人工草地種植策略下的草原生態變化仿真

潘理虎,劉 卉,閆慧敏,王博宇

(1.太原科技大學 計算機科學與技術學院,山西 太原 030024;2.中國科學院 地理科學與資源研究所,北京 100101)

0 引 言

草地資源是一種重要的可持續利用的共同資源,為國內的畜牧業生產、農業生產以及生態調節起到重要的促進作用。隨著氣候變化和人類活動的加劇,導致草原退化以及生態系統服務被削弱[1-2]。放牧是人類重要生產活動之一,合理放牧利用也是科學管理草地的基本途徑之一[3]。人類牧業生產活動與草原生態環境建設之間仍然存在一定程度的沖突,草原經濟發展與草地資源保護兩者之間的關系難以協調平衡。為了克服過度放牧產生的消極影響,就必須進行科學有效的管理并采取有效措施[4],緩解草地的生態壓力,并保持畜牧業的可持續發展。

人工草地是采用農業技術措施栽培而成的草地,可獲得高產優質的牧草[5]。目前,人工草地已成為現代化草地畜牧業生產體系中的一個關鍵組成部分,是草業建設和環境治理中的重要內容之一[6]。現有研究表明,種植人工草地可以緩解生態壓力[7-8]以及促進經濟發展。此外,人工草地可以增加牧業生產后勁,在風沙源治理[9]、草原石漠化治理、保水保土等方面都發揮著重要的作用[10]。目前,一些畜牧業發達國家已廣泛種植人工牧場,如愛爾蘭、法國、德國和新西蘭。然而,國內人工草地仍占比較少,數量和質量都有待于提高。

人類活動與草原環境的變化密切相關,草原生態的變化過程往往是由于自然環境因素和人類經濟活動的相互交織,且各項要素之間存在諸多非線性關系和復雜的交互行為。劉峰等[11]運用動態變化的土地利用空間分析模型、空間變化率指數和土地利用程度空間自相關等方法,探尋奈曼旗土地利用演變中的時空變化規律。田義超等[12]以廣西東南部的南流江流域為研究對象,研究數據為2000年和2015年遙感數據,采用CLUE-S模型探討2030年土地利用格局與生物多樣性。Mialhe等[13]采用智能體模型思想,對菲律賓地區某三角洲的農業用地狀態變化進行了分析,描述了各類智能體與農地的不同交互過程。上述研究在模擬人地關系中,更側重于“地”,而忽略了對“人”的模擬,對社會體制及宏觀政策下土地利用決策過程、結果的成因缺乏解釋。因此,想要更深層次地探究蘊含的演化規則,更全面且真實的模擬人地關系,將微觀行為主體的決策行為與宏觀的政策融合到模型中,是解決智能體模型現存問題的重點內容。

該文以錫林郭勒鑲黃旗自然地理空間和社會環境為基礎構建了基于Agent的人工草地種植模型(Agent-based Artificial Grass Planting Model,APG-ABM),對不同情景下牧戶的經濟效益形勢進行綜合研判,并通過調整畜牧政策等不同策略去探討“人地關系”,實現草原土地利用變化過程中人的行為活動和人工草地種植效果的模擬再現,對錫林郭勒草原人工草地策略實施提供支持。

1 APG-ABM

1.1 模型研究區域

該文選取錫林郭勒鑲黃旗作為模擬研究對象,鑲黃旗位于內蒙古自治區中部、錫林郭勒盟西南端。鑲黃旗全境的可使用草場面積可達4 400平方公里,境內草場可劃分為荒漠草原、典型草原和草甸草原,草場面積比重為全旗總面積的98.25%,研究區域如圖1所示。研究和編制過程中,將區域劃分為柵格數據,每個柵格代表500*500平方米的區域空間。

圖1 研究區域地圖

植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)[14]是植被在單位時間與面積的條件下,拋除自身消耗得出的有機物總量[15]。一些天然草地的NPP已經足夠高,足以滿足牲畜巨大的飼養需求,因此沒有必要將其改造為人工牧場。其他天然草地的NPP很低,但其生態系統通常不穩定,因此轉化為人工草地可能會破壞生態系統的結構和功能,導致草地退化。因此,為了明顯提高NPP,同時避免草地退化,計算了2000～2020年天然草地NPP的平均值和變異系數(CV),將其平均劃分[16],并選擇NPP平均值中等和變異系數較低的地區作為人工草地種植的潛在適合區,在此基礎上再通過考慮自然約束和社會局限性[7]劃分出人工草地適宜區。

1.2 APG-ABM架構

APG-ABM包括三個子模型,分別是牧民身份轉換子模型、牧戶生產消耗子模型以及人工草地生態調控子模型,模型框架如圖2所示。將初始信息輸入到模型中,并通過時鐘控制進行模型的狀態更新,將演化后的數據進行收集并作為模型的原始數據再次進行輸入,從而使模型不斷演化。

