中国草地生产力模拟研究

中国草地生产力模拟研究

吕胜利

“中国草地生产力模拟研究”是1991年国家社科基金一般项目，课题负责人吕胜利。最终成果为研究报告。

（一）项目执行情况

1.主持和参加人：本项目实际由甘肃省社会科学院吕胜利和宋秉芳二人共同主持和完成。经中国工程院院士任继周教授为组长的多学科专家组鉴定，一致认为该项研究“在中国草地生产力研究中具有开拓性，其成果具有相当高的价值和应用前景，研究成果达到国内领先水平”。

2.调研情况和主要内容：在北京、内蒙古、青海、甘肃和黑龙江等省、区、市开展了大量调查研究，受到当地政府有关部门和大专院校、科研部门的大力支持。

本项报告共分三编九章，还有四个附录，共20.3万字。第一编基础概念与方法，用两章介绍了草地生产力概念、国内外草地畜牧业与草地生产力现状、草地生产力的模拟方法以及系统动力学的基本原理和方法。第二编用五章，集中介绍了草地第二性生产动力学模型的建模方法及其应用。第三编共两章，介绍了草地生产力模型的编制及其在我国温带草原带和高寒草原带主要草地类型区的实际应用，是本项研究的核心内容。

3.项目完成的相关成果：项目研究过程中，公开发表论文4篇，由《甘肃社会科学》杂志出版《草地第二性生产动力学模型》专刊一期（12万字）；1993年8月参加2次国际学术会议，参会论文分别被收入《PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON GRASSLAND RESOURCES(1993)》，中国农业科技出版社，1994（《国际草地资源学术会议论文集》）和《Systems Science and Systems Engineering(ICSSSE’93)》，INTERNATIONAL ACA－DEMIC PUBLISHERS 1993(《系统科学与系统工程第二届国际学术会议论文集》)。

4.研究成果获奖和社会效果：最终成果《中国草地生产力模拟》研究报告获甘肃省社会科学优秀成果最高奖二等奖，阶段性成果《草地第二性生产动力学模型》获甘肃省社会科学优秀成果最高奖三等奖。在“国际草地资源学术会议”大会宣讲论文《Dynamic simulation for Chinese rangeland productivity》并参展，受到国内、国外草业界同行的好评，几位外国学者曾对出席会议的农业部原副部长洪绂曾说，“中国是草业大国，搞草地生产力模拟很有前途，草业界动静不大，想不到你们的社科院人士倒搞出了名堂”。阶段性成果《草地第二性生产动力学模型》引起国内重点农业院校和科研单位的关注和好评，直到1995年草原畜牧界的老前辈和一些研究生都来电来函购买。中国农科院兰州畜牧所原所长、畜牧界泰斗82岁高龄的杨诗兴教授，边阅读边作笔记，还写了读后体会，对此项研究进行赞许，认为是一项创新（在《甘肃社会科学》刊登）。在2008年出版的《系统动力学在可持续发展研究中的应用》（蔡林，2008，中国环境出版社）一书中，引用并介绍了《草地第二性生产动力学模型》。”。

