草地是我国重要的陆地生态系统, 覆盖了约41.7%的国土总面积^[1], 既是畜牧业健康发展不可或缺的物质基础, 也在防风固沙、生物多样性保育等方面提供了极其重要的生态系统服务。我国草地分为北方温带草原、青藏高寒草原与南方草山草坡。其中, 北方草原和青藏高原的生态保育压力巨大, 实际载畜量已经逼近甚至超过生态承载力, 难以继续增产, 因此难以满足我国人民群众对优质肉奶产品日益增长的需求^[2—4]。鉴于此, 南方草山草坡的生态草牧业发展, 在满足人民群众的肉奶需求方面, 具有重要的意义。自2010年以来, 我国政府相继出台了一系列政策, 明确提出促进南方草牧业的发展。2014年, 农业部办公厅与财政部办公厅联合发布《关于做好2014年南方现代草地畜牧业发展工作》的通知, 强调在保护生态环境的基础上, 合理开发利用南方草山草地资源。2020年, 国务院办公厅发布《关于促进畜牧业高质量发展的意见》, 进一步强调南方草山草坡地区的草地改良和人工草地建植的重要性。2022年, 农业农村部印发《“十四五”全国饲草产业发展规划》, 提出因地制宜挖掘南方地区饲草生产潜力。这些政策的出台, 体现了国家层面对南方草牧业发展的空前重视。我国南方草山草坡资源丰富, 面积高达7.34亿hm², 四季常青, 产草量高, 蕴藏着发展畜牧业的巨大潜力^[5]。研究表明, 高水平开发南方草地1330万hm², 可使年产牛羊肉能力高达300万t^[6]；同时, 南方地区市场需求旺盛, 发展草牧业具有显著的经济价值^[7]。然而, 目前南方草牧业仅利用了20%—50%的天然牧草, 且现有放牧地多集中在丘陵岗地和农林隙地^[8], 粗放的牧业管理导致草地生态退化问题严重^[9]。加之, 未来南方草牧业的发展必然会导致集中连片的高山草地的开发^[8]。这些高山草场暴露在较高的人类活动压力下, 极有可能产生生境破碎化、物种多样性下降等生态负面问题。因此, 我们需要聚焦南方草牧业的生产与生态协同问题, 深入分析南方草地天然饲草产量的空间分布格局, 评估南方草地的生态系统服务分布, 进一步探讨不同区域生态草牧业可持续模式, 以权衡南方草地的生产和生态功能。

草地畜牧业的生产生态协调研究, 基于草畜供需理论, 致力于评估草地的自然产草量与牲畜饲草需求, 以平衡草地生态系统健康与畜牧业的持续发展^[10]。其基本思想是将草地初级生产力合理分配于放牧家畜饲养和维持生态系统服务两个方面, 进而实现协同草地生态系统健康和畜牧业持续发展的双重目标。技术层面上, 天然草地产草量估算是权衡和协同草地生产和生态功能的基础与前提。目前, 天然草地生产力测定主要依赖于实地测定和模型估测两种方法^[11—12], 各有其优缺点和局限性。实地测定方法虽精确, 但受限于资源和自然条件使其难以广泛应用^[13]。而基于遥感模型的产草量估算尽管能够快速获取大范围的草地覆盖度、生物量等数据^[14—16], 但其分辨率和数据处理技术仍是其瓶颈。牲畜饲草需求量的估算则通常基于牲畜饲养数量与家畜存栏量进行, 尽管家畜单位、畜牧日采食量等方面逐渐标准化的方法日益完善, 但家畜存栏结构、头数核算等相关参数选择仍存在争议^[17]。另外, 科学评价放牧草地生态承载力的研究集中在我国北方, 在我国南方草山草坡地区的相关研究仍不充分, 大多集中于定性分析^[18—19], 仅有少量的研究聚焦于分析少数县域的畜牧业经济发展^[20—22], 鲜少从定量的角度评估南方草地畜牧业的生产生态协同与权衡。因此, 本研究旨在填补这一空白, 通过评估南方草地的天然牧草产量和存栏量, 分析草畜供需状况, 随后利用生态系统服务模型定量分析南方草地的生态功能和价值, 最后讨论实现南方草地生产生态权衡的发展思路。

