閔志強，蘇曉慧,吳保國,閆瑞瑞,張利飛

(1.北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 林業(yè)信息化研究所,北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081)

我國北方草原區(qū)由于干旱、過度放牧等因素導(dǎo)致草地退化情況愈來愈嚴(yán)重，草地生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失衡[1]。如何科學(xué)、高效地確定草原合理載畜量，維持草地載畜平衡是防止過度放牧的重要措施，現(xiàn)代計算機科學(xué)和技術(shù)能夠自動、高效地處理許多復(fù)雜問題。因此，如何利用計算機技術(shù)確定草地載畜量和載畜平衡歷來是草地生態(tài)系統(tǒng)的研究熱點[2]。國外將計算機用于牧場管理的水平較高，已將牧場管理模型和家畜生產(chǎn)管理模型結(jié)合計算機技術(shù)應(yīng)用于實際牧場生產(chǎn)管理，如美國的Cowpacity模型[3]、荷蘭的Graze Vision模型[4-5]，能監(jiān)測載畜量、優(yōu)化牧場管理策略；SimSAGS作為模擬半干旱放牧系統(tǒng)的決策工具，可以提供長期生態(tài)承載力與年均降水量間的合理預(yù)測[6]。而我國將計算機技術(shù)與牧場管理模型相結(jié)合用于畜牧業(yè)的管理研究起步較晚。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為草地放牧系統(tǒng)模型的研究及其如何指導(dǎo)生產(chǎn)實踐已成為現(xiàn)代化草地畜牧業(yè)研究的重要方向[7]。李艷波和李文軍[8]從牧草產(chǎn)量預(yù)估方法、政策、牧民收入等方面對我國草畜平衡難以實現(xiàn)的原因進(jìn)行了研究，提出草地管理中更應(yīng)該側(cè)重生態(tài)系統(tǒng)的彈性管理，而不僅僅是關(guān)注作為閾值的承載力本身。徐敏云和賀金生[9]從草地載畜量的概念、理論、模型對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，并對今后放牧系統(tǒng)研究方向進(jìn)行了探討，認(rèn)為由于牧草養(yǎng)分的季節(jié)變化動態(tài)，放牧實踐中應(yīng)采用兩種方法(家畜營養(yǎng)需求法和草地產(chǎn)量法)相結(jié)合估算草地載畜量，根據(jù)估算數(shù)較低者確定草地載畜量有利于草地可持續(xù)利用和保護(hù)。韋惠蘭和祁應(yīng)軍[10]借助遙感分析青藏高原草地退化原因與人文驅(qū)動分析。在草地載畜量預(yù)估模型研究方面，國內(nèi)學(xué)者利用遙感影像預(yù)測牧草產(chǎn)量及理論載畜量[11-13]，采用不同遙感數(shù)據(jù)和預(yù)測模型預(yù)估草地載畜量。傅新宇等[14]利用MODIS數(shù)據(jù)估算四川草原的草產(chǎn)量，獲得不錯預(yù)測精度；廖順寶和秦耀辰[15]利用GIS與遙感獲得以縣為最小單元的土地覆被數(shù)據(jù)，并利用此數(shù)據(jù)反演草地理論載畜量調(diào)查數(shù)據(jù)空間化方法及應(yīng)用方法。這些方法在特定區(qū)域能對草地載畜量進(jìn)行預(yù)估，但其實際應(yīng)用較少。在草地載畜量與計算機結(jié)合應(yīng)用方面，李青豐和齊智鑫[16]對草畜平衡管理模型進(jìn)行了研究，研發(fā)草畜平衡計算軟件，該軟件引入了“牧草月產(chǎn)量動態(tài)系數(shù)”進(jìn)行牧草產(chǎn)量預(yù)估。該軟件在牧場實際應(yīng)用較好，但模型參數(shù)調(diào)節(jié)較為復(fù)雜。在數(shù)字化牧場方面，國內(nèi)學(xué)者都對數(shù)字化牧場管理平臺進(jìn)行研究和研建，探討了數(shù)字化牧場管理流程和功能結(jié)構(gòu)[17-19]，如韓磊等[20]構(gòu)建研發(fā)了半干旱半荒漠化地區(qū)縣一級牧業(yè)管理系統(tǒng)，但其牧場平臺大都側(cè)重于對牧場辦公等基礎(chǔ)信息管理，鮮有對載畜量和載畜平衡進(jìn)行評價。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前我國基于GIS的牧場畜牧業(yè)信息管理尚處于研究階段，雖然已有學(xué)者在家畜放牧系統(tǒng)與草畜平衡技術(shù)方面進(jìn)行了研究[21]，但尚未形成一套完善的系統(tǒng)并進(jìn)行推廣使用。隨著牧場經(jīng)營由家庭承包經(jīng)營向家庭生態(tài)牧場經(jīng)營的轉(zhuǎn)化，其經(jīng)營規(guī)模加大，利用信息技術(shù)構(gòu)建牧場管理信息系統(tǒng)加強牧場管理，控制牧場承載力以應(yīng)對過度放牧對草地的破壞，顯得尤為重要。為此，以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市謝爾塔拉牧場的試驗區(qū)為研究示范區(qū)域，建立基于GIS的牧場畜牧量評估系統(tǒng)，在掌握草地牧草生長健康狀況的基礎(chǔ)上，通過各放牧地段植物群落地上現(xiàn)存量的動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行載畜量評估，實現(xiàn)以草定畜和以畜定草決策，并以此對草地進(jìn)行相應(yīng)的評價和輔助決策支持，從而充分合理地利用草地牧草資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展，提高牧場放牧的科學(xué)化管理水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

