鹿海員，李和平※，王 軍，高占義

（1. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020；3. 內(nèi)蒙古人工草地高效節(jié)水灌溉技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引 言

中國(guó)牧區(qū)占國(guó)土面積的45.1%，多處于干旱、半干旱地區(qū)，水資源短缺，水土資源不匹配，草畜平衡矛盾突出，草原生態(tài)環(huán)境十分脆弱。超載過(guò)牧和農(nóng)耕經(jīng)濟(jì)蠶食是造成草原生態(tài)退化的主要人為因素[1]，經(jīng)過(guò)多年牧區(qū)水利發(fā)展實(shí)踐表明，通過(guò)建設(shè)人工草地增加優(yōu)質(zhì)飼草料供給，使天然草地通過(guò)禁牧或休牧降低放牧強(qiáng)度，減少牲畜對(duì)天然草原的過(guò)度采食和踐踏，依靠大自然的自我修復(fù)能力，可實(shí)現(xiàn)天然草地生態(tài)保護(hù)[2]。而中國(guó)牧區(qū)干旱少雨，無(wú)灌溉則無(wú)人工草業(yè)，解決因超載過(guò)牧引起的草原生態(tài)退化問(wèn)題逐漸由解決草畜平衡問(wèn)題演變?yōu)榻鉀Q水草畜平衡問(wèn)題，水土資源不匹配加之農(nóng)作物種植與飼草料作物種植之間的博弈，解決水草畜平衡問(wèn)題逐步擴(kuò)展到解決水-土-草-畜平衡問(wèn)題[3]。以往水草畜平衡研究主要包括以需定供和以供定需 2種模式，以需定供模式是以牲畜飼養(yǎng)需求確定灌溉人工草地需求，最終確定灌溉人工草地的水資源供給量，該模式適合水資源豐富地區(qū)[4]。以供定需模式是以“以水定草、以草定畜”為原則，依據(jù)灌溉人工草地可供水量確定灌溉人工草地規(guī)模，最終確定牲畜飼養(yǎng)量[5-6]，但灌溉人工草地可供水量多是在扣除了其他行業(yè)需水量后而確定，忽略了行業(yè)間以及種植業(yè)間的優(yōu)化配置問(wèn)題。水土草畜平衡研究實(shí)質(zhì)上應(yīng)是在水資源、土地資源、飼草資源等多種資源優(yōu)化配置的前提下達(dá)到水土草畜平衡，以往的水資源優(yōu)化配置多是將作物種植和牲畜飼養(yǎng)需求轉(zhuǎn)化為需水量進(jìn)行優(yōu)化配置，以達(dá)到水資源供需平衡[7-11]；水土資源優(yōu)化配置多是將水資源作為約束條件進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)及灌溉制度的優(yōu)化，以達(dá)到水土資源平衡[12-16]。但針對(duì)廣大牧區(qū)，這 2種成形的資源配置方式均對(duì)草與畜之間的平衡問(wèn)題考慮不足，尤其欠缺天然草地與人工草地耦合利用條件下的草畜平衡問(wèn)題研究，即天然草地和人工草地的耦合配置問(wèn)題[17]。且關(guān)于牧區(qū)水土草資源開(kāi)發(fā)對(duì)天然草原生態(tài)影響研究較少，以往研究多以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，以草畜平衡作為約束條件考慮[5,18]，將草地生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一考慮的研究甚少。

本文將草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)可接受的草地生態(tài)效益納入到牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控過(guò)程中，構(gòu)建牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控模型，模型將水資源、土地資源和飼草資源（人工飼草與天然飼草）作為相互聯(lián)系、相互制約的子系統(tǒng)進(jìn)行大系統(tǒng)優(yōu)化配置，配置過(guò)程中將水土資源開(kāi)發(fā)、畜牧業(yè)生產(chǎn)及天然草地生態(tài)環(huán)境保護(hù)統(tǒng)一考慮，以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益綜合效益最大化為目標(biāo)進(jìn)行水-土-草-畜平衡調(diào)控，采用基于目標(biāo)排序矩陣評(píng)價(jià)個(gè)體適應(yīng)度的多目標(biāo)遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解，為定量化研究牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控閾值提供一種新的手段。

1 牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控模型

1.1 技術(shù)思路

牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控的總體目標(biāo)是在合理保護(hù)天然草原生態(tài)的前提下使得經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益綜合最優(yōu)。依據(jù)水資源、土地資源和草地資源的承載能力，通過(guò)有限的水資源在生產(chǎn)、生活、生態(tài)各用水戶中的合理分配，按照畜牧業(yè)生產(chǎn)方式和牧民生存需求合理調(diào)整農(nóng)牧業(yè)種植結(jié)構(gòu)，以天然草地與人工草地的可食飼草料產(chǎn)量合理控制牲畜飼養(yǎng)規(guī)模，達(dá)到牧區(qū)水-土-草-畜動(dòng)態(tài)平衡，使大面積的天然草地得以休養(yǎng)生息，恢復(fù)和保護(hù)草原生態(tài)，實(shí)現(xiàn)牧區(qū)水資源可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控技術(shù)框架見(jiàn)圖1。

圖1 牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控技術(shù)框架Fig.1 Water-land-forage-livestock balance regulation technical framework

