CN1790417A - 测定草地最适放牧率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于草地利用检测方法，具体涉及草地最适放牧率的测定方法。长期以来，我国草地资源不合理利用，尤其是过度放牧导致优良牧草退化、草地环境变劣、生产力大幅度下降，以及土壤荒漠化与盐碱化等草地生态系统严重问题。本发明根据草地基况，通过实际的放牧实验与理论的数学模型相结合的优化技术，快速准确地对草地资源进行检测，确定适宜的家畜对植被的喜食草层高度选择性指标、放牧率或载畜量，调控草地与家畜的时空关系，防止过牧，实现对草地资源的有效合理地利用，获得满意的生态效益和经济效益。本发明检测指标简单、费用低廉，可操作性强。为实际生产管理以及生态、生产规划提供科学有效的定量化的技术依据。

Description

测定草地最适放牧率的方法

技术领域

本发明属于草地利用检测方法，具体涉及草地最适放牧率的测定方法。

技术背景

我国是世界上仅次于澳大利亚的第二大草原大国，草原面积近4×10⁸hm²，占国土面积的41％，是我国第一大生态系统。草地是人们赖以生存的物质基础和生态安全的保障，也是生命支持系统的重要组分和社会与环境可持续发展的基本要素。

长期以来，我国对草原的重视程度远不及耕地与森林。对草地资源不合理利用，尤其是过度放牧导致优良牧草退化、草地环境变劣、生产力大幅度下降，以及土壤荒漠化与盐碱化等草地生态系统退化问题突出出来。进入20世纪90年代以后，伴随着生态的急剧恶化，沙尘暴肆虐、洪水泛滥、江河断流等生态灾难不断发生，长期被人们忽视的草原终于引起了全社会的极大关注，草原的生态功能及其多功能性也开始逐渐被人们所认识，特别是我国政府从维护国家生态安全、食物安全和经济社会可持续发展出发，将草原生态保护作为发展战略加以高度重视，使草原生态保护的重要性为社会普遍接受。

那么，为了使受损的草地生态系统得到恢复，并保持良好的发展状态，同时又要使经济得到快速的发展，其核心问题就是对草地进行合理的利用，而我国目前对怎样才是合理利用、如何进行合理利用等问题，还没有提出可行的、全面的评价标准和执行依据。本发明就是对“合理利用”问题进行科学的量化，也就是使“合理利用”真正成为可操作的科学的尺度，对于指导放牧实践，对于解决草畜矛盾，在获得较高经济效益的同时，有效地协调环境与经济二者之间的矛盾，使生态环境得到保育和有效利用，对维护国家的生态安全，也具有十分重要的意义。

中国农业部制定的“全国草原生态建设规划(2001-2050)”中确立了草原利用规划的总体目标，即草原生态环境明显改善，目前存在的问题得以恢复、控制和减缓，逐步建立起人与资源、环境之间协调统一的良性生态系统。与此同时，也对草地经济的发展寄予了厚望。目前中国草原畜牧业仅占农业产业结构的的5％，而发达国家的平均值为60％以上。农业部公布了我国畜牧业结构调整的发展目标，到2010年畜牧业产值占农业总产值的比重达到40％，成为国民经济中的一大独立产业。到2015年我国畜牧业区域化、专业化、集成化、产业化、现代化水平都将有较大提高，畜产品在国际大市场中的竞争力大大增强。以上这些目标的实现，必须以科学的利用与管理理论做指导。

