王貴珍，花立民

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)-新西蘭梅西大學(xué)草地生物多樣性研究中心，甘肅 蘭州 730070)

牧場管理模型研究進展

王貴珍1,2，花立民1,2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)-新西蘭梅西大學(xué)草地生物多樣性研究中心，甘肅 蘭州 730070)

天然草地放牧場作為草地的利用終端之一，其管理水平?jīng)Q定著草地健康和牧場生產(chǎn)水平。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和生態(tài)學(xué)研究的定量化、微觀化，草地放牧系統(tǒng)模型的研究及其如何指導(dǎo)生產(chǎn)實踐已成為現(xiàn)代化草地畜牧業(yè)研究的重要方向。牧場管理模型作為草地放牧系統(tǒng)模型之一，是草地和家畜生產(chǎn)的決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，DSS)。它通過收集草地生長、家畜生產(chǎn)以及管理方式等數(shù)據(jù)，模擬不同生產(chǎn)管理方式的影響并用以指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。本文介紹了國內(nèi)外牧場管理模型的研究現(xiàn)狀，并對今后牧場管理模型的發(fā)展做出了進一步展望，以期為國內(nèi)牧場管理模型的研究與應(yīng)用提供參考。

牧場管理模型；草地；家畜；放牧系統(tǒng)

草原畜牧業(yè)是以天然草地資源為基礎(chǔ)，以放牧為主要利用方式的畜牧業(yè)[1]。草地家畜放牧系統(tǒng)(Grassland Livestock Grazing System)是草原畜牧業(yè)最主要的生產(chǎn)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，全面掌握不同放牧管理對草原植被結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力和家畜生產(chǎn)性能的影響，以及草-畜間的互作方式，是實現(xiàn)草原生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理的基礎(chǔ)[2]。草地放牧系統(tǒng)易受到經(jīng)濟、社會、自然等各種因素的影響，只有在最優(yōu)的放牧管理決策的導(dǎo)向下，對草地資源進行優(yōu)化配置，才能使草地的生態(tài)和經(jīng)濟效益均達到最佳[3-4]。

我國草地生態(tài)系統(tǒng)退化與小規(guī)模牧場粗放經(jīng)營具有直接關(guān)系[5]。要恢復(fù)草原健康，增加農(nóng)牧民收入，必須要有一個系統(tǒng)的理念來解決問題，因此對草地放牧家畜系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。牧場管理模型作為草地放牧系統(tǒng)模型之一，是草地和家畜生產(chǎn)的決策支持系統(tǒng)。它通過收集草地生長、家畜生產(chǎn)以及管理方式等定性和定量的數(shù)據(jù)，模擬牧場系統(tǒng)對各種管理決策的響應(yīng)，并預(yù)測其可行性，同時關(guān)注與牧戶切身利益相關(guān)的經(jīng)濟收益，對牧場的生產(chǎn)經(jīng)營模式做出準(zhǔn)確的經(jīng)濟分析，直觀明晰此種經(jīng)營方式下畜牧業(yè)經(jīng)營收支狀況。牧場管理模型還可以對有限的資源進行合理的配置，同時以可持續(xù)發(fā)展理念為前提，科學(xué)權(quán)衡經(jīng)濟發(fā)展、社會政治體制與草原生態(tài)健康的發(fā)展力度，充分顯現(xiàn)其在牧場管理方面的優(yōu)越性，科學(xué)指導(dǎo)牧場運營，切實提高牧民人均收入，實現(xiàn)草地資源生態(tài)、經(jīng)濟價值的可持續(xù)利用。

由于國外對牧場管理模型的研究較早，所以具有比較完整的畜牧業(yè)科研機構(gòu)、高質(zhì)量的科研隊伍和現(xiàn)代化科研設(shè)備、研究手段，如澳大利亞、美國、新西蘭等，且已成功研制出能夠應(yīng)用于實踐生產(chǎn)并帶來一定收益的牧場管理模型和特定家畜生產(chǎn)管理模型。而國內(nèi)此項研究才剛剛起步，基本僅停留在純理論的放牧優(yōu)化模式以及專家系統(tǒng)等科研層面，沒有開發(fā)出能夠應(yīng)用于實踐生產(chǎn)的機制模型。

近年來，隨著信息技術(shù)在草地放牧體系中的廣泛應(yīng)用[6]，更多業(yè)內(nèi)人士將目光集聚到草地放牧系統(tǒng)的決策支持系統(tǒng)(Decision Support System,DSS)的研究和應(yīng)用方面，放牧管理模擬模型在研究和應(yīng)用方面都取得了顯著的成就[7]。本文綜述了近年來國內(nèi)外草地綜合管理DSS、家畜管理系統(tǒng)的研究進展，并分析國內(nèi)與國外研究存在的差距,為國內(nèi)牧場管理模型的研究與應(yīng)用提供價值參考。

1 國外牧場管理決策支持模型

澳大利亞、加拿大、新西蘭、美國等畜牧業(yè)發(fā)達國家都研發(fā)了適合本國的牧場管理決策支持系統(tǒng)，從生產(chǎn)、管理到投入市場大量運用科技手段，基本做到了專業(yè)化、規(guī)?；?、企業(yè)化(表1、表2)。