1.2 決策變量

決策變量包括水資源配置量和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的發(fā)展量，具體分為 2大類，一是不同用水行業(yè)不同計(jì)算時(shí)段的水資源分配量；二是工業(yè)增加值、各類作物種植面積、牲畜飼養(yǎng)規(guī)模等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)展量及天然草原開(kāi)發(fā)利用面積等。

1.3 目標(biāo)函數(shù)

1.3.1 效益最大

以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益之和最大作為水-土-草-畜平衡調(diào)控的效益目標(biāo)，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中F、Fe、Fn分別為總效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，元。

以經(jīng)濟(jì)凈效益最大作為水-土-草-畜平衡調(diào)控的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，包括農(nóng)牧業(yè)用水凈效益和非農(nóng)牧業(yè)用水凈效益。經(jīng)濟(jì)效益Fe計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中Fea、Fel和Fei分別為種植業(yè)用水凈效益、牲畜飼養(yǎng)凈效益和非農(nóng)牧業(yè)用水凈效益，元。

公式（2）中種植業(yè)用水凈效益 Fea的計(jì)算公式如式（3）所示。

式中Ai為第i類種植作物灌溉面積，hm2；Pi為第i類種植作物單價(jià)，元；Yi為第i類種植作物產(chǎn)量，kg/hm2；Ci為第 i類種植作物種植成本，元；b為水價(jià)，元/m3；mi為第i類種植作物的毛灌溉定額，m3/hm2。

公式（2）中牲畜飼養(yǎng)凈效益Fel的計(jì)算公式如式（4）所示。

式中L為牲畜飼養(yǎng)量，標(biāo)準(zhǔn)羊單位；Y為畜產(chǎn)品單價(jià)，元/羊單位；ω為牲畜出欄率，%；C為單位牲畜飼養(yǎng)成本，元/羊單位；ml為標(biāo)準(zhǔn)羊飲水定額，L/（d·羊單位）。

公式（2）中非農(nóng)牧業(yè)用水凈效益 Fei的計(jì)算公式如式（5）所示。

式中 V為工業(yè)增加值，元；φ為工業(yè)凈產(chǎn)值占總產(chǎn)值的比例系數(shù)；δ為工業(yè)用水效益分?jǐn)傁禂?shù)。

以不同草地開(kāi)發(fā)利用程度下的天然草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值最大為生態(tài)目標(biāo)。依據(jù)放牧對(duì)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值影響理論，根據(jù)牲畜對(duì)天然草地的采食率劃分放牧強(qiáng)度，采用不同采食率對(duì)應(yīng)的折算系數(shù)確定不同草地開(kāi)發(fā)利用程度的草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值。生態(tài)效益Fn計(jì)算公式如式（6）所示。

式中Anj為第j類天然草場(chǎng)利用面積，hm2；Fnd為動(dòng)態(tài)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值，元；An為天然草場(chǎng)可利用面積，hm2；ξj為第j類天然草場(chǎng)對(duì)應(yīng)采食率下的折算系數(shù)。

參考謝高地等[19-21]根據(jù)生物量修正的不同草地類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)體系，得到天然狀態(tài)（無(wú)人類干擾）下的靜態(tài)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值。利用社會(huì)發(fā)展水平確定人類的相對(duì)支付意愿[22-23]，結(jié)合天然草地退化程度修正靜態(tài)草原生態(tài)服務(wù)價(jià)值而得到動(dòng)態(tài)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值Fnd，計(jì)算公式如式（7）所示。

式中 h為相對(duì)支付意愿，其隨社會(huì)發(fā)展水平的關(guān)系可用簡(jiǎn)化的皮爾生長(zhǎng)曲線模型表示；r為天然草地的稀缺程度，用整體草原的退化程度在[0,1]區(qū)間內(nèi)取值；Fns為靜態(tài)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值，計(jì)算公式如式（8）所示。

式中Ank為第k類天然草地類型可利用面積，hm2；Pnk為第k類天然草地類型草原生態(tài)服務(wù)價(jià)值單價(jià)，元/hm2。

公式（7）中相對(duì)支付意愿h計(jì)算公式如式（9）所示。

式中H為h的最大值，表示極富階段的支付意愿，取值為1；e為自然對(duì)數(shù)。s為利用恩格爾系數(shù)En量化的社會(huì)發(fā)展水平和人民生活水平[24]，計(jì)算公式如式（10）所示。

式中En為恩格爾系數(shù)；當(dāng)s→-∞時(shí)，h→0，即社會(huì)發(fā)展水平和人民生活水平很低，人類對(duì)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值支付意愿為 0；當(dāng)s→+∞時(shí)，h→H=1，即社會(huì)發(fā)展水平和人民生活水平很高，人類對(duì)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的支付意愿為草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的實(shí)際值。

1.3.2 供用水優(yōu)先序

考慮供水水源及用水行業(yè)的優(yōu)先序，引入供水水源優(yōu)先序系數(shù)和行業(yè)供水權(quán)重系數(shù)，以控制水資源在各行業(yè)間的分配。供用水優(yōu)先序G計(jì)算公式見(jiàn)式（11）。

式中 Ws(i，j，t)為 t時(shí)段 i行業(yè) j水源的供水量，m3；αi為i行業(yè)供水權(quán)重系數(shù)；βj為j水源的供水優(yōu)先序系數(shù)。

1.4 約束條件

1.4.1 資源承載能力約束

1）水資源承載能力約束保證供水量必須在工程供水能力和各類供水水源的利用潛力范圍內(nèi)。

式中Wg(t)max為t時(shí)段供水工程最大供水能力，m3；Wl(j，t)為t時(shí)段j水源的可利用量，m3；Wo(t)為t時(shí)段外調(diào)水量，m3；

