荒漠草原区家庭牧场草畜优化模拟研究

窦焱艳 ,韩国栋,李治国,王忠武

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室,呼和浩特 010018)

草原是我国的重要生态系统之一,也是我国畜牧业发展的基础。内蒙古草原地域辽阔,草地面积为5.4×107hm2,草原畜牧业成为内蒙古重要的支柱产业,对当地牧民的生计和经济发展有着重要的影响。内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗地处内蒙古乌兰察布高原西部,草地类型以荒漠草原为主,风沙天数较多,夏季短促、冬季漫长,草地返青恢复晚。草地畜牧业是当地的经济主体,也是巴彦淖尔市经济发展的重要组成部分。然而,在草原畜牧业生产经营中,存在着一系列的问题,由于牧民长期忽视管理、粗放经营,牧民在经济利益的驱使下,不断增加牲畜数量,致使草地超载放牧、过度开垦以及生态环境日益恶化等一系列环境问题日益严重。另外,牧区对草地可持续发展的意识不强,无法摒弃因单纯盲目而过度饲养家畜的固有思想,导致生产和经济效益降低、净收益下降的现状非常普遍,使得草地畜牧业面临草地大面积退化和家畜数量居高不下的现实,致使草场生态承载力逐步降低[1-2],植被覆盖度的降低使牧民失去基本的优良草原生产资料;另外,草地退化引发了毒害草比例上升、生物多样性降低[3],生态系统受损[4],畜产品的供应减少[5],生态系统稳定性减弱[6],优良牧草产量和质量显著下降[7]等现象,严重影响草原生态系统的稳定和可持续发展。

早期的畜牧业生产方式已不能实现草原增绿、牧业增效、牧民增收的目标,针对这些问题,国家和地方政府已经采取了一系列的政策和措施,以促进草原畜牧业的可持续发展。其中,家庭牧场作为一种具有传统特色的草原畜牧业生产组织形式,在保护草原生态环境、促进畜牧业生产发展等方面具有重要的作用。从目前来看,国内许多学者的注意力逐渐转移到了如何对现有的草地畜牧业生产模式进行优化。现代畜牧业生产需要新的思维方式和管理理念,如整合资源、融合技术、发展新的生产和管理机制、掌握现代科技要素,以此建立家庭牧场新模式,确保牧场的可持续利用,促进经济发展[8,9]。

本研究的目的在于通过建立草畜平衡模型和优化生产模型,分析内蒙古乌拉特中旗荒漠草原区家庭牧场在不同载畜率下的草畜平衡、草地生物量、甲烷排放量和经济收支情况,探讨家庭牧场生产经营的优化策略和管理模式,为该地区的家庭牧场生产经营提供科学依据和决策支持,促进草原畜牧业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区乌拉特中旗位于内蒙古自治区巴彦淖尔市东北部,地处107°16′—109°42′E, 41°07′—41°28′N,平均海拔1 280 m以上。草地资源丰富,全旗可利用草场约2.2×106hm2,占全旗土地总面积的95.1%。该旗寒暑变化剧烈,属大陆性干旱气候区,年平均气温3.0～6.8℃,年平均降水量115～250 mm,无霜期130 d左右,一年中平均风速≥8 m/s的时数为2 382 h,是内蒙古自治区风能最佳区域。土壤类型主要有:以棕钙土为主,栗钙土次之,盐土、风沙土、草甸土、灌淤土6种。

1.2 试验设计

本研究于2022年对内蒙古巴彦淖尔市乌拉特中旗荒漠草原区家庭牧场进行大范围随机入户调研。对家庭基本信息、草场面积、家畜、补饲和经济状况进行现场问卷调查。根据调研结果,当地最低和最高载畜率处于0羊单位/hm2～1羊单位/hm2之间,因此将调研牧户按照载畜率等差结果划分为5个载畜率梯度范围:极低载畜率0.1羊单位/hm2～0.33羊单位/hm2(SR1)、较低载畜率0.33羊单位/hm2～0.55羊单位/hm2(SR2)、中等载畜率0.55羊单位/hm2～0.78羊单位/hm2(SR3)、较高载畜率0.78羊单位/hm2～1羊单位/hm2(SR4)、极高载畜率1羊单位/hm2以上(SR5)。利用家庭牧场优化模型(OMMLP)对不同载畜率下草畜平衡、草地生物量、甲烷排放量现状进行模拟分析。

