季节性数据特征驱动的草原放牧优化模式研究.pdf

2 0 2 3年8月第3 9卷第4期皖西学院学报J o u r n a l o f W e s t A n h u i U n i v e r s i t yA u g.,2 0 2 3V o l.3 9 N o.4季节性数据特征驱动的草原放牧优化模式研究余 波1,丁红梅2(1.安徽国防科技职业学院,安徽 六安 2 3 7 0 1 1;2.合肥师范学院,安徽 合肥 2 3 0 6 0 1)摘 要:依据内蒙古锡林郭勒牧区草原地面常规监测资料,调查选取四位示范牧户的基本数据,建立季节性时间序列分析模型,通过植被覆盖率、土壤湿度、土壤肥力三个分析指标,研究不同放牧强度对土地状态的影响,求解最优放牧策略,建立草原放牧管理优化模式。实现在保障畜牧经济发展的同时,维持草原生态系统循环,达到经济和环境的长期可持续发展目标。关键词:季节性时间序列分析;草原放牧;优化模式;放牧强度;土地状态中图分类号:S 8 1 2.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-9 7 3 5(2 0 2 3)0 4-0 0 9 1-0 5*收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 3基金项目:安徽省提质培优行动计划(2 0 2 1 t z p y 7 8)。作者简介:余波(1 9 7 6-),女,安徽六安人,硕士,副教授,研究方向:应用经济学;丁红梅(1 9 7 7-),女,安徽怀宁人,硕士,教授,研究方向:应用经济学。草地是一种重要的可再生自然资源,是在漫长的地质历史时期中逐步形成,并随着自然气候变化以及人类活动参与而逐步发展起来的自然生态系统1,作为陆地生态系统的重要组成部分,其面积占全球陆地面积的3 0%2。2 1世纪以来,在全球气候变暖、人类活动加剧以及管理和利用不当等共同作用下,草原地区的人口、资源和环境关系开始失衡3-4。过度放牧导致草地退化5-7,使草地生产力降低8。我国是草原资源大国,拥有各类天然草地近4亿公顷,主要分布在内蒙古、新疆、西藏、青海等地区。2 0 2 1年,国务院办公厅 关于加强草原保护修复的若干意见 要求,牧区要以实现草畜平衡为目标,优化畜群结构,控制放牧牲畜数量,提高科学饲养和放牧管理水平,减轻天然草原放牧压力9。合理的放牧模式有助于在保障产业发展的同时实现草原生态系统良性循环。国内外现有的相关研究主要聚焦于放牧方式对土地的土壤物理性质或植被生物量进行单一研究,对于草原生态、性质变化影响的研究大多处于实地调研分析阶段1 0-1 1,已有成果并未从数学机理上研究放牧策略与环境问题之间的直接联系,缺乏通用性,不利于政府制定精确的政策指导和法律规范。本文通过在连续放牧方式下,不同放牧强度对于草原土地状态的影响,从数学机理上研究放牧策略与环境之间的直接联系,分析判断草原生态系统承载力,建立草原放牧优化模式,推进国家草原治理体系和治理能力现代化,实现经济和环境的长期可持续发展。一、研究概况(一)数据及方案设计研究区域选取内蒙古锡林郭勒草原,地理坐标介于东经1 1 0 5 0 1 1 9 5 8,北纬4 1 3 0 4 6 4 5 之间。草原总面积1 9 2 0万公顷,地貌为高平原,海拔在8 0 0 1 2 0 0米之间,气候类型属于大陆性气候中的温带半干旱草原气候,四季分明。根据草原站的气象监测数据,该地区年日照时数为2 6 0 3.8 h,年平均温度0.9 6、年均蒸发量1 6 6 4.6 mm/年,平均降雨量3 4 0 mm左右,降水月际间变异较大,主要集中在69月份,约占全年降水量7 4.4%1 2(P 3 1)。研究数据源于2 0 2 0年7月至2 0 2 2年9月,锡林郭勒盟牧区进行入户调查牧户的人口、经济方面的基本数据,主要包括:每户的人口数、牧户年净收入、草场面积、放牧的饲养数量和杜泊羊、本地羊的重量等数据。以及地面常规监测气象资料,土壤水分监测数据、径流量、叶面积指数(L e a f A r e a I n d e x,L A I)、植被 覆 盖 指 数(N o r m a l i z e d D i f f e r e n c e V e g e t a t i o n I n d e x,N D V I)等和一些历史数据。调查选取四位示范牧户各自的放牧压力数据,单位为(羊/k m2),取其2 0 2 0至2 0 2 2年的平均数据作为衡量标准,并将其转化为放牧强度量S,单位为(羊/天/公顷),得到如表1所示的四个示范牧户放牧强度。表1 示范牧户放牧强度牧户放牧强度S牧户一2.6 8 1 4牧户二1.1 3 3 3牧户三5.3 8 1 6牧户四2.4 9 1 6设计方案一。放牧强度指载畜率,通常划分标准为:轻度放牧强度(L i g h t G r a z i n g I n t e n s i t y,L G I,1 2羊/天/公顷)、中度放牧强度(M e d i u m G r a z i n g I n t e n s i t y,MG I,3 4羊/天/公顷)和重度放牧强度(H e a v y G r a z i n g I n t e n s i t y,HG I,58羊/天/公顷)。依据以上标准,牧户一、四实际放牧强度是轻度至中度,牧户二是轻度,牧户三是中度至重度,以上四位示范牧户的实际放牧强度作为方案一。设计方案二。