在滿足工程供水能力和各類供水水源利用潛力的同時(shí)，占用用水總量控制指標(biāo)的各類供用水量之和要滿足用水總量控制指標(biāo)要求。

式中j=1…N為占用用水指標(biāo)類供水水源；Wu為區(qū)域用水總量控制指標(biāo)，m3。

2）草地資源承載力約束包括天然草地承載力約束和灌溉人工草地承載力約束，主要約束牲畜的飼草需求與各類草地資源飼草產(chǎn)草量相匹配。

式中nnj為第j類天然草場(chǎng)羊單位采食定額，kg/（d·羊單位）；Tj為第j類天然草場(chǎng)的飼養(yǎng)天數(shù)，d；Pnj為第j類天然草場(chǎng)的干草產(chǎn)量，kg/hm2；njη為第j類天然草場(chǎng)的牧草利用率。

式中ngk為第k類灌溉人工草地羊單位采食定額，kg/（d·羊單位）；Tg為灌溉人工草地的飼養(yǎng)天數(shù)，d；Agk為第k類灌溉人工草地灌溉面積，hm2；Pgk為第k類灌溉人工草地的干草產(chǎn)量，kg/hm2；gkη為第k類灌溉人工草地的牧草利用率。

3）土地資源承載力約束主要體現(xiàn)為糧食作物、飼草料作物及經(jīng)濟(jì)作物種植面積不超過(guò)可利用耕地面積。

式中A為灌溉總面積，hm2；Af為農(nóng)田灌溉面積，hm2；Ae為經(jīng)濟(jì)作物灌溉面積，hm2；Al為可利用耕地面積，hm2；R為復(fù)種指數(shù)。

1.4.2 供需平衡類約束

1）水資源供需平衡約束要求各行業(yè)的用水需求量與各類水源的供給量進(jìn)行時(shí)空匹配。

式中Wr(i，t)為t時(shí)段第i類行業(yè)的需水量，m3。需水量采用指標(biāo)定額法進(jìn)行計(jì)算。

式中E(i)為i行業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；m(i)為i行業(yè)用水定額。

2）飼草料供需平衡約束要求牲畜飼養(yǎng)的飼草料需求量與飼草料生產(chǎn)供給進(jìn)行時(shí)空匹配。

1.4.3 公平性約束

設(shè)置各類優(yōu)化經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最低限和最高限，一方面考慮人口、工業(yè)、三產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律，一方面保證各用水部門用水量的平衡，避免水量在用水效益較高的部門過(guò)分集中，使效益較小的用水部門分配較少的水量或分配不到水量。

式中Emin(i)為i行業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的下限；Emax(i)為i行業(yè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的上限。

1.4.4 非負(fù)約束

模型中涉及變量均為非負(fù)數(shù)。

1.5 模型求解

構(gòu)建的牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控模型中 2個(gè)目標(biāo)函數(shù)存在不可公度性，本文采用基于目標(biāo)排序矩陣評(píng)價(jià)個(gè)體適應(yīng)度的多目標(biāo)遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解，其與普通遺傳算法的差別在于個(gè)體適應(yīng)度計(jì)算，該方法將種群所有個(gè)體對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行排序，得到基于目標(biāo)的排序矩陣。計(jì)算模型采用Fortran語(yǔ)言進(jìn)行編程處理計(jì)算。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗，地理坐標(biāo)介于 106°29′～108°32′E，37°37′～38°47′N 之間。位于鄂爾多斯市西南端，地處蒙陜寧三省交界地帶，為毛烏素沙漠的腹地，全旗總面積12 180.0 km2，屬內(nèi)蒙古高原牧區(qū)。2013年末，總?cè)丝?.71萬(wàn)，其中農(nóng)牧業(yè)人口占68.7%；全旗供用水量1.37億m3，三產(chǎn)用水比例為92.2∶2.8∶0.7，用水結(jié)構(gòu)很不合理；擁有天然草原面積91.84萬(wàn)hm2，牲畜存欄數(shù)為99.68萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)羊單位；種植作物以籽粒玉米為主，糧經(jīng)草種植比例為6∶1∶3，節(jié)水灌溉面積率88.5%，是中國(guó)牧區(qū)旗縣中節(jié)水灌溉推廣的代表。

