嘎查（村）数据平均值建立的典型牧户（家畜存栏数约430个羊单位，夏季放牧场94 hm2，冬季打草场108 hm2）、草场、家畜、饲草料及气象数据，通过模型Ⅰ模拟该典型牧户草畜能量平衡现状；利用经济数据，结合模型Ⅰ模拟研究结果，通过模型Ⅱ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（表2）。

表2　试验区牧户载畜率现状Table 2　The Current situation of different stocking rates level on farm household of experimental field

1.3模型原理

OMMLP模型参考了澳大利亚国际农业研究中心ACIAR模型的思路，修正了ACIAR计算中单位不统一、参数不同等多处错误，尤其是模型Ⅱ，采用了不同的求解方案改进了算法。其中，模型Ⅰ为草畜平衡模型，该模型以代谢能为评价指标，通过对试验地草地、家畜、气候等相关数据进行整合分析，可计得出试验地1年中草畜能量平衡现状。模型Ⅱ为优化管理模型，通过对典型牧户家畜生产经营中的数据进行数理分析（表3），可计算得出典型牧户在家畜生产经营中的投入与产出，进而得出年净收入。两个模型均可通过调整相关参数预测在生产条件发生变化后，该地区的草畜平衡变化和经济收入变化情况。

模型中涉及到的主要公式有：

（1）草地牧草干物质供应估测数学模型

其中，G为草地可供家畜利用的牧草干物质量，kg；I为放牧家畜干物质采食量，kg；GW为草地干物质损失量，kg；通常为总量的10%。t为放牧天数，d；j为草地。天然草地牧草区分为：喜食牧草、不喜食牧草、一年生牧草。

（2）绵羊能量摄入计算：根据前人的研究成果，计算绵羊能量日需求量MEintake（M J，M J=106J，下同）。

DM ITotal为总采食量，kg；MDtotal average为总平均消化率，%。

（3）家畜理论采食量M Itheory

表1　羊单位折算标准Table 1　The standard of Calculation of sheep unit （NY/T635—2002）

其中，PI为牧草消化率在80%以上时家畜的理论自由采食量，kg；成年空怀母畜的理论采食量按照PI=0.028SRW估算，SRW为标准羊单位；DMD为饲料的平均消化率，%；0指草地编号；LW为家畜活体重，kg。

（4）干物采食量DM I

其中，RIGC为家畜胃肠容积，m3；RIDMA为草场饲草供应量，kg；RIDMD为草场饲草消化率，%；FABOM为月初草地牧草可利用量，t·hm-2；p为月份。

（5）干物质采食量转化为代谢能摄入量MEI（MJ）

（6）家畜代谢能需求估测模型，放牧家畜代谢能需求ME（MJ）

其中，ME为母羊的总代谢能需求，M J；MEbase为维持代谢能需求，M J；MEgrzae为放牧代谢能需求（相对于舍饲的放牧所需要的额外代谢能需求），M J；MEcold为御寒代谢能需求，M J；繁殖母畜的代谢能需求还包括妊娠代谢能需求MEpreg（M J）和泌乳代谢能需求MElact（MJ）。

（7）维持需求MEbase

其中，MEI为代谢能摄入量，M J。

（8）放牧需求MEgraze

其中，D为家畜行走距离，km。

（9）御寒代谢能需求MEcold

其中，Wpreg为怀孕母羊体重，kg；θ为平均气温，℃；Ie为隔热系数，受风速、母羊被毛厚度、体况等因素影响。

（10）妊娠代谢能需求MEpreg

其中，tpreg为妊娠时间；m为羔羊平均初生重，kg。

（11）泌乳代谢能需求MElact

其中，MElact1是母羊泌乳代谢能需求，M J；BCbirth为产羔时的母羊体况评分；tlact为妊娠时间；SRW为标准羊单位；BWyoung为仔畜体重，kg；MElact2是羔羊最大哺乳量时母羊代谢能需求。

