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| 农业生态系统种养结合优化结构模式的研究 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作者：杨修 李文… 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2004-4-21 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
在农业生态系统的生产过程中，无机环境中的能量（太阳能）和物质资源首先被作物固定为生物有机产品，形成第一性生产力。第一性生产的一部分直接还田，或作为燃料和工业原料，剩余的进入食物流通过程，被人类直接消费或由第二性生产转化为动物产品。第二性生产力决定于分配的第一性生物量、畜群结构和各畜群的生态效率[1]。 种植业子系统与畜牧业子系统是人类食物生产系统的两大支柱。种植业是第一性生产，畜牧业是第二性生产并依赖和受制于第一性生产，作物生产所产生的草、料为畜禽养殖业生产的发展提供了物质基础，所以，二者有着紧密的关系[2]。种养结合的优化设计就是按照生态和经济规律，以各种农畜产品的社会需求量、资源状况和经济效益为基础，进行综合优化，使系统从总体上获得最佳的经济效益、生态效益和社会效益。 1 研究地区概况和研究方法 1.1 研究地区概况 研究地区位于河南省封丘县潘店乡，东经 114°14′～114°45′，北纬 表 1 土壤主要理化性质
根据 175 户农户调查资料统计，当地农业人口人均拥有耕地面积 0.09 hm2；劳均耕地面积 0.15hm2；即每公顷土地面积上有 10.9 人，其中包括 6.67 个劳力，土地复种指数为 197%。 调查地区农业生态系统的安排为：夏收作物主要为小麦和油菜，其种植面积的比例分别为 99.1% 和 0.9%；秋季作物种类较多，主要有玉米、棉花、大豆、花生、甘薯，其种植比例分别为 40.8%、21.0%、18.4%、14.5% 和 5.3%。每公顷土地面积年均畜禽饲养数量为役牛 0.63 头、羊 3.23 只、猪 2.88 头和鸡 10.34 只。 1.2 研究方法 1.2.1 农作物各器官生物量测定 (1) 小麦各器官的生物量 小麦生物量调查是在收获季节于样地内机械设置 (2) 棉花生物量 棉花调查是在棉桃较多、生物量达较大时 (10 月 1 日 ) 统一进行。样方数量、设置及调查方法均与小麦相同，样方面积为 1.6×1m2。 (3) 玉米生物量 玉米生物量调查也在收获期进行，样方数量 12 个，样方面积 1×1m2。调查方法与小麦相同。 (4) 其它作物生物量调查 甘薯、花生、油菜、大豆生物量的调查是在收获季节取一定量的样品进行生物量测定，区分各器官的量，计算各器官所占比例。根据农户调查中各作物的经济产量，再换算出各作物不同器官单位面积生物量。 1.2.2 畜禽饲料的可消化能和蛋白质 利用北京地区畜牧与饲料科技情报网[3]和黄大器等[4]编写的《饲料手册》 1.2.3 人类和畜禽子系统的输入输出 对调查地区 175 户农户进行逐家访问，以调查表的形式调查其人口、劳力、土地、肥料、畜禽、能源、消耗、种植业安排、投入及收获等情况。 1.2.4 各项产品及生产资料价格 各项产品及生产资料价格以 1996 年在调查地区进行的农村调查各项价格为准。 2 结果与分析 2.1 农业生态系统各项产品的成本核算和资源限量 2.1.1 农业生态系统投入产出各项价格 根据 1996 年农村调查，农业生态系统各项投入产出价格见表 2。 表 2 农业生态系统投入产出各项价格
2.1.2 种植单位面积作物成本和效益核算 作物生产的主要投入项包括劳力、畜力、种子、化肥、农药、燃油、农用电和农机具。各种作物每公顷种植面积的各项投入量见表 3。 表 3 各种作物每公顷种植面积主要经济投入组成及数量
各种作物每公顷种植面积的成本投入见表 4。 表 4 各种作物每公顷种植面积投入成本核算
从表 4 可以看出，按照各种作物每公顷种植面积的投入成本进行排序，其顺序依次为：棉花＞小麦＞甘薯＞玉米＞花生＞油菜＞大豆。棉花的投入成本最高，大豆投入成本最低。 根据各种作物的产量和价格，可计算出各种作物的毛收益；结合各作物的生产成本（表 4）可计算出种植单位面积作物的纯效益（表 5）。 表 5 各种作物每公顷种植面积成本、效益核算