我国的草原遍布全国各省、市、自治区，主要分布于我国北方干旱、半干旱区和青藏高原区，草原面积在150×10⁴hm²以上的省区有7个(西藏、内蒙古、新疆、四川、甘肃、青海、云南)，占全国面积的79％。而这些草地中约60％草地面积处于退化状态，其中轻度退化面积占57.0％，中度退化面积占30.5％，重度退化面积占12.5％。目前，多数草原牧区的超载率在30％以上，个别地区超过50％，过度式、掠夺式的草原利用是草原退化最直接的原因。所以确定适宜的载畜量和放牧率是遏止草地继续退化，并使草地得到有效恢复和保持高效生产力的重要保证。同时畜牧业的发展，也必须是以适宜的放牧率为前提条件的。本发明是快速、简便地确定适宜的放牧率和载畜量的科学方法，对于草地的恢复建设，尤其是在草原面积分布比较广泛的7个省市的畜牧业的发展上都会产生很大的作用，因此有很大的需求空间。国内外研究现状：

1、国外的理论与应用研究进展

草地生产优化技术作为一种草地农业生产管理的控制处理技术，在发达国家有一定研究与发展，研究设计了很多系统优化的模型与方法技术。这些研究充分考虑了系统的复杂性，既有对生理、生化过程进行模拟，又综合考虑气候因素的影响；既研究了时间、空间因素的变化，又要考虑这些因素的极端过程、值域以及过程的不连续性等；既要研究草畜之间的相互作用，也考虑了社会、经济等因素。这就使得问题进一步复杂化，模型表述也由简单的线性模拟发展到非线性。另外，随着考虑的因素增多，需要的数据也随之增加，从而导致数据来源的不准确。使得结果的可信度大大降低。当设计模型指导放牧系统时，细致的分隔模型需要大量的经验或者实验数据用以确定模型的参数，而由于实际条件的限制，这样的模型应用价值很小。很多情况下，模型结果的可信程度只能依据经验、直觉来进行判断，对于具体情况的指导性不是很强。

国外对草畜系统调控的一个比较适用可行的指标是对草地载畜量的确定，最近几年多提倡以草地植物营养和家畜的需要来计算。草地营养物质主要是对植物群落可采食部分进行化学分析，主要是粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、无氮浸出物等，然后按这些成分的可消化率(77.5％、51.9％、71.8％和47.3％)，计算可消化营养物质的百分数；家畜的需求是根据家畜的饲养标准(如美国的NRC标准)，计算放牧季节内家畜对可消化蛋白质(DCP)和可消化营养物质总量(TDN)的需要量(根据美国NRC饲养标准，每只54kg的绵羊，非泌乳期每日需要DCP0.059kg，TDN0.68kg)。最后通过草地可提供的营养物质量和家畜所需要的量，计算草地载畜量。

该方法将草地植物所提供的营养同家畜的实际营养需要联系起来，使草地植物与草地家畜成为一个系统，客观地反映了草地的生产能力。

2、我国在此领域的研究进展

我国对草畜系统优化利用的研究以草畜平衡为核心和理论基础。草畜平衡，即保持草地内牧草与采食家畜的动态平衡。其概念内涵为：在单位面积草地上，根据一年中牧草的供应量，调整放牧家畜头数，使之与牧草的年度供应量相适应，保持草地生产力的稳定、高效、优质。因此科学合理地确定草地载畜量则也成为我国科研与实践需要的主要工作。草地载畜量是衡量草地载畜能力的重要指标，具体讲就是一定时期内单位面积草地上可承载放牧家畜的头数。

草地载畜量的表示方法主要有两类：

第一类是放牧压(grazing pressure)，其计算方法为草地内放牧家畜需要的或吃掉的饲草量与草地提供的或可以利用的饲草量之比，即

一般情况下，草地放牧压应小于1.0。放牧压大，草地载畜量就大。

第二类为草地载畜量(carrying capacity)，其内涵为在一个长时期的放牧时间内和一定面积草地，在不影响草地生产力且保证家畜正常生长发育的情况下能容纳放牧家畜的头数。草地载畜量的确定方法从生产应用角度讲，一般是按照草地牧草产量估测的。其计算公式为：

