草地农业从结构性描述到精确化发展刍议

草地农业:从结构性描述到精确化发展刍议1林慧龙（兰州大学草地农业科技学院，甘肃草原生态研究所，兰州730020）摘要：从草地农业的雏形--草原学，发展到草业科学，历史发展的脉络反映出，草地农业经历了草原分类、草原生产流程、草地农业生态系统的结构、界面论、时间地带性等结构性描述的过程，正步入精确化发展阶段。这是生产和科学本身发展的需要，也是生产和科学发展过程中提出的命题。本文提出：1）包括生态服务价值评价、健康评价在内的生态经济评价理论与方法的探索，将成为草地资源精确化评价的新方向；2）综合运用多种非线性科学方法解决草地农业生态系统的系统耦合和系统相悖的数量化工作可能是系统耦合和系统相悖理论研究和实践的一个非常有前途的方向；3）研究草地农业3个界面的动力学机制的草地农业生态动力学(Pastoralagroecosystemdynamics)将为草地农业精确化发展提供有力的技术支持。由于草地农业涉及了广泛的学科领域、复杂的生产层次和众多的研究手段，系统内的及系统间的优化处理已经成为常规工作，精确化过程产生了许多的学科分支及方向，但众多方面都还需要艰难地探索，但精确化发展的方向已成为大势所趋。关键词：草地农业，结构性描述，精确化发展草地农业是在非生物（大气与土地）、生物（植物、动物、微生物）与社会因素（劳动生产因素、科技等）相互作用形成的具有一定结构的，以草本植物为基础，有家畜或野生动物生存，以收获饲用植物和动物及动物产品为主要生产目的的农业生态系统的一个分支。社会劳动因素对于草地农业生态系统的发生与发展起着越来越重要的作用，是系统进化的内因，这一点有别于自然生态系统[1]。一切农业系统都是自然生态系统人为农业化的结果。这一基础决定了草地农业生态系统的双重性，既要遵循自然生态系统的基本规律，又要满足社会对农业生产的要求[1]。草地农业生态系统由社会因素，生物因素和非生物因素3类因素构成。应该特别强调的是由于科技的进步、人口的增加和生活水平不断提高，人类社会对土地资源的压力与日俱增,对草地农业的认识也相协增长，正在从结构性描述阶段步入精确化发展阶段。1．结构性描述的历程无论从传说中的伏羲氏的适应性游牧系统，还是俄罗斯是由地学背景，在欧洲农学传统的基础上，结合草地畜牧业而形成的草原科学体系;北美以畜牧学为背景，结合地带性学说而形成的草原学体系;欧洲大陆以农业科学为背景形成的草原科学系统[2，3]。历史发展的脉络反映出，草地农业系统是自然因素与人文因素的交叉，草地农业的发展充分说明了这一结构性描述的历程。1.1草原类型的理论，就是在草原发生与发展规律指导下，探讨草原这一资源所包含的各类草地的发生学关系，确定其发生的系列，从而更深刻、更正确、更全面和动态地认识与反映草原这一生产资料的科学，也是合理开发利用和改造利用草原的理论基础。由于所处的自然条件、生产力发展水平及科学技术条件的限制，世界各地的草原工作者提出了许多不同的分类系统。这些系统大致可以分为地植物学分类法、土壤——地植物学分类法，植物地形学分类法、农业经营分类法、气候——植物学分类法和气候——土地——植被综合顺序分类法基金项目:教育部“博士点基金项目”（20030730008）、甘肃省自然科学基金（3ZS041-A25-006）和农业部草地农业生态系统学重点开放实验室经费资助。作者简介：林慧龙，（1965-），男，辽宁沈阳人，副教授。E-mail:[e-mail]-1-[4-10]。综合顺序分类系统把水热特征作为基本指标，把全部草地分为8个热量级、6个湿润度级，以作图的方法，制成草原分类检索图（KeychartofGrasslandClassification）。这个分类系统可以把草原经向分布规律、纬向分布规律及垂直规律统一描述在水与热指标之中。但是不同草地(grassland)之间相似及不相似的程度，只有以类作为基本单位才能加以探讨[4-10]。