依据李颖等的研究,对于内蒙古草原主流的饲用植物羊草,在轻度放牧强度下,实验区内羊草地上部分的木质素含量、碳氮比(C/N r a t i o,C:N)含量最高1 3,有利于缓解沙漠化、土壤板结化等生态问题。因此假设以上四个示范牧户从2 0 2 2年1 0月开始,放牧策略优化为全年轻度放牧,其相应的放牧强度S为2只羊/天/公顷,作为方案二。(二)研究思路及方法土地状态的分析指标主要包括:植被覆盖率、土壤湿度与土壤肥力,其中土壤肥力还可以具体分为土壤板结化程度与土壤沙化程度1 4。季节性时间序列分析(S e a s o n a l A u t o r e g r e s s i v e I n t e g r a t e d M o v i n g A v e r a g e,S A R I MA)方法适用于研究分析经济管理类问题中具备时间序列周期性变化的数据。本文采用S P S S软件对相关数据进行季节性时间序列预测,模型阶数设置为S A R I MA(0,0,1)(0,0,1),拟合样本集为2 0 2 2年9月及之前的数据,预测样本集为2 0 2 2年1 0月 2 0 2 5年1 0月的数据。依据文献中提出的土壤-植被-大气系统基本方程式 1 5-1 7,可以得到植被覆盖率cp、土壤湿度W、土壤肥力的预测值。通过对两种方案下的土地状态进行统计、趋势预测和比对,从而得出研究结论。二、放牧强度对植被覆盖率的影响依据W o o d w a r d的研究1 7,从放牧强度的角度来分析,植被生物量与放牧强度的关系方程如下:dwdt=w1-ww*-b S wW=P-(E+Gd+*(1-e-gw/w*)(1)其中,S为单位面积的载畜率;w为植被生物量;W为土壤贮水变化量;w*表示草原生态系统特征值,为植被覆盖率与盖度的比例,b是适用于内蒙古草原的系数;P为降水量;Gd为土壤水渗透量;E为实际蒸发量;(1-e-gw/w*)为草原的盖度,并认为植被截流量与盖度成正比,比例为*。植被覆盖率cp通常是指森林面积占土地总面积之比,一般用百分数表示。其中森林面积还包括灌木林面积、农田林网占地面积以及四旁树木的覆盖面积与草原面积1 8。植被生物量w是指某一时刻单位面积内实存生活的植物有机物质(干重)总量,通常用k g/m2表示,所以cp与w存在正相关关系。二者的关系可由下式定义:cp=G w =(1-e-gw/w*)(2)依据W o o d w a r d的研究1 7,对公式中各项未知参数取值如表2所示。表2 公式数学模型的参数参数符号参数值P-E-Gd0*2.2-g/w*10.0 4 9b0.0 1 7w*0.2 5w初值0.1 9 2W初值1 4.4 2从植被覆盖指数ND V I的影响角度来分析,植被覆盖率波动值cp与植被覆盖指数ND V I的拟合关系为:cp=0.9 2 5 8ND V I2+0.0 7 4 8 3ND V I-0.0 1 0 5 4(3)其中植被覆盖指数ND V I是一个季节性变化量,其数据波形随着时间以某个基准值上下波动前进。先使用季节性时间序列分析来预测N V D I,进而预测cp,并用S来拟合cp0,最后二者相加得到cp。植被覆盖率的数据波形是随着时间以某个基准值上下波动前进的,它由基准值与波动值两个成分构29皖西学院学报第3 9卷成。为了综合考虑ND V I与放牧强度对植被覆盖率的影响,采用公式(2)来计算cp的基准值cp0,采用公式(3)来计算预测cp的波动值cp。则cp的预测值可以由下式计算得出:cp=cp0+cp(4)方案一,保持原放牧强度,计算及预测结果如图1所示,植被覆盖率从2 0 2 0年1 0月至2 0 2 5年1 0月的变化情况。牧户一、四的放牧强度比较相近,都为S=2.5左右,所以其植被覆盖率波形也较接近;牧户二的放牧强度S=1.1 3 3 3,相比较小,其植被覆盖率略高;而牧户三的放牧强度S=5.3 8 1 6,与其他牧户相比明显较大,其植被覆盖率明显偏低。图1 方案一植被覆盖率方案二,改变放牧策略,计算及预测结果如图2所示,四位示范牧户在2 0 2 2年1 0月及以后将放牧强度改变为S=2,牧户一、四的放牧强度略降,其植被覆盖率的波动中心从2 0 2 2年1 0月后开始有了略微的上升;牧户二的放牧强度略升,其植被覆盖率的波动中心从2 0 2 2年1 0月后开始略微下降;而牧户三放牧强度由S=5.3 8 1 6降低为2,其植被覆盖率在2 0 2 2年1 0月后开始明显提高,然后逐渐稳定,与牧户一、二、四的波形趋于重合。图2 方案二植被覆盖率对比方案一、二得出,放牧强度越大植被覆盖率越低。三、放牧强度对土壤湿度的影响土壤湿度或土壤贮水量W受很多因素影响,如放牧策略、降水量P(t)、蒸发量E(t)、径流量Ri n、植被截流量I Cs t o r e等1 9。土壤水平衡方程1 5-1 6为:W=Wt+1-Wt=P(t)+Ri n-(E(t)+Gd+I Cs t o r e)(5)其中I Cs t o r e为植被截流量,单位为mm/m2,其表达式为:I Cs t o r e=cpI Cm a x1-e x p-kP(t)I Cm a x (6)式中的k为植被密度校正因子,与叶面积指数L A I有关,其表达式为:k=-0.0 8 5 7 1L A I2+0.5 5 7 1L A I+0.1 4(7)I Cm a x为特定植被的最大截流量,可由叶面积指数L A I计算,其表达式为:I Cm a x=-0.0 0 5 7 5L A I2+0.4 9 8L A I+0.9 3 5(8)Gd为土壤渗水量,其与降水量P(t)成线性正相关关系,其表达式如下:Gd=1.0 1 1*P(t)-1 0.9 3(9)由于降水量P(t)、蒸发量E(t)、植被覆盖指数ND V I等量都是有明显季节变化性的时间序列数据,故采用季节性时间序列分析模型,对这些数据进行分析,以预测它们未来的走势。