其中，①饲草的贮藏量是指草地全年的产草量，它依草场类型、测定时间及利用年份的不同而变化。②对大面积草地，估算载畜量时，以多年测定的秋季最高产草量为依据，按家畜实际采食掉的牧草量加以计算。③估测不同季节草地的载畜量，要以多年各季节平均产草量为依据，按照各季节产草量占最高季节产草量的百分比(％)来计算。④家畜的日食量即家畜在维持正常生长发育和一定生产性能的基础上，每天所需要采食的饲草数量。内蒙古地区常采用绵羊日粮标准，具体为：东部草甸草原为5kg鲜草，中部干草原为4kg鲜草，西部荒漠草原为3kg鲜草。大家畜与绵羊的折算比例为4-5∶1。

3、目前对草地最适放牧率确定中存在的主要问题

不难看出，我国目前实行的草地最适放牧率的计算，实质上是一种“草地面积与家畜的平衡”。其明显的缺陷表现在以下几个方面：

①系统优化途径是“以草定畜”，十分片面。即只考虑了系统优化中的一个侧面，而忽视了家畜在系统中的能动作用及其家畜自身的采食行为和营养需求。草地动、植物相整合研究工作的欠缺，使得草地管理一体化的优化生产技术一直没有取得突破性的进展。既使有少量的研究，也是基于理论上的探讨和理论上的指导，缺乏实际指导意义。最适放牧率的确定应是草畜系统的优化，寻求的是草畜的平衡，因此应综合考虑放牧系统各个环节，尤其是草地生产力与家畜需求两个基本环节。

②考虑草地生产力动态不够。当前的草畜平衡管理仅考虑草地的面积和静态产量，而对草地生产力的年度和季节性差异以及草地生产力与家畜需求的季节性分异问题考虑不够。我国草原地区普遍存在着夏秋季节饲草丰裕而冬春季节严重匮乏的现象，既使是非常高产的牧草生长季节，牧草的种类和各物种的生长速率也表现出明显的时间差异性。如不考虑季节变化，单纯以饲草总产量为基础来确定载畜量，则不能有效地解决我国草原地区普遍存在的季节性草地超载问题。

③理论上的研究缺乏实用性和简便性。草地放牧系统的优化内涵似乎很简单，但实际上，优化的目标很难把握，优化的过程很难控制。经科学研究所得出的草地放牧系统的模型，往往是在全面了解影响生态系统各个环节的主要因素以及各个环节之间的关系的基础上，做出的定量化的决策，但由于涉及变量多，变量获取困难，大多成果限于理论上的讨论，所以很难对系统的管理做出准确的指导。对系统优化过程中需要调控的一些指标，或是估测的精确度不高，或是实验繁琐，费用昂贵，难以控制。所以这些理论成果的突出的弱点在于缺乏实用性和简便性。

④实践中的作法缺乏理论依据。在实践中，广大牧民通过多年的放牧实践，总结出的“经验估测法”或“根据放牧家畜体况”，以及草地科技工作者多采用的“放牧试验法”或“按照草地产草量”来计算载畜量，虽然具有实用性强、简便易操作的优点，但是缺乏理论依据和科学实验基础。难于做到草畜系统真正意义上的优化。

发明内容

本发明的目的是通过草地放牧系统的优化处理，提供直接确定草地的最适放牧率的方法。

该项技术是基于在天然羊草草地上开展的采食量和采食选择性方面的试验研究基础上，得出的一种充分考虑了在不同季节、不同放牧压下的动物的采食行为，及植物的生长规律的最适放牧率的确定方法，既可满足草地的地上生物量的增长速率稳定增长，又能保证一定的家畜生产力，从而使系统持续稳定并获最大生产量。其具体方法包括了以草地植被为指标的确定方法和以动态载畜量为指标的确定方法。

1、以草地植被为指标的测定方法

动物的采食行为是随着草地环境的变化而发生变化的。即在不同的草地基况条件下，动物表现出不同的食性选择。这种选择性最直观的表现是对不同草层高度的选择性，且会随着草地基况的不同以及季节的差异而发生变化。所以，只要掌握了家畜对植物的喜食高度，并以此作为草地状态的管理依据，就可以既保证草地植被能保持良好的生长状态，又充分考虑了动物的采食行为，从而保证草地植被与家畜的协调健康成长。