2.2 水土資源開(kāi)發(fā)歷程及問(wèn)題診斷

鄂托克前旗水土資源開(kāi)發(fā)歷程大致分為 4個(gè)階段：1）20世紀(jì)50～70年代，隨著牧區(qū)小型水利工程建設(shè)，部分地區(qū)開(kāi)墾天然草地種植糧食作物，造成草地沙化面積急劇增加；2）20世紀(jì)80年代，針對(duì)草原出現(xiàn)的生態(tài)問(wèn)題，實(shí)施家庭草庫(kù)倫建設(shè)，合理控制載畜量，實(shí)現(xiàn)了草原生態(tài)保護(hù)和牧民增收的雙贏；3）20世紀(jì)90年代～21世紀(jì)初，隨著灌溉人工草地建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益顯現(xiàn)，加之國(guó)家政策支持，灌溉人工草地建設(shè)得到空前發(fā)展，草畜平衡矛盾問(wèn)題基本解決；4）2010年以后，農(nóng)牧業(yè)發(fā)展規(guī)模演變?yōu)檫^(guò)度階段，現(xiàn)狀用水量已超過(guò)“最嚴(yán)格水資源管理制度”控制指標(biāo)，用水結(jié)構(gòu)中 90%以上為農(nóng)牧業(yè)用水，灌溉面積達(dá)到5.3萬(wàn)hm2，已超過(guò)水土資源承載能力，造成局部地下水位下降，草原沙化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。分析其過(guò)度發(fā)展的原因主要有：噴滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用及機(jī)械化程度提高，解決了牧區(qū)勞動(dòng)力短缺問(wèn)題；2011年該地區(qū)調(diào)低了農(nóng)業(yè)灌溉電價(jià)，降低了灌溉成本，灌溉效益提高；牧民過(guò)度追 求短期經(jīng)濟(jì)效益，大面積種植高耗水的籽粒玉米，生產(chǎn)的糧食、飼草產(chǎn)品直接銷售，使本地水資源以虛擬水的形式超負(fù)荷輸出，尚未實(shí)現(xiàn)為養(yǎng)而種的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)模式。隨著用水總量控制指標(biāo)的落實(shí)，其水土草資源開(kāi)發(fā)必須按照水-土-草-畜平衡的思路，合理開(kāi)發(fā)利用水資源、土地資源和草地資源，合理確定水-土-草-畜平衡閾值，推動(dòng)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展提質(zhì)增效，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

表1 鄂托克前旗水-土-草-畜平衡調(diào)控方案表Table 1 Water-land-forage-livestock regulation sheme of Etuokeqian Banner

2.3 方案設(shè)置

以牲畜飼養(yǎng)過(guò)程中灌溉人工草地和天然草地耦合比例（不同牲畜補(bǔ)舍飼時(shí)間）設(shè)置調(diào)控方案，共設(shè)置 9個(gè)方案（見(jiàn)表1），其中方案1和方案2（執(zhí)行天然草原保護(hù)政策在4—6月舍飼）為對(duì)比方案，方案3為現(xiàn)狀牲畜飼養(yǎng)水平方案，方案4～9作為優(yōu)化對(duì)比方案。

2.4 參數(shù)確定及來(lái)源

2.4.1 效益類計(jì)算參數(shù)

農(nóng)牧業(yè)效益計(jì)算參數(shù)來(lái)源于課題組2012～2015年的田間試驗(yàn)與調(diào)研數(shù)據(jù)[25-27]，其中牲畜補(bǔ)舍飼及天然放牧定額詳見(jiàn)表2。工業(yè)用水效益分?jǐn)傁禂?shù)取0.04[28-29]。草原生態(tài)服務(wù)價(jià)值單價(jià)參照謝高地根據(jù)生物量修正的不同草地類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)體系取值[19]；2012～2015年恩格爾系數(shù)平均值為 0.24，居民生活富裕程度已處于較高水平，2020年取恩格爾系數(shù)取0.24，2030年提高至0.22；鄂托克前旗經(jīng)多年灌溉人工草地建設(shè)，草原生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，草原退化程度系數(shù)2020年取0.9，2030年取 1.0[5]；牲畜舍飼時(shí)天然草原不放牧，草原生態(tài)服務(wù)價(jià)值折算系數(shù)取1.0；天然草原放牧?xí)r會(huì)對(duì)天然草原地上生物量、植被高度、蓋度、土壤理化性質(zhì)等產(chǎn)生影響[30-32]，根據(jù)天然草原生長(zhǎng)特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)利用方式，將天然草原利用時(shí)間劃分為4—6月返青和生長(zhǎng)關(guān)鍵期、7—10月夏秋牧場(chǎng)利用期和11月—次年3月冬春牧場(chǎng)利用期，在天然草地牧草返青及生長(zhǎng)關(guān)鍵期時(shí)放牧對(duì)牧草生長(zhǎng)影響較大，折算系數(shù)取0.7，天然草地生長(zhǎng)旺盛期牧草處于快速生長(zhǎng)階段，抗干擾能力較強(qiáng)，折算系數(shù)取0.8，天然草原枯草季牧草處于休息期，放牧僅采食牧草地上干枯部分，放牧對(duì)牧草影響較小，折算系數(shù)取0.9[33-35]。

表2 鄂托克前旗舍飼、補(bǔ)飼及天然放牧定額表Table 2 Barn feeding, supplementary feeding and natural grazing quota of Etuokeqian Banner (kg·d-1)

2.4.2 資源類計(jì)算參數(shù)

各類水源可供水量來(lái)源于《鄂托克前旗水資源綜合利用規(guī)劃》（2015），用水總量控制指標(biāo)來(lái)源于《鄂爾多斯市最嚴(yán)格水資源管理制度控制指標(biāo)》（鄂政發(fā)〔2014〕36號(hào)），鄂托克前旗本身無(wú)引黃河水指標(biāo)，規(guī)劃年黃河水可供水量為黃河南岸灌區(qū)一、二期水權(quán)置換及跨盟市水權(quán)轉(zhuǎn)換指標(biāo)，并不占用本旗縣用水總量控制指標(biāo)，再生水為重復(fù)利用水量，也不占用水總量控制指標(biāo)，所以鄂托克前旗用水總量控制指標(biāo)僅針對(duì)當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水和疏干水用水量進(jìn)行約束。各類水源可供水量及用水總量控制指標(biāo)詳見(jiàn)表3。可利用耕地面積按照2015年實(shí)際灌溉面積取，鄂托克前旗地區(qū)氣候條件，作物基本都是一年一熟，復(fù)種指數(shù)取1.0。草地資源數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古草原資源遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料》（2005），詳見(jiàn)表4。