1.3 模型介绍及原理

家庭牧场优化模型(OMMLP)模型(Optimized Management Models for Household Pasture Livestock Farm Production)是一种适应中国北方牧区家庭牧场且侧重于牧场经营模拟和优化生产设计的软件系统,包括4个模型。本文选用OMMLP模型中的草畜平衡模型(Feed Balance Analyzer,FBA)模块与优化生产模型(Linear Program Optimizer,LPO)模块。

1.3.1草畜平衡模型

草畜平衡模型是OMMLP模型的基础模型,涉及草地面积、家畜数据日历、经济、气象数据等787个基本参数。运用模型前要求使用者对家庭牧场的基本数据进行整合,将正确的参数代入模型中,它的评价指标是代谢能,参数输入正确可模拟出一年内试验地家畜-草地能量平衡状态、畜群甲烷排放量以及草地生长速率和生物量状况。

1.3.2优化生产模型

优化生产模型较草畜平衡模型更加的全面,以经济作为评价指标,通过对不同载畜率和其他生产经营中的6类上千个参数,如草场、饲草饲料、农作物、补饲、支出费用、劳动力等参数进行设置,其中条件设置还包括了放牧方式的选择,放牧或(和)圈养,以及草场轮牧设置。运行模型可计算出该家庭牧场具体的收入、开支、净利润等结果,以报表和图示的形式展现,旨在评估不同载畜率下的经济效益变化,起到预测的效果,最终得出有限资源与环境条件下家庭牧场的最优生产运营配置以及实现经济、生态效益的最大化。

1.4 模型参数

OMMLP模型涉及到的主要参数详见表1。

2 结果与分析

2.1 不同牧场载畜率下家庭牧场草畜平衡模拟分析

由草畜能量平衡模拟结果可知,如图1(a)所示,在载畜率0.1 绵羊单位(SE)/hm2下,当地在10月份进入寒冷期,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给的能量,因此出现能量缺口。家畜在1—2月份进入繁殖产羔期,能量需求出现跳跃式的增长,形成全年能量最大空缺期,缺值高达6.87 MJ/SE/day,可能导致家畜不能顺利越冬。在夏季草原进入生长期,仅在8—9月份草地供给的能量大于畜群所需能量,出现能量剩余期,平均富余值为0.34 MJ/SE/day。在0.33 SE/hm2载畜率下如图1(b)所示,也仅在8—9月份能量有剩余,富余量均值有所下降,为0.21 MJ/SE/day。在0.55 SE/hm2、0.78 SE/hm2、1 SE/hm2载畜率下如图1(c)、(d)、(e)所示,均呈现出冬季能量不足,夏季无富余,且随着载畜率的升高能量缺乏量均值逐渐增加。

注:a: SR1; b: SR2; c: SR3; d: SR4; e: SR5图1 不同载畜率条件下草畜能量平衡分析

2.2 不同牧场载畜率下家庭牧场草地生物量模拟分析

乌拉特中旗家庭牧场受资源、气候环境等影响,天然草地不划分冬季放牧场和夏季放牧场,草场全年连续利用。由图2可以看出不同载畜率下天然草场总体的干物质量变化趋势,在极低载畜率、较低载畜率下,5—9月份随着气温逐渐升高,草地开始返青,干物质量快速增加并在9月份达到峰值,分别为0.88 t/hm2、0.81 t/hm2;9月份至翌年4月份,随着温度的不断降低,牧草停止生长,草地干物质的量持续减少,在4月份降到全年最低量,仅为0.32 t/hm2、0.25 t/hm2。在中等载畜率、较高载畜率、极高载畜率水平下,5—8月份草地干物质量持续增加,8月份达到最大值,分别为0.56 t/hm2、0.53 t/hm2、0.49 t/hm2,在4月份时干物质量最低,分别为0.19 t/hm2、0.17 t/hm2、0.14 t/hm2。

