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第 16卷 第 6期
1 9 9 6年 1 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLGG TCA SINICA
7 {
Vot．16，No 6
Dec．， 1 996
高寒草甸放牧生态系统夏秋草场
轮牧制度的模拟研究
黄大明
(清华大学生物科学与技术系 北京，100084) 8}
摘要 利用 GMAME 1模拟高寒草旬放牧生态系统夏秋草场在临界放牧 压力下的 270种轮牧制度，并对
其累积采食量进行比较分析 结果指出；在高寒草旬放牧生态系统中．最佳的轮牧小区数 目为 3或 4十。
证明了Morley规则 ：最佳轮牧小区数目应该小于 l0 推荐 2十高寒草旬地区最佳的轮牧模式供野外实验
和放牧规划参考：(1)3十轮牧小区，每小区每次持续放牧 2g d，放牧压力为 30 14 kJ／mz·d 累积牧草
采食量最高为4250．443 kj／m (2)为保持牧草结构的稳定和各轮牧小区牧草生物量的均匀性 可 采用
3个轮牧小区，放牧持续时间 7 d，放牧压力 ⋯ =28．8914 kJ／m d，累积采食量为 4073．34 kJ／rn~
关键词：。 高寒草甸
： 蝴
l‘ A SIM UL
轮牧 度．放牧压力，放牧持续时间 轮牧小区
— 叫 n ．
AT10N ANALYSIS 0N R0TAT10N GRAZING
SYSTEM 0F SUM M ER—AUTUM N PASTURE IN
AlN ALPINE M EAD0W EC0SYSTEM
Huang Darning
(／~partmem 。f Biological~ rence5 arm Bi~ fmoIogy，TslnghauU m 、Beijing 100084．Chl,ut
Abstract An expert system ，Grazing M anager of Alpine Meadow Ecosystem 1 (GM AM E
1)，has been structured to facilitate stochastic evaluations of rotation grazing system on alDine
meadow pastures，Qinghai Province，China A model grazing on summer—autumn meadow
(from 1 June to 30 October)was originated to provide a practical method for estimating the eL
fects of grazing frequency，grazing duration and grazing pressure on GM AM E 1． The model
provides 31 different attributes for characterizing the performance of grazing system
． Analy
s_s of 270 simulated rotation grazing systems provided an inference base to support two rec0rr
mendations coneering the management variables， The recommendations are a8 followes：First，
a three—field system，a twenty—nine—day grazing duration and 30．14 kJ／m ·d grazing pres—
sure，The system has the highest aceummulated intake，4250，44 kJ／m ，Second，a three—field
system，a seven—day grazing duration．28 89 kJ／m ·d grazing pressure and accummulated
收犒日期：1994—08—3O，修改稿收到 日期：1998一c4—08。
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生 态 学 报
intake，4073．34 kJ／m ．It is benefichl tO stabilizing grass structure and evening grass biomass
in every field．
Key words： alpine meadow grazing ecosystem t rotation grazing system ，grazing pres
sure t grazing duration，rotation grazing field．
轮牧制度的选择一直是高寒畜牧业夏秋草场管理中无法 圆满解决的一道难题 。由于草