1.2草原生产流程。在草原生态系统中，从日光能及无机物转化为植物有机物（牧草），从牧草转化为动物产品。至少要经过6个转化阶才能达到可用畜产品[11]。1.3草地农业生态系统的结构与功能。草地农业生态系统具有4个层次的生产，即前植物生产层（自然保护区，水土保持，草坪绿地，风景旅游等），植物生产层（牧草及草产品等），动物生产层（动物及其产品），后生物生产层（加工、流通等）。后生物生产层是植物、动物产品加工和流通而实现社会化的过程，其生产效益可能超过以上各个生产层的若干倍[1,12]，使草业的内涵更加丰富，特别是向前植物生产层和后生物生产层的扩展，使草业系统的功能和效益将得以充分发挥和大幅度提高。1.4界面论。草地农业生态系统存在3个主要界面，即草丛—地境界面（界面A），草地—动物界面（界面B）和草畜—经营界面（界面C），研究界面中的一系列生态过程，是阐明系统行为特征的简捷途径[1，13]。生态系统的开放性通过界面实现，它与外界进行能量、元素和信息的交换。界面是生态系统与外界联系的通道。界面某些部分物质和信息流较为密集，某些部分则较不密集，前者是功能活跃区，单一的草地一家畜界面向前延伸到地境一草丛界面，向后延伸到草畜一社会界面。于是形成一个独立的“行业”，这就是“草业农业”。草业农业自然引发了草业科学的发生与发展。草业系统正是通过3个界面而次第完成其系统进化的[1，13，14]。1.5生物的时间地带性。生物有机体为谋求生存阈限的扩展，突破地理地带性的局限，对地理地带性加以剪裁、连縀，排除不适宜自身生存的环境时段，截取适宜自身生存的环境时段所构建的生存时空体；生物的时间地带性是生物对地球运动(自转与公转)造成的节律适应的结果。时间地带性依赖于空间地带性，不同的空间地带内，时间带谱的基带不同，并在空间地带性的基础上呈现为螺旋状往复循环，是生态要素的时间周期性变化规律的体现。时间地带性与空间地带性一样，都是依赖于尺度(时间尺度与空间尺度)的生态要素分布过程，带谱的成分、范围均随着尺度的变化而变化，生物通过不同的生态策略来适应这种变化。人类农业活动已经取得一些成效，但只能在小尺度上调节时间地带性，不能改变空间地带性[1，15]。2精确化发展阶段精确化发展，是生产和科学本身发展的需要，也是生产和科学发展过程中提出的命题。当前，知识经济在21世纪成为日益重要的经济模式，这是人类在吸取过去失败的经验教训和文化素质提高后的必然产物。在农业生产方面由“自然农业自发农业现代农业可持续发展农业“过渡，主要表现形式为农业智能化、信息化和生物技术的广泛应用，概言之即精确化。→→→由于草地农业涉及了广泛的学科领域，复杂的生产层次和众多的研究手段，是过去从未经历过的。说起来千头万绪，其间有许多“灰色”或“黑色”区；系统内的及系统间的优化处理已经成为常规工作，精确化过程产生了许多的学科分支及方向，但众多方面都还需要艰难地探索，但精确化发展的方向已成为大势所趋。2.1草地资源调查与草业地理信息学的产生草地资源的合理利用和生态平衡维持是一个根本问题。合理的放牧强度，适宜的牲畜种-2-类，昀佳的放牧季节和合理的畜群分布，都是以对草地资源认识为基础的，只有在精确化的资源数据的基础上，才能据此做出正确的判断和采取适当的措施，以期取得昀佳的生态经济效益。采用一般传统的方法和技术是不可能实现这一宏伟目标的。因此，为解决可再生生态资源—草地资源的调查、动态监测与估产、草地管理利用及自然灾害预报中存在的各种问题，必须寻求其战略对策和发展相关的应用技术。遥感技术可以迅速了解畜群动态、分布和草原植被的生长、消耗等，具有巨大的精确化优势。从草原植被的样方测查到GIS技术的应用及草业地理信息学的产生，恰反映了草地资源调查从一般性描述到精确化发展的过程[16-19]。2.2草地资源的草业评价草地农业作为一种农业生态系统，它具有前初级生产、初级生产、次级生产、后次级生产四个生产层次。