从表 5 可以看出，在种植的各种作物中，按照每公顷面积的纯效益进行排序，其顺序依次为：花生＞玉米＞甘薯＞小麦＞棉花＞大豆＞油菜。 2.1.3 畜禽成本核算 根据各种畜禽的劳力和精饲料投入量（粗饲料的投入不计价格），可计算出各种畜禽的成本投入，结合产品价格，可进一步计算出毛收益和纯收益（表 6）。表 6 中的役牛按每年提供 1200h 畜力、每小时畜力价格为 2 元，役牛的使用期按 10 年计算，平均每年体重增加量为 39.4kg。表 6 说明：役牛每年的纯收益为 1907.7 元，养殖一头出栏肉牛可获纯利税 2335.0 元，一只羊的纯收益为 138.5 元，一头猪的纯收益为 214.0 元，一只母鸡的年纯收益为 41.0 元。 表 6 单位畜禽成本效益核算
2.1.4 各种产品的社会最低需要量 调查地区每公顷农田面积现有人口承载量为 10.9 人，把承载人口的年农畜产品消费量作为社会最低需求量，其结果见表 7。从表 7 可知，调查地区每公顷农田面积的粮食社会最低需求量为 1876.98 kg、棉花 7.63 kg、食用油 50.14 kg、各种肉类 64.64 kg、蛋类 20.82 kg。 表 7 各种农畜产品的社会最低需要量
注：表内为农户调查统计数据，人均年需要量没有刨除外出打工劳力节省的食物数量，所以比实际人均年消耗量偏低。表内的粮食需要量均为绝干重量。 2.1.5 畜禽饲料参数 畜禽的营养需要主要是能量和蛋白质两项指标，饲料中能量与蛋白质应保持一定比例，比例不当就会影响畜禽的生长发育和饲料的利用率。同时，不同畜禽对饲料的数量和性质有不同的要求。如反刍动物牛、羊可以消化吸收纤维含量较高的秸秆类粗饲料，而猪和鸡则要求较多的精饲料。根据各种畜禽对饲料营养成分的要求，可计算出种植单位面积作物可提供给畜禽的饲料数量。 (1) 畜禽的营养需要量 各种畜禽的营养需要量见表 8。 表 8 畜禽的营养需要量
(2) 种植单位面积各种作物可提供牛羊饲料的数量和营养 牛和羊是反刍动物，饲料范围较广，能消化含纤维高的植物秸秆，使农业生产的副产品得到充分利用和转化，变为人类的高级食品或生产动力。役牛的功用是提供畜力，根据其劳动强度，要求不同的营养水平。肉牛和羊的主要功用是提供肉食品，生长过程中对饲料的能量和蛋白质都有一定要求。由于反刍家畜的主要饲料为植物秸秆，这些饲料的蛋白质含量低，必须添加蛋白质含量高的精饲料才能满足其快速育肥要求。通过分析发现，牛羊以秸秆作粗饲料时，不适宜用甘薯面、玉米面和棉籽饼这些低蛋白质含量的农副产品作精饲料。对于研究地段来说，牛羊的适宜饲料种类为：小麦秸、玉米秸、甘薯蔓、花生藤、大豆秸、麦麸、大豆、菜籽饼、花生饼。根据调查地区主要作物的生物生产状况，种植单位面积各种作物可提供的牛羊饲料数量和营养见表 9。 表 9 种植单位面积各种作物可提供牛羊饲料的数量和营养
(3) 种植单位面积各种作物可提供猪饲料的数量和营养 猪的饲料范围较广，除含纤维较高的秸秆类不宜作为猪饲料外，猪能消化吸收多种饲料。根据调查地区的主要作物种类，可作为猪饲料的有秸秆类的甘薯蔓粉、花生藤粉、大豆秸粉及甘薯面、麦麸和各种饼类。种植单位面积各种作物可提供猪饲料的数量和营养见表 10。 表 10 种植单位面积各种作物可提供猪饲料的数量和营养
(4) 单位面积各种作物可提供常用鸡饲料的数量及营养价值 鸡的体温高，代谢旺盛，活动力强，维持消耗所占的比重大，日粮中，碳水化合物及脂肪是能量的主要来源。根据家庭散养鸡的饲养特点和营养需要，调查地区鸡的饲料种类有玉米、麦麸、甘薯面和各种饼类。种植单位面积作物可提供的鸡饲料数量和营养见表 11。 表 11 单位面积各作物可提供的常用鸡饲料数量及营养
2.2 种养结合的优化结构模式 2.2.1 目标函数的确立 种植业和畜禽养殖业相结合是耕作制度的发展方向，要做到种植业与畜牧业的最佳配合，取得总体的最大效益，就必须把作物种植计划与畜禽业的发展规模综合起来设计模型[1]。设有 Aj(j=1，2，…，n) 种作物，A'q(q=1，2，…，Q) 种畜禽，令 Xj 为 j 种作物的规划面积，Cj 为 j 作物每公顷的纯利润，X'q 为 q 畜禽的数量（头、只），C'q 为 q 畜禽单位养殖量的纯利润（元/头、只），则种植业和畜禽业纯效益最大的目标函数为：
为了计算方便，种植业的作物和畜禽种类采用统一的变量编码，将上述方程改为：
各决策变量见表 12。 表 12 各种决策变量