(1)分析及计算方法

家畜对植被的喜食高度可用草层高度选择性指数来衡量。

草层高度选择性指数(selectivity index of height，SIH)：用放牧采食后高度降低的百分率来表示，即

SIH＝ΔH/H₀×100％

其中，ΔH为放牧前后植物高度差，H₀为放牧前植物高度

SIH越大，则说明家畜对此高度的选择性越大。即在这个草层高度，家畜的采食量最多，从而保证家畜的体重及产奶量增量的最大化。那么在草地管理中，使植被保持此高度，则可取得最佳的放牧效率，所以可将此作为对草地管理的依据。

(2)数据测定方法

对于某一可利用草地，可按不同季节进行采样。

具体采样方式是在可利用草地中选取具有代表性的草地1～2hm²，然后选取5～10只体重大小适中具有代表性的家畜，连续放牧2～5小时。分别于放牧前与放牧后用小样方框若干个随机取样(一般可用0.25×0.25m²的样方，取样30个)，分种类测量每个小样方中放牧前后植物的自然高度。计算放牧前后植物的自然高度差ΔH，运用SIH计算公式，得出高度变化最大的植被即为家畜最喜采食的草层。得出的草层高度结果可按5cm为一层进行层次的划分，即0～5cm草层，5～10cm草层，10～15cm草层，以此类推。

(3)技术方法示例

依据上述方法，通过用山羊在松嫩羊草草原天然草地上不同季节和不同放牧压下的放牧实验得出以下结论：在不同季节和不同放牧压下，山羊最喜欢采食适中高度的植物，其中15～20cm和20～25cm草层的选择性最高，其次为25～30cm草层与35～40cm草层，最后为5～10cm草层。山羊对不同植物的高度选择性存在差异，但高度选择性指数的最大值都在15～25cm范围内。

所以通过上述研究方法，如果放牧对象为山羊的话，则山羊的最喜采食的草层高度为15~25cm。草地植被控制在这一高度，家畜的采食效率与放牧效益最佳。

2、以动态载畜量为指标的测定方法

在进行管理的时候必须考虑放牧系统的各个环节之间的关系，采取科学的策略，在草地放牧系统中，家畜和植被之间的关系是草地放牧系统优化模型确立的关键。植被的生长满足自身的生长规律，同时受到降雨、温度、土壤湿度、营养等等周围环境的影响。当放牧家畜对植被进行采食时，一方面植被的地上生物量减少；另一方面，放牧对植被有刺激作用，改变了植被原有的生长速率，适当的放牧会刺激植被的超补偿生长，同样不合理的放牧率也会降低植被的生长速率。综上所述影响植被生长速率的要素主要包括自身的生长速率、家畜的采食、放牧刺激生长。

(1)模型结构与放牧率确定

①系统优化的基本模型

草地植被的生长函数可用以下函数来表示：

$\frac{N(t+\mathrm{\Δt})-N\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}(\mathrm{\Δt}\→0)=F\left(N\right)-G_1(N,H)+Q(N,H)$

其中：N(t)为时间t时刻，单位面积的植被地上生物量，N(t+Δr)为经过时间Δt地上生物量；

F(N)为植被的自身生长函数；

G(N，H)为草畜之间功能反应方程；

Q(N，H)为当家畜的采食作用对植被的生长产生刺激作用时，而产生的假设补偿作用方程为；

H为放牧率，即单位面积上的家畜数量。

②地上生物量优化模型

 通过以上基本模型可知，植被地上生物量的生长速率与地上原有生物量和放牧强度有关，经研究得出草地各个月地上生物量的变化满足函数关系：

W(N，H)＝-0.0012N²+0.1519N+205.16-H[-0.00001(N/H)²+0.1947N/H+23.259]+

          N(-0.0000001N²/H²+0.001N/H-1.7595)

