王贵珍, 花立民， 杨思维, 赵海忠

(1. 甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2. 海南省农垦科学院， 海南 海口 570100； 3. 毕节市畜牧兽医科学研究所， 贵州 毕节 551700；4. 西北师范大学教育技术学院， 甘肃 兰州730070)

随着计算机技术发展和草地生态经济学研究的定量化、系统化，牧场管理模型(pasture management model,PMM)的研究与应用已成为世界草地畜牧业发展的新方向[1-2]。它不仅可模拟牧场生产体系的运行过程，而且可预测牧场生产要素对不同管理的决策响应[3]。草地畜牧业发达国家对PMM研究已达到专业化、规模化和商业化等特点，如饲草作物管理(DAFOSYM等)、草畜互作管理(ACIAR、GrassGro、SPUR等)、特定家畜生产管理(Sheep Version 4.0、SummerPack等)以及应对极端气候灾害方面的模型[1,4-6]。我国牧场管理理念基本上源于传统经验，但随着草地管理制度变革、畜产品市场化以及草地畜牧业新技术的不断应用，开发针对牧户水平的专业化、区域化牧场管理模型对保护草地生态、精准扶贫以及发展产业化、集约化的现代畜牧业等具有举足轻重的意义[7-9]。

高寒草甸是青藏高原重要的生态屏障区和畜牧业生产基地，其退化形势对草地管理带来巨大挑战[10]。家庭牧场是草地生产和经营的终端，其管理水平对于保护草地生态系统具有重要影响。许多科研工作者从不同专业角度开展了大量防治草地退化的研究。但普遍共识是利用系统学原理，将系统各因素结合起来，优化生产环节，可提高草地畜牧业生产体系的总体效益[11]。基于此理念，参考国外在牧场管理模型开发及应用方面取得的成功，本研究以祁连山东段高寒草甸家庭牧场为试点，调查其生产要素、生产环节和管理水平，尝试开发基于生态-经济理论的高寒草甸家庭牧场管理模型。该模型包括后台数据库、系统输入和输出3个板块。通过输入饲草供给、家畜需求、家庭收入与支出以及相关参数数据，从畜群生产结构、牧场家畜承载量、草畜平衡、草地健康、牧场收益5个方面进行客观评价，并根据评价结果为牧户提供兼顾牧场收益和草地生态健康的系统优化方案，为牧户制定改善草地管理和家畜生产决策提供了一种有效工具。

1 模型理论基础

理论基础作为合理决策的重要参考依据是实现目标决策的有效指南[12]。本模型开发目标是优先保护草地生态系统，兼顾提高牧户牧业生产效益。理论基础包括生态经济、家畜精准管理等，其中生态经济理论是本模型的核心基础理论[13]。本模型评价牧场草地畜牧生产管理水平优先以草地健康状况评价为依据；家畜精准管理就是对家畜个体生产水平进行评估，淘汰畜群中贡献较少的个体，提高整体的生产性能并促进草畜平衡[14]，本模型母畜的生产性能是畜牧生产管理和评估的重要指标[15]；放牧适宜度理论认为在草地生态经济系统中，家畜容量直接决定草地生态经济系统的稳定性。本模型以Jones和Sandland建立草地畜群放牧率与家畜生产力的线性模型，通过不断的扩展和完善，建立了经济最佳放牧率和生态最佳放牧率模型[16-17]；非平衡草场生态系统的弹性管理理论认为草场资源的时空变异度较大。随机非生物因素对草地生态过程的影响往往大于由竞争导致的密度驱动因素[18-19]。本模型以草地产草量动态变化为依据，实时调整放牧管理以适应草地生态系统的弹性管理。

2 模型结构和数据采集

2.1 模型结构

模型由数据库、生产-生态要素输入模块、评价-优化输出模块2部分组成，以当年9月-次年8月(12个月)作为一个牧业运行周期，输入模块通过录入饲草资源供给、家畜营养(crude protein，CP)和能量(metabolic energy，ME)需求、家庭(牧场)年收入与支出等牧场生产和生态要素数据，产生以Test Crystal Report形式的牧场畜群(种)生产结构、牧场家畜容量、草畜平衡、草地健康、牧场收支评价输出结果，用户根据评价结果进行后续优化操作，形成Crystal Report Option(1/2/3) 形式的优化输出结果，帮助牧民作出科学的管理决策(图1)。

