王貴珍, 花立民， 楊思維, 趙海忠

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070； 2. 海南省農(nóng)墾科學(xué)院， 海南 ?？?570100； 3. 畢節(jié)市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究所， 貴州 畢節(jié) 551700；4. 西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州730070)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和草地生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的定量化、系統(tǒng)化，牧場(chǎng)管理模型(pasture management model,PMM)的研究與應(yīng)用已成為世界草地畜牧業(yè)發(fā)展的新方向[1-2]。它不僅可模擬牧場(chǎng)生產(chǎn)體系的運(yùn)行過(guò)程，而且可預(yù)測(cè)牧場(chǎng)生產(chǎn)要素對(duì)不同管理的決策響應(yīng)[3]。草地畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)PMM研究已達(dá)到專(zhuān)業(yè)化、規(guī)?；蜕虡I(yè)化等特點(diǎn)，如飼草作物管理(DAFOSYM等)、草畜互作管理(ACIAR、GrassGro、SPUR等)、特定家畜生產(chǎn)管理(Sheep Version 4.0、SummerPack等)以及應(yīng)對(duì)極端氣候?yàn)?zāi)害方面的模型[1,4-6]。我國(guó)牧場(chǎng)管理理念基本上源于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，但隨著草地管理制度變革、畜產(chǎn)品市場(chǎng)化以及草地畜牧業(yè)新技術(shù)的不斷應(yīng)用，開(kāi)發(fā)針對(duì)牧戶(hù)水平的專(zhuān)業(yè)化、區(qū)域化牧場(chǎng)管理模型對(duì)保護(hù)草地生態(tài)、精準(zhǔn)扶貧以及發(fā)展產(chǎn)業(yè)化、集約化的現(xiàn)代畜牧業(yè)等具有舉足輕重的意義[7-9]。

高寒草甸是青藏高原重要的生態(tài)屏障區(qū)和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，其退化形勢(shì)對(duì)草地管理帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[10]。家庭牧場(chǎng)是草地生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的終端，其管理水平對(duì)于保護(hù)草地生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。許多科研工作者從不同專(zhuān)業(yè)角度開(kāi)展了大量防治草地退化的研究。但普遍共識(shí)是利用系統(tǒng)學(xué)原理，將系統(tǒng)各因素結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可提高草地畜牧業(yè)生產(chǎn)體系的總體效益[11]?；诖死砟睿瑓⒖紘?guó)外在牧場(chǎng)管理模型開(kāi)發(fā)及應(yīng)用方面取得的成功，本研究以祁連山東段高寒草甸家庭牧場(chǎng)為試點(diǎn)，調(diào)查其生產(chǎn)要素、生產(chǎn)環(huán)節(jié)和管理水平，嘗試開(kāi)發(fā)基于生態(tài)-經(jīng)濟(jì)理論的高寒草甸家庭牧場(chǎng)管理模型。該模型包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)輸入和輸出3個(gè)板塊。通過(guò)輸入飼草供給、家畜需求、家庭收入與支出以及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，從畜群生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、牧場(chǎng)家畜承載量、草畜平衡、草地健康、牧場(chǎng)收益5個(gè)方面進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果為牧戶(hù)提供兼顧牧場(chǎng)收益和草地生態(tài)健康的系統(tǒng)優(yōu)化方案，為牧戶(hù)制定改善草地管理和家畜生產(chǎn)決策提供了一種有效工具。

1 模型理論基礎(chǔ)

理論基礎(chǔ)作為合理決策的重要參考依據(jù)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)決策的有效指南[12]。本模型開(kāi)發(fā)目標(biāo)是優(yōu)先保護(hù)草地生態(tài)系統(tǒng)，兼顧提高牧戶(hù)牧業(yè)生產(chǎn)效益。理論基礎(chǔ)包括生態(tài)經(jīng)濟(jì)、家畜精準(zhǔn)管理等，其中生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論是本模型的核心基礎(chǔ)理論[13]。本模型評(píng)價(jià)牧場(chǎng)草地畜牧生產(chǎn)管理水平優(yōu)先以草地健康狀況評(píng)價(jià)為依據(jù)；家畜精準(zhǔn)管理就是對(duì)家畜個(gè)體生產(chǎn)水平進(jìn)行評(píng)估，淘汰畜群中貢獻(xiàn)較少的個(gè)體，提高整體的生產(chǎn)性能并促進(jìn)草畜平衡[14]，本模型母畜的生產(chǎn)性能是畜牧生產(chǎn)管理和評(píng)估的重要指標(biāo)[15]；放牧適宜度理論認(rèn)為在草地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，家畜容量直接決定草地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本模型以Jones和Sandland建立草地畜群放牧率與家畜生產(chǎn)力的線性模型，通過(guò)不斷的擴(kuò)展和完善，建立了經(jīng)濟(jì)最佳放牧率和生態(tài)最佳放牧率模型[16-17]；非平衡草場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的彈性管理理論認(rèn)為草場(chǎng)資源的時(shí)空變異度較大。隨機(jī)非生物因素對(duì)草地生態(tài)過(guò)程的影響往往大于由競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的密度驅(qū)動(dòng)因素[18-19]。本模型以草地產(chǎn)草量動(dòng)態(tài)變化為依據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整放牧管理以適應(yīng)草地生態(tài)系統(tǒng)的彈性管理。