（12）代谢能平衡

模型通过比较代谢能摄入量和需求量，按月估算母羊日增重（BWG），分为成年母羊日增重（BWGadult）和羔羊日增重BWGgrowing。

成年家畜日增重估算：

其中，MEbalance为草畜平衡时代谢能需求，M J；BC为母羊体况评分。

羔羊日增重估算：

其中，tage为羔羊年龄；Z为标准羊单位系数，指不同年龄标准体重与成年羊标准体重的相对值，计算公式为：

（13）收入子模型：

其中，PPA为草场面积，hm2；SRR为载畜率，%；CR为出栏率，%；MWW为平均出栏体重，kg；MP为羊肉价格，元/只；WWP为羊毛价格，Yuan·kgg-1。

卖羊和买羊毛收入为不同羊的求和支出子模型：

其中，Si为某一种饲草料补饲量，kg；Pi为该种饲草料价格，Yuan·kg-1；i为某一种补饲饲草料。B为暖棚修建费用（元）；V为动物防疫费用（元）；R为种羊费用（元）；S为剪毛费用（元）；E为其他人工成本费用（包括卖毛、卖羊等）、人工草地种植费用（种子、种植、打草），元。

由于模型有800多个决策变量，在Excel中无法完成计算，故ACIAR利用一个商业插件What's Best完成了线性规划求解。草原研究所研究人员使用VC++程序语言，通过编写各个运算模块，开发了家庭牧场优化管理的OMMLP模型，运行界面如下图1所示。

2　结果

2.1家庭牧场草畜平衡模型模拟

表3　家畜生产优化管理模型模型参数Table 3　Localizationversion parameterr on the OMM LP m odel

图1　家畜生产优化管理模型运行界面Fig. 1Localization versiion operation interface on the OMMLP model

图2　以代谢能为基础的草畜平衡现状图Fig. 2　The situation of forage supply and animal demand balance on ME basis

图3　不同载畜率条件下草地剩余干物质量与畜群能量需求量年动态变化Fig. 3　The change of forage residual amount of dry matter and livestock energy demand in the different stocking rates

图4　最佳载畜率条件下畜群能量供求年动态变化Fig. 4　The change of forage supply and animal demand in the optimal stocking rate

利用模型Ⅱ模拟该嘎查（村）不同载畜率水平下，牧户草地干物质剩余量以及畜群能量的需求量，结果如图3所示。在不同的载畜率水平下，草地干物质剩余量总是夏季多于冬季，畜群能量需求量总是冬季多于夏季，这便造成了草畜供需的不平衡。载畜率越低，夏季草地剩余的干物质量越多，冬季畜群能量需求量越低；反之亦然。以该嘎查（村）草地面积及家畜数量平均值建立的典型牧户载畜率处于较高载畜率水平下（2.13 SE·hm-2），故通过降低其载畜率水平以保证畜群能量供求达到最佳水平。模型模拟结果显示最佳载畜率水平为中等载畜率水平（1.12 SE·hm-2）。另外，利用模型Ⅱ模拟出最佳载畜率条件下畜群能量供求变化（图4），结果显示，冬季畜群能量供给恰好满足畜群能量需求，夏季能量供给有剩余。

2.2家庭牧场生产优化管理模型模拟

利用模型Ⅱ分析不同载畜率水平下牧户生产经营状况，包括总支出、总收入及净收入的情况，结果如图5所示。随载畜率的升高，牧场经营的总支出、总收入和净收入不断增加，当载畜数量超过一定的阈值（模型优化得出的最佳载畜率为1.12 SE·hm-2，下同）时，牧场的总收入和净收入随载畜率的升高而减少。该地区典型牧户载畜率水平已经达到2.13 SE·hm-2，按照模型Ⅱ计算所得平均净收入在32842元左右，而在最佳载畜率1.12 SE·hm-2的情况下，其净收入可达到42754元左右。

图5　模型Ⅱ预测现实生产系统下家畜生产收入和支出Fig. 5　Livestock production revenue and cost in current production system from Stage TWO model