再结合上述的水平衡方程以及计算公式,即可预测未来的土壤贮水变化量数据W。因为随着土壤深度的增加,其湿度受降水量、蒸发量等影响越小,所以取样深度1 0 c m处的土壤湿度变化量进行分析。土壤湿度的数据波形是随着时间以某个基准值上下波动前进的,可以认为它由基准值与波动值两个成分构成。为了综合考虑放牧强度S与季节变化性数据对土壤湿度的影响,考虑采用方程(1)来计算预测土壤湿度的基准值W0,采用公式(5)(9)来计算预测土壤湿度的波动值W,则土壤湿度的值W可以由下式来确定:W=W0+W(1 0)方案一,保持原放牧强度,计算预测结果如图3所示,土壤湿度从2 0 2 0年1 0月至2 0 2 5年1 0月的变化情况。牧户一、四的放牧强度比较相近,都在S=2.5左右,所以其土壤湿度较接近;牧户二的放牧强度S=1.1 3 3 3,相比较小,其土壤湿度也略高;牧户三的放牧强度S=5.3 8 1 6,相比明显较大,其土壤湿度39第4期余 波,等:季节性数据特征驱动的草原放牧优化模式研究也偏低。图3 方案一土壤湿度方案二,改变放牧策略,计算预测结果如图4所示,四位示范牧户在2 0 2 2年1 0月及以后将放牧强度改变为S=2,牧户一、四的放牧强度略降,其土壤湿度的波动中心从2 0 2 2年1 0月后开始有了略微的上升;牧户二的放牧强度略升,其土壤湿度从2 0 2 2年1 0月后开始略微下降;而牧户三放牧强度由S=5.3 8 1 6降低为2,其土壤湿度在2 0 2 2年1 0月后明显上升,然后逐渐稳定,与牧户一、二、四的波形趋于重合。图4 方案二土壤湿度对比方案一、二得出,放牧强度越大,土壤湿度越低。四、放牧强度对土壤肥力的影响土壤的肥力状况是影响天然草场生产力最重要的因素之一2 0。土壤肥力为土壤沙化程度S M与土壤板结化程度B的共同作用,即S M+B。这个指标的值越小土壤肥力越大。依据文献1 6 中的研究,建立土壤板结化与土壤沙漠化定量指标模型,其表达式分别如下所示:S M=0.0 3(1 8.5 8 2 1Q1+7.3 0 5 5Q2+3.7 0 2 1Q3 +0.3 7 7 7Q4+0.0 8 7 5Q5+0.0 1 3 4Q6)B=0.71W+0.31C(1 1)其中Q1为降雨量因子,Q2为气温因子,Q3为植被覆盖率因子,Q4是土壤湿度因子,Q5是牲畜密度因子,Q6是风速因子。各项因子取值区间为0,1。W为土壤湿度,C为土壤有机物含量。为了预测S M与B在2 0 2 3年以后的值,首先要对S M的表达式中各项Qi的值以及B的表达式中W、C的值进行预测。假设牲畜密度因子Q5和土壤有机物含量C保持不变,使用季节性时间序列模型,基于2 0 2 0年1月至2 0 2 2年9月降雨量因子Q1、气温因子Q2、风速因子Q6的数据进行预测,得到2 0 2 2年1 0月及之后的各项因子的预测值。再结合第2节和第3节中分别对植被覆盖率因子Q3和土壤湿度因子Q4的预测值,相加后最终得到土壤肥力指数S M+B的预测值,其原值及未来趋势如图5和图6所示。图5 方案一的土壤肥力指数图6 方案二的土壤肥力指数方案一,保持原放牧强度,对土壤肥力指数的预测如图5所示,土壤肥力指数从2 0 2 0年至2 0 2 5年的变化情况。牧户一、四的放牧强度比较相近,都在S=2.5左右,其土壤肥力指数波形也较接近;牧户二的放牧强度S=1.1 3 3 3,相比较小,其土壤肥力指数略低;而牧户三的放牧强度S=5.3 8 1 6,相比较大,其土壤肥力指数明显偏低。方案二,改变放牧策略,对土壤肥力指数的预测结果如图6所示,四位示范牧户在2 0 2 2年1 0月及以后将放牧强度改变为S=2,牧户一、四的放牧强度略49皖西学院学报第3 9卷降,其土壤肥力指数的波动中心从2 0 2 3年后开始略微的上升;牧户二的放牧强度略升,其土壤肥力指数的波动中心从2 0 2 3年后开始有了略微的上升;而牧户三放牧强度由S=5.3 8 1 6降低为2,其土壤肥力指数在2 0 2 3年后开始显著上升,然后逐渐稳定,与牧户一、二、四的波形趋于重合。对比方案一、二得出,随着放牧强度的上升,放牧对土壤肥力影响逐渐由正效应转为负效应,适度的放牧强度有利于草地生产力的提高,当放牧强度S=2时,土壤肥力可以保持在较好状态。五、结语以上研究结果表明,放牧行为通过影响草原生态系统的植被覆盖率和土壤湿度、土壤肥力等性质,是一种高度复杂的干扰方式。随着放牧强度的增加,植被覆盖率逐渐减少,土壤湿度下降,土壤肥力影响逐渐由正效应转为负效应,土地状况总体呈恶化趋势。因此,全年2羊/天/公顷的放牧强度有助于保持土地良好状态。实现在保障畜牧经济发展的同时,维持草原生态系统循环,达到经济和环境的长期可持续发展目标。参考文献:1 孟林.草地资源综合评价研究进展J.