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水-草-畜系统是一个复合生态系统，构成这一系统的主要要素有水资源的开发利用、草地生产能力及其复壮更新、畜种的改良与畜群结构的调整等。它们既作为单独系统存在，又都必须在整体的大系统中发挥其特定的功能，故这些系统均为草地畜牧业生态系统的子系统，每一子系统只能在大系统中的综合功能之内发挥其应有的特殊功能。从生态学、经济学角度考虑，草地水-草-畜平衡系统又具有生物质能的产出、经济收入和影响区域生态环境等功能。因此。衡量水-草-畜平衡系统功能优劣的标准是水、草资源利用效率情况、生态环境条件的改善情况、牧民经济收入的提高情况等，即生态、经济和社会的整体效益。一个良好的草地水-草-畜平衡系统应该是：既能充分地吸收、利用、转换输入的物质与能量，获得高产优质的草畜产品，又可促进生态环境的恢复，并获得最佳经济效益，整个系统处于正向（优化）发展的动态平衡和良性循环状态（图2-3）。
图 2-3 水草畜资源平衡系统图
水-草-畜系统工程是应用系统工程方法对水-草-畜系统进行综合考查和分析、并优化水、草、畜工程规划和运行管理的工程技术，是综合水资源系统工程、草原系统工程、畜牧业系统工程的交叉前沿学科。从基于研究过程的处理水-草-畜系统问题的方法论角度，水-草-畜系统工程的主要研究内容包括：根据研究的区域水草畜问题确定水-草-畜系统的目标、功能、边界；从水草畜整体协调出发，按照系统本身所特有的性质与功能，研究系统与环境之间、系统与各子系统之间、子系统内部之间、子系统与各要素之间、各要素之间的相互作用与相互依赖的关系；建立相应的数学模型，并应用系统优化方法、系统建模方法、系统预测方法、系统模拟方法、系统评价方法、系统决策分析方法以及结合从定性到定量综合集成方法等；定量或半定量地求解水-草-畜系统规划与管理的优化方案。
由于水-草-畜系统工程的主要研究对象（系统因子）是水资源、草地资源、畜牧业资源，其分别为3个不同的自然系统：水资源系统、草原系统、畜牧业系统。在广义的资源系统中，这3个子系统相互联系，相互依赖，相互制约，组成了密不可分的水-草-畜系统。由于系统的高维混杂性，导致其具有不可控性和近似性，目前还无法将水-草-畜系统置于一个可控的环境中进行模拟或实验。因此，其系统模型的近似推求，只能通过反复实践来检验和修正。
小规模的家庭农场成为牧业生产的基本经营形式，这种家庭农场在能力和物质输入与输出上是相对独立的，如何经营才能在可持续发展的前提下使经济效益、社会效益和生态效益最佳，成为当前牧业经营户和研究人员共同关心的问题。
研究将系统中农田亚系统、草地亚系统、家畜亚系统联合起来综合考虑，结合乌审旗实际生产情况，进行暖季放牧冷季舍饲畜牧业发展模式的优化计算。主要进行天然草场的规划利用、优化种植基地结构与规模、开发劳动力、有限水资源的优化配置及经济效益分析研究。
（1）合理利用、改良天然草场。天然草场是草地畜牧业饲草的主要来源，约占牲畜所需饲草的70%～80%，天然草场的数量和质量是决定种群结构的主要因素，也是决定种植业基地发展规模的主要因素。因此，合理利用和改良天然草场是草地畜牧业经济生态系统效益最优化的基础。
（2）确定种植业发展规模及种植结构。合理确定种植业结构和规模，特别是在水资源一定的条件下，经济合理的饲草种植比例，是解决冬春饲草不足、取得草地畜牧业经济生态系统效益最优化的重要条件。
（3）分析确定牧区水利设施的布局与规模。牧区水利设施标准的高低是衡量草地畜牧业生产水平高低的重要方面，具体包括水源工程、提水工具、输配水型式及灌水技术的试验研究和推广应用等技术措施。特别在西部干旱区，节水节能水利设施的布局与规模是影响草地灌溉效果的重要因素。
综上所述，以牧区水利建设为基础的草地畜牧业生产，主要由天然草场、种植业基地、水利设施、牲畜、林业、牧民6个子系统构成，各系统相互协调、制约，构成涵盖草地所有资源的完整的草地畜牧业生产系统。
根据草地畜牧业各系统要素，建立乌审旗典型牧户生态保护与畜牧业可持续发展线性规划模型，经参数优选、参数确定、成果分析，提出优化方案。模型示意图见图2-4。
（1）目标函数：
式中 F ——目标函数（净效益）；
n ——草地、农田类型数；
f i ——第 i 种草地、农田单位面积净效益；
X i ——第 i 种草地、农田类型面积。
（2）约束条件。
1）草地总约束：
式中 AREA ——草场最大可利用面积。
图 2-4 水草畜系统平衡数学模型示意图
2）天然草场约束：
式中 C 1 ——天然草场夏秋季单位面积可食草量；
B 1 ——羊单位牲畜夏秋季采食定额；
X 1 ——夏秋牧场面积；
X L ——饲养牲畜羊单位数。
3）饲草料地结构和规模约束：保证牲畜冬春舍饲草料自产自足，确定种植结构及规模。
青贮玉米约束：
式中 C 2 ——青贮玉米单位面积产量；
B 2 ——牲畜羊单位舍饲青贮玉米定额；
X 2 ——青贮玉米面积；
X L ——饲养牲畜羊单位数。
精饲料约束：
式中 C 3 ——饲料玉米单位面积产量；
B 3 ——牲畜羊单位舍饲饲料玉米定额；
X 3 ——饲料玉米面积。
干草苜蓿（和作物秸秆）约束：
式中
——单位面积玉米秸秆产量；
C 4 ——苜蓿单位面积产干草量；
B 4 ——牲畜羊单位舍饲干草定额；
X 4 ——苜蓿种植面积。
4）基本生活约束。为保障畜牧业发展需要，需种植一定面积的作物及基础牲畜数量：
式中 A i —— i 类作物种植面积；
L ——基础羊单位数量。
5）防护林约束：
式中 F ——防护系数，防护林面积占种植业面积的比例，取0.05；
X 5 ——防护林面积。
6）生态约束。为保证生态建设的可持续性，每牧户可开发灌溉草地最大面积：
7）水资源约束。保证供水系统和用水系统的水量平衡关系，采取节水节能措施，尽可能减少水资源和能源浪费，计算系统年用水量和各时段用水量。各时段水量供需平衡方程：
式中 M i ——时段第 i 种作物灌水量，m 3 /亩；
μ ——灌溉水利用率，%；
Q ——系统日最大供水量，m 3 /d；
T ——时段天数， T =15d。
系统年总用水量计算方程：
式中 M i —— i 种作物灌溉定额；
M 6 ——牲畜羊单位年用水定额；
M 7 ——每人年用水定额；
P ——人口数量；
W ——最大可供水资源量。
8）劳动力约束：
充分利用劳力资源，尽量使每个劳动力都参加生产建设（人畜饮水问题已解决）。
式中 D i ——单位劳动力经营 i 种作物面积；
r ——单位劳动力经营牲畜羊单位数量；
L ——系统可供最多劳动力数量。
9）效益约束：
式中 T i ——第 i 类种植业基地单位面积费用；
T L ——羊单位年毛效益。
10）非负约束：
思考题
2-1 牧区饲草资源分布与水资源有何关系？
2-2 牧区水-草-畜资源是动态平衡还是静态平衡，其影响因素主要有哪些？