表3 鄂托克前旗可供水量及用水總量控制指標(biāo)表Table 3 Water supply and water control indicators of Etuokeqian Banner ×108 m3

表4 鄂托克前旗天然草原資源表Table 4 Natural grassland resources of Etuokeqian Banner

2.4.3 供用水計(jì)算參數(shù)

各行業(yè)用水定額參照鄂托克前旗現(xiàn)狀用水定額、內(nèi)蒙古自治區(qū)用水定額標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。行業(yè)用水優(yōu)先序系數(shù)和供水水源優(yōu)先序系數(shù)控制行業(yè)間與水源間的水資源配置，參照行業(yè)供水保證率設(shè)定行業(yè)用水優(yōu)先序系數(shù)，參照各行業(yè)供用水現(xiàn)狀及行業(yè)發(fā)展規(guī)劃確定供水水源優(yōu)先序系數(shù)。

2.5 結(jié)果與分析

2.5.1 水-土-草-畜平衡計(jì)算結(jié)果

根據(jù)方案設(shè)置情況及確定的模型參數(shù)，利用構(gòu)建的水-土-草-畜平衡調(diào)控模型進(jìn)行計(jì)算，2020年方案1～9的效益、用水量、各類作物灌溉面積、天然草原開(kāi)發(fā)面積、牲畜飼養(yǎng)量等關(guān)鍵指標(biāo)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著牲畜人工補(bǔ)舍飼時(shí)間的增加，用水總量、總效益、灌溉總面積逐漸增加，方案1～4系統(tǒng)總用水量、總效益和灌溉總面積快速增長(zhǎng)；受用水總量控制指標(biāo)限制，方案4后用水總量和灌溉總面積基本維持穩(wěn)定，但總效益和牲畜飼養(yǎng)量仍呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，糧經(jīng)草種植結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，農(nóng)田灌溉面積持續(xù)減少，灌溉人工草地面積隨牲畜飼養(yǎng)需求逐漸增加，說(shuō)明在用水量維持不變的情況下優(yōu)化內(nèi)部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展灌溉人工草地在冷季對(duì)牲畜進(jìn)行補(bǔ)飼或舍飼，可增加牲畜承載能力與系統(tǒng)總效益，方案 6之后在水資源條件限制下，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整能力已達(dá)到最大，各類灌溉面積基本維持穩(wěn)定，人工飼草料供給量已達(dá)到最大，此時(shí)繼續(xù)增加牲畜人工補(bǔ)舍飼時(shí)間，導(dǎo)致天然草地利用面積下降，造成可承載的牲畜數(shù)量減少，雖生態(tài)效益有所回升，但系統(tǒng)總效益呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明在用水總量控制下過(guò)度提高牲畜的飼養(yǎng)水平反而會(huì)造成效益下降。

2030年方案1～9各指標(biāo)變化規(guī)律與2020年基本一致，但2030年隨著居民生活水平提高及用水需求增長(zhǎng)，用水總量控制指標(biāo)增長(zhǎng)至1.40億m3，可利用水量的增加使天然草地限制到水資源限制的轉(zhuǎn)折點(diǎn)后移，所以 2030年僅對(duì)方案5～8進(jìn)行分析比較，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表5，由表5可知，效益轉(zhuǎn)折點(diǎn)由2020年方案6后移至方案8，說(shuō)明可用水量增加及節(jié)水技術(shù)發(fā)展可提高水資源的承載能力。2020年和2030年所有方案中灌溉總面積均未達(dá)到可利用耕地面積，說(shuō)明鄂托克前旗土地資源豐富，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制因素主要為水資源。從可承載牲畜能力變化角度分析，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處牲畜飼養(yǎng)能力的控制條件由天然草地產(chǎn)草量限制轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯げ莸禺a(chǎn)草量限制，灌溉人工草地發(fā)展主要受水資源限制，即牲畜飼養(yǎng)能力由天然草地資源限制過(guò)渡為水資源限制，水資源是控制鄂托克前旗水-土-草-畜平衡發(fā)展的關(guān)鍵因子。

2.5.2 水-土-草-畜平衡調(diào)控閾值

通過(guò)各方案總效益、用水量、灌溉面積、牲畜飼養(yǎng)量及天然草地利用面積等多方面綜合比較，2020年鄂托克前旗牲畜飼養(yǎng)水平控制在舍飼6個(gè)月到舍飼6個(gè)月補(bǔ)飼 2個(gè)月之間較為合適，水-土-草-畜平衡調(diào)控閾值主要指標(biāo)水資源、土地資源及灌溉人工草地開(kāi)發(fā)規(guī)模分別控制在1.66億m3（占用用水總量控制指標(biāo)的當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水和疏干水供水?guī)模為1.04億m3，符合用水總量控制指標(biāo)要求）、3.28～3.38萬(wàn)hm2和2.16～2.51萬(wàn)hm2，牲畜飼養(yǎng)頭數(shù)控制在89.43～100.46萬(wàn)羊單位，灌溉人工草地占天然草場(chǎng)面積控制在 2.59%～3.01%；2030年隨著宏觀用水指標(biāo)增加及節(jié)水技術(shù)發(fā)展，工農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)水平有所提升，牲畜飼養(yǎng)水平控制在舍飼 6個(gè)月補(bǔ)飼 2個(gè)月到舍飼 8個(gè)月較為合適，水-土-草-畜平衡調(diào)控閾值指標(biāo)有所增加，水資源、土地資源及灌溉人工草地開(kāi)發(fā)規(guī)模分別控制在2.66億m3（占用用水總量控制指標(biāo)的當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水及疏干水供水?guī)模為1.35億m3，符合用水總量控制指標(biāo)要求）、4.24～4.31萬(wàn)hm2和3.04～3.42萬(wàn)hm2，牲畜飼養(yǎng)頭數(shù)控制在113.54～118.85萬(wàn)羊單位，灌溉人工草地占天然草場(chǎng)面積控制在3.64%～4.10%。

