基于改進關鍵場的干旱風沙草原牧區草畜平衡評價

劉 輝，宋孝玉，覃 琳，文 望，劉曉迪，胡志強，劉 雨

（省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室（西安理工大學），西安 710048）

0 引 言

草畜平衡的內涵是為保持草原生態系統良性循環，在一定區域和時間內，使草原和其他途徑（如人工草地、農作物、外購等途徑）提供的飼草料總量與牲畜所需的飼草料總量保持動態平衡[1-4]。維持牧區草畜平衡是實現中國草地畜牧業可持續發展的核心任務，載畜量的計算、確定適宜放牧強度則是進行草畜平衡評價的最基礎工作。在已開展的牧區草畜平衡研究中，合理載畜量的確定大都采用現行規范《天然草地合理載畜量的計算》（NY/T 635—2015）[5]（簡稱“規范”）中提出的方法（傳統方法），李剛等[6]基于遙感監測結合改進的CASA模型對青藏高原草地產草量進行了估算，采用傳統方法結合超載率指標評價了青藏高原秸稈補飼條件下的草畜平衡狀況；李猛等[7]基于TEM模型評估了三江源建立自然保護區前后的草地產草量，并利用傳統方法結合草地載畜壓力指數分析了三江源地區的草畜平衡狀況；呂鑫等[8]利用遙感技術進行草地產草量反演，采用傳統方法結合草畜平衡指數和草地載畜壓力指數對2006－2015年青海果洛與玉樹地區的草畜平衡動態進行了分析。對于基于傳統方法的草畜平衡評價，陳全功[9]指出其計算得到的合理載畜量反映的是草地平均承載能力，載畜量評價過程與草地畜牧業生產的實踐相脫離；徐敏云[10]指出該平衡理論對草地生產力的年度和季節性差異以及家畜需求的季節性差異考慮不夠，是一種靜態平衡。李青豐[11]和覃琳等[12]指出該平衡理論只是“草地面積與家畜的平衡”，簡化了草地系統和畜牧系統之間的聯系，不利于現代畜牧業的發展。2005年陳全功[9]在傳統方法的基礎上從草地生態系統保護的角度出發，針對季節性牧場提出了關鍵場方法；之后，儲少林等[13]基于MODIS-NDVI數據建立了新疆克州天然草地生物量估測模型，并利用關鍵場方法分析了該地區草地載畜能力；李文娟等[14]基于MODIS-NDVI數據建立了青海省天然草地產量估算模型，采用關鍵場方法結合草畜平衡指數研究了青海省草畜平衡狀況。然而，徐敏云[10]指出關鍵場方法尚不能很好解決草畜時空動態差異，可能會導致草地資源浪費；覃琳等[12]指出關鍵場方法對草畜過程平衡分析不夠深入，忽視了牲畜需草過程的動態變化。可見，傳統方法和關鍵場方法在季節性牧區草畜平衡評價的實際應用中均存在不足。

鄂托克旗位于中國鄂爾多斯高原，擁有豐富的草地資源，草原類型主要為干旱風沙草原，是鄂爾多斯市最大的牧業旗，但受不合理放牧影響，牧區天然草地退化、沙化、鹽堿化問題突出[15]，生態功能衰退嚴重，為修復和保護天然草原生態系統，牧區實施季節性牧場間歇放牧制度。本研究以鄂托克旗牧區作為干旱風沙草原牧區的典型代表，深入分析傳統方法和關鍵場方法在季節性牧區草畜平衡評價的實際應用中存在的不足，在此基礎上提出一種兼顧草原生態系統保護和牧區草畜供需動態過程的改進關鍵場方法，可為干旱風沙草原牧區草畜平衡評價以及區域社會經濟和草原生態系統的可持續發展提供科學支撐。