1 研究方法与数据来源 1.1 研究区概况

我国南方地区具有丰富的草地资源, 天然草山草坡的总面积达7958.47万hm², 占全国草地面积的20%, 是支撑南方地区畜牧业发展的关键优势。该区域的气候特征表现为典型亚热带季风气候与热带季风气候, 夏季高温多雨, 冬季温和多雨, 无霜期均在300 d以上, 降水量丰沛, 大部分地区年降水量在800—1600 mm之间, 适宜牧草生长^[23]。良好的自然条件使得南方草地具有单位面积生产力高、牧草生长期长、营养元素全面以及可利用时间长等优点；但目前南方90%的草地面积尚未得到充分利用^[9]。近年来, 随着北方禁(休)牧政策以及肉奶需求的持续增长, 国家对南方草地畜牧业的政策扶持力度不断加大, 推动了南方的畜牧业发展。2014年, 农业部启动了“南方现代草地畜牧业推进行动”, 该行动覆盖了江西、安徽、福建、湖南、湖北、广东、广西、重庆、四川、云南和贵州等十一个省份, 旨在大力推进南方十一省草地畜牧业发展。自该行动实施以来, 南方牛羊存栏量整体呈缓慢增加态势, 以四川省牛羊存栏量最高, 峰值时存栏量分别为985.3万只与1782.3万只。鉴于数据的可获得性和代表性, 本研究选取了云南、四川、贵州、湖南、湖北、江西、安徽、广东八个南方省份作为研究区。

1.2 数据来源

本文的数据来源主要包括四个方面, 分别为草地分布数据、遥感数据、统计年鉴和农业行业标准。为了精准提取草地范围, 本研究使用1 ∶ 100万比例尺的中国植被数据集, 由中国科学院资源环境科学数据中心(https://www.resdc.cn)提供。遥感数据包括植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)、土地利用、气象、数字高程模型(DEM)。植被NPP、土地利用、DEM均来源于中国科学院资源环境科学数据中心。气象数据来源于国家地球系统科学数据中心。研究区各市牲畜(牛和羊)存栏头数来源于2000—2020年各省统计年鉴, 用于核算各市牲畜饲草需求量。通过查阅农业行业标准及文献, 获得标准家畜单位饲草日食量^[17]、家畜单位换算系数^[24]、牲畜饲草结构^[25]等参数。除此之外, 通过相关文献获取地上碳密度、地下碳密度、土壤碳密度与死亡有机质等数据。

1.3 研究方法 1.3.1 草地产草量测算方法

草地天然产草量测算是草畜供需动态评估的基础。本研究基于南方草地分布与植被NPP数据间接估算各市草地产草量。通过将1 ∶ 100万草地植被空间分布数据与2000—2020年植被平均NPP数据进行叠加以获取草地NPP。对研究区草地NPP进行区域统计测算平均草地植被碳密度, 进一步将其乘以各市草地面积, 得到研究区各市草地植被碳储量。依据目前国内外通用的草地植被干物质碳储量与植被生物量换算系数估算草地干草产量。

(1)

式中, S_p指研究区p市的草地干草产量, 单位为g; N_p是各市平均草地NPP, 指草地生态系统的植被碳密度, 单位为g C/m²; A_p是各市草地面积总量, 单位为m²; C为草地植被干物质生物量与碳的换算系数, 国际通用指数为0.45^[26]。

1.3.2 牲畜饲草需求量测算方法

牲畜饲草需求量是指能够满足饲养牲畜需求的草量。本文将2000—2020年研究区各市牛(羊)存栏数分别乘以草食牲畜折算系数, 换算成牛(羊)单位, 再乘以牛(羊)单位的日采食标准干草量, 最后乘以天然牧草饲喂比例即可得到牲畜饲草需求量, 具体的计算公式如下：

(2)