（二）提出的新观点和创新之处

1.在国内首次建立了具有普适特性的“草地第二性生产动力学模型”和“草地生产力动力学模型”。任继周院士鉴定认为，“研究者应用了先进的以动态模拟为特征的动力学模拟方法，建立了草地生产力动力学模型”，“这是我国草地生产力研究中一次十分有益的开拓性尝试，对于改进草地生产力的研究方法，提高草地生产力的综合研究水平将是很重要的探索。”我国畜牧界前辈、中国农科院兰州畜牧所原所长杨诗兴教授认为，“采用动力学系统分析的方法建立我国牧区畜牧业生产的综合模型更是一件具有科学价值的创举，值得重视与赞许”。这两个模型基本建立在物理、生物化学、生理学和经营管理与决策科学的基础上，模型的可解释性强，可以不受地理纬度的限制，在我国不同草地类型区被广泛应用。“草地第二性生产动力学模型”尤其适合作为一种教学和科研实验软件，它可以用来研究草地第二性生产过程中的诸多理论和生产管理方面的问题。例如，可以用来开展草地第二性生产能力的动力学评定，模拟从牧草到畜产品的能量和物质转化阶及其效率，展示现实系统的第二性生产能力，探讨第二性生产能力提高的幅度以及可能采取的措施。还可以通过冷季出栏率和畜群结构的调控，开展“草地季节畜牧业”的动力学模拟，通过比较各种生产和经营方案，为生产经营单位提供具有可操作性的策略建议。“草地生产力动力学模型”是由草地第一性生产和放牧家畜第二性生产两大部分耦合而成，用于研究草地生产力变化趋势的宏观模型。草地第一性生产模块从不同地理纬度的太阳光合有效辐射提供的光量子数开始，然后通过生长期、热水平衡、盖度及灰分等因子对光合产量进行校正，最终得到当地条件下的干草产量。然后，通过饲草满足率将牧草和家畜两个模块耦合在一起，用能量转换效率（如牧草对光合能量的利用效率、太阳光合有效辐射量的总转换效率）、物质转换效率、土地生产率（单位面积生产的畜产品单位、单位面积产肉量和产奶量）等主要指标和其他辅助指标（如出栏率、畜群结构等）来分析不同生产经营方式对草地生产力的影响及其中长期变化趋势。

2.首次在国内开展了大范围的草地生产力的宏观模拟研究。对我国温带草原带和高寒草原带的模拟面积分别占内蒙古、青海和甘肃可利用草地面积的28%、60%和24%。用动力学模型比较全面地计算了我国百亩天然草地生产的畜产品单位数量，并与国外进行了比较。计算了不同草地类型牧草对生长期内太阳光合有效能量的平均转化效率和百亩草地生产的畜产品单位对光合有效能量的转换效率。通过模拟，揭示了草地生产力发展过程中的障碍因素，展示了中长期发展的趋势。

3.把“草原季节畜牧业”的理论推向了动态模拟的新阶段。任继周院士早在1978年就提出了“草地季节畜牧业”的重大理论。但是，直到1992年，一直缺乏数学模型的支持。本项研究所建立的动力学模型，为“草原季节畜牧业”的理论研究和实践应用提供了动态模拟的工具。动力学模型不仅可以展示出实施季节畜牧业的中长期效果，而且可以进行具体实施过程的多方案比较。

4.与国外同类研究相比，具有方法上的特色。一是草地生产力宏观模拟方法的创新。国外荷兰、美国、英国、日本等国，早在20世纪70年代就研制出了模拟牧草生长过程的微观动态模型，开展了对生长周期内（一年）草地生态系统中物质、能量的循环和流动过程，以及牧草和牛增重的微观机制的动态模拟。但缺乏以年为步长研究大范围内牧草和家畜生产过程的宏观模拟模型。另一方面，国外早已采用了从光量子入手计算生长周期内农作物光合理论产量的物理方法，并被我国学者（牛文元，1981）应用于计算华北平原小麦光合理论产量。日本学者内山岛利用筑后模型的原理，采用辐射干燥度用经验公式计算了全球植物的光热理论产量，这一方法同样为我国学者（侯光亮，1990）所采用。但如何把光量子物理方法和辐射干燥度的校正方法结合起来，并用动态和反馈方法模拟牧草逐年的实际产量，在国内外都未见到报道。本项研究对上述难点进行了突破，在草地生产力宏观模拟方法论上进行了创新。二是结合我国实际突出调整畜群和畜种结构。三是以解决冷季饲草供需矛盾为重点。四是适宜于开展草地资源和家畜生产中长期发展的宏观决策。

5.认为提高草地家畜转化效率是今后发展我国草地生产力应采取的基本策略。模拟结果表明，与国外同类草地相比，我国天然草地对光合有效能量的平均转化效率并不算低，但草地家畜第二性生产转化效率却很低，这是提高我国草地生产力水平的主要制约因素。今后提高我国草地生产力水平不可能走扩大再生产外延的途径，因此，应把提高草地家畜第二性生产转化效率作为发展我国草地生产力的基本策略，其重点是增加良种家畜比例，提高母牛产乳能力。

（三）本项研究存在的不足

一是由于时间原因，本项研究未能到新疆进行考察，因而没有对山地草原带草地生产力开展模拟研究。二是对我国西南和南方草山的草地生产力模拟还需作专门研究。