宋乃平,卞瑩瑩,王 磊,陳 林,楊新國,王 昫,王 興,曲文杰

1 寧夏大學西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021 2 寧夏大學 農學院, 銀川 750021

農牧交錯帶的畜牧業(yè)具有將天然和人工牧草、農作物秸稈和籽粒、喬灌木枝葉綜合轉換為高價值的肉、皮、毛、奶、蛋等畜產品、實現農牧復合的天然優(yōu)勢[1]。然而長期以來,農牧交錯帶不僅沒有發(fā)揮它處于農、牧兩種系統(tǒng)界面所應該具有的雙重優(yōu)勢,反而集中了農區(qū)重種輕養(yǎng)和牧區(qū)只放不養(yǎng)、草地和耕地在生態(tài)功能上的割裂以及生態(tài)環(huán)境效應不良等雙劣態(tài)勢[2]。近30年隨著生態(tài)恢復、農牧業(yè)生產條件改善和土地使用權全面落實,農牧交錯帶的農牧復合經營全面興起[2- 5],在改善農民生計、生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大作用,甚至被認為是這些地區(qū)農業(yè)和農村發(fā)展的唯一選擇[6- 7]。與此類似的,以小農為單元的混合種養(yǎng)業(yè)或種養(yǎng)一體化在亞洲和非洲撒哈拉等地區(qū)大范圍流行[8- 10]。但是近些年在鄂爾多斯農牧交錯帶所出現的牲畜數量空前增長、草原封育禁牧導致的牧草資源浪費、過度發(fā)展灌溉農業(yè)等,嚴重威脅農牧復合系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。眾多研究關注農牧復合系統(tǒng)的耦合機理和成效[11- 14]。近年來,出現了對農牧復合系統(tǒng)可持續(xù)性的關注。王之明[15]研究了位于農牧交錯帶西端的寧夏南部地區(qū)農牧復合系統(tǒng)中的諸多影響可持續(xù)發(fā)展的問題。Erenstein和Thorpe[16]在印度河-恒河平原的研究發(fā)現,隨著農與牧之間相互作用性質的階段性變化,它既可以促進也可以阻礙農牧系統(tǒng)的可持續(xù)性。Sneesens等[17]的研究認為,混合農牧業(yè)如果想具有更高的可持續(xù)性是有條件的。我國北方農牧交錯帶的農牧復合系統(tǒng)是在半干旱氣候、環(huán)境變異較大、農戶經營為主體的背景下發(fā)展的,具有脆弱生態(tài)系統(tǒng)特點,如何建立可持續(xù)的農牧復合系統(tǒng)機制,是迫切需要研究的。為此,本文選擇鄂爾多斯西南緣的寧夏鹽池縣皖記溝村,在村域和農戶尺度上,從農牧復合的資源基礎、農牧復合系統(tǒng)物質流等方面開展農牧復合系統(tǒng)可持續(xù)性的分析和評價,力圖為構建可持續(xù)農牧復合系統(tǒng)機制提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣皖記溝村(37°04′—38°10′N,106°30′—107°41′E),地處鄂爾多斯高原西南和北方農牧交錯帶西段的北緣(圖1),北與毛烏素沙地相連,南接黃土高原。屬典型的中溫帶大陸性氣候,1954—2017年平均氣溫8.1℃,無霜期150 d,年平均降水量285.8 mm,集中在7—9月,占全年降水量的60%以上,年際變率為28.82%,年平均蒸發(fā)量2710 mm。土壤類型以灰鈣土和風沙土為主。植被類型主要有人工檸條林和以黑沙蒿、苦豆子、豬毛蒿、短花針茅等為優(yōu)勢種或建群種的草原植物群系[18]。主要土地利用類型耕地、草地、灌木林地、沙地面積分別為577.12 hm2、3397.41 hm2、1767.56 hm2、997.04 hm2[19]。灌木林幾乎全部為檸條林,適合于放牧。2012年全村在冊人口共1245人,長期居住人口不到50%。2012年之前種植業(yè)完全依靠自然降水,之后一些農戶自打機井發(fā)展灌溉種植業(yè),主要種植玉米、馬鈴薯、蕎麥等。該村主要生計方式主要為灘羊養(yǎng)殖、作物種植和勞務收入。全村羊只數量9263只,85.71%的農戶養(yǎng)羊數量在20—200只。自2002年實施禁牧政策以來,該村灘羊養(yǎng)殖主要為半舍飼半放牧方式。種植業(yè)、畜牧業(yè)、務工和政策補助分別占家庭總收入17.29%、49.57%、26.67%和6.47%。