式中, D_p即研究区p市的牲畜饲草需求量, 单位为Kg; I指1个羊单位的日采食标准干草量, 按照中华人民共和国农业行业标准NY/T 3647—2020, 取值为1.6 Kg; d指研究范围内天数, 在研究中取365, 即分析一年的饲草需求量; Q_p为研究区牲畜(牛和羊)年底存栏头数, 取2000—2020年平均值, 为提高饲草需求估算的准确性, 根据畜群结构的经验数据将牲畜分为成年畜与幼畜, 即某一畜群中幼畜占牲畜年底存栏总数的30%; E_unit是草食牲畜对羊单位的折算系数, 根据中华人民共和国农业行业标准NY/T 3647—2020中牛羊存栏量换算羊单位估算所得; E_g指牲畜采食量中天然牧草饲喂比重, 根据《全国农产品成本收益资料》、草食畜牧业饲料构成计算所得^[25]; O_p为研究区牛羊规模养殖的比例, 根据各省畜牧饲养规模情况估算所得。

1.3.3 草畜供需分析

基于草地天然产草量与牲畜饲草需求量的关系来评估监测单元的草地资源利用程度。本文将已测算的草地产草量与饲草需求量作差, 即得到研究区牧草供需差值, 计算公式如下：

(3)

式中, G_p指研究区p市牧草供需差值, 若差值为正, 表明饲草供给大于需求, 牲畜饲草盈余；若差值为负, 则表明饲草供不应求, 只有部分牲畜饲草需求得到满足, 这意味着畜群已经超过承载力。

1.3.4 生态系统服务分析

我国南方地区具有重要的水源涵养和生物多样性保护功能。然而, 过度开垦、城市化扩张等人为干扰, 破坏了原有的生态系统, 导致生态系统服务功能退化。本研究基于InVEST模型对南方八省地区的三种重要的生态系统服务, 包括碳储量、产水量和生境质量, 进行了评估。

碳储量一般包含地上生物量、地下生物量与土壤和死亡有机质, 其随时间变化的原理在于土地利用从一种类型至另一种类型的转变。本研究采用InVEST模型中碳储存模块进行量化^[27], 计算公式如下：

(4)

式中, C_total、C_above、C_below、C_soil与C_dead分别代表总碳储存量、地上碳储存量、地下碳储存量、土壤碳储存量和死亡有机质碳储存量, 单位为g C/m²。考虑到死亡有机质碳储存量含量很小且难以获取, 故本研究中取C_dead值为0。

产水量是多种生态服务与过程的基础, 其计算原理是区域降雨量减去实际蒸散发量^[28]。本研究采用InVEST模型中产水模块进行量化^[29], 计算公式如下：

(5)

式中, WY_x代表栅格单元x的产水量(mm)；AETx代表栅格单元x的实际蒸散量(mm)；P_x代表栅格单元x的年降雨量(mm)。

生境质量代表栖息地景观的生物多样性, 高质量的栖息地具有较高的生物多样性潜力。本研究采用InVEST模型的生境质量模块进行量化^[30], 计算公式如下：

(6)

式中, Q_xj代表土地利用类型j中栅格x的生境质量, 其取值通常在[0, 1]之间, 数值越高意味着生境质量越好；H_xj代表土地利用类型j中栅格x的生境适宜度；D_xj代表土地利用类型j中栅格x的生境威胁水平；k为半饱和常数；z为归一化常量。

2 结果分析 2.1 南方八省草地NPP与产草量分析

我国南方草地面积在各个地区分布不均, 呈零星分散的分布特征。在市级尺度上, 草地面积总体上由西向东逐渐减少(图 1)。南方八省草地总面积为2.97×10⁵ km², 各市的草地面积差异显著, 草地面积介于0—5.78×10⁴ km²之间。南方草地资源表现出显著的空间不均衡性, 特别是在云南、四川西部、贵州和江西南部, 草地面积集中, 34个市域的平均草地面积超过2000 km², 这些地区草地面积占研究区域总面积的93.59%。相较之下, 湖北、安徽和广东的草地面积较少。草地单位面积的初级生产力与草地面积的空间分布格局相反。四川西部地区各市域草地初级生产力相对较低, 介于260—488 g C/m²之间。但其东部和南部地区, 比如广东省和云南南部市域的草地NPP相对较高, 普遍在700 g C/m²以上。

南方八省的总干草产量高达4.49×10¹¹ kg, 受草地面积和单位面积生产力的差异影响, 市域尺度的干草产量也呈明显的空间差异(图 1)。云南、贵州与四川西部等西南地区各市的干草生物量最高。除此之外, 江西东部部分市域干草生物量也较高, 这一空间分布结果总体上服从草地面积分布格局。研究还发现, 尽管广东与湖南的部分市域草地面积相对有限, 但因单位面积生物量高, 其市域干草生物量也保持在较高水平。