2 模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集

2.1 模型結(jié)構(gòu)

模型由數(shù)據(jù)庫(kù)、生產(chǎn)-生態(tài)要素輸入模塊、評(píng)價(jià)-優(yōu)化輸出模塊2部分組成，以當(dāng)年9月-次年8月(12個(gè)月)作為一個(gè)牧業(yè)運(yùn)行周期，輸入模塊通過(guò)錄入飼草資源供給、家畜營(yíng)養(yǎng)(crude protein，CP)和能量(metabolic energy，ME)需求、家庭(牧場(chǎng))年收入與支出等牧場(chǎng)生產(chǎn)和生態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)，產(chǎn)生以Test Crystal Report形式的牧場(chǎng)畜群(種)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、牧場(chǎng)家畜容量、草畜平衡、草地健康、牧場(chǎng)收支評(píng)價(jià)輸出結(jié)果，用戶(hù)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化操作，形成Crystal Report Option(1/2/3) 形式的優(yōu)化輸出結(jié)果，幫助牧民作出科學(xué)的管理決策(圖1)。

圖1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架圖Fig.1 Design frames of system structure

2.2 數(shù)據(jù)收集方法

2.2.1飼草供給量和草地健康評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)收集 草地面積的確定：采用Holux M-241 軌跡記錄儀，沿圍欄記錄，相關(guān)經(jīng)緯度信息導(dǎo)入Google Earth軟件中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算其草地面積。

飼草量數(shù)據(jù)的收集：(1)天然草地產(chǎn)草量收集：每月對(duì)項(xiàng)目戶(hù)放牧家畜所在草場(chǎng)產(chǎn)草量進(jìn)行測(cè)定，采用0.33 m ×0.33 m快速監(jiān)測(cè)法測(cè)定草產(chǎn)量，不需剪草，在鋸齒形路線行走過(guò)程中手持0.33 m ×0.33 m樣方框，通過(guò)觀察樣方內(nèi)植株高度、密度及種類(lèi)來(lái)估測(cè)樣方內(nèi)草產(chǎn)量。灌叢在5 m×5 m大樣方中記載灌木叢的數(shù)量，并按大中小三類(lèi)分別統(tǒng)計(jì)，在每類(lèi)灌木叢中選擇3～5叢作為標(biāo)準(zhǔn)叢，在這些標(biāo)準(zhǔn)叢上剪取直徑3 mm以下的嫩枝；對(duì)于羊的放牧地1.2 m以上的嫩枝因采食不到可以棄去不剪，根據(jù)叢數(shù)和每叢的產(chǎn)量推算單位面積的可食嫩枝產(chǎn)量，詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)。如果草地面積較大可采用遙感監(jiān)測(cè)法和數(shù)學(xué)公式法快速監(jiān)測(cè)。(2)人工草地和購(gòu)買(mǎi)的飼草、精料數(shù)據(jù)的收集：采用觀察法和問(wèn)卷法，記錄每月飼喂給家畜的飼草料和精料的種類(lèi)和數(shù)量。

草地健康評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的收集：雖然冬春草場(chǎng)利用時(shí)間最長(zhǎng)，但夏場(chǎng)的生態(tài)狀況也因受到關(guān)注，便于綜合管理。本模型對(duì)冬春草場(chǎng)和夏場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)?？偖a(chǎn)量數(shù)據(jù)收集，采用0.33 m ×0.33 m快速監(jiān)測(cè)法測(cè)定草產(chǎn)量。采用樣圓法，每公頃草地拋30次，獲得草地所占的可食牧草的比例，并計(jì)算出可食牧草干物質(zhì)所占的比例。計(jì)算草地每公頃一年生鼠丘/鼠洞數(shù)。采用干物質(zhì)排名法(DWR)確定草地優(yōu)勢(shì)種的比例[20]。以項(xiàng)目封育區(qū)層片為對(duì)照，分別確定草場(chǎng)陽(yáng)坡、陰坡、平地的層片結(jié)構(gòu)，以平均值為最終值。在每個(gè)樣區(qū)均采用鋸齒型行走監(jiān)測(cè)路線，盡量保持在目標(biāo)方向直線行走。觀測(cè)點(diǎn)可以設(shè)置為左腳或者右腳的鞋頭部位，若落在裸露地表則計(jì)數(shù)器記錄一次。最后，將每個(gè)區(qū)中總步數(shù)與裸地步數(shù)計(jì)算得出該區(qū)的植被總蓋度。