圖1 研究區(qū)在北方農牧交錯帶的位置及土地利用結構Fig.1 The location of study area in the agro-pastoral ecotone and its land use structure

1.2 資料來源與研究方法

(1)農戶調查。本研究采用半結構訪談問卷調查,對皖記溝行政村5個自然村的119戶農戶調查,采用典型調查和偶遇調查相結合的方式,內容包括農戶的基本生活和農牧業(yè)生產兩部分,涵蓋農戶基本情況、生計方式、各類土地面積和利用情況、種植作物情況、飼養(yǎng)牲畜情況以及政府補貼等。為克服年度間的變異,調查了每個農戶2012—2013年2年的情況。

(2)土地養(yǎng)分測定和測產。在整理以上數據的基礎上,在楊寨子自然村選擇土地面積和養(yǎng)羊數量不同的9個農戶,從2013年3月起到2014年10月進行農林牧復合生態(tài)系統(tǒng)主要要素監(jiān)測,連續(xù)監(jiān)測以上農戶生態(tài)系統(tǒng)的耕地、草地、林地的土壤養(yǎng)分、作物產量或生物量,畜牧業(yè)狀況,投入產出的物質和貨幣量進行記錄和取樣。土壤養(yǎng)分采用地塊五點法取0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm土樣,帶回實驗室做有機質測定。農作物和草地測產以地塊或農戶為單元采用對角線五點取樣法,對玉米等大植株采用密度結合單株分解測產(包括根系重量),對于其他作物和牧草,采用樣方刈割法測產(包括根系重量)[20]。檸條測產是在地塊中隨機選擇5個30 m×30 m樣方,數檸條叢數,隨機選取樣方內的5叢檸條測量株高、冠幅、分枝數,用模型估算產量[21]。

(3)羊只稱重監(jiān)測。在各典型農戶的羊群中分別選擇畜種相同、身高、體重相似的2—11個月羔羊、1—2歲、2—3歲、3歲以上的生產羊各6只,打耳標并記錄編號,連續(xù)12個月稱量每只羊的體重,并記錄每只生產羊的產羔情況、當月飼草料結構和用量以及放牧時間。

(4)本研究還利用邊界矢量數據通過剪裁獲取了皖記溝村2000—2015年的MODIS NDVI數據。另有一些難以測定的數據,如每只羊的糞尿量等,從農牧業(yè)手冊或文獻中獲取。

(5)分室模型。該模型是根據系統(tǒng)原理,把生態(tài)系統(tǒng)的若干組分或亞系統(tǒng)看作若干小分室,通過研究分室與分室、分室與環(huán)境間的“流”的交換關系建立的模型。本文應用分室模型分析農牧復合系統(tǒng)的物質流結構。假定農牧系統(tǒng)是線性系統(tǒng),物質流完全由給予者分室控制,物質流動在研究時間內是即時的、無時滯的[22]。對于給定的農牧生態(tài)系統(tǒng),為了揭示農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物流特征,需要對系統(tǒng)邊界和分室做出符合需要并且盡可能簡化設置。一般涉及第一性生產的若干分室、畜牧分室、人口分室、土壤分室和環(huán)境等部分[23- 24]。

模型形式如下式：

(1)

(2)

B=diag(b1,b2,…bn)

(3)

X為某分室的庫存量,U為從生態(tài)系統(tǒng)外部輸入的物質,A為系數矩陣,B為放大的倍數,n為本生態(tài)系統(tǒng)中的分室個數。模型結構確定之后,對各分室的現存量Xi,各分室間的流量Fij及分室與環(huán)境間的流量Zi0進行測定或推算。再通過計算確定各系數矩陣,并檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 結果