圖2 2020年各方案水-土-草-畜平衡計(jì)算關(guān)鍵指標(biāo)變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trends of water-land-forage-livestock balance key indicators in 2020 year

表5 2030年鄂托克前旗各方案計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of 5~9 scheme of Etuokeqian Banner in 2030 year

3 討 論

本文針對(duì)牧區(qū)水土草資源開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn)，構(gòu)建了適宜牧區(qū)的水-土-草-畜平衡調(diào)控模型，并在鄂托克前旗進(jìn)行應(yīng)用，但牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控研究仍處于起步階段，其調(diào)控理論、方法和模型軟件等方面仍需要在實(shí)踐檢驗(yàn)中進(jìn)行逐步探索和完善，針對(duì)本研究的不足之處，提出如下認(rèn)識(shí)與思考：

1）因草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的間接價(jià)值難以衡量，對(duì)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算也缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以不同草地類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值單價(jià)加之草地退化程度、支付意愿及不同天然牧場(chǎng)采食率對(duì)應(yīng)的折算系數(shù)，初步建立了草地生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一度量的方法，但應(yīng)進(jìn)一步研究不同地區(qū)各參數(shù)的取值方法，進(jìn)一步提高該方法的普適性。

2）本文在進(jìn)行牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控中水資源約束為靜態(tài)的，全球氣候變化及人類活動(dòng)正干擾著草地水文循環(huán)與生態(tài)演進(jìn)過(guò)程，開(kāi)展基于生態(tài)水文過(guò)程模擬的牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控研究，進(jìn)一步揭示牧區(qū)水-土-草-畜要素聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

3）本次牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控模型中雖然納入了土地因子，但重點(diǎn)還是在土地利用類型及種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行研究，但土地因子的數(shù)量、質(zhì)量、空間分布、種植結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)利用方式、水土資源匹配程度等，均制約著牧區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與草地生態(tài)環(huán)境演變，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)基于水土資源匹配程度及土壤質(zhì)量的水-土-草-畜空間平衡研究。

4 結(jié) 論

1）本文分析了現(xiàn)有研究對(duì)牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控研究的不適應(yīng)性，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益統(tǒng)一度量的水-土-草-畜平衡調(diào)控模型。為定量化研究牧區(qū)水-土-草-畜平衡調(diào)控閾值提供一種新的思路與手段。

2）以鄂托克前旗為例，依據(jù)牲畜飼養(yǎng)過(guò)程中灌溉人工草地和天然草地耦合比例建立調(diào)控方案集，計(jì)算結(jié)果表明隨著牲畜補(bǔ)舍飼時(shí)間的增加，區(qū)域發(fā)展限制因素逐漸由天然草原限制過(guò)渡為水資源限制，2030年隨著用水指標(biāo)增加，天然草原與水資源限制轉(zhuǎn)折點(diǎn)后移。水資源是控制鄂托克前旗水-土-草-畜平衡發(fā)展的關(guān)鍵因子。

3）鄂托克前旗 2020年水-土-草-畜平衡調(diào)控閾值主要指標(biāo)為水資源開(kāi)發(fā)利用量控制在1.66億m3左右，灌溉面積控制在 3.28～3.38萬(wàn)hm2之間，灌溉人工草地開(kāi)發(fā)規(guī)?？刂圃?2.16～2.51萬(wàn)hm2之間，牲畜飼養(yǎng)量控制在89.43～100.46萬(wàn)羊單位之間。2030年隨著宏觀用水指標(biāo)增加及節(jié)水技術(shù)發(fā)展，工農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)水平有所提升，水-土-草-畜平衡調(diào)控閾值指標(biāo)有所增加，水資源開(kāi)發(fā)利用量控制在2.66億m3，灌溉面積控制在4.24～4.31萬(wàn) hm2之間，灌溉人工草地開(kāi)發(fā)規(guī)模控制在 3.04～3.42萬(wàn)hm2之間，牲畜飼養(yǎng)量控制在113.54～118.85萬(wàn)羊單位之間。

[1] 賈幼陵. 草原退化原因分析和草原保護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制的建立[J]. 中國(guó)草地學(xué)報(bào)，2011，33(2)：1－5.Jia Youling. Grassland degradation reasons and establishment of grassland protection long term mechanism[J]. Acta Agrestia Sinica, 2011, 33(2): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[2] 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院. 全國(guó)牧區(qū)水利發(fā)展規(guī)劃[R].呼和浩特：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，2014.