2.2.2家畜體重?cái)?shù)據(jù)的收集 需對(duì)牧場(chǎng)主要經(jīng)濟(jì)家畜逐個(gè)佩戴RFID超高頻感應(yīng)式耳標(biāo)。每月對(duì)牧場(chǎng)上的所有主要飼養(yǎng)家畜(高山細(xì)毛羊和藏羊)進(jìn)行稱(chēng)重，并記錄家畜類(lèi)別(綿羊、牦牛等)、雌雄、品種(如甘肅高山細(xì)毛羊、藏羊、蘭州大尾羊等)、功能群(如泌乳母牦牛、妊娠母牦牛、生長(zhǎng)育肥母牛、育成母牦牛等)、出生年月(用以計(jì)算其年齡)、初始體重(處理前所記錄的體重)。妊娠母畜需記錄現(xiàn)體重、妊娠期、乳脂率、日泌乳量、產(chǎn)羔率等指標(biāo)，泌乳母畜要記錄其現(xiàn)體重、乳脂率、日泌乳量、產(chǎn)羔率等指標(biāo)。

2.2.3家庭收支數(shù)據(jù)收集 主要通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查法對(duì)家庭狀況和家庭生產(chǎn)資料、收入和支出狀況進(jìn)行調(diào)查。

2.2.4其它參數(shù)收集 其它參數(shù)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基本參數(shù)，主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值或者參考天然草地合理載畜量的計(jì)算、肉牛和綿羊飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)獲得；另一類(lèi)是參考肉牛、肉羊飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和畜種單位換算間接獲得牦牛、藏羊CP、ME需求模擬公式。

3 草地畜牧業(yè)生產(chǎn)管理評(píng)價(jià)依據(jù)

3.1 合理畜群生產(chǎn)結(jié)構(gòu)—畜牧業(yè)生產(chǎn)的核心

現(xiàn)階段草地退化、牧民收入水平較低與畜種畜群結(jié)構(gòu)不合理具有很大關(guān)聯(lián)[21-22]。必須依據(jù)家畜繁育特性、飼草資源、勞動(dòng)力、資金、技術(shù)、市場(chǎng)導(dǎo)向、政策等內(nèi)外因素來(lái)確定畜種畜群結(jié)構(gòu)，因此建立合理的畜種、畜群生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，形成生態(tài)經(jīng)濟(jì)友好型的商品畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式是本模型的目標(biāo)之一[23]。

3.2 家畜容量分析原理—放牧草地經(jīng)濟(jì)效率模型

一定量的家畜規(guī)模是形成家庭牧場(chǎng)的基礎(chǔ)，適宜的牧場(chǎng)家畜容量是實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)生態(tài)良性循環(huán)的前提下獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)[24]。適宜的牧場(chǎng)家畜容量必須考慮草地資源、家畜數(shù)量、市場(chǎng)價(jià)格、可支配資源等因素[21,25]。本研究將董世魁擴(kuò)展的由Jones和Sandland提出的放牧率與家畜生產(chǎn)力模型繼續(xù)擴(kuò)展[18]，兼顧草場(chǎng)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)功能并重的原則，研發(fā)生態(tài)經(jīng)濟(jì)最佳牧場(chǎng)家畜容量模塊(圖2)。

圖2 草地經(jīng)濟(jì)放牧率模型和草地生態(tài)經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)家畜容量模型Fig.2 The model of rangeland economic grazing intensity and ecologic-economic pastoral stocks capacity

3.3 草畜平衡監(jiān)測(cè)—能量與營(yíng)養(yǎng)的平衡

草畜平衡監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)是為了保障草地資源供給能力和家畜生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)平衡性[26]。其核心是牧草在營(yíng)養(yǎng)和能量上的供給是否滿(mǎn)足家畜在營(yíng)養(yǎng)和能量上的需求[27-28]。因此本模型以月為單位，從粗蛋白和代謝能水平上對(duì)草畜平衡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證不同牧場(chǎng)優(yōu)化決策下的草畜平衡的有效性。