1.1ACIAR模型(Australia Centre For International Agricultural Research) ACIAR模型由澳大利亞科學(xué)家研制，可在家庭牧場框架內(nèi)為畜牧業(yè)生產(chǎn)提供決策支持，具有強大的草地家畜管理功能和模擬數(shù)據(jù)分析功能，結(jié)合影響草地的各類因素(年際氣候、家畜-草地、土壤、人為管理、經(jīng)濟、政策等)，將收集到的數(shù)據(jù)建立真實的生產(chǎn)函數(shù)，分析牧場生產(chǎn)體系中不同組分間的互作機理。模型主要有5大部分組成：數(shù)據(jù)庫(Database)、可行性運行系統(tǒng)(Feasibility)、經(jīng)濟分析系統(tǒng)(Analysis)、決策測試系統(tǒng)(Policy Testing System)和結(jié)果輸出系統(tǒng)(Output)。數(shù)據(jù)庫主要收集牧場生產(chǎn)體系各項數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)信息；可行性運行系統(tǒng)主要用于分析草-畜平衡動態(tài)，監(jiān)測草地，是畜群優(yōu)化的重要系統(tǒng)；經(jīng)濟分析系統(tǒng)主要是對草地、家畜、牧場進行綜合經(jīng)濟核算的子程序，是支持決策系統(tǒng)的重要依據(jù)；決策測試系統(tǒng)主要影響草地家畜管理的各種決策的實施；結(jié)果輸出系統(tǒng)是整個決策實施后的各種評估指標(biāo)的數(shù)據(jù)化反映，便于整體了解放牧系統(tǒng)內(nèi)在運行及各種管理決策的優(yōu)劣。此模型可全面了解家庭牧場運營動態(tài)，提出最優(yōu)牧場管理決策，并進行總體規(guī)劃。運行后可評估牧戶的生產(chǎn)經(jīng)營，確定合理載畜率、家畜繁殖、補飼、市場出售等，并不斷進行參數(shù)矯正，為牧戶生產(chǎn)提供決策支持，使牧戶獲得較高經(jīng)濟效益的同時，實現(xiàn)草地的可持續(xù)性發(fā)展。該模型已在中國內(nèi)蒙古、甘肅部分地區(qū)進行參數(shù)矯正并試點運行[7-8]。

1.2草原生產(chǎn)和利用模擬模型(Simulation Production and Utilization of Rangeland，SPUR) SPUR是美國草地科學(xué)家開發(fā)的一個草地生態(tài)系統(tǒng)模擬模型，已在美國德克薩斯州試驗29年。該模型由7個基本子模塊組成：氣象記錄模塊記錄每日降水量、極值溫度、太陽輻射、風(fēng)速等；水文、土壤模塊管理日常的水分平衡，計算雪的積累、融化和沉降轉(zhuǎn)移，土壤組分是根據(jù)土壤特征和土壤碳、氮的含量分析土壤水分；植物模塊主要分析各種生理狀態(tài)下植物的碳氮流動狀況、牧草生長起始、營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移、光合作用、死亡等生理生態(tài)過程以及植物對水和氮的吸收利用，可潛在模擬植物種內(nèi)種間競爭；家畜模塊模擬家畜的采食、繁殖、體質(zhì)量增加或減少等。其中帶犢母牛和肉牛組分可模擬18個遺傳性狀對畜群個體生命周期的影響；野生動物和昆蟲模塊模擬牧草的選擇性采食(Remove)；管理模塊可模擬多種不同管理措施下的系統(tǒng)運行；經(jīng)濟模塊是用以成本效益分析的簡單應(yīng)用程序。SPUR模型模擬草原生態(tài)系統(tǒng)的功能，預(yù)測系統(tǒng)對各項參數(shù)的改變和多種管理方式的響應(yīng)，并在整個牧場尺度上評估不同的管理方式對環(huán)境和經(jīng)濟的影響。模型的產(chǎn)出包括降雨地表徑流、土壤流失、土壤有機質(zhì)含量、牧草生物量以及凈收益回報的估計等。校準(zhǔn)后的模型對相同生態(tài)區(qū)的牧場可以預(yù)測不同管理策略的相對優(yōu)點，指導(dǎo)實際生產(chǎn)[9-10]。

1.3GRASIM模型(Grazing Simulation Model) 該模型是以美國肯塔基肉牛模型為基礎(chǔ)開發(fā)的一個綜合的涵蓋放牧管理所有因素并可以模擬高強度輪牧管理的模型。模型包括4部分：牧草生長、水分平衡、土壤營養(yǎng)和收獲管理。牧草生長模塊模擬植物光合作用，頂芽的生長、呼吸和死亡，外部輸入(氣候、管理)影響碳素平衡，氮脅迫因子可對牧草生長模塊反饋控制；土壤營養(yǎng)模塊分為兩部分：一部分模擬土壤對水和氮的吸收，水的蒸發(fā)和氮的轉(zhuǎn)移，另一部分動態(tài)模擬植物對水和氮的利用，以及氮在土壤-水-植物系統(tǒng)之間的循環(huán)利用，水循環(huán)驅(qū)動養(yǎng)分的深層滲透損失；水分平衡模塊模擬每日降水地表徑流、蒸發(fā)和淋溶損失；收獲管理模塊是基于各種管理制度下對放牧強度的控制，包括草地牧草生物量的極值，輪牧和休牧?xí)r期。此模塊還可預(yù)測放牧率，從而使牧戶可以科學(xué)靈活的進行放牧利用。GRASIM以天為單位運行，通過監(jiān)測牧草生長率及生物量，牧草品質(zhì)、土壤的養(yǎng)分、淋溶等以便更好地掌控牧場系統(tǒng)，評估不同管理策略的經(jīng)濟、生態(tài)效應(yīng)，制定合理的放牧管理策略，促進整個牧場系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展[11-12]。

1.4牧草生長模型(GrassGro) 此模型是由澳大利亞科學(xué)家在該國降水豐富的溫帶草原地區(qū)進行大量試驗，通過數(shù)據(jù)分析模擬，構(gòu)建的具有通用性的強大管理功能的放牧決策模型。該模型以參數(shù)(日氣象數(shù)據(jù)、土壤類型、牧草種和牲畜品種、牲畜生產(chǎn))為基礎(chǔ)信息，全方位模擬牧草生長，預(yù)測采食干擾對牧草生長發(fā)育的影響。此模型結(jié)合家畜品種、生產(chǎn)能力、市場價格，制定具體的補飼量和飼草料生產(chǎn)計劃，驅(qū)動模擬草-畜互作的過程，在保證生態(tài)系統(tǒng)良性健康發(fā)展背景下尋求可產(chǎn)生最佳生產(chǎn)性能和經(jīng)濟效益的畜群結(jié)構(gòu)。目前，GrassGro以商業(yè)軟件形式提供給牧場主，幫助制定適合自身草地-動物生產(chǎn)的具體策略。GrassGro也作為牛羊肉企業(yè)的決策支持工具，為牧民和資源管理者進行風(fēng)險量化評估，做出風(fēng)險分析報告，從而實現(xiàn)資源的較低損耗和持續(xù)利用[13]。