[3] 鹿海員，李和平，高占義，等. 基于草原生態(tài)保護(hù)的牧區(qū)水土資源配置模式[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(23)：123－130.Lu Haiyuan, Li Heping, Gao Zhanyi, et al. Water and land resources allocation model of pastoral areabased on grassland ecological conservation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 123－130. (in Chinese with English abstract)

[4] 沈大軍，劉斌，郭鳴榮，等. 以供定需的水資源配置研究—以海拉爾河流域?yàn)槔齕J]. 水利學(xué)報(bào)，2006，37(11)：1398－1402.Shen Dajun, Liu Bin, Guo Mingrong, et al. Supply-decided water deplogment: a case study of Hailaer Riverbasin[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 37(11): 1398－1402.(in Chinese with English abstract)

[5] 李和平，史海濱，郭元裕，等. 牧區(qū)水草資源持續(xù)利用與生態(tài)系統(tǒng)閾值研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2005，36(6)：694－700.Li Heping, Shi Haibin, Guo Yuanyu, et a1. Study on sustainable utilization of water-grass resources and ecological threshold of pastoral area[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2005, 36(6): 694－700. (in Chinese with English abstract)

[6] 李和平，史海濱，包小慶，等. 西北牧區(qū)灌溉人工草地適宜發(fā)展規(guī)模分析[J]. 中國(guó)草地學(xué)報(bào)，2007，29(4)：104－109.Li Heping, Shi Haibin, Bao Xiaoqing, et a1. Analysis of development scale of irrigated artificial pasture in western pastoral area[J]. Acta Agrestia Sinica,, 2007, 29(4): 104－109. (in Chinese with English abstract)

[7] Davijani M H, Banihabib M E, Anvar A N, et al.Multi-Objective Optimization Model for the allocation of eater resources in arid regions based on the maximization of socioeconomic efficiency[J]. Water Resources Management,2016, 30(3): 1－20.

[8] 付湘，陸帆，胡鐵松. 利益相關(guān)者的水資源配置博弈[J]. 水利學(xué)報(bào)，2016，47(1)：38－43.Fu Xiang, Lu Fan, Hu Tiesong. Game theory in water resources allocation for stakeholders[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(1): 38－43. (in Chinese with English abstract)

[9] 粟曉玲，康紹忠，石培澤. 干旱區(qū)面向生態(tài)的水資源合理配置模型與應(yīng)用[J]. 水利學(xué)報(bào)，2008，39(9)：1111－1117.Su Xiaoling, Kang Shaozhong, Shi Peize. Reasonable water resources deployment model considering the demand of ecosystem in arid area[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2008, 39(9): 1111－1117. (in Chinese with English abstract)

[10] 王浩，游進(jìn)軍. 中國(guó)水資源配置30年[J]. 水利學(xué)報(bào)，2016，47(3)：265－271.Wang Hao, You Jinjun. Progress of water resources allocation during the past 30 years in China[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(3): 265－271. (in Chinese with English abstract)

[11] Iftekhar M S, Fogarty J. Impact of water allocation strategies to manage groundwater resources in Western Australia:Equity and efficiency considerations[J]. Journal of Hydrology,2017, 548: 145－156.

[12] Deepak K, Jat B M K, Deva S J. Assessment of water resources allocation options：Conjunctive use planning in a link canal command. Resources[J]. Conservation and Recycling, 2007, 51: 487－506.

[13] 齊學(xué)斌，黃仲冬，喬冬梅，等. 灌區(qū)水資源合理配置研究進(jìn)展[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2015，26(2)：287－295.Qi Xuebin, Huang Zhongdong, Qiao Dongmei, et al.Research advances on thereasonable water resources allocation in irrigation district[J]. Advances in Water Science, 2015,26(2): 287－295. (in Chinese with English abstract)

[14] 張展羽，司涵，馮寶平，等. 缺水灌區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置模型[J]. 水利學(xué)報(bào)，2014，45(4)：403－409.Zhang Zhanyu, Si Han, Feng Baoping, et al. An optimal model for agriculture water and soil resources configuration in water shortage irrigation area[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(4): 403－409. (in Chinese with English abstract)

[15] Vadde S G, Shreedhar R, Hiremath C G. Linear programming approach for optimal land and water resource allocation under different hydrological scenarios[J]. International Journal of Civil Engineering & Technology, 2017, 8(810): 1500－1512.

[16] Das B, Singh A, Panda S N, et al. Optimal land and water resources allocation policies for sustainable irrigated agriculture[J]. Land Use Policy, 2015, 42(42): 527－537.

[17] 郭中小，郝偉罡，李振剛，等. 牧區(qū)灌溉水資源優(yōu)化配置的熵權(quán)系數(shù)模型[J]. 人民黃河，2010，32(12): 145－146.[18] 方精云，白永飛，李凌浩，等. 我國(guó)草原牧區(qū)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)與實(shí)踐[J]. 中國(guó)科學(xué)，2016，61(2)：155－164.Fang Jingyun, Bai Yongfei, Li Linghao, et al. Scientific basis and practical ways for sustainable development of China’s pasture regions[J]. Science China, 2016 , 61(2): 155－164.(in Chinese with English abstract)

[19] 謝高地，張釔鋰，魯春霞，等. 中國(guó)自然草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2001，16(1)：47－53.Xie Gaodi, Zhang Yili, Lu Chunxia, et al. Study on valuation of rangeland ecosystem services of China[J]. Journal of Natural Resources, 2001, 16(1): 47－53. (in Chinese with English abstract)

[20] Groot R D, Brander L, Ploeg S V D, et al. Global estimates of the value of ecosystems and their services in monetary units[J]. Ecosystem Services, 2012, 1(1): 50－61.