牧場畜牧量評估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用C/S二層結(jié)構(gòu)，分為應(yīng)用服務(wù)層、邏輯層和數(shù)據(jù)層。其中應(yīng)用服務(wù)層主要是用戶與系統(tǒng)的交互，用戶通過界面對系統(tǒng)進(jìn)行操作；邏輯層處理核心業(yè)務(wù)邏輯，主要功能為接受用戶界面的服務(wù)請求，然后與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最后提供給客戶端所要求的空間數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)層主要是管理牧場畜牧量評估系統(tǒng)中操作的牧場地塊相關(guān)數(shù)據(jù)。邏輯層采用ArcGIS Engine和ADO.NET；數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Access 2007。系統(tǒng)采用C#語言，利用GIS系統(tǒng)提供的二次開發(fā)控件進(jìn)行開發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)管理與載畜量計算需求，需要將地塊空間信息、面積、牧草組成、牧草干重與鮮重(kg·hm-2)、土壤等信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫主要存儲牧場基本地理數(shù)據(jù)(如道路、河流等數(shù)據(jù))、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、草地分布矢量數(shù)據(jù)、牧場地塊圖斑數(shù)據(jù)等地理空間數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)庫主要存儲坡度、坡向數(shù)據(jù)和不同時期地面的植被、土壤等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中建立的數(shù)據(jù)表較多，以地塊基本因子表(表1)、地塊牧草明細(xì)表(表2)、地塊牧草月份明細(xì)表(表3)及模型庫(表4)為例，說明其關(guān)系結(jié)構(gòu)。

表1 地塊基本因子Table 1 Basic characteristics of the plots

表2 地塊牧草明細(xì)Table 2 Details of forage of the plots

表3 地塊牧草月份明細(xì)Table 3 Monthly details of forage of the plots

表4 模型庫Table 4 Model library

系統(tǒng)中用于計算的模型主要有載畜量計算模型(以草定畜模型、以畜定草模型)和載畜平衡評估模型，為了滿足不同草地用戶在更換模型時不需要修改程序，模型利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲管理。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

牧場畜牧量評估系統(tǒng)主要以實現(xiàn)牧場管理經(jīng)營可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，對牧場草地載畜進(jìn)行平衡評估。系統(tǒng)除提供基本數(shù)據(jù)錄入和專題圖繪制功能外，其主要模塊提供了牧場草地載畜量預(yù)估和牧場載畜平衡評價兩個功能，前者依據(jù)樣方測量數(shù)據(jù)及用戶設(shè)定的放牧方式和類型，預(yù)估在滿足牧場可持續(xù)發(fā)展的前提下的最大載畜量；后者是對當(dāng)前牧場草地的放牧方式及類型進(jìn)行評價，評估其放牧方式是否合理，是否需要調(diào)整及如何進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig. 1 System function structure