2.1 農牧復合系統(tǒng)的資源基礎

研究區(qū)土地利用以草地、灌木林地、沙地和耕地為主,分別占總土地面積的47.73%、24.83%、14.01%和8.11%。其植物生產力主要受氣候主導,呈現為年內冬春季低與夏秋季高的不平衡,以及年際間受降水變率大而表現出的豐歉差異。圖2是皖記溝村干旱年份(2008年)和降水豐沛年份(2012年)的MODIS NDVI數據,反映了植被生產力動態(tài)[25]。每年的11月到次年的4月是植被生產力最低的時期,因處于非生長期所以無論年內還是年季差異都很小。5—10月是植被生長季,生產力有一個上升到下降的過程,8月到達峰值。這個時期也是生產力年內和年季差異最明顯的時期,不但年際間峰值差異大,而且每年返青和枯黃的早晚不同。牧草生產的年內和年季波動性與牲畜對飼草料需求的平穩(wěn)性之間的矛盾,特別是冬春季和旱年飼草料短缺,是限制畜牧業(yè)發(fā)展的重大問題。傳統(tǒng)畜牧業(yè)的牲畜冬春季和干旱年掉膘甚至死亡成為普遍現象。據調查,皖記溝在20世紀90年代之前,灘羊冬春季的平均掉膘量為上個秋季的1/3的體重。若冬季不補飼再加上死亡羊只,冷季綿羊掉膘量會更高達50%以上[26]。近些年即使在冬季補飼0.5—1.5 kg只羊-1d-1玉米籽粒的情況下,這種趨勢仍未改變,只是體重下降的幅度控制在了10%以內(圖3)。

圖2 皖記溝村典型降水豐枯年份的植被指數Fig.2 Vegetation index of wet year (2012) and dry year (2008) in Wanjigou village

圖3 皖記溝村9個監(jiān)測農戶灘羊體重變化Fig.3 Weight changing of sheep in a whole year from nine sampling households in Wanjigou village

面對傳統(tǒng)放牧業(yè)受天然草原生產力年內、年際較大波動造成的低效率,農民試圖從土地生產力和牧業(yè)生產力兩方面改變。1980年代到本世紀前10年農民自發(fā)種植,使得皖記溝村的人工檸條林面積從1970年的無擴大到2013年的1767.56 hm2。2012年到2013年皖記溝村共打深井63眼,119個調查農戶發(fā)展水澆地123.53 hm2,2012年這些水澆地的84.39%用于種植玉米。調查戶2012—2013年水澆地和旱耕地玉米籽粒平均產量分別為7062.70 kg/hm2和2303.40 kg/hm2。玉米籽粒和秸稈用于冬春季飼喂灘羊。形成了草地、灌木林地、耕地共同支持牧業(yè)的農牧復合系統(tǒng)。圖4是利用多年的草地林地樣方調查、農作物測產、生物量估算數據與同期NDVI數據的平均值經過整合而恢復的天然草地、檸條林地、耕地的地上生物量年內動態(tài)。人工林的現存地上生物量和耕地地上生物量分別是天然草地地上生物量的4倍和11倍；檸條林地全年有活生物量,每年生物量增長期維持的時間最長,峰谷差異小,年內和年際間的均衡性好。以玉米為主的農作物的生物量季節(jié)性峰谷差異最大,生物量維持的時間最短,單季生物量遠高于灌木林地和草地,最適宜于刈割貯藏和冬春季補飼。天然草地牧草從返青到枯落,其持續(xù)時間介于檸條林地與耕地之間,生物量最低。但因其面積廣大,牧草的植物多樣性、耐踐踏、宜放牧等特性,是牧業(yè)的主要承載體?？傮w來說,草地、灌木林地、耕地生產力提升和功能互補,特別是其中種植玉米的水澆地和檸條林地面積的增加,使飼草料供應尤其是冬春季飼草料供給得到緩解,大大改變了牲畜數量隨草地產草量大幅波動的狀況。

圖4 耕地、林地、草地的地上生物量動態(tài)Fig.4 The above ground productivities of cropland, shrub and grassland