3.4 草地健康評(píng)價(jià)—面向?qū)ο蟮摹⒑?jiǎn)單、快速的評(píng)價(jià)方法

建立科學(xué)實(shí)用的草地健康評(píng)價(jià)方法，可以幫助牧民及時(shí)了解草場(chǎng)狀況，調(diào)整放牧管理措施，保證草地的持續(xù)有效利用[28]。本模型采用澳大利亞DWR法、AHP法、專(zhuān)家打分法，從生產(chǎn)和生態(tài)兩方面建立評(píng)價(jià)體系。生態(tài)方面包括優(yōu)勢(shì)種的比例、草地總蓋度、草場(chǎng)的層片結(jié)構(gòu)、新生鼠丘/鼠洞數(shù)量；生產(chǎn)方面主要有可食牧草產(chǎn)量、總產(chǎn)量。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益核算評(píng)價(jià)—基于牧戶(hù)經(jīng)營(yíng)狀況調(diào)查

經(jīng)濟(jì)效益核算是對(duì)家庭牧場(chǎng)管理決策實(shí)施效果的體現(xiàn)，也是牧場(chǎng)改進(jìn)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)預(yù)算的有力參考[23]。本模型調(diào)查的牧場(chǎng)支出主要包括家庭經(jīng)營(yíng)支出(生產(chǎn)費(fèi)用)、固定資產(chǎn)折舊、財(cái)產(chǎn)支出(固定資產(chǎn)租賃)、牧業(yè)貸款利息支出等，牧場(chǎng)收入主要包括家庭經(jīng)營(yíng)收入(牲畜出售)、轉(zhuǎn)移性收入(政府無(wú)償補(bǔ)助)、財(cái)產(chǎn)性收入(草地生態(tài)補(bǔ)償)等[29]。

4 模型的計(jì)算機(jī)化

4.1 計(jì)算機(jī)環(huán)境

CPU：Genuine Intel(R) CPU T2080 @1.73 GHz或以上，內(nèi)存：1 GB或以上，硬盤(pán)：60 GB以上；操作系統(tǒng)：Windows XP操作系統(tǒng)及以上；數(shù)據(jù)庫(kù)：SQL2008、PastureSys。

4.2 數(shù)據(jù)錄入

4.2.1飼草供給輸入界面 數(shù)據(jù)錄入的時(shí)間段為12個(gè)月。模型默認(rèn)的錄入時(shí)間為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間，錄入規(guī)則為：在輸入飼草和家畜數(shù)據(jù)時(shí)，如果在本月1-20號(hào)輸入，則在本月20號(hào)以后可進(jìn)行處理；若在本月21-31號(hào)輸入，則在下月21-31號(hào)(月末)處理。家庭收支數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)須在模型運(yùn)行前錄入。每月錄入前調(diào)整時(shí)間，并重新打開(kāi)系統(tǒng)。

飼草資源界面分為3部分：(1)飼草天然牧草的供給量，通過(guò)輸入草地類(lèi)型、選擇牧草生物量的測(cè)量方法(遙感測(cè)量、實(shí)地測(cè)量、數(shù)學(xué)模擬)，填寫(xiě)單位面積的產(chǎn)草量(g·m-2)、可利用的草原面積，并點(diǎn)擊“添加”，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算生成CP和ME值；(2)若本月有人工飼草供給，選擇是否使用人工飼草，并選擇大小家畜，通過(guò)輸入“飼草類(lèi)”和下級(jí)菜單的“種類(lèi)和來(lái)源”以及供給的飼草量便可獲得分別提供給大(小)家畜的人工飼草的CP和ME值；(3)外購(gòu)飼草分為外購(gòu)飼草料和外購(gòu)精料，外購(gòu)飼草料的操作程序與人工飼草一致，在外購(gòu)精料一欄，輸入精料CP(%)值、ME(MJ·kg-1)值、數(shù)量、價(jià)格。若某一項(xiàng)輸入錯(cuò)誤，請(qǐng)重新打開(kāi)并正確輸入，最后點(diǎn)擊“確定”(圖3)。

圖3 飼草供給輸入界面Fig.3 Designed interface of forage supply

4.2.2家畜信息輸入界面 這一界面包括兩部分。第一部分是錄入首月份牧場(chǎng)中實(shí)際家畜相關(guān)信息，包括畜種、雌雄、品種、功能群、牲畜編號(hào)、出生年月、初始體重(圖4)。第二部分是對(duì)牧場(chǎng)每個(gè)家畜信息進(jìn)行月處理，如是妊娠母綿羊，則需要輸入日泌乳量、妊娠期、產(chǎn)羔率、乳脂率、現(xiàn)體重等數(shù)據(jù)(圖5)。