甸植物种类的多样性和地上生物量的不均匀性，使轮牧制度的野外试验研究很难获得统一
而准确的结果 ，且耗资巨大 。因此 ，通过实验观测 ，进行模拟研究，已经成为本领域中最有
效的方法之一。Smith等人 和 Tharel等人0一曾编制一个管理多年生牧草的专家系统，对 2
和 4个轮牧小区，放牧持续时间分别为 3．6，9和 12 d，放牧压力分别为 28，56，84，112
和 140 kg／hm。·d的轮牧制度进行模拟。结果表明：在美国 Arkansas的 Boonevile，4个轮
牧小区，放牧持续时间 9 d，放牧压力为 84 kg／hm ·d的放牧制度，其累积牧草收获量最
大 。由于这一系统运算量非常庞大，对 8o种轮牧制度进行枚举已非易事。本项工作的早期
研究中，利用野外实验观测数据- ，建立高寒草甸放牧生 态系统能量动态的分室模 型，
并编制成专家系统，GMAME 1。本研究采用GMAME 1，模拟临界放牧压力下的 270种轮
牧制度，并对其累积采食量进行此较分析。
1 GMAME 1中放牧部分的模拟模型
GMAME 1中高寒草甸放牧生态系统的能量流分室部分示于图 1。其中能量源和能量
库用旗表示 ，能量暂时积累的分室用矩形表示 ，直接的能量流用带箭头的实线表示 ，环境
和人为因素的影响用带箭头的点线表示。点线箭头所指 的蝴蝶结表示调整能量流动的阀
门 本项研究涉及 6个状态变量：J是用单位面积 日采食量表示的放牧压力 ，J ，J 和 Js分
别表示对 ， 和 每日的采食量，单位为 kJ／m ·d，地上生活部分， ，地下活根，
， 地下死根， ，地上枯枝落叶 J(易分解部分)，V ，地上枯枝落叶 I(不易分解部分)+
、 。 V 0=1+’2，3，4．5)的单位为 kJ／m 。6个联立微分方程表示如下
dV ／出 = Q0+ f V。一 (， + f ) l— I
dV2／出 一 f 2V 一 ( + f￡3+ f。9) 2
dV3，d 一 aV2一 fⅢV
dV ／出 = f f V 一 V — I
dV5／出 一 f1 5 4 V 一 fⅢVs— I5
dl／dt= I + II+ I5
l，一 ，d
(1)
(2)
(3)
●
(4)
(5)
这里 是从 f分室到 分室的能量流速率，一般是温度 丁 的函数。而温度又是时间 t的
函数，表示为
TM = 1．11013十 0．153234t一 6．5 979× 10 t"-4．004× 10~1 3t 一 7．9187× 1O~l Gt
其中丁Ⅳ 为 1 981～1 985年的平均气温(℃)变化。草甸上太阳辐射强度用一个正弦函数表
示
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Q。：171 65．88+4605．48{sin[2~r(t+32)／365]
t为天数，从 4月 21日(t-1)起计算，Q。的最大值与最小值分别为 21771．36和 0．4
kJ／m d。，c 作为草甸植物对太阳辐射能量的转化效率，表示为
，1 一 95[1 1／(0．1O1 9LV + I]A／(0．2388A + 1)
其中 为太阳能利用效率，L为单位生物量的叶面积指数，表示为
A= 0．035+ 0．035 sin[Zz(t+ 32)／365])
L- 3．238× 10 + 2 768× 10一 t+ 8．46× IO t 3．11X 10 ： t‘--1．51 9× 10一”t
其它有关初级生产的速率变量和参数以及本模型的验证请参阅0一。采用四阶Runge—Kut
ta法求解方程组的数值解，其初始值 为：t一42d，V 一91 6．285，V =25534．238，V 一
8128．224，V 1 5．266，V =271．382。牧草的热值为：lg-17．74 kJ(干物质) ，t的步长
为 1。计算每一种轮牧制度时，J 的起始值为 1，以步长 0．01增长 ；1 的起始值为 0．1，，s
图 1 高寒草甸放牧生态系统的能量流
Fig 1 Energy flow 。 alpine meadow pastorld㈣ vstem
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生 态 学 报 16卷
一 214／3，以步长 0．O1增长 ．， 与 ， 分别变化 模拟计算每 日的草甸能量动态，同时给出
日采食量、地上生活部分、地下活根、地下死根、地上枯枝落叶⋯⋯等 31项特征指标。每
一 轮牧制度0=42 182)计算完，与前 一轮 比较 ，若 一．>_， ，即在数据库中将 J 的资料
删除存八 J 的资料。随着 ，的不断增长，当出现缺草日时( 一0或 V 一0)．即停止本轮
牧制度的运算 ，并将前一个轮牧制度的放牧压力作为临界放牧压力 ，再计算下一轮牧制
度。
2 变量与模拟实验设计
GMAME 1的轮牧部分t有 3个可被管理 者使用的变量。第 1个是轮牧小区数目，就
是一块草甸分成多少个轮牧小区．本项工作分为2．3，⋯-一，10个，共g稀轮牧小区设置。