表1 國外牧場管理模型一覽表Table 1 Major pasture Management Model of foreign countries

表2 國外特定家畜管理模型一覽表Table 2 Management model for special livestock in foreign countries

1.5奶牛-飼料系統(tǒng)模型(The Dairy Forage System Model，DAFOSYM) 該模型是由美國飼草研究中心與其它機構(gòu)合作開發(fā)的，可為奶牛養(yǎng)殖場管理策略進行科學(xué)評估。模型整合了作物生長、收獲、青貯、儲藏、家畜飼養(yǎng)、經(jīng)濟分析等，通過歷史氣象數(shù)據(jù)模擬飼草生長。收獲模塊包括刈割、田間養(yǎng)護、松耙、打草捆處理和貯藏等。模型可以評估飼草在不同的儲藏和調(diào)制方式對其營養(yǎng)價值的影響，動態(tài)模擬系統(tǒng)運營、牧草收獲、儲藏與家畜利用及飼草料品質(zhì)之間的關(guān)系。根據(jù)成本-收益評價系統(tǒng)做出相應(yīng)的管理策略。模型開發(fā)主要作為一種評價體系，如畜種選擇、草地面積、作物結(jié)構(gòu)、設(shè)備、勞力、倉儲設(shè)施、糞便的利用等，可對飼草-家畜生產(chǎn)成本進行比較，幫助牧場主獲取最有利用價值的信息和管理策略，達到最佳牧場凈回報或盈利能力[14-16]。

1.6Cowpacity模型(A Grazing Carrying Capacity GIS Model) 此模型是以GIS為平臺應(yīng)用數(shù)字高程(DEM)技術(shù)監(jiān)測載畜量的工具，通過對保護區(qū)放牧活動的準(zhǔn)確測算，從而實現(xiàn)保護野生動物棲息地、控制雜草、減少火災(zāi)隱患和草地健康利用的目的。模型由美國WRA公司按照其6個屬性已在舊金山灣區(qū)(Bay Area)嘗試應(yīng)用。模型輸入需大量GIS空間數(shù)據(jù)(放牧單位、灌木覆蓋度、土地生產(chǎn)力、有效水資源)驅(qū)動運行，應(yīng)用GIS對牧場灌叢覆蓋率、可利用牧草產(chǎn)量、水源及殘存牧草干物質(zhì)的具體分布匯總掌握，以量化最優(yōu)的放牧管理體制為基礎(chǔ)，通過對殘余干物質(zhì)(RDM)的監(jiān)測和具體的輪牧規(guī)劃來實現(xiàn)保護生物種類的目的。模型的簡約化程序確定其適應(yīng)性和靈活性，通過進一步校準(zhǔn)，為模型在其它地區(qū)的應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的生產(chǎn)值估計[17]。

1.7GrazeVision模型(A Versatile Grazing Decision Support Model) 該模型是由荷蘭科學(xué)家開發(fā)的一個通用決策支持模型?？赡M一個或多個管理措施同時實施后系統(tǒng)的響應(yīng)。此模型由以下模塊組成：尿斑衰變模型、糞斑衰變模型、牧草生長模型、牧草利用模型、動物生產(chǎn)模型。其中牧草生長模型估計每天牧草干物質(zhì)(DM)的積累量，包括CF、CP、CA、OM、IHM (Initial Herbage Mass)等，牧草損失(HL)受糞斑、尿斑、放牧、踩踏、死亡的影響。該模型運行需輸入4組參數(shù)：土水肥參數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)施氮量、土壤質(zhì)地、供水量)，牧場參數(shù)(牧場大小、放牧?xí)r間、放牧采食、載畜率)，家畜參數(shù)(家畜品種、家畜生產(chǎn)性能、牛奶產(chǎn)量)，補飼參數(shù)(補飼、飼喂水平)。輸出結(jié)果有殘余牧草生物量(RHM)、牧草利用率、牧草干物質(zhì)采食、牛奶產(chǎn)量等。該模型以12 h為單位，可迅速模擬牧場大小、放牧停留時間、刈割、玉米青貯料供應(yīng)以及多個管理措施改變對牧場的影響，還可通過一系列的管理措施(輪牧制度、施氮肥、青貯、補飼、載畜率、網(wǎng)圍欄等)模擬飼草與家畜需求之間的平衡。模型模擬與牧場實測相銜接，不斷修正模型的精確度。GrazeVision模型為放牧管理系統(tǒng)未來的發(fā)展提供可供參考的框架體系[18-19]。