其中：W(N，H)为草地各个月地上生物量的变化函数；

N为草地地上生物量；

H为放牧率，即单位面积上的家畜数量。

③家畜的生产力优化模型

家畜的生物量与采食总量的大小成正相关，因此采食总量的大小决定了家畜生产量的大小，可用采食总量的大小作为家畜生产量的一个标志。经研究实验得出动物的采食总量满足下述方程：

T(N，H)＝H[-0.00001(N/H)²+0.1947N/H+23.259]

其中：T(N，H)为动物的采食总量方程；

N为草地地上生物量；

H为放牧率。

当某一月份地上生物量确定时，家畜的采食总量受放牧强度的影响，不同的放牧强度影响采食速率，同时也影响采食总量。只有当dT/dH＝0时，家畜的采食总量为最大值，这时所计算得出的放牧率能使得函数W(N，H)取得最大值，也就是放牧管理者所期望的放牧强度。

(2)验与数据测定方法

在野外实验中需要测定的指标只有地上生物量N。当N为数值时，则dT/dH＝0，即dT(N，H)/dH＝0中只有H一个变量，所以很容易求出放牧率H的数值。

具体采样方式是在可利用草地中选取具有代表性的草地1～2hm²。每月在放牧前用小样方框随机取样(一般可用0.25×0.25m²的样方取样30个)，样方内植物齐地刈割，称量每个样方框内的鲜重质量，然后烘干至恒重，称量干物质质量，得出每月放牧前草地生物量N。然后把N代入dT/dH＝0公式中，很容易地求出最适放牧率H值。

这里得到放牧率即单位面积上应放牧的家畜的数量，既能使家畜的采食总量T(N，H)最大，也可保证放牧后W(N，H)取得最大值，也就是能使草地植被得到最大限度地恢复。

(3)术方法示例

依据上述方法，通过用山羊在松嫩羊草草原天然草地上的放牧实验得出以下结论：管理者为了保证地上植被有较高的生长速率的前提下获得较高的家畜产量，出于保护草场资源的角度考虑，放牧率可以分别取各个月份使地上植被有较高生长速率的放牧率，如果每月放牧30天，每天的放牧时间为3小时，那么：

当5月时，放牧率可以取1.2只/公顷；

当6月时，放牧率可以取4只/公顷；

当7月时，放牧率可以取6.4只/公顷；

当8月时，放牧率可以取10.6只/公顷；

当9月时，放牧率可以取10只/公顷。

全年平均放牧率为6.4只/公顷。

本发明的优点主要表现在以下几方面

(1)根据草地基况，通过实际的放牧实验与理论的数学模型相结合的优化技术，快速准确地对草地资源进行监测，以确定适宜的放牧率或载畜量，以此调控草地与家畜的时空关系，防止过牧，实现对草地资源的有效合理地利用，从而获得满意的生态效益和经济效益。

(2)监测指标简单、费用低廉，可操作性强。为实际生产管理以及政府的生态、生产规划提供科学有效的定量化的技术指导。

(3)突破了现在“以草定畜”放牧策略的局限性，是一项综合考虑了牧草再生与家畜的载畜量关系的调控技术，也是兼顾生态效益和经济效益的草畜平衡技术及草地的优化管理模式，以此可作为草地畜牧业经济发展和生态建设的技术支撑。

(4)在基于草地季节性变化以及季节性差异等参数的基础上，充分考虑了草地生产力在年度和季节间的差异，从而经常而灵活调整载畜量。实现了依据草地生物量季节变化的动态的放牧管理，更符合草地生态系统的运行变化规律。

Claims (4)