2.2 南方八省牛羊饲养量与饲草需求量分析

南方八省的牛羊饲养量与饲草需求量均具有鲜明的空间差异。首先, 畜群存栏和结构的空间差异较强(图 2)。南方八省牛存栏总量大于羊存栏总量, 2000—2020年, 八省年均值分别为7138.17万头与5431.90万头, 各市年均值分别为57.11万头与43.46万头。其中66个市以饲养牛为主, 集中分布在广东(21个)、江西(9个)与湖北(8个)等地区；其余59个市则以饲养羊为主, 主要分布在四川(19个)、安徽(10个)与云南(9个)等地区。从空间分布来看, 市域牛存栏量大体由西向东呈U型分布, 牛存栏最高的市域分布在四川省和广东省(图 2)。其中, 位于四川的甘孜藏族自治州与阿坝藏族羌族自治州, 以及位于广东的湛江市、茂名市、肇庆市、清远市与阳江市, 是南方饲养牛的关键地区, 这些地区牛饲养量总和占研究区总量的33.10%。与牛饲养量的空间分布不同, 南方地区羊存栏量整体表现为西多东少的空间分布格局(图 1)。其中四川凉山彝族自治州的羊存栏量最高, 其次为云南曲靖市与大理白族自治州, 三者羊饲养量总和占研究区总量的21.74%。南方八省各市牛的饲草需求量远远高于羊的饲草需求量, 分别为5.42×10¹⁰ kg与9.87×10⁹ kg。这一结果意味着饲养牛为主的地区对草地资源的需求更高。从空间分布来看, 牛和羊饲草需求量与其饲养量的空间匹配较好。广东与四川部分市域仍是牛饲草需求量的关键区(图 2), 四川与云南部分市域则是羊饲草需求量较高的地区(图 2)。

2.3 南方八省草地的“草畜平衡”

南方八省地区全域总体上不存在超载放牧问题, 但是在局部地区, 存栏牛羊头数已经超过当地草地的生态承载力。研究区草地的自然产草总量为4.49×10¹¹ kg, 牛羊饲草需求总量为0.64×10¹¹ kg, 牧草供给量远大于需求量。从空间分布来看, 南方八省共89个市域天然饲草盈余, 当前天然牧草需求量远远低于这些地区草地的生态承载力, 具备进一步发展畜牧业的潜力。这些区域集中分布在云南省(16个)、四川省(15个)、广东省(13个)与江西省(11个)。除此之外, 研究区共36个市域天然饲草供应不足, 且存在不同程度的饲草缺口, 饲草缺口量介于2.10×10⁷—5.06×10⁹ kg之间, 供给总缺口为1.89×10¹⁰ kg。牧草供给不足的区域较为分散, 分布在湖北省(10个)、广东省(8个)、湖南省(6个)与安徽省(6个)等地区。

本研究划分了南方八省89个市域的天然饲草潜力等级, 揭示了南方草地畜牧业潜力的空间差异(图 3)。其中, 四川甘孜藏族自治州与阿坝藏族羌族自治州, 以及云南红河哈尼族彝族自治州、普洱市与临沧市, 因其丰富的草地资源而具有极高的畜牧业发展潜力。此外, 研究还识别出具有较高的草地畜牧业发展潜力的23个市域, 主要集中在云南省(13个)、贵州南部(5个)以及江西南部(4个)等地区。具有中等潜力的市域分布则较为广泛, 涵盖了除云南省以外的其他省份的20个市域。相比之下, 草地畜牧业发展低潜力的地区最多, 共计41个市域, 主要集中分布在安徽省(9个)、广东省(8个)、四川省东部(8个)与湖北省(6个)。