1.8IMAGES 2.1(An Integrated Model of an Arid Grazing System) 該模型是在西澳大利亞灌木牧場評估管理策略和確定關(guān)鍵生態(tài)過程研究時建立的專用于干旱放牧系統(tǒng)的綜合決策系統(tǒng)。在西澳大利亞5大牧場人工收集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上確定模型參數(shù)。主程序控制模型的輸入、輸出，協(xié)調(diào)各子程序間運行。運行所需參數(shù)有4部分：1)牧場季節(jié)條件，土壤水分，植物種休眠，生長，死亡；2)氣候(降雨和溫度)，物種組成，多年生物種生態(tài)特征，系統(tǒng)承載能力(最高生物量)；3)重要生態(tài)關(guān)系公式；4)功能擴充數(shù)據(jù)。生長子程序包括一年生和多年生牧草的生長，其中可利用牧草生物量的計算包括立枯體；損失子程序包括牧草因家畜采食、枯黃凋落、踩踏損失等造成的生物量損失等；種群子程序包括牧草的發(fā)芽、生長、死亡等一系列的生理過程和植物群落間的相關(guān)異質(zhì)性，在數(shù)學(xué)公式中輸入真值或概率分布值驅(qū)動系統(tǒng)運行，同時模擬不同氣候條件下的牧草產(chǎn)量，草地群落動態(tài)及生態(tài)常量的具體變化等。模型輸出3個文件：1)RBIMO.DAT模擬飼草生物量；2)RPOPN.DAT模擬多年生牧草種群動態(tài)機制；3)RECOL.DAT包含導(dǎo)出的模擬參數(shù)。每個子程序的不斷更新方便使用者靈活使用真實的NWP(Number of Wet Pentads)或NWP的概率分布值作為模型運行前的輸入值[20]。

1.9GrazFeed DSS 該模型是澳大利亞CSIRO開發(fā)的基于Windows TM操作系統(tǒng)簡易的計算機程序決策支持系統(tǒng)。GrazFeed在澳大利亞溫帶被認為是放牧牲畜營養(yǎng)研究的標(biāo)桿，GrazFeed通過更有效地利用牧草資源和科學(xué)補飼方式，幫助牧民提高畜牧業(yè)生產(chǎn)的盈利能力，并提供了一個簡單的方法，即根據(jù)澳大利亞的飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)來計算放牧牛羊的能量和蛋白質(zhì)需求。此模型能夠根據(jù)復(fù)雜的飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)快速解決補飼問題[21-22]。

1.10SimSAGS 此模型是模擬半干旱放牧系統(tǒng)的決策支持工具?？筛鶕?jù)逐日降水資料計算植被生長和植物有效水利用，建立土壤水分平衡機制，研究家畜對牧草的選擇性攝入影響其能量和蛋白質(zhì)的平衡,機體生長發(fā)育、繁殖和死亡等。系統(tǒng)通過耦合家畜-牧草生產(chǎn)動態(tài)，模擬家畜種群動態(tài)機制。SimSAGS建模軟件開發(fā)作為數(shù)學(xué)關(guān)系在稀樹草原動態(tài)研究和動物生理學(xué)及普通生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用。作為一個標(biāo)準(zhǔn)的決策模擬工具，模型提供了長期平均生態(tài)承載力和年平均降雨量之間的合理的預(yù)測關(guān)系。模型輸入包括草地類型、面積、降雨等強大的用戶自定義數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，輸出結(jié)果可繪制成圖形文件進行分析。SimSAGS設(shè)有模型參數(shù)的搜索機制，并在不同地點自動保存矯正過的模型參數(shù)，GIS在資源管理方面的應(yīng)用可全面輔助用戶獲取更多可利用信息(網(wǎng)站、文獻檔案)，從而合理、精細、有效的匹配資源利用，此模型可定性、定量的指導(dǎo)系統(tǒng)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)草地放牧系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)[23]。

1.11KMETIJA模型 該模型是一種開放的、易于補充的高度靈活的經(jīng)濟決策系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)管理、模擬決策、經(jīng)濟分析、結(jié)果輸出4部分組成，模型結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)銀行、模擬核心、經(jīng)濟核算。數(shù)據(jù)銀行有3部分組成：系統(tǒng)數(shù)據(jù)、牧場數(shù)據(jù)和生產(chǎn)模型。由數(shù)據(jù)管理程序管理各數(shù)據(jù)庫內(nèi)部運作關(guān)系；模擬核心由兩個子模型來模擬植物和動物生產(chǎn)，植物生產(chǎn)中模擬市場和飼料作物的生產(chǎn)，動物生產(chǎn)模塊中模擬乳品生產(chǎn)、良種繁育、家畜育肥，模擬獲得的信息進一步用于財務(wù)計算和制定詳盡的生產(chǎn)計劃；經(jīng)濟核算可計算總盈利狀況、月資金收支、投資決策等。此模型可對牧場管理中由于生產(chǎn)、環(huán)境、社會因素的改變而產(chǎn)生的變化做出及時規(guī)劃和評估。其優(yōu)點是模擬核心開放的系統(tǒng)架構(gòu)，具有良好的發(fā)展?jié)摿21]。

1.12Ceser DSS 該模型是在蘇格蘭的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用實施的基于PC平臺的交互式專家決策支持系統(tǒng)。作為決策輔助工具在農(nóng)場或農(nóng)業(yè)區(qū)進行反復(fù)校正，通過數(shù)學(xué)模型和評估標(biāo)準(zhǔn)(土壤侵蝕和沉降、土壤養(yǎng)分和污染、氨排放等)優(yōu)化管理決策，旨在減少食品中的放射性銫和放射性鍶，確保食品的污染程度不超過設(shè)定的限制水平，保護人類的健康。同時慎審輻射及決策對環(huán)境、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟的潛在影響。其中ES組分指導(dǎo)使用者在大范圍的牧場管理尺度上設(shè)計出適合特殊地區(qū)和管理方式下的措施，DSS組分允許決策者使用多決策(MCDM)方法，也稱為理想點分析，采用用戶指定的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重分析，排名并優(yōu)化對策。此外還可以讓牧戶、農(nóng)業(yè)顧問及政府代表共同商討詳細的經(jīng)濟分析做出最終對策[22]。