2.2 農戶農牧復合系統(tǒng)的生產方式

在2000年以前,研究區(qū)農戶主要采用全年放牧和對生育后期的母羊和羔羊補飼的畜牧業(yè)生產方式。放牧主要利用天然草原和檸條林地,補飼主要是玉米、蕎麥等籽粒和土豆塊莖等農作物,少數農戶種植苜蓿等人工牧草用于補飼。2001年5月至今實施草原封育和禁牧的強制性制度。禁牧初期的2001—2006年農戶幾乎無法放牧,通過壓縮養(yǎng)殖規(guī)模、發(fā)展農作物種植、購買秸稈等飼草料以及少量打貯青草保障養(yǎng)殖。2007年以后,逐步形成了現在的夏秋季夜間放牧與冬春季舍飼喂養(yǎng)相結合的生產方式。這個過程更加依賴種植業(yè)對牧業(yè)的支持,促進了農戶將耕地、檸條林地和天然草地及少量人工草地與購買部分飼草料結合起來,發(fā)展農林草相結合的灘羊養(yǎng)殖。

農戶是農牧業(yè)資源組織和經營的實體單元,資源分配和配比對于農牧復合系統(tǒng)發(fā)展至為關鍵。119個調查戶中93.27%的農戶有耕地,其中旱耕地面積為136.60 hm2,水澆地面積為123.52 hm2,戶均分別有1.15 hm2的旱耕地和1.04 hm2的水澆地,60%的農戶耕地面積在1.33—4.67 hm2(表1)。36個農戶無水澆地,44戶只有水澆地沒有旱耕地。發(fā)展水澆地取代旱耕地成為趨勢。旱耕地和水澆地分別有32.11%和84.39%的面積用于種植玉米,作為飼草料。戶均分別有36.32hm2的天然草地和20.87 hm2的檸條林地,89.91%農戶的天然草地面積在13.33—73.33 hm2,80.67%農戶的天然草地面積在20 hm2以上。其中天然草地上有檸條林的農戶占總調查戶數的73.10%,62.18%的農戶檸條林面積在13.33 hm2以上。57.45%的草原面積被發(fā)展成為檸條林。由此可見,農戶將種植檸條林提高和穩(wěn)定草原生物量作為支持灘羊養(yǎng)殖的主要措施之一。

表1 調查農戶的農牧復合系統(tǒng)特征統(tǒng)計(n=119)

在上述資源支持下,皖記溝村灘羊規(guī)模由20世紀90年代后期的4031只增加到現在的9263只。調查農戶平均養(yǎng)羊77.84只,人均17.69只,保證人均4000元以上的年收入。未養(yǎng)羊的農戶僅占調查戶數的8.40%。大、中、小養(yǎng)羊戶戶數接近,他們之間的養(yǎng)殖規(guī)模差異較大。相對而言,三類農戶之間天然草地面積差異不大,但是檸條林地和水澆地的面積差異大,特別是耕地產出的玉米秸稈和籽粒的產量差異很大。由此可見,養(yǎng)殖規(guī)模的限制因子是耕地面積,特別是水澆地及其產出的秸稈和籽粒的產量,檸條林面積的貢獻也較大。勞動力數量和旱耕地對養(yǎng)殖規(guī)模的影響不明顯(表1)。

2.3 農牧復合系統(tǒng)的物質流

為了進一步定量研究耕地、天然草地和檸條林地對灘羊養(yǎng)殖的貢獻及其構成的農牧復合系統(tǒng)的結構合理性和耦合效果,本研究選取了9個農牧復合經營的農戶作為監(jiān)測對象,并應用分室模型法從農戶尺度分析農牧復合系統(tǒng)的物質流結構。根據對9個監(jiān)測農戶的調查,將其農牧復合系統(tǒng)結構概括如圖5。其中檸條、牧草、作物籽粒、作物秸稈和作物根茬為5個生產分室,人口、牲畜、土壤有機質、農家肥為4個轉換分室,用X1至X9表示。各個分室之間的物質流Fij,包括外界環(huán)境系統(tǒng)與農牧復合系統(tǒng)之間的物質流Zi0,共23個流路。

圖5 皖記溝村農牧復合系統(tǒng)物質流結構圖Fig.5 Material flow diagram of agro-pastoral complex system in Wanjigou village