1 研究方法

1.1 研究區概況

鄂托克旗（106°41′E～108°54′E，38°18′N～40°11′N，圖1）地處中國內蒙古自治區鄂爾多斯市西南部，總面積2.04×104km2，海拔在962～2 063 m，呈西北高、東南低走勢，多年平均氣溫7.7 ℃，年平均降水量僅241.2 mm，寒暑變化大，風多雨少，氣候干燥，蒸發強烈，日照時數長，晝夜溫差大，是典型的干旱、半干旱大陸性氣候區。全旗依據流域水系特征共劃分為3個水資源分區，分別為：桌子山及山前平原分區（分區Ⅰ）、都斯圖流域分區（分區Ⅱ）以及內流河分區（分區Ⅲ）。鄂托克旗擁有天然草地面積197.45 萬hm2，占全旗總面積的94%，同時還是內蒙古自治區重要的人工飼草料基地，考慮研究區資料序列的完整性，選取2016年作為現狀年開展研究，現狀年實際用于放牧的天然草地面積為112.76 萬hm2，人工草場面積為2.50 萬hm2。

1.2 草畜供需節律分析

依據相關研究成果[16-18]和收集的牧區基礎資料，可獲得鄂托克旗現狀年天然草地和人工草地可利用產草量（標準干草）以及牧區實際載畜量數據，見表1。本研究中牲畜數量均已折合為羊單位[5]（sheep unit）。

表1 現狀年草地可利用產草量及牧區實際載畜量Table 1 Available forage yield and stocking rate of meadows in the status quo year

依據對鄂托克旗牧區草畜供需自然節律的認知，本研究提出并繪制了牧區草畜供需節律匹配示意圖（圖2）。

供草過程分析：供草過程劃分為3個階段，主要受控于鄂托克旗牧區實行的間歇性放牧制度（見圖2中放牧制度）。階段1：1－3月為冷季放牧，共90 d，該階段利用冷季草場放牧同時補飼人工牧草，補飼標準為0.75 g/(羊單位·d) 的標準干草；階段2：4－6月屬于禁牧季舍飼，共91 d，主要利用人工牧草進行舍飼，舍飼標準為1.80 kg/(羊單位·d) 的標準干草；階段3：7－12月為暖季放牧，共計184 d，利用暖季草場放牧，不再進行補飼。

需草過程分析：需草過程由2個階段構成，主要取決于牧區牲畜數量的變化，而牲畜數量的變化則受控于牧區的牲畜生產節律（見圖2中載畜量變化過程）。鄂托克旗草原牧區牲畜數量動態變化的節點是產羔和出欄，分別在4月和9月，據此將全年牲畜數量變化過程劃分為2個階段，也就是牲畜的需草過程。階段1：5－9月，由于4月份牲畜產羔過程結束，牲畜數量出現激增并達到最高，采用6月份的牲畜年中統計量表示，該階段飼草資源豐富、載畜量高、需草量大，牧民主要依靠這個階段的牲畜育肥、產毛等獲取經濟收益，因此也稱為“育畜收益”階段；階段2：10－4月（翌年），隨著牲畜的出售出欄，牲畜數量再一次調整而達到最低，采用牲畜年末存欄量表示，該階段牲畜數量減少為年末存欄量，需草量相應減少，牧民需克服冷季飼草不足困難以及抵抗冬季惡劣的環境條件，維持一定數量的存欄牲畜，以保證翌年的牲畜繁殖和數量恢復，因此又稱為“保畜越冬”階段。

草畜供需節律關系分析：在一個牧業年度周期內，鄂托克旗牧區不同放牧階段內的載畜量不是固定不變的，放牧制度中的3個時間節點（3月31日、6月30日、12月31日）與牲畜數量變化過程中的2個時間節點（4月30日、9月30日）相互交叉，形成了包含5個供需子過程的動態周期（見圖2中子過程及持續天數），并與草場利用類型構成3種對應關系，分別為：子過程①、②對應暖季草場；子過程③對應冷季草場+人工草場；子過程④、⑤對應人工草場。可見鄂托克旗牧區草畜供需關系具有獨特的復雜性，因此需進一步細化草畜平衡管理，才能實現牧區“真實”的動態草畜平衡。