2 國外奶牛牧場管理軟件

2.1Cow-Calf Production模型 此模型是由美國蒙大拿州立大學(xué)研發(fā)的具有很好兼容性能的小型肉牛生產(chǎn)計算機模型。該模型目的是模擬肉牛的基因、生理狀態(tài)、飼料質(zhì)量、草地管理范圍之間的動態(tài)交互關(guān)系。并通過飼料的攝入量(能量、蛋白質(zhì))，家畜生長，繁殖，哺乳，身體組成機能模擬動物個體完整的生命周期。模型模擬肉?；蛐汀暡萜焚|(zhì)、生理狀態(tài)之間動態(tài)關(guān)聯(lián)。并試圖使用計算機程序預(yù)測動物生產(chǎn)性能，還可準(zhǔn)確預(yù)測不同生理狀態(tài)和季節(jié)條件下家畜的采食量，模擬短期性改變飼料結(jié)構(gòu)后家畜的生理反應(yīng)。該模型的主要用途包括系統(tǒng)對肉牛生產(chǎn)、繁殖、銷售及飼料的科學(xué)管理，以提高肉牛生產(chǎn)、營銷策略。此模型還不斷嘗試將科研成果整合成可以實踐操作的技術(shù)，并帶來豐厚的收益[24-26]。

2.2COWEL模型 此模型是一個以計算機為基礎(chǔ)的決策支持系統(tǒng)。旨在動物福利(Animal Welfare)，為動物提供保持健康和精力所需要的食物，提供舒適的棲息場所，做好防疫，及時診治患病動物，擁有良好的條件和處置(包括宰殺過程)、足夠的空間及適當(dāng)?shù)脑O(shè)施，且具有與同伴在一起，自由表達正常的習(xí)性等條件。模型設(shè)置不同畜舍和管理條件等高低層次，根據(jù)這些劃分層次給動物福利等級排名，使用加權(quán)分類技術(shù)分析各種動物基礎(chǔ)參數(shù)對動物福利的影響程度，計算每個屬性(畜舍、管理條件)的權(quán)重因子對動物福利的重要性。模型適用于4種飼養(yǎng)體系：拴系圍欄圈舍、小型圈舍、放牧與舍飼場、放牧場。COWEL可在福利水平上對各種飼養(yǎng)體系進行排名，模型是為奶牛飼養(yǎng)而開發(fā)的新工具，是友好的可持續(xù)的福利評價系統(tǒng)[27-29]。

2.3SEPATOU模型 該模型是法國開發(fā)的牧場尺度上對奶牛場輪牧管理的離散生物機制模型。旨在保證草地資源與集約輪牧之間的供需協(xié)調(diào)，可以動態(tài)模擬每日牧草產(chǎn)量-家畜采食兩種交互系統(tǒng)以及生物物理條件對牧草產(chǎn)量、家畜消耗、牛奶產(chǎn)量的影響。氣象數(shù)據(jù)(日均溫、日降水量、日平均太陽輻射等)和管理數(shù)據(jù)模擬牧戶的決策對牧場系統(tǒng)的影響，科學(xué)管理牧草生產(chǎn)、奶牛采食、輪牧方式、施肥、生產(chǎn)動態(tài)、家畜日糧搭配、刈割、施肥和青貯等，并逐年記錄，方便分析和制定具體、可行的牧場管理措施。SEPATOU具有一個靈活的操作環(huán)境，此模型可以模擬和評估乳品生產(chǎn)體系的管理策略，不斷將奶牛生產(chǎn)管理推向數(shù)字化、信息化的發(fā)展新平臺[30-31]。

2.4乳制品擴展決策支持系統(tǒng)(The Dairy Expansion Decision Support System) 此模型是奶牛生產(chǎn)系統(tǒng)中以計算機模型為基礎(chǔ)的決策支持系統(tǒng)。在計算機和高等數(shù)學(xué)輔助作用下科學(xué)管理畜群結(jié)構(gòu)，降低飼養(yǎng)成本，改善奶牛養(yǎng)殖場的環(huán)境條件。此模型旨在模擬奶牛場的生產(chǎn)和乳品加工銷售，積極管理奶牛場的各種預(yù)知風(fēng)險。該模型預(yù)測母牛生產(chǎn)運動、奶牛生產(chǎn)、采食、勞力需求及月資金收支等，模型研究和推廣涉及多學(xué)科和參與式的方法，全面管理牧場設(shè)施建設(shè)及奶牛生產(chǎn)、銷售，旨在幫助奶牛養(yǎng)殖場以提高經(jīng)濟效益為最高目的性[32]。

2.5PC·Dairy模型 該模型是由計算機程序制定、分析奶?？诩Z的決策系統(tǒng)。系統(tǒng)增加放牧模塊，計算奶牛日采食量。該模塊由3部分組成，即輸入、計算和輸出。在輸入部分，用戶輸入牧場(類型、面積、質(zhì)量、生物量)，家畜(畜群大小、放牧季節(jié)、畜群結(jié)構(gòu))，補飼量(精料和飼料添加劑)及氣象數(shù)據(jù)，然后該程序可計算并調(diào)整牧場最大的牧草干物質(zhì)攝入量(kg·d-1)、牧場放牧類型、草f 質(zhì)量、載畜量等，該程序會把計算出的最大放牧的牧草干物質(zhì)采食量，用于飼料中的PC乳品程序列表添加的最大值或最小值[33-34]。

2.6Grazemore模型 該模型是北愛爾蘭農(nóng)業(yè)研究所開發(fā)的奶牛放牧管理軟件。系統(tǒng)基于實測和模擬的數(shù)據(jù)進行跟蹤模擬輪牧區(qū)牧草生長發(fā)育、家畜采食、可利用及損失的牧草產(chǎn)量、畜群的產(chǎn)奶量、繁殖率等。此模型能夠有效管理牧場資源，增強管理者經(jīng)營和利用草地的自信度。由于牧草生長受氣候和管理的影響，故從奶牛數(shù)量、體況、懷孕、斷乳、補飼、管理方式等多方面考慮奶牛營養(yǎng)攝入狀況。其中牧草生長模型和動物采食模型可實際模擬運用。Grazemore軟件適合于牧場所有管理類型，目前正在歐盟國家進行校正[35-36]。