国外畜牧学(草原与牧草),1 9 9 8(4):1-8.2 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o f“r i t e s”a n d“m u s i c”,w h i c h a r e i n t e r r e l a t e d,c o e x i s t i n g,a n d m u t u a l l y b e n e f i c i a l.I t o r i g i n a t e d f r o m t h e Z h o u D y n a s t y s c i v i l i z a t i o n o f r i t e s a n d m u s i c,w i t h t h e o r d e r o f n e u t r a l i t y a s i t s i n t e r n a l s p i r i t,a n d g r a d u a l l y e v o l v e d i n t o a n a e s t h e t i c v a l u e s y s t e m,t h i n k i n g f o r m,a n d m e a n i n g e x p r e s s i o n d o m i n a t e d b y C o n f u c i a n a e s t h e t i c s.F r o m t h i s p e r s p e c t i v e,t h i s s t u d y e x p l o r e s o n e o f t h e“N i n e C l a s s i c s”o f t h e T a n g D y n a s t y,Z h o u l i S h u,w h i c h h a s l o n g b e e n h i d d e n b y t h e n a m e o f C o n f u c i a n c l a s s i c s,h i g h l i g h t i n g t h e C o n f u c i a n a e s t h e t i c t h i n k i n g d e m o n s t r a t e d b y t h e C o n f u c i a n s c h o l a r J i a G o n g y a n i n h i s b o o k s t h a t i n t e r p r e t t h e m e a n i n g o f t h e c l a s s i c s.I t Z h o u l i S h u w a s d e v e l o p e d i n t h e s p e c i f i c h i s t o r i c a l a n d c u l t u r a l c o n t e x t o f e s t a b l i s h i n g t h e c o u n t r y t h r o u g h r i t u a l a n d m u s i c i n t h e e a r l y T a n g D y n a s t y.I t m a i n l y i n h e r i t s a n d s u p p l e m e n t s t h e t h e m e s o f“r i t u a l”a n d“m u s i c”i n C h i n e s e c l a s s i c a l a e s t h e t i c s,a s w e l l a s“t h e c o m b i n a t i o n o f r i t u a l a n d m u s i c”.I n t h e i n t e r p r e t a t i o n o f r u l e s a n d r e g u l a t i o n s,r i t u a l v e s s e l s,e t c.,i t e x t e n d s t h e b e a u t y o f“h a r m o n y i n r i t u a l a n d m u s i c”,a n d a l s o e x p l o r e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m u s i c a n d p o l i t i c s.I t i s a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f C o n f u c i a n a e s t h e t i c s a n d r i t u a l a n d m u s i c a e s t h e t i c s,s e r v i n g a s a t e x t b o o k f o r o f f i c i a l i m p e r i a l e x a m i n a t i o n s.I t h a d a p r o f o u n d i m p a c t o n t h e c o n s t r u c t i o n o f r i t u a l a n d m u s i c c u l t u r e i n t h e T a n g D y n a s t y a n d l a t e r g e n e r a t i o n s,a n d i t s a e s t h e t i c s i g n i f i c a n c e c a n n o t b e i g n