不同的生产层次有不同的目标效益，因而有其各自的价值系统和评价体系。多年以来众多学者一直致力于其精确化评定，产生了许多新的方法和理论。2.2.1前植物生产层的评价草地的资源属性早期只是用作野生动物的栖息地，进入畜牧社会以后，草地作为放牧家畜放牧地，就有了农业属性，由此发展为各种类型的畜牧场。与此同时在家畜放牧过的短草地上游乐嬉戏，出现了高尔夫草地的雏形，草地的休闲功能被初步认识。随着生活水平的提高，草地逐步成为高尔夫、草地保龄球、草地网球以及足球、橄榄球、跑马场的地被物，更是园林艺术不可缺少的组分。草地生态功能在我国经过长久被忽视而受到教训以后，目前也受到空前的重视[1，20]。据美国学者Costanza等[21]估计草地的生态功能估价为200美元/hm2，依此标准计算，我国4亿hm2草地，起价值高达800亿美元，这是一笔惊人的财富[22，23]。草地健康评价用草地基况（Condition，C）、草地活力（Vigor，V）、组织力（Organization简称O）和恢复力（Resilience简称R），即CVOR做为综合评价草地农业生态系统健康的体系，健康的草地生态系统服务是全价的，健康系数和有序度均为昀大化；处于不健康阈值以下的生态系统，有序度和健康系数趋近于零，其服务价值也将趋于零[1]。草地为陆地总面积的50％左右，如此巨大的占地份额，使得草地对生物多样性、净化大气、涵养水源、防治防沙以至全球变化的贡献等生态功能将是我们今后精确化估量的新目标。2.2.2初级生产层评价对草地净第一性生产力(NPP)的确定充分展示了从结构性描述到精确化发展的轨迹：草地植物净第一性生产力(NPP)的研究对于合理利用草地资源，充分发挥草地气候生产潜力，昀大限度地提高草地产量以及对草地农业生态系统中的碳循环研究都具有重要的指导意义而备受重视。由于NPP对气候(温度、降水等)因子及营养元素(C、N、P等)具有很强的依赖性。有统计关系发展而来的气候生产力统计相关模型包括Miami模型、ThornthwaiteMemoria模型，优点是建立在大范围上的观测数据,因此更适合于描述大区域以至全球尺度上的情况,其不足之处是对特定的地区、特殊情况下的NPP估计值与实测结果可能相差较大。其后由于生理生态学的发展，以生理生态学的机理为基础,在某些参数的选定上则采用经验方法,而形成了半经验半理论模型，这其中较为著名的有：Chikugo模型、周广胜模型等。但该类模型的前提条-3-件是在实验室条件下进行的,与实际生态系统往往有较大差异。基于有限范围上的观测结果和实验室中所得到的数据,通过过程模拟对特定的植被类型或在有限区域范围内给出较精确的估计值,从而形成了NPP过程模型，如牧草生长模拟模型、景观和区域生理生态仿真模型，由于过程模型所用到的环境因子较多,具体使用时有很大限制,且所采用的许多参数在外推到另外一个地区时需要做进一步检验和修正。随着遥感技术的发展,以卫星遥感数据作为信息源的植被净第一性生产力研究已显示出其优越性。使得其成为NPP模型的一个主要精确化发展方向[24-36]。2.2.3次级生产层的评价20世纪60年代末，任继周针对载畜量单位在评定草原生产力中存在的弊端，提出了畜产品单位的概念。1978年建立了评定草原生产能力的新指标——畜产品单位（Animalproductunit，简称APU）体系。畜产品单位体系是一个评价草原生产力的新概念和新尺度，它具有下列的重要科学意义。1、它是根据草原生态系统的理论，确定了在草原畜牧业生产中，牧草、载畜量、畜产品是不同转化阶的产品，分别反映草原的基础、中间和昀终生产力，畜产品单位指标可以评价和反映草原生产昀后一个转化阶的真实生产力。2、畜产品单位指标把家畜作为草原的生产资料与产品在属性上区分了开来，从而排除了长期存在的草原家畜头数指标在生产中造成的误差和假象，反映了草原生产的真实效率。3、畜产品单位