2.7DairyMGT奶牛場管理模型 該模型是一套奶牛養(yǎng)殖的高度動態(tài)和綜合性生產(chǎn)系統(tǒng)，目的是幫助奶農(nóng)或牧場顧問做出應(yīng)急各種問題的積極決策。由于奶牛場各因子(家畜、飼草料、土壤、天氣、管理、經(jīng)濟)是彼此緊密關(guān)聯(lián)且相互影響的，因此充分考慮各因子對牧場體系的相關(guān)影響是十分必要的。此模型包括6個部分：家畜營養(yǎng)和補飼、家畜繁殖效率、小母牛的管理和母牛的繁殖、生產(chǎn)和生產(chǎn)率、經(jīng)濟風(fēng)險評估和外部環(huán)境管理。用多個線性和非線性的數(shù)學(xué)矩陣方程式優(yōu)化決策，做出可行的經(jīng)濟預(yù)算，還可鏈接外部模擬模型(作物生產(chǎn)模型等)和軟件進行更復(fù)雜的集成和開發(fā)，使模型具有更高的應(yīng)用價值和全方位模擬能力，同時也從反饋意見中不斷得到改進[37-38]。

2.8其它模型介紹 Grazplan模型是為牧場管理者快速獲知新信息和技術(shù)，并指導(dǎo)生產(chǎn)實踐為目的而研制的，模型通過分析當(dāng)?shù)氐臍庀蠹澳翀龉芾頂?shù)據(jù)，評估優(yōu)化的管理決策與牧場盈利能力和可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系[39-40]。DairyWIN是由新西蘭Massey大學(xué)EpiCentre中心開發(fā)在Windows環(huán)境下運行，為奶牛場主、獸醫(yī)和牧場咨詢師服務(wù)的奶牛場管理軟件包。此軟件可對畜群逐日管理，對畜群的行為活動進行綜合監(jiān)測并作必要分析[41-42]。P·turIN是基于牧場尺度的并具有兩大功能模塊(牧草生長模塊和動物采食模塊)的奶牛放牧管理軟件，牧場主可以根據(jù)實際的模擬結(jié)果對各管理措施不斷優(yōu)化[43]。Artturi是芬蘭的奶牛生產(chǎn)模型。該模型可以確定牧草適時收獲期，保證牧草的品質(zhì)和質(zhì)量，并合理搭配奶牛營養(yǎng)需求，在營養(yǎng)水平上管理奶牛生產(chǎn)[44]。還有以色列KIbbutz Afikim公司研制的阿菲金智能牧場管理系統(tǒng)(AfiFarmWebsite，2007)，Delaval公司開發(fā)的Alpro牛群自動管理系統(tǒng)等(Delaval Website，2007)。這些軟件在國內(nèi)一些奶牛養(yǎng)殖場和牧場都有良好的應(yīng)用，并獲得了一定的經(jīng)濟產(chǎn)值[45-47]。

3 國外綿羊生產(chǎn)管理模型或軟件

3.1Sheep Version 4.0 此軟件是澳大利亞農(nóng)業(yè)研究所為維多利亞州地區(qū)開發(fā)的應(yīng)用數(shù)學(xué)關(guān)系模擬不同氣候條件下牧草和綿羊生產(chǎn)的DSS管理軟件。而Sheep Version 3.0版本是適合于南部澳大利亞草地冬季降水環(huán)境下模擬試驗的版本。為了拓展適用性，繼而開發(fā)了水平衡模型、莖葉死亡模型和消化模型，更精確地分析目前管理策略的優(yōu)劣，該軟件已在羊毛生產(chǎn)及不同放牧率對牧草生長和羊毛的影響進行了模擬、驗證，并取得一定的成效[48]。

3.2SummerPack模型 該模型是西澳大利亞農(nóng)業(yè)部綿羊和羊毛分部開發(fā)的用于綿羊放牧干草場、留茬地管理的交互式模擬軟件。主要用于地中海氣候區(qū)的夏秋季綿羊管理，所需參數(shù)包括初始牧草干物質(zhì)量、牧草可消化性、綿羊品種、初始活體質(zhì)量等信息，模型可跟蹤預(yù)測綿羊活體質(zhì)量、可消化干物質(zhì)的采食量、牧草可消化率、自然遞減率、維持體況的飼料需求等，該模型已經(jīng)用放牧率實驗進行實踐驗證，并幫助研究者制定最優(yōu)放牧方案。SummerPack軟件主要適用于研究者、咨詢者和農(nóng)場主等，但其缺陷是不能模擬牧草生長[49]。Lambalive 模型是用來提前預(yù)測惡劣天氣條件下成群羔羊死亡的風(fēng)險，盡量減少死亡損失[50-51]。

3.3小反芻動物決策支持系統(tǒng)(SRDSS) 該模型的開發(fā)是為了提高埃及北沿海區(qū)的干旱條件下羊群的生產(chǎn)力?？涩F(xiàn)場收集數(shù)據(jù)描述小反芻動物的生產(chǎn)系統(tǒng)，不斷降低生物和經(jīng)濟潛力制約因子的影響。SRDSS包括4個模塊：羊群建立模塊可輸入羊舍、設(shè)施、勞力、畜群結(jié)構(gòu)、畜種選育、飼養(yǎng)管理等；管理模塊動態(tài)管理羊群交配、懷孕、分娩、羔羊哺乳和斷奶；飼喂模塊以獲得最佳的日糧配方，提高其營養(yǎng)價值和探索飼料資源的最佳利用方式為目的而設(shè)置；生產(chǎn)和銷售模塊管理羊群生產(chǎn)、銷售，并在生態(tài)和經(jīng)濟層面上進行評估，以提高生產(chǎn)效率和盈利能力，幫助牧戶建立最佳的畜群結(jié)構(gòu)。模型作為降水干旱區(qū)有利的推廣工具，目的是提高羊群的生產(chǎn)能力和盈利能力[52]。