图2 不同载畜率下草地生物量变化 图3 不同载畜率下畜群甲烷排放量

2.3 不同载畜率下家庭牧场甲烷排放量模拟分析

当地家庭牧场的畜群甲烷排放量如图3所示,总体上呈现出先增长后下降的趋势,且夏季排放量较冬季排放量大。在极低载畜率水平下,甲烷排放量总体上无较大变化,在4月份之后开始有小幅度增长,8月份到达最大值1.37 kg/day/farm后又开始下降。在较低载畜率、中等载畜率水平下,甲烷排放量的变化趋势基本相同,从4月份开始增长,8月份达到峰值,最大值分别为3.79 kg/day/farm、3.81 kg/day/farm,此后开始下降,12月份降到全年最低值,为2.17 kg/day/farm、1.75 kg/day/farm。在较高载畜率、极高载畜率下,畜群甲烷排放量在7月份达到峰值,分别为7.33 kg/day/farm、11.46 kg/day/farm,12月份均降到最低值,分别为3.11 kg/day/farm、6.15 kg/day/farm。

2.4 不同载畜率下家庭牧场经济收支模拟分析

利用生产优化模型分析家庭牧场的经营收支状况,如图4结果所示,当载畜率为0.1 SE/hm2时,总收入4.04万元,草地供给牧草量可以满足当前家畜数量的采食,无需再购买饲草料,故总支出仅有0.02万元,净收入4.02万元;在0.33 SE/hm2载畜水平下,总收入8.97万元,这时需要开始购买少量冬季所需的饲草料,总支出0.05万元,净收入8.92万元;载畜率为0.55 SE/hm2时,总收入上涨到11.56万元,总支出1.81万元,净收入达到9.75万元;在0.78 SE/hm2载畜水平时,总收入12.33万元,总支出为3.46万元,净收入降低为8.87万元;当载畜率为1 SE/hm2时,总收入为11.79万元,总支出高达5.99万元,净收入降低至5.79万元。随着载畜水平的升高,总收入、总支出、净收入也不断增加,但当载畜水平超过0.55 SE/hm2后净收入开始出现下降的趋势。在调研中我们了解到,近年来当地草场不断退化,而牲畜数量居高不下,给草场带来了巨大的承载压力。相反,如果载畜水平过低,虽然总支出少,但总收入也少,因此净收入也不高,不足以维持牧场正常的生产经营活动。

图4 家庭牧场经济收支现状

3 讨论

乌拉特中旗位于荒漠草原区,属于大陆性干旱气候区,降水稀少,蒸发强烈,导致牧草覆盖度低。当前天然草地无法满足畜牧业的生产需求,且受到恶劣气候等自然条件的限制,家庭牧场生产经营一直采用传统方式,草场常年进行放牧利用。冬季漫长,牧民需大量购买饲草以供家畜冬季需求,然而天然草场不足以满足打草条件,优质干草供给不足,故需从外地采购,造成饲草开销巨大。牧民追求利益,不断增加牲畜数量和扩大饲养规模,导致草场超载和恶化,无法满足家畜的能量需求。这种情况下,当地畜牧业的生产力水平低下,草畜平衡与家庭牧场的生产经营面临着严峻的挑战。