圖4 家畜管理界面Fig.4 Management interface of livestock

圖5 每個(gè)家畜信息錄入界面Fig.5 Information entry interface of single livestock

4.2.3家庭收支調(diào)查輸入 家庭收支錄入模塊包括家庭收支調(diào)查，由三部分組成：生產(chǎn)資料表，包括農(nóng)牧業(yè)用地面積、各類(lèi)畜禽相關(guān)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)性固定資產(chǎn)的原值調(diào)查；財(cái)產(chǎn)收入調(diào)查，分為家庭經(jīng)營(yíng)收入、工資性收入、轉(zhuǎn)移性收入、財(cái)產(chǎn)性收入總和；家庭支出調(diào)查，分為家庭經(jīng)營(yíng)支出、生產(chǎn)性固定資產(chǎn)折舊、生活消費(fèi)支出、財(cái)產(chǎn)性支出、轉(zhuǎn)移性支出、稅費(fèi)支出等組成(圖6)。

圖6 家庭收支調(diào)查界面Fig.6 Survey interface of family income and expenses

4.2.4參數(shù)和評(píng)價(jià)分值輸入 為了保證模型運(yùn)算的可靠性，在進(jìn)行牧場(chǎng)管理評(píng)價(jià)和優(yōu)化前須輸入運(yùn)算的參數(shù)值和草地健康評(píng)價(jià)中的評(píng)分值和評(píng)價(jià)閾值(圖7)。

圖7 系統(tǒng)參數(shù)和健康評(píng)價(jià)輸入表Fig.7 Table of system parameter and health Assessment input

4.3 模型輸出

以上所有錄入結(jié)束后，進(jìn)入評(píng)價(jià)優(yōu)化界面，點(diǎn)擊右下角“確定”按鈕，產(chǎn)生Evaluation crystal report報(bào)表，點(diǎn)擊導(dǎo)出報(bào)表，瀏覽評(píng)價(jià)報(bào)告內(nèi)容，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選擇優(yōu)化方案(1/2/3)。若選擇優(yōu)化方案1，根據(jù)優(yōu)化方案修改天然牧草調(diào)整系數(shù)(u1-u8)，填寫(xiě)優(yōu)化補(bǔ)飼欄和優(yōu)化后牧場(chǎng)收支表，形成Crystal Report Option1報(bào)表；若選擇優(yōu)化方案2，依據(jù)優(yōu)化方案填寫(xiě)人工草地種植和加工表，填寫(xiě)優(yōu)化補(bǔ)飼欄和優(yōu)化后牧場(chǎng)收支表，形成Crystal Report Option2報(bào)表；若選擇優(yōu)化方案3，根據(jù)優(yōu)化方案修改天然牧草調(diào)整系數(shù)(u1-u8)，填寫(xiě)人工草地種植和加工表、優(yōu)化補(bǔ)飼欄和優(yōu)化后牧場(chǎng)收支表，形成Crystal Report Option3報(bào)表，幫助牧場(chǎng)主做出合理、有效決策。

5 模型測(cè)試

本模型選擇甘肅省祁連山東段高寒草甸區(qū)1牧戶(hù)為試驗(yàn)對(duì)象(見(jiàn)表1)，調(diào)查錄入其草地資源、家畜資源以及盈利狀況后，利用系統(tǒng)內(nèi)部建立的數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)其草地健康和經(jīng)營(yíng)狀況。