由圖5所示的物流框圖,取2012年整年為單位時間,將監(jiān)測的9個農戶的各類物質的產量、使用量、流通量、養(yǎng)分、購買量等和從相關手冊和文獻獲得的分室的庫、流數據統(tǒng)一換算為有機質量,代入本文1.2中之(5)的分室模型中,可得以下方程組：每個方程中Xi的系數aij表達由分室i流向分室j的流量占分室i庫存量的額度,稱i至j的流通率。再利用Matlab軟件計算方程組系數矩陣的特征值。該農牧復合系統(tǒng)的數學模型的所有特征值的實部均為負。由李雅普諾夫函數判別法,該農牧復合系統(tǒng)趨向于漸近穩(wěn)定。

方程組中各分室(Xi)的系數總和是其物質流通量,反映了物質流動性。各分室在不同方程的代數和是其流通率,反映了其流入流出的平衡性。從方程組的形式看,每個庫都有向外的輸出,因而自身的系數為負。秸稈(X4)全部輸出,也就是全年的秸稈沒有剩余。輸出份額高的還有作物籽粒(X3)和農家肥(X9)。土壤有機質(X8)的輸出最低,人口(X6)、牧草(X2)、牲畜(X7)的輸出量都不高,說明庫內份額較高(屬于惰性庫)。土壤有機質庫獲得根茬(X5)、牲畜、農家肥的輸入份額都很高。牲畜庫獲得作物籽粒、秸稈和牧草的輸入,以及牧草庫獲得土壤有機質的輸入份額也較高。從同一庫的流通率代數和來看,接近于0,也就是有機質輸出和輸入基本平衡的有檸條(X1)、牧草、根茬、人口等庫。作物秸稈、籽粒和農家肥等庫的輸出遠遠大于輸入。而牲畜和土壤有機質庫的輸入遠遠大于輸出(表2),說明其周轉速率較慢,在系統(tǒng)內的貯存較多。從流通量來看,在系統(tǒng)中比較活躍的是檸條、籽粒、秸稈、農家肥,足見農林子系統(tǒng)對于農牧復合系統(tǒng)物質補充的及時性。而牧草、人口、有機質在系統(tǒng)中的流通量低,前者主要是禁牧造成的,說明系統(tǒng)的牧草還有進一步利用的潛力。9個監(jiān)測農戶的糧食和肉類消費量占自家生產的份額都可以忽略不計。

表2 分室模型中各分室的流通量和流通率

禁牧使得畜牧業(yè)的物質來源主要轉向依靠種植業(yè),而牧草和檸條的輸入量還有潛力。作物秸稈在全部輸出到牲畜之后,還不能滿足需要。秸稈在飼草料結構中的比例過大,降低了飼草料結構中的蛋白含量,這是目前農戶飼養(yǎng)效率不高的主要原因。

3 討論

農牧復合系統(tǒng)的可持續(xù)機制主要體現在水土環(huán)境、植物生產、家畜生產、人類需求之間的物流平衡、生態(tài)效率、協同關系[27,28]。分室模型分析顯示,促使研究區(qū)在禁牧條件下羊只數量翻番的主要資源是耕地特別是水澆地生產的大量作物籽實和秸稈,以及檸條林。水澆地和檸條林地不但具有比天然草地高4到11倍的生產力,而且產量較穩(wěn)定,檸條的粗蛋白含量高。但是在研究區(qū)維持水澆地和檸條林地生產的長期機制是資源供給的可持續(xù)性,特別是水資源。寧夏地區(qū)玉米生長期內需水量為549 mm,按照研究區(qū)50%保障率降水即279 mm條件下,玉米生長期多年平均灌溉需水量為6888 m3/hm2。研究區(qū)多年平均地下水最大利用量為112.15×104m3/a?？晒喔雀?62.82 hm2[29],現有的水澆地面積已經接近可灌溉上限。而且這個推斷還有賴于地下水循環(huán)的研究結果。研究區(qū)連年抽取地下水會否引起土壤飽氣帶水分的趨勢性下降,進而引發(fā)草原退化,需要進一步監(jiān)測。世界其他干旱半干旱區(qū)土地集約利用導致土地退化的案例不勝列舉[14,17,30]。更為嚴峻的是,研究區(qū)檸條林在進入老齡林之后面臨普遍的土壤干旱化[31]。禁牧政策使得農戶將放牧壓力由天然草地轉向耕地和檸條林地。農牧交錯帶的水土資源密度小,土地生產力的本質是面積效應。如果不能正常發(fā)揮大面積天然草地的作用,讓耕地承擔更大規(guī)模的灘羊養(yǎng)殖,農牧復合系統(tǒng)是難以持續(xù)的。