第 2个是放牧持续时间，就是在每个小区中连续放牧的天数。例如 ．一块草甸围成 2个小
区，放牧持续时间为 10 dt就是在第 1个小区中连续放牧 lO d，再转到第 2个小区中连续
放牧 10 d，然后再转到第 1个小区中放牧 10 d，⋯⋯。本研究中．放牧持续时间分为1，2，
图 2 临界放牧压力下 270种轮牧制度的累积采食量
Fig 2 The accumulated iatakes of 270 rotation giazing~ys／ems under cri~ica[grazing pressure
。
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⋯ ⋯
， 30 d，共 30种放牧持续时间设置 第3个是临界放牧压力，是在一定轮牧小区数目．
一 定轮牧周期 F的临界放牧压力 在此临界放牧压力下，不是累积牧草收获量最大 ．而是
刚好在轮牧过程中没有缺草天数和放牧压力 ．超过此放牧压力，应会在轮牧过程成中出现
缺草 日(y 一0，V 一0)。每年的轮牧季节从 6月 1目开始 ，于 lo月 30日结束，模拟运算每
天系统各分室的能量动态
3 结果与讨论
临界放牧压力下 ．轮牧小区、放牧持续时间与累积采食量的关系由图 2表明
3．1 在常放牧压力下，绵羊采食地上生物量( + +V )，且无缺草天数的最大放牧压
力 I i25．56 kJ／m d，其累积采食量为 J 一3579．04 kJ／m 。与之相比，所研究的
270种轮牧制度中，有 235种轮牧 制度的累积采食量低于 3 79．04 kJ．／m ，有 35种高于
3579．04 kJ／m ，其中有 3种高于 4000 kJ／m ，分别是 3个轮牧小区，放牧持续时间 7 d；3
个轮牧小区，放牧持续时间 29 d；4个轮牧小区，放牧持续时间 14 d。具有最大累积采食量
的轮牧制度是 ：3个轮牧小区，放牧持续时间 29 d；放牧压力为 I 一i 30．14 kJ／m ·d，累
积采食量为J j i4250．44 kJ／m 。总之，正确轮牧制度的累积采食量高于不轮牧 ，不正确
轮牧制度的累积采食量低于不轮牧。在无缺草 日的条件下，正确轮牧制度比不轮牧能更有
效地利用牧草，因此 ，选择正确的轮牧制度十分重要。
3．2 Morley 曾利用一个牧草生长的数学模型，用计算机处理来 比较一轮牧制度中轮牧
小区数 目的变化。他发现了最适数 目少于 l0的 Morley规则，并认为：轮牧的最适间隔长
度和放牧持续时间的最适长度不必规定。本研究表明：矮嵩草草甸最适轮牧小区数 目为 3
或 4 符合 Morley规则 ，但放牧持续时间是确定的
3．3 一般认为连续放牧是不利的，有少数植物可能被完全采除，改变牧草的组成 ，如果牧
草大部分被采食 ，牧草的复原就需要很长的间歇时间。为保持牧草结构的稳定和各轮牧小
区牧草生物量的均匀性 ，可以采用另一种轮牧制度 ：3个轮牧小区．放牧持续时间 7 d，放
牧压力 I 一28．8914 kJ／m ．¨d．累积采食量为 J⋯|1—4073．34 kJ／m 。
3．4 模拟轮牧实验的结果可用于高寒草甸地 区轮牧实验的设置 ，将放牧压力，轮牧制度，
放牧持续时间设置在所推荐的 2个轮牧制度附近。发展一个研究放牧管理 的野外实验系
统，对有效地研究高寒草甸放牧生态系统中的轮牧问题具有重要意义。 ’
参 考 文 献
1 Smith E M et A simMat~n model for managing perennial gr0~s pastures．Part I—— Structure of the model山
c cⅣHf SvⅡ⋯ t985．17 181～ 1q6
2 Tharel L _Ⅵ． Ⅱ ．A simuIatlon model for managing perenn~1日rasS pastures．Part — — A simulated systems analysis of
grazing management．AgrlcMtura]Syswms-1 985．17：1 81～ 196
3 黄太明，王祖 望等．高寒草甸地 区家庭牧场能量流与价值流的研究．高寒草旬生志系统 1 99o，3：381~402
4 黄太 明．趣松岭．矮嵩草草旬能量动态的分室模型研究 生态学报，1992，12(2)：119～124
5 黄大明 高寒草甸放牧生态系统的舒室模型．厦门大学学报t自嚣科学版) 1 3，32‘6)：?68～772
6 黄大明 高寒草甸生志系统中轮牧宴验的系统分析．厦门太学学报 (自然科学版) 1 994，33(2)：259～264
Moray F H W A model for rotation grazirtg研n眦 Au~ralian j⋯ nl。f E{ nm 蹦¨ ARrlrulture aad A*dma[Iqu
andry M dbour*~e 19,38，8(1) 40- 45
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