圖2 APG-ABM框架

在該模型中,牧民身份轉換子模型規則設定來自于文獻[17]。

人工草地生態調控子模型模擬了生態系統的供給與消耗過程,以及生態壓力指數的變化,并通過人工草地決策進行生態系統的協調與發展,所種植的人工草地與草甸草原提供的NPP為同一水平。

NPP是反映草原生態條件最常用的指標,在衡量土地利用/覆被變化標準的同時也為牲畜能量供給提供了可靠的數據基礎[14]。

根據研究區域地上生物量與地下生物量的研究結果表明,該區域共包括荒漠草原、典型草原和草甸草原三種草原類型。每種草原類型供牲畜補給的能量不相同,詳細的可利用供給信息如表1所示。

表1 不同類型草原單位面積NPP值

研究表明,草原生態服務供給變化與草原氣候狀況存在一定的關聯。實際提供的NPP受到氣候影響指標以及草場退化指標的影響,該文用β表示氣候影響指標,γ表示草場退化指標,定義生態系統服務供給變化規則為:

IdealNPPi=∑NPP

(1)

FactNPPi=βi×γi×IdealNPP

(2)

其中,FactNPPi表示第i年生態系統供給NPP值,ΣNPP為所有地塊理想狀態下所提供的NPP值的總和,規定β的取值由隨機數定義來表示氣候的不穩定性,如公式3所示。

βi=1+Random(-0.3,0.2)

(3)

草場退化指標γ的變化規則由公式4定義。

(4)

其中,IdealNPPi-1為第i-1年的理想供給NPP值,FactNPPi-1表示第i-1年的供給NPP值,ConsumedNPPi-1表示第i-1年的牲畜飼草消耗NPP值。

牧戶的生產活動主要為放牧,牧戶中所含牧民越多則勞動力越大,牲畜的數量也越多。牲畜的數量、草的營養價值對牲畜飼草消耗NPP起決定性用,其計算方法如公式5所示。

ConsumedNPP= Sum×Hay×Hayd×(1-Hayw)×Fc

(5)

其中,Sum為飼養牲畜的總數量;Hay代表每天每只牲畜需要的干草重量;Hayd為牲畜一年的食草天數,其中存欄牲畜為365天,出欄牲畜為180天;Hayw代表干草的含水比例,按15%計算;Fc為草生物量(單位為g)與碳含量(單位為gC)的轉換系數,在草地中通常為0.45。

草原壓力指數代表草原土地利用的狀態,由牧戶生產消耗與當地生態系統生產力供給的比值表示,如公式6所示。

(6)

草原壓力指數越大表示草原生態消耗越大,指數越小表示草原資源利用不完全。指數過大過小對草原土地利用都不是很好的狀態,在本模型中,壓力值處于[0,0.5]區間內為壓力正常,處于[0.5,1]為壓力較大,壓力值為1以上表示壓力極大。

人工草地決策主要是當天然草地足夠供給牲畜消耗時,牧民繼續在自然草地上放牧;當生態壓力過大時,牧民自發性的就近選擇適宜性高的地塊種植人工草地,以此來減緩生態壓力,并且每個牧民一年只能種植一塊人工草地,直到附近的人工草地適宜區被完全種植,所種植的人工草地與草甸草原提供的NPP為同一水平,其運行流程如圖3所示。

圖4 情景1

牧戶生產消耗子模型用來模擬牧戶的收入以及家庭消耗,在模型中,牧戶飼養牲畜的總數量由牲畜產子數量及購買幼崽數量決定,其中購買幼崽數量受草原壓力值影響,根據牧戶的決策不同,以經濟效益為核心時牲畜的入欄率θ如公式7:

θ=

(7)

以生態效益為核心時牲畜的入欄率θ'如公式8:

θ'=

(8)

出欄率υ在[0.4,0.5]之間,并受環境因子μ,飼養因子ω以及決策因子η的影響,公式如下:

(9)

家庭通過家庭成員身份轉換影響飼養因子,牧畜的飼養因子ω公式如下:

(10)

環境因子μ的定義為:

μ=

(11)

決策因子η的定義為:

(12)

第i年牲畜總數量SUMi根據當年入欄率進行變化,定義為:

(13)

第i年牲畜出欄數量根據出欄率υ定義為:

SLAi=υi×SUMi

(14)

第i年年末剩余牲畜數量為:

NUMi=(1-υi)×SUMi

(15)

牧業生產收入(FIncome)主要以販賣牲畜為主,公式16以羊為例。

FIncome=SLA×SharpP+SUM×Wool×WoolP

(16)

其中,SLA代表當年羊的出欄數量,SharpP代表羊的單價,SUM代表當年羊的總數,Wool代表單只羊的羊毛產量,WoolP代表羊毛的單價。

牧戶智能體的生活消耗是指每個牧戶中所包含的所有牧民智能體個體因其食物消耗而產生的NPP消耗。依據草原區統計年鑒與問卷調研所獲取的各類牧業產物價格及生產這些牧業產物所消耗的草量,獲取NPP與價值之間的數量轉換關系。