[21] 吳昊怡，李文軍，莊明浩，等. 從“草–畜–人”完整的社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)視角評(píng)估天然草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值—基于青海省海南藏族自治州貴南縣的案例研究[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017，53(6)：1133－1142.Wu Haoyi, Li Wenjun, Zhuang Minghao, et al. Valuation of rangeland ecosystem services from “herder- grass- livestock”social ecological system perspective: a case study in Guinan county, Hainan tibetan autonomous prefecture, Qinghai [J].Acta Scientiarum Natrualium Universitatis Pekinensis, 2017,53(6): 1133－1142. (in Chinese with English abstract)

[22] 趙同謙，歐陽(yáng)志云，賈良清，等. 中國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間接價(jià)值評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24(6)：1101－1110.Zhao Tongqian, Ouyang Zhiyun, Jia Liangqing, et al. Ecosystem services and their valuation of China grassland[J]. Chinese Journal Ecology, 2004, 24(6) : 1101－1110. (in Chinese with English abstract)

[23] 方瑜，歐陽(yáng)志云，肖燚，等. 海河流域草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價(jià)值評(píng)估[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2011，(10)：1694－1706.Fang Yu, Ouyang Zhiyun, Xiao Yi, et al. Evaluation of the grassland ecosystem services of the Haihe river basin,China[J]. Journal of Natural Resources 2011(10): 1694－1706. (in Chinese with English abstract)

[24] 郭建英. 吳起縣退耕還林工程效益的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010.Guo Jianying. Research on Monitoring and Benefit Evaluation of Project for Conversion of Cropland to Forestry in WuQi County[D]. Beijing: Beijing Forestry University,2010. (in Chinese with English abstract)

[25] 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所. 鄂托克前旗水資源綜合利用規(guī)劃[R]. 呼和浩特：水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，2014.

[26] 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所. 西北牧區(qū)水草畜平衡管理和飼草地節(jié)水增效技術(shù)示范與推廣[R]. 呼和浩特：水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，2016.

[27] 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院. 內(nèi)蒙古大型噴灌綜合節(jié)水技術(shù)集成與示范推廣[R]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，2015.

[28] 成波，李懷恩，徐梅梅. 渭河流域關(guān)中段工業(yè)用水效益分?jǐn)傁禂?shù)及效益的時(shí)空變化研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，33(1)：1－6.Cheng Bo, Li Huaien, Xu Meimei. Temporal and spatial variation of benefit-sharing coefficient and efficiency of industrial water in the Guanzhong section of Weihe River Basin[J]. Journal of Xi'an University of Technology, 2017,31(1): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[29] 朱啟林，申碧峰，孫靜. 基于優(yōu)化配置的北京市水資源影子價(jià)格研究[J]. 人民黃河，2016，38(12)：97－98.Zhu Qilin, Shen Bifeng, Sun Jing. Study on water resources shadow price of Beijing based on optimal water resources allocation[J]. Yellow River, 2016, 38(12): 97－98. (in Chinese with English abstract)

[30] 肖緒培，宋乃平，王興，等. 放牧干擾對(duì)荒漠草原土壤和植被的影響[J]. 中國(guó)水土保持，2013，12：19－23，33.Xiao Xupei, Song Naiping, Wang Xing, et al. Effects of grazing disturbance to the soil and vegetation of desert grassland[J]. Soil and Water Conservation in China, 2013, 12:19－23, 33. (in Chinese with English abstract)

[31] 劉佳慧，張韜. 放牧擾動(dòng)對(duì)錫林郭勒典型草原植被特征及土壤養(yǎng)分的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2017，26(12)：2016－2023.Liu Jiahui, Zhang Tao. Response of plant characteristics and soil nutrients on grazing disturbance in typical grassland in Xilinguole[J]. Ecology and Environment Sciences, 2017,26(12) : 2016－2023. (in Chinese with English abstract)

[32] 萬(wàn)里強(qiáng)，陳瑋瑋，李向林，等. 放牧對(duì)草地土壤含水量與容重及地下生物量的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(26)：25－29.Wan Liqiang, Chen Weiwei, Li Xianglin, et al. Effects of grazing on soil moisture, bulk and psature underground biomass[J]. Chinese Agricultiral Science Bulletin, 2011,27(26): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[33] 王明君. 不同放牧強(qiáng)度對(duì)羊草草甸草原生態(tài)系統(tǒng)健康的影響研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.Wang Mingjun. Effects of Different Grazing Intensities on Grassland Ecosystem Health of Leymus Chinensis Meadow Steppe[D]. Hmhhot: Inner Mongolia Agricultural University,2008. (in Chinese with English abstract)

[34] 王天樂(lè)，衛(wèi)智軍，呂世杰，等. 荒漠草原優(yōu)勢(shì)種群特征對(duì)放牧強(qiáng)度季節(jié)調(diào)控的響應(yīng)[J]. 草原與草業(yè)，2017，29(1)：30－37.Wang Tianle, Wei Zhijun, Lv Shijie, et al. Response of seasonal regulation of grazing intensity on dominant population in stipa breviflora steppe[J]. Grassland and Prataculture, 2017,29(1): 30－37. (in Chinese with English abstract)

[35] Fetzel T, Havlik P, Herrero M, et al. Seasonality constraints to livestock grazing intensity[J]. Global Change Biology,2016, 23(4): 1636－1647.