表1受測(cè)牧戶(hù)家庭基本情況
Table 1 The family basic situation

5.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

該牧戶(hù)評(píng)價(jià)驗(yàn)證結(jié)果為：畜群生產(chǎn)結(jié)構(gòu)：繁殖母羊和育成母羊比例偏低，育成公羊比例偏高；草畜平衡：冷季(10-5月)飼草CP供給與家畜CP需求的比例值分別為1.35、1.59、1.19、0.43、0.68、0.58、0.46、0.48，其中1-5月飼草CP供給不足。暖季(6-9月)飼草CP供給與家畜CP需求比例值分別為2、5.6、11.6、5.5，飼草供給大于家畜需求。冷季(10月至第二年5月)飼草ME供給與家畜ME需求的比例值分別為1.39、1.63、1.24、0.49、0.76、0.67、0.57、0.57，其中1-5月飼草ME供給不足。暖季飼草ME與家畜ME需求的比例較高，分別為2.1、5.8、13.4、6.09；牧場(chǎng)家畜容量：暖季牧場(chǎng)實(shí)際家畜容量135(SU)小于暖季牧場(chǎng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)家畜容量246(SU)，冷季牧場(chǎng)實(shí)際家畜容量130(SU)大于冷季牧場(chǎng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)家畜容量123(SU)。冷季最適繁殖母羊的家畜容量為70(SU)，最適育成(種)公羊的家畜容量為5(SU)，最適育成母羊的家畜容量為27(SU)；草地健康：評(píng)價(jià)得分為88.58分，為亞健康狀態(tài)。5)家庭經(jīng)濟(jì)效益：牧戶(hù)家庭的可支配收入為9111元，而牧場(chǎng)收入為54 700元，牧場(chǎng)支出為43 297元，因此牧場(chǎng)收益為11403元(圖8-12)。

圖8 畜群生產(chǎn)結(jié)構(gòu)Fig.8 The production structure of livestock

圖9 草畜CP、ME平衡圖Fig.9 The balance of livestock-forage CP and ME

圖10 牧場(chǎng)家畜容量模擬值Fig.10 The Analog value of stock capacity

圖11 草地健康評(píng)價(jià)Fig.11 The health assessment of rangeland

圖12 牧場(chǎng)收益核算Fig.12 Accounting of pasture income, outcome and net income

5.2 優(yōu)化結(jié)果

鑒于本模型評(píng)價(jià)該試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)畜群生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和牧場(chǎng)家畜容量均不合理，同時(shí)草地處于亞健康的狀況。因此模型建議采用優(yōu)化方案3。具體內(nèi)容如下：畜群、畜種數(shù)量方面：暖季牧場(chǎng)綿羊數(shù)量過(guò)少，應(yīng)當(dāng)在飼草充足的情況下，擴(kuò)大畜群飼養(yǎng)家畜容量；冷季場(chǎng)綿羊數(shù)量過(guò)多，建議在出欄月份對(duì)羔羊、羯羊、育成公羊全部出欄，淘汰部分生產(chǎn)性能較差、有疫病的繁殖母羊。在出欄月份應(yīng)淘汰繁殖母羊12(SU)，減少育成公羊26(SU)，減少育成母羊5(SU)。繁殖母畜評(píng)分表可幫助牧場(chǎng)主淘汰生產(chǎn)性能較低的家畜，提高母畜整體生產(chǎn)力。白牦牛、大尾羊、黃牛、馬的收益值均為負(fù)，建議適時(shí)淘汰。畜群優(yōu)化后，冷季可供給主要經(jīng)濟(jì)畜種的飼草可提高864.3 kg CP和

1.48×105MJ ME(圖13、圖14)。人工草地方面：人工草地優(yōu)化以青海甜燕麥為主要牧草品種，播種時(shí)期為每年5月10日左右，條播，行距為0.2 m,播種量為450 kg·hm-2，施氮肥為75 kg·hm-2，燕麥灌漿期刈割，青干草的加工優(yōu)化方式為噴灑2.0 % CaCO3，室外自然晾干。人工草地種植和加工優(yōu)化后，可增加912.1 kg CP和6.5×104MJ ME(圖15)。牧場(chǎng)家畜容量和人工草地優(yōu)化后，再次進(jìn)行草畜監(jiān)測(cè)的結(jié)果仍然是冷季CP、ME供不應(yīng)求，通過(guò)采用非線性GRG規(guī)劃求解可得，補(bǔ)充青海甜燕麥干草17.5 t，玉米0.18 t，方可滿(mǎn)足冷季家畜CP和ME需求，最后對(duì)牧場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算可得，牧場(chǎng)收益為18 667元，大于優(yōu)化前的牧場(chǎng)收益，優(yōu)化有效(圖16-18)。

圖13 畜群數(shù)量?jī)?yōu)化建議Fig.13 The optimization suggestion of livestock capacity

圖14 繁殖畜評(píng)分表Fig.14 The score of breeding livestock

圖15 人工草地優(yōu)化Fig.15 the optimization of sow pasture

圖16 草畜平衡核算Fig.16 Accounting of livestock and forage balance

圖17 優(yōu)化補(bǔ)飼Fig.17 Optimization of feeding

圖18 優(yōu)化后成本效益核算比較Fig.18 the comparison Accounting of pasture net income after optimization

6 討論

6.1 模型的適應(yīng)性評(píng)價(jià)