1.3.1數(shù)據(jù)管理功能 數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的更新、查詢管理，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及相關(guān)模型的時效性。該模塊由3個功能組成，分別為草地數(shù)據(jù)錄入、分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計和模型庫管理。

草地數(shù)據(jù)錄入：數(shù)據(jù)需要保持時效性，就需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪查改；包括地塊和樣方的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)修改。該模塊對牧場數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，將采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

查詢統(tǒng)計：查詢統(tǒng)計模塊實現(xiàn)不同類型的牧草產(chǎn)量統(tǒng)計?？砂丛路?、地塊、牧草類型等進(jìn)行統(tǒng)計，并以圖表進(jìn)行顯示。查詢類型包括由屬性查詢空間數(shù)據(jù)和由空間位置查詢屬性數(shù)據(jù)。

模型庫管理：對系統(tǒng)所需模型進(jìn)行更新管理，能夠?qū)崿F(xiàn)利用新模型替換已經(jīng)不適用的模型，從而使程序代碼能夠識別使用。

1.3.2載畜量供給預(yù)估與載畜平衡評價功能 提供根據(jù)所選擇的地塊進(jìn)行理論載畜量計算、以畜定草選擇放牧地塊和載畜量平衡評價計算功能，用于指導(dǎo)牧場經(jīng)營決策，改善牧場放牧模式。

1)以草定畜功能：通過用戶在視圖窗口中的地圖上選擇需要估測的牧場地塊，輸入放養(yǎng)牲畜日食量及其牧草利用率，系統(tǒng)在模型庫中獲取草地載畜量(理論載畜量)模型，依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置模型解析器對模型進(jìn)行解析計算得到該地塊的載畜量。

2)以畜定草功能：通過用戶輸入的放牧牲畜頭數(shù)及牲畜日食量，系統(tǒng)在模型庫中獲取牲畜需草量模型，依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置模型解析器對牲畜需草量模型進(jìn)行解析計算得到需草量，然后根據(jù)需草量從數(shù)據(jù)庫中選擇適宜放牧的地塊。當(dāng)沒有適宜的地塊時，系統(tǒng)將選取一個接近滿足需草量的地塊，并給出需要補充的草料量。

3)載畜平衡評價：計算地塊的可食牧草產(chǎn)量與家畜采食牧草量的差值，從而判定牧草與家畜的平衡關(guān)系。

1.3.3專題圖生成 該功能模塊提供載畜平衡和牧草產(chǎn)量兩種專題圖。載畜平衡專題圖顯示牧場各地塊載畜平衡等級，通過對地塊進(jìn)行載畜平衡評估，對整個研究區(qū)域進(jìn)行載畜平衡專題圖的生成制作，對牧場放牧空間格局進(jìn)行分析評測，為牧場經(jīng)營管理者合理調(diào)整放牧空間格局提供決策支持；牧草產(chǎn)量專題圖顯示各地塊牧草產(chǎn)量信息的空間分布。

2 載畜量模型

2.1 載畜量預(yù)估模型

根據(jù)呼倫貝爾草原的情況，為了驗證系統(tǒng)，每塊草地能負(fù)載多少牲畜，是依據(jù)草地產(chǎn)草量與牲畜日食牧草量計算而來的。按月計算時，先計算出草地一個月所能產(chǎn)出的草量，然后除以每頭牲畜每月所需的牧草量即為該草地一個月所能負(fù)載的牲畜數(shù)量；按年計算時，時間在每天的基礎(chǔ)上乘以365即可；以此類推。在系統(tǒng)的實際使用過程中，用戶可以根據(jù)自己的需要將模型庫中的計算模型換成自己的模型，并且更換模型后，系統(tǒng)不需要進(jìn)行二次編碼，直接使用即可。

1)草地載畜量模型：草地載畜量模型采用計算機程序可識別的表達(dá)式，如下：

w×s×k/(c×d) 。

(1)