图1 模型结构设计框架图Fig.1 Design frames of system structure

2.2 数据收集方法

2.2.1饲草供给量和草地健康评价数据收集 草地面积的确定：采用Holux M-241 轨迹记录仪，沿围栏记录，相关经纬度信息导入Google Earth软件中，系统会自动计算其草地面积。

饲草量数据的收集：(1)天然草地产草量收集：每月对项目户放牧家畜所在草场产草量进行测定，采用0.33 m ×0.33 m快速监测法测定草产量，不需剪草，在锯齿形路线行走过程中手持0.33 m ×0.33 m样方框，通过观察样方内植株高度、密度及种类来估测样方内草产量。灌丛在5 m×5 m大样方中记载灌木丛的数量，并按大中小三类分别统计，在每类灌木丛中选择3～5丛作为标准丛，在这些标准丛上剪取直径3 mm以下的嫩枝；对于羊的放牧地1.2 m以上的嫩枝因采食不到可以弃去不剪，根据丛数和每丛的产量推算单位面积的可食嫩枝产量，详细记录数据。如果草地面积较大可采用遥感监测法和数学公式法快速监测。(2)人工草地和购买的饲草、精料数据的收集：采用观察法和问卷法，记录每月饲喂给家畜的饲草料和精料的种类和数量。

草地健康评价数据的收集：虽然冬春草场利用时间最长，但夏场的生态状况也因受到关注，便于综合管理。本模型对冬春草场和夏场同时进行健康评价。总产量数据收集，采用0.33 m ×0.33 m快速监测法测定草产量。采用样圆法，每公顷草地抛30次，获得草地所占的可食牧草的比例，并计算出可食牧草干物质所占的比例。计算草地每公顷一年生鼠丘/鼠洞数。采用干物质排名法(DWR)确定草地优势种的比例[20]。以项目封育区层片为对照，分别确定草场阳坡、阴坡、平地的层片结构，以平均值为最终值。在每个样区均采用锯齿型行走监测路线，尽量保持在目标方向直线行走。观测点可以设置为左脚或者右脚的鞋头部位，若落在裸露地表则计数器记录一次。最后，将每个区中总步数与裸地步数计算得出该区的植被总盖度。

2.2.2家畜体重数据的收集 需对牧场主要经济家畜逐个佩戴RFID超高频感应式耳标。每月对牧场上的所有主要饲养家畜(高山细毛羊和藏羊)进行称重，并记录家畜类别(绵羊、牦牛等)、雌雄、品种(如甘肃高山细毛羊、藏羊、兰州大尾羊等)、功能群(如泌乳母牦牛、妊娠母牦牛、生长育肥母牛、育成母牦牛等)、出生年月(用以计算其年龄)、初始体重(处理前所记录的体重)。妊娠母畜需记录现体重、妊娠期、乳脂率、日泌乳量、产羔率等指标，泌乳母畜要记录其现体重、乳脂率、日泌乳量、产羔率等指标。

2.2.3家庭收支数据收集 主要通过问卷调查法对家庭状况和家庭生产资料、收入和支出状况进行调查。

2.2.4其它参数收集 其它参数分为两类：一类是基本参数，主要通过经验值或者参考天然草地合理载畜量的计算、肉牛和绵羊饲养标准等行业标准获得；另一类是参考肉牛、肉羊饲养标准和畜种单位换算间接获得牦牛、藏羊CP、ME需求模拟公式。

3 草地畜牧业生产管理评价依据

3.1 合理畜群生产结构—畜牧业生产的核心

现阶段草地退化、牧民收入水平较低与畜种畜群结构不合理具有很大关联[21-22]。必须依据家畜繁育特性、饲草资源、劳动力、资金、技术、市场导向、政策等内外因素来确定畜种畜群结构，因此建立合理的畜种、畜群生产结构，形成生态经济友好型的商品畜牧业可持续发展模式是本模型的目标之一[23]。