模型開(kāi)發(fā)適應(yīng)目前高寒草甸畜牧業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：高寒草甸生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)多重屬性的以畜牧業(yè)為主的復(fù)雜且脆弱的系統(tǒng)。PMM作為對(duì)牧場(chǎng)系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機(jī)理的有效模擬器，可幫助牧場(chǎng)主做出科學(xué)、合理的決策。近年來(lái)，由于過(guò)度的人為干擾造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不完整和功能的失衡。作為草地管理終端的牧戶(hù)落后的管理水平，不僅影響牧民本身的生活水平，也牽制著草地畜牧業(yè)的發(fā)展[30]，因此開(kāi)發(fā)針對(duì)牧戶(hù)水平的PMM不僅可以維持草地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)逐步提高優(yōu)化管理水平，提高草原畜牧業(yè)整體生產(chǎn)力[31]，增加牧業(yè)收入。

模型開(kāi)發(fā)以面向牧戶(hù)為目標(biāo)：模型從輸入、輸出界面均以牧戶(hù)為操作對(duì)象，牧民能主動(dòng)去使用并能將科學(xué)、有效的管理方法運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于解決草畜不平衡、草地退化等制約草原畜牧業(yè)發(fā)展的問(wèn)題具有不可忽視的作用。模型的評(píng)價(jià)和優(yōu)化方式具有實(shí)際操作性，方便牧戶(hù)針對(duì)性調(diào)整配置各生產(chǎn)要素。

6.2 模型創(chuàng)新性評(píng)價(jià)

在輸入層面：天然飼草的輸入采用遙感和數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)的方法，相比于傳統(tǒng)的人工測(cè)量省時(shí)、省力。輸出層面：對(duì)牧場(chǎng)主要經(jīng)濟(jì)畜種內(nèi)部各功能群和當(dāng)前牧場(chǎng)上最佳經(jīng)濟(jì)承載量進(jìn)行分析，同時(shí)綜合比較牧場(chǎng)所有畜種的生產(chǎn)收益狀況，據(jù)此評(píng)價(jià)牧場(chǎng)畜群結(jié)構(gòu)的合理性并產(chǎn)生優(yōu)化建議，產(chǎn)生清晰直觀的報(bào)表；草畜平衡評(píng)價(jià)方面，擯棄以前僅采用產(chǎn)量來(lái)評(píng)價(jià)的模式，本研究根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)干草折算法折算牧草可供給的CP、ME量，根據(jù)牧場(chǎng)每個(gè)經(jīng)濟(jì)家畜的體重和日增重等相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得家畜的CP、ME需求量，通過(guò)月和季節(jié)水平比較，從營(yíng)養(yǎng)和能量的角度對(duì)牧場(chǎng)草畜平衡進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。草地健康評(píng)價(jià)方面，以快速、簡(jiǎn)單、面對(duì)對(duì)象為目標(biāo)，采用專(zhuān)家打分法、指標(biāo)權(quán)重法等方法，從生態(tài)和生產(chǎn)層面分別確定定性和定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后根據(jù)得分閾值評(píng)價(jià)草地健康狀況。在優(yōu)化補(bǔ)飼方面：采用非線性GRG規(guī)劃求解方法幫助牧民做好補(bǔ)飼規(guī)劃。草原畜牧業(yè)處于高度復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng)中，如果基于特定的目的僅優(yōu)化系統(tǒng)中某一個(gè)組分，將會(huì)削弱系統(tǒng)整體的彈性?？沙掷m(xù)發(fā)展的目標(biāo)就是將系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)度、發(fā)展度、持續(xù)度均維持在最佳狀態(tài)，因此本研究認(rèn)為采用以上五個(gè)層面可以全面評(píng)價(jià)草地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。