4 國內(nèi)牧場管理模型研究現(xiàn)狀

嚴(yán)格意義來講，我國目前尚無專業(yè)化的牧場管理模型。但是，我國科學(xué)工作者從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，按照草地家畜放牧系統(tǒng)的理念，從大尺度的植被遙感應(yīng)用，到小尺度的家畜放牧管理等方面也開發(fā)出了各種不同的模型。為有效提高草原生態(tài)建設(shè)工程效率，促進資源管理的科學(xué)化、信息化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

4.1草地植被遙感監(jiān)測模型研究 20世紀(jì)80年代中期，李博[53]研究并建立了草地生態(tài)統(tǒng)計模型，并著有《中國北方草地畜牧業(yè)動態(tài)監(jiān)測研究(一)——草地畜牧業(yè)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與區(qū)域?qū)嶒瀸嵺`》一書。一些學(xué)者[54-59]設(shè)計出了動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)庫以及利用遙感的模型，研究重點旨在通過遙感技術(shù)來反映草地牧草生物量及產(chǎn)草量；吳全等[60]以GIS為核心，建立中國西北部草地資源信息系統(tǒng)。劉海亮[61]對烏珠穆沁草原的生態(tài)狀況進行動態(tài)監(jiān)測，資源環(huán)境管理信息化。

4.2放牧管理模式研究 李自珍等[4]以甘肅甘南青藏高原高寒草地放牧體系為研究對象，設(shè)計出放牧管理的最優(yōu)控制模式，并根據(jù)實測結(jié)果進行實例計算及生態(tài)效益的分析，在此基礎(chǔ)上提出了可持續(xù)發(fā)展的對策。白瑋杰[62]對于荒漠草原家庭牧場優(yōu)化管理模式研究中，采用模擬和試驗研究相結(jié)合的方法，探討管理模式對于改變荒漠草原區(qū)家庭牧場家畜生產(chǎn)性能及家庭收入的影響。李文龍等[63]通過研究不同的放牧強度對草地生物多樣性和生產(chǎn)力的影響，確定了放牧管理的最優(yōu)牧草資源種群水平和最優(yōu)控制量，提出草地放牧管理模式的控制對策，為高寒草地保護和持續(xù)利用提供了優(yōu)化模式和定量依據(jù)。這些研究通過改變放牧強度、優(yōu)化放牧方式來實現(xiàn)草地植被結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定和生產(chǎn)力的不斷提高，可為我國草地放牧體系優(yōu)化研究提供很好的借鑒經(jīng)驗。

4.3線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型研究 應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃法、層次分析法、灰色預(yù)測法和模糊優(yōu)化法等方法建立概念模型，如楊金波和劉德福[64]運用線性規(guī)劃模型，將烏拉蓋牧場的畜種和畜群結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化和量化，形成了以產(chǎn)肉為最終目標(biāo)的最佳畜種畜群結(jié)構(gòu)模式，多杰龍智等[65]利用線性規(guī)劃建立數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)以草定畜，草畜平衡及三江源生態(tài)環(huán)境保護和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展作為最終目標(biāo)。

4.4國內(nèi)奶牛管理軟件 國內(nèi)奶牛管理軟件起步較晚，但近幾年，出現(xiàn)多種研發(fā)的軟件，如上海益民科技有限公司開發(fā)的“奶業(yè)之星”系列軟件包[45]；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所熊本海等[66]研究采用Visual Basic 6.0、Access 數(shù)據(jù)庫、水晶報表等軟件開發(fā)技術(shù)，通過對母牛的泌乳和原奶的質(zhì)量和衛(wèi)生監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集，產(chǎn)生關(guān)系型數(shù)據(jù)表，由此開發(fā)出針對于集約管理的奶牛場產(chǎn)乳過程的數(shù)字化管理系統(tǒng)；南京豐頓科技有限公司開發(fā)的DMS系統(tǒng)[45]；吉林工業(yè)大學(xué)楊印生等研制的面向奶牛生產(chǎn)管理的專家決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)學(xué)、決策理論、計算機等技術(shù)優(yōu)化管理奶牛生產(chǎn)，研制出奶牛生產(chǎn)高效管理的NSG-EDSS[67]；中農(nóng)博思科技發(fā)展公司開發(fā)的《乳業(yè)專家2004》牧場管理軟件等[45]；華中農(nóng)大黃漢英開發(fā)的模糊線性規(guī)劃方法飼料配方軟件，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院章子儀教授開發(fā)的中國飼料數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[68]。奶牛場疾病管理模型可以管理每個階段奶牛疾病，包括奶牛信息文件的創(chuàng)建，常規(guī)監(jiān)測，疾病預(yù)防和控制，在系統(tǒng)的分析和軟件設(shè)計技術(shù)的幫助下，有效、科學(xué)的管理奶牛疾病[69-70]。

5 總結(jié)及展望

5.1國外牧場管理模型的分類 國外牧場管理模型主要分為3類。第1類是以植物為主要研究對象，通過模擬不同的放牧、刈割或者栽培管理措施，來監(jiān)測植物對各種干擾的響應(yīng)。這類牧場管理模型如DAFOSYM模型。第2類是以草畜互作為研究對象，主要通過模擬來改善牧場管理手段對草地、家畜生產(chǎn)性能以及牧場經(jīng)濟效益的正影響。這類牧場模型屬于牧場綜合管理模型，涉及的參數(shù)較多，其代表有ACIAR、GrassGro、SPUR、GRASIM。第3類牧場模型為特定的畜種飼養(yǎng)管理而設(shè)計，主要以奶牛和綿羊為研究對象，特別是奶牛牧場管理模型，如Grazemore、DairyMGT、Sheep vision 4.0、Summerpack、SEPATOU和P·turIN等商業(yè)化應(yīng)用程度很高的模型。

