干旱牧区水草畜平衡系统优化研究
徐冰 郭克贞
中国水科院牧区水利科学研究所，呼和浩特，010010
摘 要：干旱少雨，超载过牧，生产管理水平低下一直是制约我国牧区畜牧业发展的主要因素， 如何高效利用有限水、草资源，制定合理的草地畜牧业结构与发展规模，实现可持续发展是当前
急待解决的问题。本文依托系统工程理论，以水草畜系统平衡为核心，根据内蒙古乌审旗牧业生
产与草地生态状况，进行了典型牧户水草畜平衡系统优化分析，提出10种暖季放牧冷季舍饲的家
庭生态畜牧业发展模式，旨在为牧区水草资源的合理利用和畜牧业健康发展提供参考。 关键词：牧区；水草畜平衡；系统优化
1 前言
我国的牧区多处于土地沙漠化集中分布和水资源严重短缺的地区，随着载畜量的增加，天然草地资源已被超限度利用，生态环境严重恶化。恶劣的自然条件要求必须以可持续发展为指导思想，以生态畜牧业为建设核心，应用系统工程理论和方法建立区域性水草畜平衡系统，合理配置、利用有限的水、草资源，确定科学合理的天然草地与人工饲草料基地发展规模及与之相应的草地适宜载畜数量，建立高产、高效、可持续的草地生产系统。
1.1 草地水－草－畜平衡系统
水-草-畜系统是一个复合生态系统，构成这一系统的主要元素有：水资源的开发利用；草地结构及其生产能力；养畜规模与畜群结构的调整等，其具有物质循环和能量转换的基本功能。衡量水－草－畜平衡系统功能优劣的标准是：水、草资源利用效率如何，生态环境条件是否改善，牧民经济收入可否提高等，即生态、经济和社会的整体效益如何？一个良好的草地水－草－畜平衡系统应该是：既能充分地吸收、利用、转换输入的物质与能量，获得高产优质的草畜产品，又可促进生态环境的恢复，并获得最佳经济效益，整个系统处于正向(优化)发展的动态平衡和良性循环状态。
1.2 水－草－畜平衡系统工程
水－草－畜系统工程是应用系统工程方法对水－草－畜系统进行综合考查和分析、并优化水、草、畜工程规划和运行管理的工程技术，是综合水资源系统工程、草原系统工程、畜牧业系统工程的交叉前沿学科。根据水草畜整体协调发展的需要，按照系统本身所特有的性质与功能，研究系统与环境之间、系统与各子系统之间、子系统之间与子系统之间、子系统与各要素之间、各要素之间的相互作用与相互依赖的关系，建立相应的数学模型，并应用系统优化方法、系统建模方法、系统预测方法、系统模拟方法、系统评价方法、系统决策分析方以及结合从定性到定量综合集成方法等，定量或半定量地求解水－草－畜系统规划与管理的优化方案。
2 研究区概况
研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市南部的乌审旗，该区地处毛乌素沙地腹地,属于典型的温带大陆性气候，风大沙多,干旱少雨，地表水系很不发达,以开发利用地下水为主。该区是一个典型的牧业旗县，80年代起率先开始进行农田草场建设和以家庭草库伦灌溉为主的草原生态建设，形成了\"水、草、林、料、机\"配套的灌溉草地发展模式。但因缺乏科学的规划与管理，未能将天然草场与灌溉草地的发展有机结合起来，水、草资源没有得到合理利用，超载过牧，草地沙化仍然制约着当地畜牧业的发展。
鉴于乌审旗的生态与生产现状，研究从水资源系统－草地生态系统－社会经济复合系统耦合机理方面入手，抓住水－草－畜系统平衡这一核心问题，综合考虑水、草资源对地区人口、资源、环境和经济协调发展的支撑能力，应用线性规划法建立区域水－草－畜平衡调控系统与生态畜牧业发展模式，为牧区水草资源的合理利用和畜牧业可持续发展提供参考。
3 模型构造
研究将系统中农田亚系统、草地亚系统、家畜亚系统联合起来综合考虑，结合乌审旗实际生产情况，进行暖季放牧冷季舍饲畜牧业发展模式的优化计算。主要进行天然草场的规划利用；优化种植基地结构与规模；开发劳动力；有限水资源的优化配置及经济效益分析研究。
3.1 合理利用、改良天然草场
天然草场是草地畜牧业饲草的主要来源，天然草场的数量和质量是决定种群结构的主要因素，也是种植业基地发展规模的主要因素。因此，合理利用和改良天然草场是草地畜牧业经济生态系统效益最优化的基础。
3.2 确定种植业发展规模及种植结构 合理确定种植业结构和规模，特别是在水资源一定的条件下，经济合理的饲草种植比例，是解决冬春饲草不足，取得草地畜牧业经济生态系统效益最优化的重要条件。
3.3 分析确定牧区水利设施的布局与规模
牧区水利设施标准的高低是衡量草地畜牧业生产水平高低的重要方面，具体包括水源工程、提水工具、输配水型式及灌水技术等措施。特别在西部干旱区，节水节能水利设施的布局与规模是影响草地灌溉效果的重要因素。