3.2 家畜容量分析原理—放牧草地经济效率模型

一定量的家畜规模是形成家庭牧场的基础，适宜的牧场家畜容量是实现牧场生态良性循环的前提下获得最大的经济效益的基础[24]。适宜的牧场家畜容量必须考虑草地资源、家畜数量、市场价格、可支配资源等因素[21,25]。本研究将董世魁扩展的由Jones和Sandland提出的放牧率与家畜生产力模型继续扩展[18]，兼顾草场生态和经济功能并重的原则，研发生态经济最佳牧场家畜容量模块(图2)。

图2 草地经济放牧率模型和草地生态经济牧场家畜容量模型Fig.2 The model of rangeland economic grazing intensity and ecologic-economic pastoral stocks capacity

3.3 草畜平衡监测—能量与营养的平衡

草畜平衡监测评价是为了保障草地资源供给能力和家畜生产的动态平衡性[26]。其核心是牧草在营养和能量上的供给是否满足家畜在营养和能量上的需求[27-28]。因此本模型以月为单位，从粗蛋白和代谢能水平上对草畜平衡进行监测，验证不同牧场优化决策下的草畜平衡的有效性。

3.4 草地健康评价—面向对象的、简单、快速的评价方法

建立科学实用的草地健康评价方法，可以帮助牧民及时了解草场状况，调整放牧管理措施，保证草地的持续有效利用[28]。本模型采用澳大利亚DWR法、AHP法、专家打分法，从生产和生态两方面建立评价体系。生态方面包括优势种的比例、草地总盖度、草场的层片结构、新生鼠丘/鼠洞数量；生产方面主要有可食牧草产量、总产量。

3.5 经济效益核算评价—基于牧户经营状况调查

经济效益核算是对家庭牧场管理决策实施效果的体现，也是牧场改进生产和经营预算的有力参考[23]。本模型调查的牧场支出主要包括家庭经营支出(生产费用)、固定资产折旧、财产支出(固定资产租赁)、牧业贷款利息支出等，牧场收入主要包括家庭经营收入(牲畜出售)、转移性收入(政府无偿补助)、财产性收入(草地生态补偿)等[29]。

4 模型的计算机化

4.1 计算机环境

CPU：Genuine Intel(R) CPU T2080 @1.73 GHz或以上，内存：1 GB或以上，硬盘：60 GB以上；操作系统：Windows XP操作系统及以上；数据库：SQL2008、PastureSys。

4.2 数据录入

4.2.1饲草供给输入界面 数据录入的时间段为12个月。模型默认的录入时间为计算机系统时间，录入规则为：在输入饲草和家畜数据时，如果在本月1-20号输入，则在本月20号以后可进行处理；若在本月21-31号输入，则在下月21-31号(月末)处理。家庭收支数据和参数数据须在模型运行前录入。每月录入前调整时间，并重新打开系统。

饲草资源界面分为3部分：(1)饲草天然牧草的供给量，通过输入草地类型、选择牧草生物量的测量方法(遥感测量、实地测量、数学模拟)，填写单位面积的产草量(g·m-2)、可利用的草原面积，并点击“添加”，系统自动计算生成CP和ME值；(2)若本月有人工饲草供给，选择是否使用人工饲草，并选择大小家畜，通过输入“饲草类”和下级菜单的“种类和来源”以及供给的饲草量便可获得分别提供给大(小)家畜的人工饲草的CP和ME值；(3)外购饲草分为外购饲草料和外购精料，外购饲草料的操作程序与人工饲草一致，在外购精料一栏，输入精料CP(%)值、ME(MJ·kg-1)值、数量、价格。若某一项输入错误，请重新打开并正确输入，最后点击“确定”(图3)。

图3 饲草供给输入界面Fig.3 Designed interface of forage supply

4.2.2家畜信息输入界面 这一界面包括两部分。第一部分是录入首月份牧场中实际家畜相关信息，包括畜种、雌雄、品种、功能群、牲畜编号、出生年月、初始体重(图4)。第二部分是对牧场每个家畜信息进行月处理，如是妊娠母绵羊，则需要输入日泌乳量、妊娠期、产羔率、乳脂率、现体重等数据(图5)。