從飼草料與牲畜協同的層次看,實行以草定畜,特別是冬春季、歉收年飼草料對牲畜數量和養(yǎng)殖效率的限制,以及目前飼料結構反映的能量有余、蛋白短缺對養(yǎng)殖效率的影響。禁牧政策催生出來的冬季春舍飼喂養(yǎng),實質上是將草地、耕地、林地的生物量進行削峰填谷,或者錯峰利用,達到飼草料在時間上的均衡,突破了長期制約養(yǎng)殖規(guī)模擴大的冬春季飼草料不足的瓶頸[27- 28]。研究區(qū)農戶將生產目標由原來的糧食、牲畜多元分散向灘羊養(yǎng)殖的特色草牧業(yè)集中,形成了耕地、草地、檸條林地生產與灘羊養(yǎng)殖之間的協同關系。突破了傳統(tǒng)畜牧業(yè)冬春季飼草料量少質低對灘羊養(yǎng)殖的瓶頸。飼草料錯峰利用面臨利用時間與飼草料營養(yǎng)高峰不一致而導致的營養(yǎng)流失問題,大大降低了飼草料利用效率和效益。如玉米秸稈乳熟期的粗蛋白含量可達7%,而農戶黃貯的玉米秸稈到冬季其粗蛋白含量不足2%[32]。天然草地的牧草也有冬春季蛋白含量顯著下降的問題。檸條粗蛋白含量隨季節(jié)的變化相對較小。從需求方面來說,以目前農戶的飼草料結構計算,蛋白含量尚不到飼草料的8%,距離12%的基本標準還有較大差距。這也是冬春季補飼玉米籽粒較多,能量遠超灘羊需求,而仍然掉膘的原因。面對飼草料錯峰利用與營養(yǎng)高峰不一致的矛盾,要采取系統(tǒng)性措施。目前要大力推廣玉米青貯,保證有5%以上的粗蛋白含量。還要在冬春季增加外部蛋白飼料如豆粕等的輸入,提高飼草料的整體利用效率和效益。長遠措施是將土地利用結構與作物和植物結構相結合,將更多的人工草地轉向發(fā)展高蛋白飼草料,如二年生的草木樨。蘇丹草、高丹草等也要在蛋白含量較高的生長期青刈。利用封育禁牧的機遇,開展天然草原改良。在硬質土荒漠草原補播胡枝子等豆科植物,在覆沙地補播草木犀狀黃芪等,在沙地補播沙打旺、苦豆子等,提高牧草蛋白含量。由此可見,資源基礎和系統(tǒng)耦合生產方式是農牧復合系統(tǒng)生產能力提高的真正原因。

4 結論

研究區(qū)通過種植檸條林充分利用土壤水、發(fā)展水澆地充分利用地下水,提高土地利用集約度,為灘羊養(yǎng)殖提供了大量飼草料,成為禁牧之后畜牧業(yè)的主要支撐。禁牧政策所誘發(fā)的草地、耕地、林地與灘羊養(yǎng)殖的系統(tǒng)耦合,減少了冬春季飼草料量少質低對畜牧業(yè)的瓶頸,提高了養(yǎng)殖效率。資源基礎和系統(tǒng)耦合生產方式是農牧復合系統(tǒng)生產能力提高的真正原因。

禁牧使得放牧壓力由草地轉向耕地和檸條林地,二者均存在水資源不可持續(xù)的風險。加強水土資源、飼草料生產和灘羊養(yǎng)殖之間的系統(tǒng)調控和整體協同,是農牧交錯帶農牧復合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇?？刂频叵滤_發(fā)強度,促進水肥與作物耦合,降低檸條種植密度,控制灘羊養(yǎng)殖規(guī)模,適度開放草地,協調耕地、林地、草地之間的耦合利用,是農牧復合系統(tǒng)長期持續(xù)的關鍵措施。