1.3 分析方法

1.3.1 傳統方法

傳統方法主要采用“草畜平衡原理”進行草地承載能力計算[5]。依據鄂托克旗牧區的間歇性放牧制度可推求不同草場及全年總的合理載畜量，計算公式如下：

式中Aw、Ac、Ah、Ay分別為基于傳統方法的牧區暖季草場、冷季草場、人工草場及全年總的合理載畜量，羊單位；Fw、Fc、Fh分別為暖季草場、冷季草場、人工草場的可利用標準干草量，kg；I為1羊單位標準日食量，kg/(羊單位·d)；Is為1羊單位冷季補飼標準，kg/(羊單位·d)；Dw、Dc、Dh分別是暖季、冷季、禁牧季天數，d。

1.3.2 關鍵場方法

關鍵場方法[9]認為在一個放牧系統中，受草場面積、草地類型、產草量、草地利用率、畜群結構、放牧天數等因素的影響，不同草場載畜量之間有著顯著的差異，將放牧系統中載畜量最小的草場定義為關鍵場，則關鍵場決定整個草地放牧系統的最大牲畜承載能力。鄂托克旗牧區不同草場及全年總的合理載畜量為

式中Ak,w、Ak,c、Ak,h、Ak,y為基于關鍵場方法的牧區暖季草場、冷季草場、人工草場及全年總的合理載畜量，羊單位。

1.3.3 改進的關鍵場方法構建

傳統方法和關鍵場方法在季節性牧區合理載畜量確定的應用中，很大程度上弱化了草地生產力時空分異、牲畜數量生產性浮動等因素的影響，對草畜供需的自然節律匹配關系考慮不夠充分，均是近乎靜態的草畜平衡分析方法，此外關鍵場方法易造成非關鍵場的草地資源利用不充分，且利用其確定的合理載畜量過小會影響牧民收益。基于上述原因，立足草原生態系統保護并結合草畜供需自然節律提出改進關鍵場方法。

改進關鍵場方法的構建思路：針對牧區草畜供需的5個子過程、3種對應關系，同樣采用“草畜平衡原理”進行等式關系構建，在此過程中引入牧區草畜平衡動態參數——載畜量年內波動系數η和不同降水情景下的草地生產力豐平枯系數μ，利用構建的等式關系分別計算暖季牧場、冷季牧場、人工草場對應的年中統計量（或年末存欄量，二者可由η相互推算），取數值最小者對應的草場作為關鍵場，關鍵場的載畜量即年中統計量（或年末存欄量）合理控制指標。牧區各草場及全年總的合理載畜量按照規范[5]并結合牧區草畜供需節律匹配關系逐一求得。

載畜量年內波動系數η，定義為年末存欄量與年中統計量的變化值同年中統計量的比值，η越大表明載畜量波動程度越大，這一系數反映了牧區年內載畜量動態變化過程。草地生產力豐平枯系數μ，代表不同年降水情景對草地生產力的影響，本研究將不同降水情景簡化為3種水文年型，即豐水年、平水年、枯水年，以現狀年草地生產力為基礎可推求其他水文年型草地生產力；依據相關成果[16-18]和收集的數據，不同降水情景的草地生產力豐、平、枯系數近似取為1.38、1.00和0.58。

改進關鍵場方法構建過程具體如下：

式中a、b分別為牧區牲畜年中統計量和年末存欄量，羊單位。依據鄂托克旗2008－2016年畜牧業統計資料可知，鄂托克旗牧區的η取多年均值0.35。

對于子過程①、②，采用暖季牧場放牧，可構建等式關系見式（7），利用式（6）和式（7）可推求出基于暖季草場供應能力的牲畜年中統計量，記為a′，見式（8）。

式中DIK,1、DIK,2分別為子過程①、②持續的天數，d。

對于子過程③，采用冷季牧場放牧并輔以人工牧草補飼，可構建等式關系見式（9），利用式（6）和式（9）可推求出基于冷季草場供應能力的牲畜年中統計量，記為a″，見式（10）。