根据各种作物单位面积或畜禽单位养殖量的纯利润，可以建立如下目标函数： 即：P=4503.37X1＋2048.40X2＋5055.64X3＋3723.34X4＋4958.21X5＋ 2.2.2 约束条件 (1) 面积约束 X1＋X2≤1 X3＋X4＋X5＋X6＋X7≤1 (2) 劳力约束 270X1＋180X2＋180X3＋480X4＋225X5＋195X6＋105X7＋90X8＋ (3) 畜力约束 240X1＋180X2＋450X3＋75X4＋360X5＋240X6＋300X7－1200X8=0 (4) 社会需求约束（指社会对粮棉油肉蛋的需求量） 粮：4730.00X1≥1590.31；6644.97X3≥129.71；4727.78X5≥68.67； 棉：398.50X4≥7.63 油：262.90X2＋100.00X4＋1047.60X6≥66.50 肉：22.85X8＋290.00X9≥5.45；23.50X10≥1.42；63.00X11≥52.65 蛋：15.60X12≥20.82 (5) 畜禽业饲料约束 牛羊饲料约束： 能量约束方程 74.82X1＋16.26X2＋60.80X3＋20.64X5＋55.43X6＋76.36X7－ 蛋白质约束方程 144.09X1＋357.34X2＋175.76X3＋72.94X5＋987.19X6＋ 牛羊饲料局部约束 ( 秸秆约束 ) 方程 猪饲料约束： 能量约束方程 8.54X1＋13.38X2＋6.42X4＋84.26X5＋44.39X6＋2.93X7－6.14X11≥0 蛋白质约束方程 72.37X1＋351.02X2＋131.43X4＋120.95X5＋880.81X6＋103.97X7－62.10X11≥0 鸡的饲料约束： 能量约束方程 5.26X1＋9.65X2＋103.52X3＋4.54X4＋61.72X5＋21.84X6－0.51X12≥0 蛋白质约束方程 115.65X1＋416.37X2＋631.98X3＋188.42X4＋200.34X5＋783.00X6－6.79X12≥0 (6) 非负约束 Xj≥ 2.2.3 种植业和畜禽业结合的优化结果 根据以上分析的各项参数和约束条件，按照综合经济纯效益最高的目标进行规划，其运行结果见表 13。目标函数值 =19653.84 元/hm2。 表 13 种植业和畜禽业结构优化结果
从以上分析可知，优化后的种植业和畜禽业结构可以使 1hm2 农田面积的纯收益达到 19653.84 元，比优化前的 11620.03 元提高了 69.14%。从优化的种植业结构来看，夏收作物小麦和油菜的种植安排中，小麦占 100% 的种植比例，油菜的种植面积为零，说明从有利于种植业和畜禽业总体经济效益的角度，应多种小麦，少种油菜，因为小麦不仅经济效益高，而且可提供较多饲料，这一优化结构符合当地实际；对秋作物来说，应以花生和玉米为主，其它作物面积尽量减少，花生和玉米不仅产量高、经济效益好，而且可以提供较多的畜禽饲料，尤其花生能提供较多的蛋白质饲料，有利于种植业和畜禽业的协调发展。从优化的畜禽业结构来看，各种畜禽所占比重有了明显改善，役牛为 0.472 头，即满足畜力需求为原则；羊的数量应当减少；除大力发展生猪外，发展肉牛有着广阔前景，同时家禽数量应适量增加。 通过对优化系统的综合效益进行定量评价，结果为：优化后的农业生态系统的综合效益比优化前明显提高，综合效益指数提高 33.48%。优化结果使系统的结构趋于协调化，整体效益明显优于优化前。 3 结论 为了调查地区种植业和畜禽养殖业的协调发展，达到较高的经济纯效益和良好的生态、社会效益，本研究对河南省封丘县潘店乡典型的农业生态系统进行了种养结合的优化设计。其主要结论如下： (1) 调查地区夏收作物应多种小麦，少种油菜。秋作物应以花生和玉米为主，其它作物面积尽量减少。 (2) 畜禽养殖业应大力发展生猪，羊的数量应当减少；役牛以满足畜力需求为原则，发展肉牛有着广阔前景，同时家禽数量应适量增加。 (3) 优化结果使农业生态系统的结构趋于协调化，整体效益明显提高。综合效益指数提高了 33.48%。优化方案对该地区农业生态系统结构调整具有一定指导意义。 参考文献
第一作者简介 杨修，男，1961 年 11 月生，中国科学院生态环境研究中心博士后。研究方向为农林复合经营、乡村可持续发展及退化生态系统的恢复和重建。发表科研论文多篇，并获得多项科研成果奖励。
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| 文章录入：ahaoxie 责任编辑：ahaoxie | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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