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

图5 每个家畜信息录入界面Fig.5 Information entry interface of single livestock

4.2.3家庭收支调查输入 家庭收支录入模块包括家庭收支调查，由三部分组成：生产资料表，包括农牧业用地面积、各类畜禽相关数据、生产性固定资产的原值调查；财产收入调查，分为家庭经营收入、工资性收入、转移性收入、财产性收入总和；家庭支出调查，分为家庭经营支出、生产性固定资产折旧、生活消费支出、财产性支出、转移性支出、税费支出等组成(图6)。

图6 家庭收支调查界面Fig.6 Survey interface of family income and expenses

4.2.4参数和评价分值输入 为了保证模型运算的可靠性，在进行牧场管理评价和优化前须输入运算的参数值和草地健康评价中的评分值和评价阈值(图7)。

图7 系统参数和健康评价输入表Fig.7 Table of system parameter and health Assessment input

4.3 模型输出

以上所有录入结束后，进入评价优化界面，点击右下角“确定”按钮，产生Evaluation crystal report报表，点击导出报表，浏览评价报告内容，系统会根据评价结果选择优化方案(1/2/3)。若选择优化方案1，根据优化方案修改天然牧草调整系数(u1-u8)，填写优化补饲栏和优化后牧场收支表，形成Crystal Report Option1报表；若选择优化方案2，依据优化方案填写人工草地种植和加工表，填写优化补饲栏和优化后牧场收支表，形成Crystal Report Option2报表；若选择优化方案3，根据优化方案修改天然牧草调整系数(u1-u8)，填写人工草地种植和加工表、优化补饲栏和优化后牧场收支表，形成Crystal Report Option3报表，帮助牧场主做出合理、有效决策。

5 模型测试

本模型选择甘肃省祁连山东段高寒草甸区1牧户为试验对象(见表1)，调查录入其草地资源、家畜资源以及盈利状况后，利用系统内部建立的数学模型评价其草地健康和经营状况。

表1受测牧户家庭基本情况
Table 1 The family basic situation

5.1 评价结果

该牧户评价验证结果为：畜群生产结构：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)饲草CP供给与家畜CP需求的比例值分别为1.35、1.59、1.19、0.43、0.68、0.58、0.46、0.48，其中1-5月饲草CP供给不足。暖季(6-9月)饲草CP供给与家畜CP需求比例值分别为2、5.6、11.6、5.5，饲草供给大于家畜需求。冷季(10月至第二年5月)饲草ME供给与家畜ME需求的比例值分别为1.39、1.63、1.24、0.49、0.76、0.67、0.57、0.57，其中1-5月饲草ME供给不足。暖季饲草ME与家畜ME需求的比例较高，分别为2.1、5.8、13.4、6.09；牧场家畜容量：暖季牧场实际家畜容量135(SU)小于暖季牧场生态经济家畜容量246(SU)，冷季牧场实际家畜容量130(SU)大于冷季牧场生态经济家畜容量123(SU)。冷季最适繁殖母羊的家畜容量为70(SU)，最适育成(种)公羊的家畜容量为5(SU)，最适育成母羊的家畜容量为27(SU)；草地健康：评价得分为88.58分，为亚健康状态。5)家庭经济效益：牧户家庭的可支配收入为9111元，而牧场收入为54 700元，牧场支出为43 297元，因此牧场收益为11403元(图8-12)。