式中DIK,3為子過程③持續的天數，d。

對于子過程④、⑤，采用人工牧草進行舍飼，可構建等式關系見式（11），利用式（6）和式（11）可推求出基于人工草場供應能力的牲畜年中統計量，記為a?，見式（12）。

式中DIK,4、DIK,5分別為子過程④、⑤持續的天數，d。依據關鍵場方法基本原理，a′、a″、a?中的最小值即為牧區牲畜年中統計量的合理控制值，記為aT，與之相對應的草場即為關鍵場，利用式（6）可推求出相應的年末存欄量合理控制值，記為bT。牧區暖季草場、冷季草場、人工草場及全年總的合理載畜量計算公式如下：

式中AIK,w、AIK,c、AIK,h、AIK,y為基于改進關鍵場方法的牧區暖季草場、冷季草場、人工草場及全年總的合理載畜量，羊單位。

本研究中，基于改進關鍵場方法的草畜平衡評價是將改進關鍵場方法與草畜平衡指數（Balance of Grassland and Livestock Index，BGLI）[1,8,12,19]相結合進行牧區草畜平衡狀況評價，計算公式見式（19）。參考已有研究[1,8,12,19]，同時考慮生態保護優先的原則，可依據BGLI值將載畜情況劃分為6個等級，分別為極度超載（BGLI≥150%）、嚴重超載（80%≤BGLI ＜150%）、超載（20%≤BGLI ＜80%）、臨界超載（0≤BGLI ＜ 20%）、平衡（-20%≤BGLI ＜ 0）、欠載（BGLI ＜ -20%）。

式中Ai為合理載畜量，羊單位，取值為AIK,w、AIK,c、AIK,h、AIK,y；Li為實際載畜量，羊單位，取值為LIK,w、LIK,c、LIK,h、LIK,y。

2 結果與分析

2.1 不同降水情景合理載畜量計算

以2016年草地資源數據為基礎，利用μ推演不同降水情景下的草地資源狀態，然后分別利用上述3種方法對鄂托克旗牧區不同降水情景下的合理載畜量進行計算。根據鄂托克旗及其周邊3個氣象站的1960－2016年降水資料計算可知，2016年全旗降水頻率為23.5%，屬豐水年，則鄂托克旗牧區2016年不同降水情景下的合理載畜量計算結果見表2。

表2 不同降水情景合理載畜量計算結果Table 2 Calculated results of theoretical carrying capacity in different precipitation scenarios ×104 sheep unit

計算結果表明，鄂托克旗牧區暖季草場和冷季草場的載畜能力隨來水情況的減少而下降，而人工草場和牧區全年的載畜能力主要受計算方法的不同表現出明顯差異。傳統方法計算結果顯示，不同降水情景各分區冷季草場合理載畜量約為暖季草場的2倍；人工草場合理載畜量隨降水的減少而增加；現狀年各分區全年合理載畜量分別為15.83、80.36和61.32萬羊單位。關鍵場方法計算結果顯示，關鍵場載畜能力是牧區各草場及全年總的合理載畜量的唯一控制值，隨降水的減少分區Ⅰ和分區Ⅲ的關鍵場未發生變化，而分區Ⅱ的關鍵場由人工草場轉為暖季草場；關鍵場方法確定的合理載畜量遠小于傳統方法確定的合理載畜量；現狀年各分區全年合理載畜量分別為8.19、11.57和0萬羊單位。改進關鍵場方法計算結果顯示，不同水文年型，各分區合理載畜量大小順序為：Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ，不同草場合理載畜量大小順序為：人工草場＞暖季草場＞冷季草場；隨著降水減少，天然草場的可利用產草量下降，各分區的關鍵場逐漸由人工草場轉向暖季草場，各草場及全年總的合理載畜量均呈下降趨勢；現狀年各分區全年合理載畜量分別為8.60、53.49和27.66萬羊單位，計算結果明顯異于前兩種方法。