综上所述，以牧区水利建设为基础的草地畜牧业生产，主要由天然草场、种植业基地、水利设施、牲畜、林业、牧民六个子系统构成，各系统相互协调、制约，构成涵盖草地所有资源的完整的草地畜牧业生产系统。
4 数学模型
根据草地畜牧业系统各要素，建立水草畜平衡的生态畜牧业发展线性规划模型，经参数优选、确定，成果分析，提出优化方案。
图1 水草畜系统平衡数学模型 4.1 目标函数
（1）
F－目标函数（净效益）； n－草地、农田类型；
fi－第i种草地、农田单位面积净效益； xi－第i种草地、农田类型面积；
4.2 约束条件 4.2.1 草地总约束
（2）
式中：AREA为草场最大可利用面积；Xi意义同上。 4.2.2 天然草场约束
（3）
C1为天然草场夏秋季单位面积可食草量；B1为羊单位牲畜夏秋季采食定额；X1为夏秋牧场面积；XL为饲养牲畜羊单位数。 4.2.3 饲草料地结构和规模约束
保证牲畜冬春舍饲草料自产自足。 （1）青贮玉米约束
（4）
式中：C2为青贮玉米单位面积产量；B2为牲畜羊单位舍饲青贮玉米定额；X2为青贮玉米面积；XL为饲养牲畜羊单位数。 （2）精料约束
（5）
式中：C3为饲料玉米单位面积产量；B3为牲畜羊单位舍饲饲料玉米定额；X3为饲料玉米面积；
（3）干草苜蓿（和作物秸秆）约束 （6）
式中：C*3为单位面积玉米秸秆产量；C4为苜蓿单位面积产干草量；B4为牲畜羊单位舍饲干草定额；X4为苜蓿种植面积。 4.2.4 基本生活约束
为保障畜牧业发展需要，需种植一定面积的作物及基础牲畜数量。 ； （7） 式中：Ai为i类作物种植面积；L为基础羊单位数量。 4.2.5 防护林约束
（8）
式中：F为防护系数，防护林面积占种植业面积的比例，取0.05；X5为防护林面积。 4.2.6 生态约束
为保护草地生态环境，每牧户可开发灌溉草地最大面积； （9） 4.2.7 水资源约束
保证供水系统和用水系统的水量平衡关系，采取节水节能措施，尽可能减少水资源和能源浪费，计算系统年用水量和各时段用水量。 （1）各时段水量供需平衡方程 （10）
式中：Mi为时段第i种作物灌水量（m3/亩）；μ为灌溉水利用率（％）；Q为系统日最大供水量（m3/天）；T为时段天数（T=15天）。
（2）系统年总用水量计算方程 （11）
式中：Mi为i种作物灌溉定额；M6为牲畜羊单位年用水定额；M7为每人年用水定额；P为人口数量；W为最大可供水资源量。 4.2.8 劳动力约束
充分利用劳力资源，尽量使每个劳动力都参加生产建设。 （12）
式中：Di为单位劳动力经营i种作物面积；r为单位劳动力经营牲畜羊单位数量；L为系统可供最多劳动力数量。 4.2.9 效益约束
（13）
式中：Ti为第i类种植业基地单位面积费用；TL为羊单位年毛效益。 4.2.10 非负约束
（14）
4.3 模型参数
模型参数采用实地调查、分析与灌溉试验相结合确定。
4.4 优化结果
对10种暖季放牧冷季舍饲的典型家庭生态畜牧业发展模式求解，结果如下表：
表1 水草畜平衡系统优化方案 草地
面积（亩）天然
草场（亩）青储玉米（亩）饲料玉米（亩）干草苜蓿（亩）劳动力灌溉水量 （m3）羊单 位数系统年收入（元）5004845.455.6231854793201000966.910.9517.2263159418871.115001449.916.3528.83942514128432.120001939.219.75.335.8311397.517134346.82500242026.18.845.1415092.5226454483000292026.18.845.1415092.522644948注：未计入防护林。
5 结论
1、根据优化方案，典型牧户不同发展规模系统总收入分别为9320－45448元(如图2)。草地面积超过2500亩后，因劳动力及资源限制，系统年效益达到峰值，鉴于实际生产状况，典型生态畜牧业牧户草地面积不宜大于2500亩。
2、天然放牧阶段，畜均天然草场21.6亩，暖季放牧冷季舍饲模式下，饲草料基地占草地总面积小于4％，畜均草地面积约10.9亩，仅为放牧的50％，灌溉水资源牧业产值为3元/m3，草地资源利用率大大提高。
图2 不同发展规模年效益变化
3、乌审旗现有可利用草地面积590450hm2，承载牲畜119.3万个羊单位，以可持续载畜率0.094个羊单位/亩计，区域可持续载畜量约为83.3万个羊单位，超载36万个羊单位，生态畜牧业发展形式严峻。
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