图8 畜群生产结构Fig.8 The production structure of livestock

图9 草畜CP、ME平衡图Fig.9 The balance of livestock-forage CP and ME

图10 牧场家畜容量模拟值Fig.10 The Analog value of stock capacity

图11 草地健康评价Fig.11 The health assessment of rangeland

图12 牧场收益核算Fig.12 Accounting of pasture income, outcome and net income

5.2 优化结果

鉴于本模型评价该试验牧场畜群生产结构和牧场家畜容量均不合理，同时草地处于亚健康的状况。因此模型建议采用优化方案3。具体内容如下：畜群、畜种数量方面：暖季牧场绵羊数量过少，应当在饲草充足的情况下，扩大畜群饲养家畜容量；冷季场绵羊数量过多，建议在出栏月份对羔羊、羯羊、育成公羊全部出栏，淘汰部分生产性能较差、有疫病的繁殖母羊。在出栏月份应淘汰繁殖母羊12(SU)，减少育成公羊26(SU)，减少育成母羊5(SU)。繁殖母畜评分表可帮助牧场主淘汰生产性能较低的家畜，提高母畜整体生产力。白牦牛、大尾羊、黄牛、马的收益值均为负，建议适时淘汰。畜群优化后，冷季可供给主要经济畜种的饲草可提高864.3 kg CP和

1.48×105MJ ME(图13、图14)。人工草地方面：人工草地优化以青海甜燕麦为主要牧草品种，播种时期为每年5月10日左右，条播，行距为0.2 m,播种量为450 kg·hm-2，施氮肥为75 kg·hm-2，燕麦灌浆期刈割，青干草的加工优化方式为喷洒2.0 % CaCO3，室外自然晾干。人工草地种植和加工优化后，可增加912.1 kg CP和6.5×104MJ ME(图15)。牧场家畜容量和人工草地优化后，再次进行草畜监测的结果仍然是冷季CP、ME供不应求，通过采用非线性GRG规划求解可得，补充青海甜燕麦干草17.5 t，玉米0.18 t，方可满足冷季家畜CP和ME需求，最后对牧场经济效益进行计算可得，牧场收益为18 667元，大于优化前的牧场收益，优化有效(图16-18)。

图13 畜群数量优化建议Fig.13 The optimization suggestion of livestock capacity

图14 繁殖畜评分表Fig.14 The score of breeding livestock

图15 人工草地优化Fig.15 the optimization of sow pasture

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

图17 优化补饲Fig.17 Optimization of feeding

图18 优化后成本效益核算比较Fig.18 the comparison Accounting of pasture net income after optimization

6 讨论

6.1 模型的适应性评价

模型开发适应目前高寒草甸畜牧业发展现状：高寒草甸生态经济系统是具有生态、经济、社会多重属性的以畜牧业为主的复杂且脆弱的系统。PMM作为对牧场系统发生发展机理的有效模拟器，可帮助牧场主做出科学、合理的决策。近年来，由于过度的人为干扰造成系统结构的不完整和功能的失衡。作为草地管理终端的牧户落后的管理水平，不仅影响牧民本身的生活水平，也牵制着草地畜牧业的发展[30]，因此开发针对牧户水平的PMM不仅可以维持草地生态经济系统可持续发展，同时逐步提高优化管理水平，提高草原畜牧业整体生产力[31]，增加牧业收入。

模型开发以面向牧户为目标：模型从输入、输出界面均以牧户为操作对象，牧民能主动去使用并能将科学、有效的管理方法运用到实际生产中，对于解决草畜不平衡、草地退化等制约草原畜牧业发展的问题具有不可忽视的作用。模型的评价和优化方式具有实际操作性，方便牧户针对性调整配置各生产要素。

6.2 模型创新性评价

在输入层面：天然饲草的输入采用遥感和数学预测的方法，相比于传统的人工测量省时、省力。输出层面：对牧场主要经济畜种内部各功能群和当前牧场上最佳经济承载量进行分析，同时综合比较牧场所有畜种的生产收益状况，据此评价牧场畜群结构的合理性并产生优化建议，产生清晰直观的报表；草畜平衡评价方面，摈弃以前仅采用产量来评价的模式，本研究根据标准干草折算法折算牧草可供给的CP、ME量，根据牧场每个经济家畜的体重和日增重等相关数据，获得家畜的CP、ME需求量，通过月和季节水平比较，从营养和能量的角度对牧场草畜平衡进行全面评价。草地健康评价方面，以快速、简单、面对对象为目标，采用专家打分法、指标权重法等方法，从生态和生产层面分别确定定性和定量的评价指标，最后根据得分阈值评价草地健康状况。在优化补饲方面：采用非线性GRG规划求解方法帮助牧民做好补饲规划。草原畜牧业处于高度复杂的复合系统中，如果基于特定的目的仅优化系统中某一个组分，将会削弱系统整体的弹性。可持续发展的目标就是将系统中各个环节之间的协调度、发展度、持续度均维持在最佳状态，因此本研究认为采用以上五个层面可以全面评价草地生态经济系统的发展状况。