傳統方法計算結果中，分區Ⅲ在豐水年和平水年出現了無載畜能力的情況，是因為降水條件與天然草地生產力存在一定的正相關關系[20-21]，進而影響了天然草場的載畜能力，同時該方法未考慮牧區草畜供需過程的自然節律配匹配關系，各草場合理載畜量計算相對獨立，分區Ⅲ在豐水年和平水年的冷季草場合理載畜量核算結果相對較高，冷季補飼消耗人工飼草過多至超出人工草場的供應能力，進而導致禁牧季無料可用；此外，現狀年各分區全年實際載畜量分別為12.53、55.03和56.52萬羊單位，均未達到該方法確定的合理載畜量值，但實際情況是牧區天然草地仍處于超載過牧狀態。關鍵場方法以傳統方法計算結果中的最小值作為各草場及全年合理載畜量的唯一控制值，同樣存在分區Ⅲ在豐水年和平水年無載畜能力的情況，并且其確定的合理載畜量明顯低于其他2種方法，這是因為關鍵場方法重點強調對草原生態系統的保護，事實上牧區牲畜數量會隨產羔和出欄發生突變，而并非定值，所以關鍵場方法在牧區畜牧業發展方面的指導意義不夠。改進關鍵場方法則是基于牧區草畜供需自然節律的客觀事實構建的，考慮了牲畜數量變化及草場利用轉換的動態關系，確定的合理載畜量整體介于傳統方法和關鍵場方法的計算結果，且未出現人工草場失去承載能力的情況，冷季草場合理載畜量僅為傳統方法計算結果的1/3左右，說明牧區冷季草場占比過高，草地資源利用不充分。綜上分析可知，改進關鍵場方法在實際應用中更為合理。

2.2 基于改進關鍵場方法的草畜平衡評價

采用改進關鍵場方法結合草畜平衡指數對鄂托克旗現狀年草畜平衡狀況進行評價，結果見表3。

表3 牧區現狀年草畜平衡評價結果Table 3 Evaluation results of forage-livestock balance in pasture in the status quo year

分析可知，鄂托克旗牧區現狀年的分區Ⅰ各類草場及牧區全年均處于超載狀態，BGLI值分別為46.24%、41.74%、47.43%、45.7%；分區Ⅱ各類草場及牧區全年均處于臨界超載狀態，牧區草畜平衡狀況相對良好；而分區Ⅲ各類草場及牧區全年均處于嚴重超載狀態，BGLI值分別為103.87%、106.96%、103.19%、104.34%。對于分區Ⅰ和分區Ⅲ，超載狀況若不加以控制和改善，會導致草地資源的持續退化，不利于區域草地生態系統的穩定，尤其是分區Ⅲ。保持載畜量年內波動系數η不變，分區Ⅰ暖季草場、冷季草場和人工草場實際載畜量應分別減少4.12、2.93、4.53、3.93萬羊單位，對應年中統計量減少5.31萬羊單位方能達到牧區現狀年的草畜平衡；而分區Ⅲ的暖季草場、冷季草場和人工草場實際載畜量則需分別減少29.76、24.14、31.69、28.86萬羊單位，對應年中統計量減少35.39萬羊單位方能達到牧區現狀年的草畜平衡。