保持合理数量的家畜是草畜平衡的关键[10]。本文通过比较不同载畜水平条件下的草畜能量平衡和经济收支变化,以此预测家庭牧场的最佳载畜率水平、优化内部资源配置,试图解决草畜平衡和净收入改善问题。多年来,随着载畜率的不断攀升,畜群能量需求增加,而草地供给的能量越来越少,导致能量缺乏量越来越大,草地生产力水平大大降低,牧民所拥有的草场根本无法满足家畜的营养需求,家畜所需能量得不到供给就会导致个体性能低下甚至无法越冬,不及时淘汰畜群中的老、弱、病、残以及饲养过多羯羊,不仅造成饲草料的浪费而且对牧户自身的收益造成极大影响。同时,大量家畜的采食、排泄、践踏行为对草地生态健康带来消极影响。另一方面,由于夏季气温升高,家畜放牧采食时呼吸加快,代谢活动旺盛,加之草场干物质量增加,因此产生的甲烷排放量总体上呈现夏季多、冬季少的态势,并且随着载畜率的增大,甲烷排放量也随之增多。马燕芬[11]研究指出,畜群甲烷排放量与环境温度密切相关,与自身体重成正相关关系。随着温度的降低,家畜食糜流通速度增强,饲料的可消化率降低,导致甲烷排放冬季少夏季多。低载畜率可以带来更多的生态效益,如草地资源得到保护、草地能量剩余量增多、甲烷排放量减少等,可以缓解温室效应,对于大气温度升高有遏制作用。但是,随着牧区人口数量的增加以及受到家畜市场价格的波动影响,低载畜率在一定程度上限制了牧民家庭的经济收入,无法满足家庭牧场正常的生产经营活动和牧民对于物质生活的需求。因此,实现草畜平衡管理是关键,既要保障生态效益,经济效益也要考虑。根据当地草地的实际情况,控制牲畜数量,增加出栏率,可以通过购买更多的饲草料、建立饲草饲料库、冷季暖棚舍饲、草场租赁流转等措施使草畜资源加以平衡,直接减轻天然草地的放牧压力,提高草地生产能力和利用率,使得草与畜之间可持续发展,不仅要使草地有“休养生息”的机会,同时也要保证牧民减畜不减收。利用模型对牧户的草畜能量平衡模拟可知,该典型牧户家畜能量在冬季供不应求,夏季能量有剩余,通过合理科学的减少一定量的家畜,一方面家畜能量需求减少可以缓解草场压力,维持草地自身恢复能力,另一方面草地牧草供应能力相应增加,冬季家畜所需的代谢能也可以得到满足。通过优化管理模型对牧户的经济收支状况模拟可知,在5个递增载畜率条件下,家庭牧场的总收入与总支出都不断增加,而净收入呈现先增加后降低的趋势。该典型牧户目前处于0.51 SE/hm2的载畜率水平条件下,净收入在9.21万元左右,结合研究区当地规定理论载畜率水平与模拟预测不同载畜率下的经济效益变化,建议将载畜率控制在0.33 SE/hm2～0.55 SE/hm2间。家庭牧场要加强自身建设,经营者要培养科学文化思想,科学养畜,政府在提出禁牧、休牧、减畜等措施的同时也要加强思想教育,更好的提高家庭牧场自我发展能力。

此外,本研究还存在一些不足之处,需要在后续研究中进一步完善和改进。例如,模型参数仍存在不确定性,需要进一步考虑不同条件下的变化,以提高模型的精度和可靠性。同时,本研究的样本数据仅限于内蒙古乌拉特中旗荒漠草原区,对其他地区的推广应用存在局限性,需要进一步拓展研究范围,以提高研究结果的普适性和可靠性。综上所述,本研究为内蒙古乌拉特中旗荒漠草原区家庭牧场的草畜优化模拟研究提供了科学的理论支持和实证研究结果,为家庭牧场的可持续发展和草原生态保护提供了有益的参考和借鉴。

4 结论

乌拉特中旗荒漠草原地区家庭牧场草畜能量平衡表现出不平衡的现象。随着载畜率的攀升,家畜实际摄入能量与维持需要的能量之间存在供不应求的状态,仅在0.1 羊单位/hm2、0.33 羊单位/hm2载畜率水平下草地能量有剩余。甲烷排放量随着载畜率的升高而增加,而草地生物量则相反。

家庭牧场净收益随着载畜率的升高先增加后降低,综合生态和经济效益,由此可以确定最佳载畜率范围为0.33 羊单位/hm2～0.55 羊单位/hm2。