式中：w為每公頃的牧草產(chǎn)量，s為地塊面積，k為牧草可利用率，c為標(biāo)準(zhǔn)家畜單位日食量，d為利用天數(shù)。

2)牲畜需草量模型：牲畜需草量依據(jù)牲畜數(shù)量(A)、每頭牲畜每天采食量(D)和采食時間(t)計算得來，模型采用計算機程序可識別的表達(dá)式，如下：

D×A×t 。

(2)

如果每頭牲畜每天采食量為D，需要放牧天數(shù)為兩個月，則A頭牲畜的需草量為D×A×60,以此類推。

2.2 載畜平衡評價模型

載畜平衡評價主要是計算牲畜需草量與草地可供草量的差值，計算結(jié)果用BM表示。模型采用計算機程序可識別的表達(dá)式，如下：

w×s×k-D×A×t 。

(3)

式中：w為每公頃可產(chǎn)牧草產(chǎn)量，s為草地面積，k為牧草可利用率,D為牲畜每天需要的采食量，A為牲畜的數(shù)量，t為牲畜的放牧天數(shù)。

模型結(jié)果BM有3種情況：當(dāng)BM>0時，表示草地載畜量尚有潛力，能滿足家畜需求，不需要補充飼料；當(dāng)BM=0時，表示草畜之間達(dá)到動態(tài)平衡，放牧草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)利用；當(dāng)BM<0時，表示草地載畜量超載，草地呈退化狀態(tài)，不能滿足家畜需求，需要補充飼料。

3 系統(tǒng)核心模塊的實現(xiàn)

3.1 載畜量預(yù)估計算

3.1.1以草定畜功能實現(xiàn)流程 選擇地塊，該地塊高亮度顯示，輸入月份，通過ArcEngine的IFeatureClass接口的search方法從地塊牧草月份明細(xì)表中獲取該地塊當(dāng)月的單位面積牧草產(chǎn)量，從地塊牧草明細(xì)表中獲取地塊面積。從模型庫中取出草地載畜量模型通過調(diào)用Python語言的IronPython的接口函數(shù)val()編寫的模型解析器對模型解析成計算機程序可識別的表達(dá)式，利用輸入的牧草可利用率、家畜單位日食量和天數(shù)進(jìn)行草地載畜量計算；如果計算單個地塊(或多個地塊、全牧場)的年草地載畜量，牧草產(chǎn)量從地塊基本因子表中獲取單個地塊牧草產(chǎn)量(或多個地塊牧草產(chǎn)量、全牧場牧草產(chǎn)量)進(jìn)行計算；如果選擇了多個地塊和月份，從地塊牧草月份明細(xì)表中獲取這些地塊和給定月的牧草產(chǎn)量總和作為模型預(yù)估的牧草產(chǎn)量進(jìn)行計算。以草定畜功能具體實現(xiàn)流程如圖2所示。

3.1.2以畜定草功能實現(xiàn)流程 輸入一頭牲畜每天需要的采食量、牲畜的數(shù)量、牲畜的放牧天數(shù)和月份，從模型庫中調(diào)取牲畜需草量模型經(jīng)模型解析后得到所需牧草總量，然后系統(tǒng)從地塊牧草月份明細(xì)表中，通過給定月份查詢選擇大于或等于需草量的地塊進(jìn)行高亮度展示，并給出所需牧草總量和給定月份的地塊草產(chǎn)量。如果沒有滿足的地塊，則對接近需草量的地塊進(jìn)行高亮度顯示，并給出需要補充的牧草量。如果輸入天數(shù)大于1個月、小于 2個月，按 2個月計算，選擇地塊時，從地塊牧草月份明細(xì)表中選擇輸入當(dāng)前月份和下一個月份的牧草重量合計計算牧草量，以此類推。如果輸入的天數(shù)接近1年，系統(tǒng)按年計算。系統(tǒng)也同時提供選取多個地塊來滿足給定采食量、牲畜的數(shù)量、牲畜的放牧天數(shù)的功能可供選擇。以畜定草功能的具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