牧戶生活消耗NPP的計算公式為:

(17)

其中,ConsumedNPPg為獲取NPP與價值之間的轉換系數,Food為牧戶智能體的食物經濟消費。

2 仿真場景及結果分析

2.1 模擬情景分析

為了準確研究人工草地調控政策的影響,設置了五個情景進行模擬,探討不同調控策略對未來30年草地發展趨勢的引導作用。

情景1:牧戶以經濟效益為中心,不使用任何決策干涉現行的草原生態系統發展軌跡,牧民按照規定的行為規則進行生活。

情景2:牧戶把生態效益作為重點并且不使用決策干涉現行的草原生態系統發展軌跡。

情景3:牧戶追求經濟效益并且采取人工草地決策方式,根據草原情況判定草原壓力,當壓力過大不足以維持養殖規模時,牧民通過在附近種植新的適宜性較高的人工草場增加效益,從而減小生態壓力。

情景4:該情景下牧民采取人工草地決策,并以生態效益為側重點,力求最大程度減少放牧對生態的破壞。

情景5:在人工草地決策情景下,為了達到生態保護的目的,采取50%的生產力被保護的前提下實現草畜平衡,使生態效益與經濟效益協調發展。

2.2 仿真結果分析

在情景1中,牧民智能體以經濟效益優先,在前七年牧畜數量快速攀升,人均收入同樣快速增長,但由于生態壓力不斷增大,草原逐漸退化,草地資源減少,使得養殖規模在達到峰值后逐漸下降,最后年中養羊數下降到140只左右,年末養羊數下降到80只左右。養殖規模與出欄率下降導致牧民收入下降,在2050年穩定在牧民人均30 000～35 000元左右。雖然生態壓力指數隨著養殖規模的減小而緩慢下降,但仍然處于壓力較大范圍。

情景2中,為了保護草地資源,降低生態壓力,牧民智能體養殖規模(圖5)總體呈下降趨勢,隨著養殖規模的縮小,牧民人均收入也隨之降低,在2050年下降到20 000元,壓力指數在這期間緩慢減小,最后穩定在[0.4,0.5]的正常壓力內。

圖5 情景2

情景3中牧民種植人工草地,并以經濟效益為主,人工草地為牲畜提供足夠的資源,牧戶養殖規模增加,出欄率也隨之增加,養殖收入(圖6)達到人均70 000元。但因牧戶的養殖規模增長速度過大,導致草地仍然處于壓力較大的范圍,草原生態壓力指數在[0.7,0.9]內波動。

圖6 情景3

圖7 情景4

情景4中養殖規模與情景3相比相對較小,年中養羊數在[200,240]范圍內,牧民人均收入達到原來的兩倍,且生態壓力指數逐漸減小,穩定在0.2左右。

為了進一步進行生態保護,將50%的生態資源進行保護,不作用于牧民的放牧活動,圖8為情景5的數據分析圖。雖然NPP供給減少50%,但養殖規模仍然是增長的趨勢,在2035年年中養羊數達到在200只左右,隨后緩慢下降,最后在180～200區間內浮動,牧民收入達到了45 000～50 000元,與情景4相比收入略低,但最主要的是,生態壓力指數在前15年迅速下降到0.5的正常水平,該情景不僅很大程度地保護了草地資源,還使經濟效益得到了發展。

圖8 情景5

圖9顯示了2050年人工草地種植的分布情況,適宜度較高的地塊大部分都被種植為人工草地,為牧畜提供能源供給,并減小草原壓力,大部分適宜度低的地塊未種植。

圖9 人工草地分布圖

3 結束語

建立了一個APG-ABM,并以錫林郭勒鑲黃旗為例模擬了牧戶實施人工草地策略后牧戶生活、財富狀況以及對草原的影響作用。在模型中,牧民主體具有觀察自然環境和政策環境的初始能力,同時計算生態系統壓力和牧民生活水平指標,觀察草地利用對生態系統和牧民福祉的影響。 通過對五種情景的仿真結果發現,種植人工草地能夠有效緩解當前生態壓力,明顯提升牧民生活品質,從而達到生態效益和經濟效益的協調發展,為提供草原改進和優化牧戶生產生活方式提供了有力的決策支持。

并且,該模型將智能體的微觀決策行為與宏觀政策相結合,在探究“地”轉換的同時也兼顧了“人”的變化,這對完善現有模型中“人地關系”的演化過程有著重要意義。草原生態系統的研究是一個規模龐大、結構復雜的問題,在該研究模型中,只構造了牧民智能體、牧戶智能體以及人工草地智能體三類主體之間的交互行為的刻畫,該模型在后續研究中還有待進一步完善。