5.2國內(nèi)外研究的比較

5.2.1牧場管理模型研究方面 我國對于牧場管理模型的研究比較晚，目前還沒有適合我國草原地理、氣候與獨特放牧管理模式的牧場管理模型(PMM)， 而目前僅在草地監(jiān)測，放牧管理模式的優(yōu)化以及數(shù)學(xué)規(guī)劃法在模型中的應(yīng)用研究方面有初步進展，而草業(yè)專家在研究牧草生長栽培適宜性、病蟲害的預(yù)測預(yù)報等與診斷方面開發(fā)的系統(tǒng)，只是靜態(tài)的指導(dǎo)，不具有模擬草畜相互作用等方面的動態(tài)模擬機制[71]。與國外相比，畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模相當(dāng)滯后，各生產(chǎn)層面互不銜接，管理方式也僅僅停留在粗放模式，沒有形成各體系綜合管理的思想。對牧場管理模型的研究才剛剛起步，目前僅僅停留在理論層面，沒有研制出適合本國的可具體操作的模型用于生產(chǎn)實踐。近年來，隨著國際合作的不斷加強，國外的ACIAR、GrssGro等模型在我國西部地區(qū)的高寒草原、典型草原牧場管理的科研試驗也不斷深入[5，72]。

5.2.2特定家畜生產(chǎn)管理軟件開發(fā)方面 與國外相比，我國的畜牧業(yè)和計算機技術(shù)發(fā)展相當(dāng)緩慢，主要是由于國民的飲食結(jié)構(gòu)與家畜養(yǎng)殖的風(fēng)險，導(dǎo)致從業(yè)的積極性長期偏低，家畜良種比例低、單產(chǎn)低，不重視選種選配，忽視重要數(shù)據(jù)的測定、記錄。近幾年，隨著經(jīng)濟、科技的發(fā)展，國內(nèi)對奶牛場管理軟件方面的研究有所突破，隨著計算機技術(shù)的在各領(lǐng)域的普及，以及政府加大力度的扶持，一些牧業(yè)公司和科研高校，逐步將計算機技術(shù)應(yīng)用于畜牧生產(chǎn)方面，同時更加注重對基礎(chǔ)學(xué)科的研究，但是國內(nèi)大型的養(yǎng)殖場相對較少，在軟件的應(yīng)用方面只是單個裝置，目前和畜牧軟件結(jié)合成為閉合系統(tǒng)的應(yīng)用主要還是依賴國外的一些系統(tǒng)[68]。

5.3展望 我國的草地畜牧業(yè)的主體是千家萬戶的家庭牧場，其管理水平是影響草地生態(tài)環(huán)境和牧區(qū)畜牧業(yè)經(jīng)濟的重要因素之一。2013年中央提出大力發(fā)展“家庭農(nóng)場”的政策，也為家庭牧場的發(fā)展提供了契機。要使家庭牧場呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、集約化和規(guī)?；陌l(fā)展勢態(tài)，必須加大牧場管理模型，特別是小規(guī)模、區(qū)域性家庭牧場管理模型的研究迫在眉睫。家庭牧場的研究要虛心借鑒國外模型成熟的研究經(jīng)驗或方法，如ACIAR、SPUR、Cowpacity、Grass Gro、KMETIJA等，此類模型在內(nèi)容和適應(yīng)草地類型方面都可引用到國內(nèi)相應(yīng)地區(qū)，在國外模型參數(shù)矯正的基礎(chǔ)上探索研制出適合我國不同地區(qū)草原生產(chǎn)管理的牧場管理DSS，并不斷加強機制模型的研究。而且要不斷整合現(xiàn)有的各種資源的定性和定量數(shù)據(jù)，包括遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、土-草-畜數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)以及牧戶信息電子存檔等，做好遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)與PMM的對接工作，實現(xiàn)PMM的實時性和時效性。此外，牧場管理模型的建立需要考慮各方面的因素，如文化、社會、土地政策、市場價格、國家政策及管理方式等，進而深入認識草原問題，深刻體會可持續(xù)發(fā)展的理念，滿足經(jīng)濟發(fā)展需求與生態(tài)保障的雙重利益。

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Researchadvancesonpasturemanagementmodel

WANG Gui-zhen1,2， HUA Li-min1,2

(1.Department of Education Key Laboratory Grassland Ecosystem, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2.Gansu Agricultural-New Zealand Massey University Central of Grassland Biodiversity, Lanzhou 730070, China)

The healthy and production level of natural pasture, which is one of the most important utilization terminals of grassland, depend on its management level. With the developing of information technologies, and the quantifying and segmenting of ecological studies, studies on pasture management model and how to use these models to guide actual production have become one of the hotspots of modern grassland agricultural study. As one of grazing system models, pasture management model is the decision support system(DSS) of grassland production and livestock production. It simulates the effects of different production and management modes, and guides actual production, by collecting data of grassland growth, livestock growth, livestock production and management modes. To provide references for domestic researches on pasture management model, research advances on pasture management model at home and abroad were reviewed, and further prospect on development of pasture management model in future was made in this study.

pasture management model; grassland; livestock; grazing ecosystem

HUA Li-min E-mail:hualm@gsau.edu.cn

S812.95

A

1001-0629(2013)10-1664-12

2013-04-03 接受日期：2013-05-28

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)項目(No.201003061)；草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重點實驗室(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué))開放基金(CYZS-2011013)；科技部支撐計劃(2012BAC01B02-4)作者簡介:王貴珍(1990-)，女，甘肅臨夏人，在讀碩士生，研究方向為草地生態(tài)學(xué)。E-mail:wgz2013@sina.cn

花立民(1971-)，男，甘肅臨洮人，副教授，博士，主要從事草地生態(tài)及草原保護科研教學(xué)工作。E-mail:hualm@gsau.edu.cn