3　讨论

传统畜牧业由于受自然环境和气候等条件的影响，生产力水平非常低，生产经营投入大，产出低，这也是内蒙古地区家庭牧场经营的主要现状。尤其是在草甸草原地区，依靠当地优势的自然资源，牧民无节制地扩大养殖规模，缺乏长期科学的牧场管理，只追求眼前利益，致使草地超载过牧现象严重，天然草地出现大面积退化（蒋志清等，2012）。同时，市场的不稳定性，自然环境的多变性，生产性投入和畜群数量的不断增大导致牧民抵御风险的能力降低。

本研究选择整个嘎查（村）作为研究对象，是因为当地的每个嘎查（村），夏季放牧场属集体所有，牧民可根据自己家畜的数量而自行放养。冬季打草场则为私人所有，每户牧民拥有的打草场面积不同，牧民的家畜数量、结构比例、种类以及草场的利用方式不统一，故我们以整个嘎查（村）为研究对象，将其所有草场面积和家畜数量进行统计后，利用平均值建立典型牧户。以该典型牧户的草畜能量平衡模拟现状为依据，分析当地草畜平衡现状。同时，折算每户牧民的实际载畜率，将所有牧户的实际载畜率分成不同梯度，利用模型Ⅱ模拟不同载畜率水平下牧户的草畜平衡状况及牧场经营收支现状，为牧户科学合理地增减家畜数量提供依据。模型模拟结果仅仅在理论上具有可行性，需要实践去验证，这就需要结合当地的具体情况而定，通过验证优化模型，才能更准确实际地为牧民服务。本试验选取了当地40余户牧民作为验证对象，通过调查其实际经济收支状况，与模型模拟结果对比做差异性分析，结果均无显著性差异，模型模拟结果与实际调查结果也有不同之处，这些不同之处主要体现在牧户的其他非牧场经营中的收支差异。

草畜平衡是一个动态的平衡过程，草地和牲畜之间并不是简单的线性关系（杨博等，2012）。为达到草畜能量供给平衡，利用模型Ⅰ、Ⅱ模拟该嘎查（村）典型牧户草畜平衡现状及不同载畜率水平下牧户的草畜供求现状。结果显示，以平均值为基础建立的典型牧户处于较高的载畜率水平，载畜率越高，草畜矛盾越突出（韩向敏等，2007），冬季家畜所需能量得不到供给，夏季牧草供给能量富余少。造成这种草畜能量供给不平衡的原因有很多，主要是由于该地区冬季寒冷漫长，家畜代谢所需能量高，饲草能量供给有限；夏季牧草生长季短，而家畜数量成倍增加，故减畜是最直接的方法。但并不是载畜率水平越低越好，一方面低载畜率可能造成草地资源的浪费，另一方面过低的载畜率将直接影响牧民的收入水平。本试验模拟该典型牧户的结果显示，将载畜率水平降至中等载畜率水平，草畜平衡及经济效益最佳。模型模拟出了在理想条件下的草畜平衡现状，即冬季畜群能量供给恰好满足畜群能量需求，夏季则存在一定量的剩余。这种理想状态的实现要考虑到影响草畜平衡的各方面因素，综合考虑分析后才能实现，但是，在实际生产中，这种理想状态很难实现，草畜平衡只能无限地接近该理想状态。

利用模型Ⅱ，模拟该嘎查（村）典型牧户经济收支现状以及不同载畜率水平下牧户经济收支状况，结果显示，牧户总支出随着载畜率的升高而增加，而总收入和净收入则随载畜率的升高先增加，当载畜水平超过一定限度时，牧户生产性支出迅速增多，总收入和净收入开始减少。典型牧户在较高的载畜率水平条件下，净收入水平在32842元左右，如果适当减少一定的牲畜数量，将载畜率水平控制在中等载畜率水平条件下，其净收入就可达到42754元左右。这是由于过多的牲畜导致家畜个体生产性能降低，生产性投入迅速增多导致的。要使家庭牧场的生产经营处在一个合理且效益最佳的水平上，需要科学合理的管理和配置生产经营中的各种资源，平衡好生态与经济之间的关系。如丁勇等（2008）以家庭牧场经营草地面积、牲畜数量和生产性支出作为评价指标，以家庭人均纯收入、人均消费支出、草地质量状况等作为输出项，对内蒙古白音锡勒牧场的研究结果表明：生产效率的高低与草场规模有关；加强并优化家庭牧场的经营管理，提高生产效率，可以挖掘家庭畜牧业潜力。