3.2 載畜平衡評價

載畜平衡評價分為牧場載畜平衡評價和地塊載畜平衡評價，牧場載畜平衡評價從數(shù)據(jù)庫中獲取牧場草產(chǎn)量和放牧信息通過載畜平衡評價模型進(jìn)行評價。地塊載畜平衡通過ArcEngine的IFeatureClass接口的search方法實現(xiàn)評價地塊選擇，然后用戶輸入牧草可利用率、放牧牲畜頭數(shù)、日食量、放牧天數(shù)和月份/年共5個參數(shù)，通過模型解析器解析載畜平衡模型進(jìn)行載畜平衡評價，并給出相關(guān)評價結(jié)果。用戶也可以選擇整個牧場或者若干地塊，按年或者月份進(jìn)行平衡評估。數(shù)據(jù)流程圖如圖4 所示。

圖2 以草定畜功能流程Fig. 2 Set livestocks with grass yield function process

圖3 以畜定草功能流程Fig. 3 Set grass demand with livestocks function process

圖4 載畜平衡評價流程Fig. 4 Process evaluation of stocking balance

4 系統(tǒng)運行與結(jié)論

4.1 系統(tǒng)運行

牧場載畜量評估系統(tǒng)的開發(fā)語言采用C#，GIS組件采用ArcEngine。系統(tǒng)實現(xiàn)了牧場數(shù)據(jù)采集、分類統(tǒng)計、載畜量預(yù)估、載畜平衡評價等功能。

系統(tǒng)運行的主界面如圖5所示。當(dāng)用戶選擇某個地塊查詢該地塊的草產(chǎn)量以及理論載畜量，選中的地塊用粗線標(biāo)識(如圖5粗線標(biāo)識的地塊)，在彈出載畜量預(yù)估對話框，輸入牧草利用率、牲畜日食量、放牧天數(shù)后，單擊“理論載畜量”按鈕得到該地塊的理論載畜量。圖中顯示的是編號0102地塊在每只羊日采食量4 kg、7月份放牧30 d(用戶自定義當(dāng)月實際放牧天數(shù))情況下的理論載畜量。

如果選擇載畜平衡評價功能，在地圖上選擇相應(yīng)地塊，輸入不同牲畜的數(shù)量、日食量、放牧天數(shù)和牧草利用率，即可得到地塊理論載畜量和載畜平衡狀況。圖6顯示了全牧場試驗區(qū)18個地塊90 hm2放養(yǎng)羊300頭、按年進(jìn)行的載畜平衡評價結(jié)果為充足。

4.2 結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)合牧場管理經(jīng)營實際需求，基于GIS技術(shù)，以呼倫貝爾謝爾塔拉國營農(nóng)牧場試驗區(qū)為示范區(qū)域，完成了牧場畜牧量評估原型系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，通過功能設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計確定了系統(tǒng)框架，實現(xiàn)了牧場載畜量預(yù)估和載畜平衡評價等功能。為實現(xiàn)系統(tǒng)通用性以及模型動態(tài)更新，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建模型庫管理載畜量模型、載畜平衡模型等系統(tǒng)所需模型；利用ArcEngine二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)地塊定位、專題圖制作等地圖操作；基于.NET開發(fā)平臺，實現(xiàn)了牧場地塊載畜量預(yù)估與載畜平衡評價等核心功能，構(gòu)建了牧場畜牧量評估系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠滿足牧場數(shù)字化牧場經(jīng)營需要，對草地資源管理和合理開發(fā)利用具有實踐意義。

后續(xù)研究將優(yōu)化載畜平衡理論，在進(jìn)行評價時考慮牧草生長周期、輪牧等影響因子；在牧草產(chǎn)量預(yù)估時構(gòu)建牧草生長模型，豐富GIS技術(shù)在牧場經(jīng)營管理中的應(yīng)用。Web GIS+專家系統(tǒng)+決策支持系統(tǒng)是未來數(shù)字牧場的發(fā)展趨勢，即“互聯(lián)網(wǎng)+”牧場管理，這也是后續(xù)研究內(nèi)容之一，以便實現(xiàn)遠(yuǎn)程化的牧場地塊信息與載畜量計算的管理，利用專家知識輔助牧場經(jīng)營管理決策。

圖5 載畜量預(yù)估運行實例Fig. 5 Implementation example of carrying capacity

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