6.3 模型的灵敏度分析

模型从人—草—畜三要素出发，以整体论、系统论为指导思想，以帮助牧民了解目前经营现状的有效性、可持续性和具体优化措施的可实施性为目标，从牧场生态—生产两大方面进行评价：通过查阅畜群结构相关研究文献，在主要经济畜种各功能群数量比例水平上的评价更加灵活快速。根据放牧适度理论，以家畜的生产潜力、产品价格、生产成本以及数量变化的影响等生态—生产综合因素适时、全面测算牧场家畜容量。通过月份和季节双维度上草畜在CP和ME水平上的契合度研究，能准确掌握生产漏洞，精准施策；以快速、简单、面对对象为目标，采用专家打分法、指标权重法等方法，从生态和生产层面确定评价指标，根据得分阈值评价草地健康状况；以一年为生产周期，核算牧场的经济收益，同时在出栏月份对畜群结构进行合理调整。以评价过程中家畜结构和家畜容量的合理状况与草地健康和草畜平衡状况的合理与否来确定优化层级(畜群畜种容量优化/饲草优化/草畜同时优化)，每一个优化层级帮助牧户精准决策，并展开模拟实施后效果，据此评判优化方案的有效性，提高优化力度。

6.4 后续研究须填补的内容及未来开发导向

本研究尝试对草原生态经济系统进行耦合剖析，但由于其具有地理复杂性、时空异质性，目前尚无高寒草甸区的CP、ME的动态数据库以及藏系家畜的采食量、消化率等现成资料[32-33]，因此建立科学、全面的草畜基本数据库迫在眉睫[34]。本研究认为今后重点攻克方面有：提高天然草地、灌丛饲草供给量的遥感测算精度；建立高寒草甸各草地型的牧草种类和草群CP、ME的动态数据库[35]；建立针对区域化单个经济畜种的人工草地牧草饲料CP、ME供应动态数据库；天然草地牧草再生及牧草消化率研究；畜群结构合理性的评价指标以及针对单个经济畜种的采食量；建立草地放牧系统优化模型数据库，计算机等支撑体系以及可适时评价的系统框架。从国内外开发家庭牧场管理模型的趋势来看，开发流域性可持续的家庭牧场管理模型是未来的发展方向[36]，因此建立相配套的区域化、微观化的动态数据库应是当前首要任务[37]。目前PMM的建立可起到对现有数据和科研成果的实践转化[38]，也可作为验证目前高寒草甸区生态退化、草畜矛盾突出等一系列问题处理的有效性和继续深入开发的平台。

7 结论

本研究基于生态经济论、家畜精准管理理论、放牧适宜度理论和非平衡草场生态系统的弹性管理理论，利用Windows平台的应用程序集成开发环境Visual Studio Team System 2010和Microsoft SQL Server 2005，采用C++语言开发了基于MFC运行高寒草甸区牧场生态经济管理模型。该模型包括数据库、输入、输出3部分，通过输入牧草资源供给、家畜营养和能量需求以及家庭年收入与支出等数据，对牧场畜群生产结构、牧场家畜容量、草畜平衡、草地健康、牧场收益核算进行客观评价，形成Evaluation Crystal Report。用户可根据评价结果进行后续优化操作，得出相应的优化方案，并形成Crystal Report Option(1/2/3)。本模型已在祁连山东段高寒草甸区选择牧户进行试验。结果证明模型输入界面设置清晰、操作简单。评价输出部分紧紧围绕草畜结构、环境容量及经济收益等层面进行客观评价，系统根据评价结果进行后续优化操作，得出相应的优化方案，并自动产生相应的图文并茂，一目了然的评价、优化报表，方便牧户使用。