o r e d.K e y w o r d s:J i a G o n g y a n;Z h o u l i S h u;r i t e s a n d m u s i c;a e s t h e t i c i m p l i c a t i o n s(上接第9 5页)R e s e a r c h o n G r a s s l a n d G r a z i n g O p t i m i z a t i o n M o d e l D r i v e n b y S e a s o n a l D a t a C h a r a c t e r i s t i c sYU B o1,D I N G H o n g m e i2(1.A n h u i V o c a t i o n a l C o l l e g e o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,L u a n 2 3 7 0 1 1,C h i n a;2.H e f e i N o r m a l U n i v e r s i t y,H e f e i 2 3 0 6 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e r e g u l a r m o n i t o r i n g d a t a o f g r a s s l a n d i n X i l i n g o l p a s t o r a l a r e a o f I n n e r M o n g o l i a,t h i s p a p e r i n v e s t i g a t e s t h e b a s i c d a t a o f f o u r d e m o n s t r a t i o n h e r d s.T h i s p a p e r e s t a b l i s h e s a s e a s o n a l t i m e s e r i e s a n a l y s i s m o d e l t o s t u d y t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t g r a z i n g i n t e n s i t i e s o n t h e l a n d s t a t e t h r o u g h t h r e e a n a l y s i s i n d e x e s o f v e g e t a t i o n c o v e r,s o i l m o i s t u r e a n d s o i l f e r t i l i t y.I n t h i s s t u d y,t h e o p t i m a l g r a z i n g s t r a t e g y i s r e s o l v e d,a n d a n o p t i m i z a t i o n m o d e l f o r g r a s s l a n d g r a z i n g m a n a g e m e n t i s d e v e l o p e d.F i n a l l y,t h i s p a p e r a l s o d e v e l o p s t h e o p t i m a l g r a z i n g s t r a t e g y a n d f i n a l l y p r o p o s e s t h e g r a s s l a n d g r a z i n g m a n a g e m e n t o p t i m i z a t i o n m o d e l.T h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h i s p a p e r a r e h e l p f u l t o m a i n t a i n t h e c i r c u l a t i o n o f g r a s s l a n d e c o s y s t e m a n d a c h i e v e t h e l o n g-t e r m s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t g o a l o f e c o n o m y a n d e n v i r o n m e n t w h i l e e n s u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f a n i m a l h u s b a n d r y e c o n o m y.K e y w o r d s:s e a s o n a l t i m e s e r i e s a n a l y s i s;g r a s s l a n d g r a z i n g;o p t i m i z a t i o n m o d e l;g r a z i n g i n t e n s i t y;l a n d s t a t u s911第4期丁宸娴:从礼乐互动视角探究贾公彦 周礼疏 中的美学意蕴