6.3 模型的靈敏度分析

模型從人—草—畜三要素出發(fā)，以整體論、系統(tǒng)論為指導(dǎo)思想，以幫助牧民了解目前經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀的有效性、可持續(xù)性和具體優(yōu)化措施的可實(shí)施性為目標(biāo)，從牧場(chǎng)生態(tài)—生產(chǎn)兩大方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：通過(guò)查閱畜群結(jié)構(gòu)相關(guān)研究文獻(xiàn)，在主要經(jīng)濟(jì)畜種各功能群數(shù)量比例水平上的評(píng)價(jià)更加靈活快速。根據(jù)放牧適度理論，以家畜的生產(chǎn)潛力、產(chǎn)品價(jià)格、生產(chǎn)成本以及數(shù)量變化的影響等生態(tài)—生產(chǎn)綜合因素適時(shí)、全面測(cè)算牧場(chǎng)家畜容量。通過(guò)月份和季節(jié)雙維度上草畜在CP和ME水平上的契合度研究，能準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)漏洞，精準(zhǔn)施策；以快速、簡(jiǎn)單、面對(duì)對(duì)象為目標(biāo)，采用專(zhuān)家打分法、指標(biāo)權(quán)重法等方法，從生態(tài)和生產(chǎn)層面確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)得分閾值評(píng)價(jià)草地健康狀況；以一年為生產(chǎn)周期，核算牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)在出欄月份對(duì)畜群結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)整。以評(píng)價(jià)過(guò)程中家畜結(jié)構(gòu)和家畜容量的合理狀況與草地健康和草畜平衡狀況的合理與否來(lái)確定優(yōu)化層級(jí)(畜群畜種容量?jī)?yōu)化/飼草優(yōu)化/草畜同時(shí)優(yōu)化)，每一個(gè)優(yōu)化層級(jí)幫助牧戶(hù)精準(zhǔn)決策，并展開(kāi)模擬實(shí)施后效果，據(jù)此評(píng)判優(yōu)化方案的有效性，提高優(yōu)化力度。

6.4 后續(xù)研究須填補(bǔ)的內(nèi)容及未來(lái)開(kāi)發(fā)導(dǎo)向

本研究嘗試對(duì)草原生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行耦合剖析，但由于其具有地理復(fù)雜性、時(shí)空異質(zhì)性，目前尚無(wú)高寒草甸區(qū)的CP、ME的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)以及藏系家畜的采食量、消化率等現(xiàn)成資料[32-33]，因此建立科學(xué)、全面的草畜基本數(shù)據(jù)庫(kù)迫在眉睫[34]。本研究認(rèn)為今后重點(diǎn)攻克方面有：提高天然草地、灌叢飼草供給量的遙感測(cè)算精度；建立高寒草甸各草地型的牧草種類(lèi)和草群CP、ME的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)[35]；建立針對(duì)區(qū)域化單個(gè)經(jīng)濟(jì)畜種的人工草地牧草飼料CP、ME供應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；天然草地牧草再生及牧草消化率研究；畜群結(jié)構(gòu)合理性的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及針對(duì)單個(gè)經(jīng)濟(jì)畜種的采食量；建立草地放牧系統(tǒng)優(yōu)化模型數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算機(jī)等支撐體系以及可適時(shí)評(píng)價(jià)的系統(tǒng)框架。從國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)家庭牧場(chǎng)管理模型的趨勢(shì)來(lái)看，開(kāi)發(fā)流域性可持續(xù)的家庭牧場(chǎng)管理模型是未來(lái)的發(fā)展方向[36]，因此建立相配套的區(qū)域化、微觀化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)是當(dāng)前首要任務(wù)[37]。目前PMM的建立可起到對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和科研成果的實(shí)踐轉(zhuǎn)化[38]，也可作為驗(yàn)證目前高寒草甸區(qū)生態(tài)退化、草畜矛盾突出等一系列問(wèn)題處理的有效性和繼續(xù)深入開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。

7 結(jié)論

本研究基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)論、家畜精準(zhǔn)管理理論、放牧適宜度理論和非平衡草場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的彈性管理理論，利用Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio Team System 2010和Microsoft SQL Server 2005，采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了基于MFC運(yùn)行高寒草甸區(qū)牧場(chǎng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)管理模型。該模型包括數(shù)據(jù)庫(kù)、輸入、輸出3部分，通過(guò)輸入牧草資源供給、家畜營(yíng)養(yǎng)和能量需求以及家庭年收入與支出等數(shù)據(jù)，對(duì)牧場(chǎng)畜群生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、牧場(chǎng)家畜容量、草畜平衡、草地健康、牧場(chǎng)收益核算進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，形成Evaluation Crystal Report。用戶(hù)可根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化操作，得出相應(yīng)的優(yōu)化方案，并形成Crystal Report Option(1/2/3)。本模型已在祁連山東段高寒草甸區(qū)選擇牧戶(hù)進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果證明模型輸入界面設(shè)置清晰、操作簡(jiǎn)單。評(píng)價(jià)輸出部分緊緊圍繞草畜結(jié)構(gòu)、環(huán)境容量及經(jīng)濟(jì)收益等層面進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，系統(tǒng)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化操作，得出相應(yīng)的優(yōu)化方案，并自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的圖文并茂，一目了然的評(píng)價(jià)、優(yōu)化報(bào)表，方便牧戶(hù)使用。