第三节 玛曲县草地生态承载力：SD模型构造
一、SD模型简介
SD（系统动力学）模型是一种以反馈控制理论为基础、以计算机仿真技术为手段、以复杂系统为研究对象的集成式定量模型。自1956年美国麻省理工学院的福雷斯特（J.W. Forrester）教授创立以来，它被先后应用于企业、城市、地区、国家甚至世界等区域规模的一系列战略与决策分析，被誉为“实际系统的战略与决策实验室”。
从结构上来看，SD模型的主要研究对象是信息反馈系统（即包含信息反馈环节及作用的结构性系统），擅长处理高阶次、非线性、长期性、具有多重反馈机制的复杂时变系统，例如一般的社会/经济/生态系统及其复合系统。基于强大的结构－功能模拟性能的计算机模拟技术，该模型善于对各类复杂系统的结构、功能、行为、内部动态关系以及长期演化趋势进行定量描述与分析。
在过去的几十年里，SD模型在土地承载力、资源承载力、环境承载力和生态承载力等方面得到了广泛的应用，是承载力研究的经典方法之一。在研究承载力方面，SD方法首先关注诸多因素对承载力的直接与间接、显性与隐性的复杂影响，能将包括社会经济、资源环境、技术与投入、供给与消费等在内的大量因素与变量作为一个相互关联的整体来建立系统模型，并充分考虑它们之间的多重反馈关系与相互影响机制，进而模拟承载力系统在不同“输入”方案下的动态演化行为。在关于承载力的决策方面，则可通过“政策作用点”（影响系统行为的主导因子或主导关系）的检验与调试来控制、优化系统的行为与结果，具有很强的可操作性。
二、玛曲县草地生态承载力SD模型
基于草地资源和草地畜牧系统的特性，依据SD方法的原则，建立玛曲县草地生态承载力SD模型时主要考虑了与牧草生产具有直接的物质和能量转化与限制关系的要素，包括水资源与气候资源、草地资源及其构成、牧业发展与家畜生产、牧草供给与消费等。其中草地资源技术投入方面则主要考虑了牧草改良、草地沙化与鼠虫病害等因素的影响与控制；草地生产压力重点考虑了畜群增长速度，在一定条件下，畜群增长速度决定着牧草的生产供给关系，决定着草地资源的载畜压力。最终，依据SD模型层次结构的要求，将草地生态承载力系统划分为水资源子系统、草地资源子系统、家畜生产子系统、草地消费子系统等4个子系统，每个子系统又可分为若干个分系统，它们相互作用，互为因果，形成描述草地生态承载力系统的反馈回路与层次结构。该系统包含超过150个有关变量以及约270个DYNAMO方程，方程类型依据变量属性来确定，包括状态方程（L）、速率方程（R）、辅助方程（A）、常数（C）、初值（N）等。各子系统的主要结构如下：
（一）水资源子系统
水资源是牧草生长和草地资源发展的重要保障，水资源子系统主要刻画了水资源供给对牧草生长与草地质量的限制与影响，着重考虑了水资源开发的规模与现实可能。该子系统主要方程为：
A EXWAT·K=FWR·K×CTEXWA
A GXWAT·K=GWR·K×CTGXWA
其中EXWAT和CTEXWA表示地表水开发量与地表水可开发量，GXWAT和CTGXWA分别为地下水开采量与地下水可开采量；FWR表示地表水开发率，GWR为地下水开发率。各参数的选取依据了文献资料［7］［9-11］［16］［24］等对水资源的综合评价与供需平衡分析。
（二）草地资源子系统
草地资源子系统是支持草地生态承载力的主要物质基础，其功能与输出结果直接决定着草地生态承载力水平。该子系统首先考虑了一定气候条件下的牧草生产潜力，然后考虑了不同类型草地的牧草产量及其对水资源开发的需求，以及对畜牧业的支持与限制作用，还考虑了牧草改良、沙化、鼠虫病害与自然灾害等对草地质量与数量的影响。在结构上，该子系统包括草地生产潜力、草地生产力、草地开发利用、牧草生产等4个分系统。其中草地生产力分系统的主要方程为：
A TDC·K=FTDQ·K×ZZL·K
A SJDC·K=TDC·K×（KJG·K-SCBH·K）
其中TDC和SJDC分别为某类草地的理论单产水平与实际单产水平；FTDQ为该类草地的生产潜力，依据光合生产潜力、光温生产潜力及气候生产潜力进行估计；ZZL为该类草地的灾害影响力，用来定量描述旱、涝及低温冻害等自然灾害对牧草生产的影响程度；KJG表示科技贡献率，在模型中主要体现为牧草改良引起的增产效果；SCBH为鼠虫病害影响力，表示鼠虫病害对牧草单产的影响效果。
草地开发利用分系统的主要方程为：
L CM·K=CM·J-SMH·JK
R SMH·KL=CM·K×SMHL·K
A MCC·K=CM·K×CLYM·K×SJDC·K
其中CM为某类草地的面积，SMH为该类草地的沙化面积，SMHL为相应的沙化率（沙化面积占草地面积的比例），沙化面积与沙化率分别利用统计资料及玛曲县草地发展规划进行了描述处理；MCC为该类草地的牧草产量，CLYM为可利用率，SJDC为实际单产水平。
（三）家畜生产子系统
该子系统在草地生态承载力系统中起着生产与消费的双重作用，它通过系统内部的多重反馈回路决定着系统其它各子系统的动态行为，并最终决定整个系统的宏观行为特征。
考虑家畜增长和家畜规模对草地资源的需求，及其与生态环境、牧业发展之间的矛盾关系，将家畜生产子系统中的有关变量作为草地生态承载力系统中重要的可控变量处理。该子系统的主要方程为：
L BZJC·K=BZJX·J＋DT×（BRS·JK-DRS·JK-CLS·JK）
R BRS·KL=BZJX·K×BR·K
R DRS·KL=BZJX·K×DR·K
R CLS·KL=BZJX·K×CL·K
其中BZJC为某类家畜的年平均规模（标准羊单位）；BRS和DRS分别为该类家畜的年均繁殖量和死亡量，CLS为其出栏数量，均以标准羊单位表示；BR、DR和CL分别为该类家畜的年均繁殖率、死亡率和出栏率。
（四）草地消费子系统
草地消费子系统是草地生态承载力系统中不可缺少的部分，在逻辑上，它是整个模型的最后运算环节。草地生态承载力模型的运行通过这一环节导出最终结果，即草地生态承载力水平。主要方程为：
A TMCC·K=MCC1·K＋…＋MCC6·K
A CDCZ·K=TMCC·K/BZXQL
A TBZJC·K=BZJC1·K＋…＋BZJC3·K
A CHZL·K=TBZJC·K-CDCZ·K
其中TMCC为天然草场牧草总产量，MCC1～MCC6分别为6类草场（亚高山草甸草场、灌丛草甸草场、高山草甸草场、草原化草甸草场、沼泽化草甸草场和沼泽类草场）的牧草产量；CDCZ为草地承载力水平（标准羊单位），BZXQL为一个标准羊单位的年均需草量；TBZJC为家畜总规模，BZJC1～BZJC3分别为马、牛、羊3类家畜的年均规模，CHZL为家畜超载水平，均以标准羊单位表示。
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