当前，草地包产到户，牧民实际所拥有的草地无法满足过多家畜的能量需求，加之畜群中老、弱、病、残等不及时淘汰，造成草地不断退化，草地生产力水平下降，饲草的浪费以及家畜个体生产性能低下，影响牧民经济收入增加和当地草畜平衡。减畜量的确定需要考虑不同的生产状况以及草地生产力之间的差异（尹燕亭，2013）。草原减畜，如何增收是目前应考虑的主要问题，既要保障生态效益，也要考虑经济效益（张雪，2012）。生态效益主要体现在草地的可持续利用上，经济效益则主要体现在牧民收入的增加上。减畜主要是合理及时地淘汰老、弱、病、残的家畜，这样不仅可以提高家畜的个体性能，也可大大降低生产成本，提高净收入水平（易华等，2013）。畜牧业的持续发展需要牧民在经营过程中注重细节经营，既要考虑自身经济利益，也要注重保护草原，防止草地进一步退化（杨汝荣，2004）。另外，政府针对草地管理提出的减畜禁牧、草场补贴等一系列措施，都是为解决好牧场经营与草地生态之间的矛盾，草地生态保护措施的实施要不损害牧民的切身利益（赵晓倩等，2010）。

4　结论

（1）载畜率越高，草畜矛盾越突出，反之亦然；在最佳载畜率条件下，草畜动态平衡达到最佳状态，冬季畜群能量供给恰好满足畜群能量需求，夏季则存在一定量的剩余。

（2）家庭牧场生产经营的总支出随载畜率的增加而增加，总收入的变化趋势则随着载畜率的增加先增加后减少；在中等载畜率条件下（1.12 SE·hm-2），牧场生产经营净收入最高。

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The M odeling of Fam ily Ranch in M eadow Steppe of Inner M ongolia

LI Jiangwen， WANG Jing*， LI Zhiguo， WANG Ruizhen， PAN Zhanlei， WU Qian， HAN Guodong*
Department of Grassland Science， College of Grassland， Resources and Environment， Inner M ongolia Agricultural University， Hohhot 010019， China

Family ranch is the basic unit of grassland management in China， the operating management effects livestock production and grassland ecology directly， so the research on optimal management of family ranch had significant theoretical and practical meaning. The research w as conducted in meadow steppe of Inner M ongolia， the herders incomes and the balance condition betw een forage and livestock w ere analyzed by using Optim ized M anagement M odels for Household Pasture Livestock Farm Production（OMMLP model）， through the investigation of livestock， grassland， climate， economy and policy which relative to the fam ily ranch productions and managements， finally we set up a typical household which is the average to the various index. The results showed that：The higher the stocking rate caused the more serious contradiction between pasture and livestock. When the stocking rate was 1.12 SE·hm-2， it reached the optimal balance between pasture and livestock， which means the forage supplied in w inter may satisfy the livestock's energy demand， w hile in summer， there w ere some surp lus. The total operation expenditure of fam ily ranch rose up w ith stocking rates increased， but the total revenue and net income show ed a first increased then decreased trends w ith the increasing of stocking rates. The maximum net income showed up when stocking rate was 1.15 SE·hm-2. So keep stocking rates between 1.12～1.15 SE·hm-2could make the fam ily ranch at the best management level. It is an effective way to help households reaching maximum net income and to make the balance between forage supply and animal demand at an optimal level by ensure stocking rate is 1.12 SE·hm-2.

fam ily ranch； M eadow Steppe； model； net income

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.008

X24

A

1674-5906（2016）07-1146-08

国家科技部科技支撑项目（2012BAD13B02）；教育部科技创新团队项目（IRT1259）

李江文（1987年生），男，博士研究生，主要研究方向为草原学。E-mail： jiangwen-0105@163.com *通信作者，韩国栋，E-mail： nmghanguodong@163.com。王静，E-mail： wangjing_3005@126.com

2016-05-18