1、以草地植被为指标的测定草地最适放牧率的方法，其特征是：

(1)分析及计算方法

用家畜对植被的喜食高度即草层高度选择性指数(selectivity index of height，SIH)来衡量，用放牧采食后高度降低的百分率来表示，即

                 SIH＝ΔH/H₀×100％

其中，ΔH为放牧前后植物高度差，H₀为放牧前植物高度

(2)数据测定方法

对于某一可利用草地，可按不同季节进行采样，具体采样方式是在可利用草地中选取具有代表性的草地1～2hm²，然后选取5～10只体重大小适中具有代表性的家畜，连续放牧2～5小时；分别于放牧前与放牧后用小样方框若干个随机取样，分种类测量每个小样方中放牧前后植物的自然高度；计算放牧前后植物的自然高度差ΔH，运用SIH计算公式，得出高度变化最大的植被即为家畜最喜采食的草层；得出的草层高度结果可按5cm为一层进行层次的划分，即0～5cm草层，5～10cm草层，10～15cm草层，以此类推。

2、按权利要求1以草地植被为指标的测定草地最适放牧率的方法，其特征是：随机取样小样方框个数可为30个，面积一般可为0.25×0.25m²。

3、以动态载畜量为指标的测定草地最适放牧率的方法，其特征是：

(1)模型结构与放牧率确定

①系统优化的基本模型

草地植被的生长函数可用以下函数来表示：

$\frac{N(t+\mathrm{\Δt})-N\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}(\mathrm{\Δt}\→0)=F\left(N\right)-G_1(N,H)+Q(N,H)$

其中：N(t)为t时刻，单位面积的植被地上生物量，N(t+Δt)为经过时间Δt地上生物量；

F(N)为植被的自身生长函数；

G(N，H)为草畜之间功能反应方程；

Q(N，H)为当家畜的采食作用对植被的生长产生刺激作用时，而产生的假设补偿作用方程；

H为放牧率，即单位面积上的家畜数量，

②地上生物量优化模型

通过系统优化的基本模型可知，植被地上生物量的生长速率与地上原有生物量和放牧强度有关，经研究得出草地各个月地上生物量的变化满足函数关系：

W(N，H)＝-0.0012N²+0.1519N+205.16-H[-0.00001(N/H)²+0.1947N/H+23.259]+

         N(-0.0000001N²/H²+0.001N/H-1.7595)

其中：W(N，H)为草地各个月地上生物量的变化函数；

      N为草地地上生物量；

      H为放牧率，即单位面积上的家畜数量，

③家畜的生产力优化模型

家畜的生物量与采食总量的大小成正相关，因此采食总量的大小决定了家畜生产量的大小，可用采食总量的大小作为家畜生产量的一个标志，经研究实验得出动物的采食总量满足下述方程：

T(N，H)＝H[-0.00001(N/H)²+0.1947N/H+23.259]

其中：T(N，H)为动物的采食总量方程；

      N为草地地上生物量；

      H为放牧率，

当某一月份地上生物量确定时，家畜的采食总量受放牧强度的影响，不同的放牧强度影响采食速率，同时也影响采食总量，只有当dT/dH＝0时，家畜的采食总量为最大值，这时所计算得出的放牧率能使得函数W(N，H)取得最大值，即放牧管理者所期望的放牧强度；

(2)数据测定方法

在草地检测中需要测定的指标只有地上生物量N，当N为定值时，且dT/dH＝0，即d(N，H)/dH＝0中只有H一个变量，所以很容易求出放牧率H的数值；

具体方式是在可利用草地中选取具有代表性的草地1～2hm²，每月在放牧前用小样方框随机取样若干个，样方内植物齐地刈割，称量每个样方框内的鲜重质量，然后烘干至恒重，称量干物质质量，得出每月放牧前草地生物量N，然后将N代入dT/dH＝0公式中，进尔求出最适放牧率H值。

4、按权利要求3以动态载畜量为指标的测定草地最适放牧率的方法，其特征是：随机取样小样方框个数为30个，面积一般为0.25×0.25m²。