3 討 論

本研究提出的牧區草畜供需節律匹配關系剖析了草地供草過程和牲畜需草過程的自然關系，是構建改進關鍵場方法的有力支撐。基于改進關鍵場方法開展的鄂托克旗牧區草畜平衡評價表明鄂托克旗牧區整體處于超載狀態，這與戴微著等[22-23]對鄰近年（2015年）內蒙古載畜情況的調研結果相一致，即內蒙古典型牧區普遍存在超載過牧現象。依據改進關鍵場方法可知，當a′=a″=a?時，是牧區暖季草場、冷季草場和人工草場載畜能力分配的最理想狀態，對于鄂托克旗各分區的冷季草場占比過高問題，可適當調整部分冷季草場進行暖季放牧或發展人工草場以提升草場劃分的合理性，改善草地載畜能力、增強抵抗極端天氣的能力，同時能夠兼顧對草原生態系統的保護。改進關鍵場方法還給出了牧區年中統計量和年末存欄量的合理控制值，二者作為牧區最直觀的牲畜數量控制參數，更具實際指導意義和可操作性。

改進關鍵場方法中引入了2個動態參數η和μ。對于η，增加年中統計量a或減小年末存欄量b即可提高η值，這也意味著需增加出欄牲畜數量，進而可以提升牧民的經濟收入，但是對于鄂托克旗牧區a的增加或b的減小會進一步加劇暖季草場的載畜壓力或冷季草場資源的浪費程度，此外b值過小會造成牧區年末存欄不足，影響翌年牲畜數量的繁殖恢復；減小a或增加b即降低η值，則會減少出欄牲畜數量，可以改善鄂托克旗牧區暖季、冷季草場的利用狀態，但這與牧區的經濟目標相違背，因此，對于鄂托克旗牧區草畜平衡管理應協同考慮牧區草場劃分調整、η調整并保證年末存欄量和母畜比例等，以優化鄂托克旗牧區載畜過程[24]。對于μ，則是一個非人為可控的自然因子，主要通過降水情景與草地生產力長序列數據的統計分析獲取[20-21]，可利用該參數結合長序列氣象數據對未來某年的牧區草地生產力和草畜平衡調控進行預判和指導，μ的準確性直接影響天然草地生產力及其承載能力的確定，進而影響草畜平衡評價成果，實際應用中應根據牧區草地生產力對降水情況的敏感程度設置降水情景數量及對應的μ值。

4 結 論

1）西北干旱風沙草原牧區受其草場類型和放牧制度的影響，牧區不同草場的供給周期與牲畜需草過程存在明顯的非一致性，其關鍵節點相互交叉而形成了5個動態供需子過程，草畜供需過程具有獨特的復雜性，這一結論是提出改進關鍵場方法的重要支撐。

2）針對傳統方法和關鍵場方法在干旱風沙草原牧區合理載畜量計算中存在的不足，引入反映牧區草畜供需自然節律復雜關系的2個動態因子——載畜量年內波動系數和草地生產力豐平枯系數，構建了能夠動態評估牧區合理載畜量的改進關鍵場方法，實現了對傳統方法和關鍵場方法的進一步完善；對比3種方法確定的鄂托克旗牧區合理載畜量結果，改進關鍵場方法更具實際指導意義和可操作性，基于該方法的合理載畜量計算結果表明牧區冷季草場占比過高，其載畜能力均在關鍵場載畜能力的2倍以上，現狀年桌子山及山前平原分區、都斯圖流域分區以及內流河分區的全年合理載畜量分別為8.60、53.49和27.66萬羊單位。

3）利用改進關鍵場方法結合草畜平衡指數評價了鄂托克旗牧區現狀年的草畜平衡狀況，表明都斯圖流域分區的草畜平衡狀況相對良好，但各草場及全年總實際載畜量也均達到了臨界超載狀態；桌子山及山前平原分區各類草場及牧區全年均處于超載狀態，草畜平衡指數值均在40%以上；而內流河分區的草畜平衡狀況最不樂觀，各類草場及牧區全年均處于嚴重超載狀態，草畜平衡指數值均在105%左右。總體而言，鄂托克旗牧區草畜平衡狀況并不理想，應給予高度重視。