2.4 南方八省草地畜牧业发展的生产和生态权衡

南方八省碳储量、产水量与生境质量三种生态系统服务功能的空间分布格局(2020年)各具特色, 如图 4所示。碳储量作为固碳能力的衡量标准, 其分布较为均匀, 市域碳储量范围在538.21—1093.21 g C/m²之间。产水量服务功能则在江西省和湖南省西部地区表现突出, 平均产水量分别为947.37 mm和981.74 mm, 为水资源的合理管理和保护提供了关键的地理信息。除此之外, 南方八省的生境质量呈现出高低交错分布的特点。生境质量是衡量生物多样性和生态系统健康状态的重要指标, 33%的市域生境质量大于0.5, 主要分布在生物多样性丰富的云南省与四川省。这些地区通常拥有较为完善的自然保护措施和较低的人为干扰, 为生物多样性提供了良好的生存条件。相对地, 生境质量较低的区域, 常常是植被稀疏、建设用地密集的地区, 这些区域由于受到较多的人为活动影响, 其生态系统服务功能受到了一定程度的损害。

在草牧业发展潜力较高的区域, 草地不仅展现出了卓越的固碳能力, 还提供了丰富的水资源, 并维持了生物多样性和生态平衡的优越栖息地(图 5)。特别值得注意的是, 云南省(15个市)与四川省(10个市)拥有较高的草牧业发展潜力, 它们不仅提供了良好的生境质量, 其平均值为0.52, 而且在碳储量和产水量方面也表现出色, 分别为837.24 g C/m²与515.66 mm。这意味着在这些区域推进草牧业发展的同时, 将会削弱其生态系统服务功能。草牧业的扩张可能会导致草地退化, 影响其固碳能力和水资源的可持续供应, 进而降低生境质量。因此, 必须在草牧业发展和生态保育之间找到平衡点, 以确保生态系统服务的长期稳定。

3 讨论

本研究表明, 我国南方草地总体上天然牧草的产量较高, 因此有很大的草牧业发展潜力；然而, 草牧业发展潜力高的区域, 生态系统服务也非常高。因此, 南方草地发展草牧业面临着重要的生产生态权衡问题。同时, 研究也表明, 南方草地生态系统存在空间异质性, 因而生态草牧业的发展也应该根据这种生态异质性而因地制宜地制订相应的策略。

南方草牧业生产潜力高和生态系统服务高的地区分布较为一致。这些区域通常位于经济发展的边缘地带, 远离经济中心, 地理位置相对偏僻。由于当地经济发展水平较低, 传统产业在经济结构中占据主导地位, 因而这些地区尚未经历高强度的草地开发和利用。这种相对原始的状态为草地生态系统保留了较为完整的栖息地, 减少了水土流失, 增强了产水能力, 使得天然草地能够集中连片分布, 保持了较高的生态完整性。这些地区大部分气候温和, 牧草生长茂盛, 是天然放牧和建设人工草地的良好场所, 具备进一步发展草牧业的潜力空间。然而, 草牧业的快速发展也可能带来一系列较为严峻的生态问题^[31—32]。一方面, 南方草地已经出现了因过度放牧导致的水土流失问题^[33—35], 突出表现为涵养水源能力下降^[36]。这些问题在安徽豪州市与阜阳市等区域已经较为严峻。此外, 过度放牧还会导致植被生物量无法返还生态系统^[37], 进而导致生态系统固碳能力下降的问题^[38—39]。同时, 生态环境破碎化叠加过度的人类干扰也导致了湖北武汉市与广东湛江市的草地生物多样性严重下降^[40—42]。另一方面, 不合理和未加利用的畜牧粪便及畜牧业产品生产加工过程中产生的营养性污染物, 会导致水体和土壤富营养化等面源污染问题^[43—44]。因此, 我们需要未雨绸缪地应对我国南方地区草牧业生产发展会带来的生态环境问题。

鉴于南方草地生态系统的空间异质性, 生产生态权衡和协同策略也应该是因地制宜的。这种因地制宜的方法不仅可以保护和优化生态系统服务, 而且还能够促进当地草牧业的可持续发展, 实现生态保护与经济增长的平衡。在生态系统服务高的地区, 应以生态保育为最为优先的事项, 制定严格的生态保护政策, 限制畜牧业规模, 避免过度放牧和草地退化。通过立法保护关键生态区域, 如水源地、珍稀物种栖息地等。在生态系统服务中等、草牧业发展潜力较高的区域, 如四川和云南等地区, 可以适度发展草牧业, 但同时需要加强草地管理和生态监测, 确保草牧业发展不会损害生态系统服务功能, 实现生态与经济的双赢^[45—46]。在生态系统服务低、草牧业发展潜力较低的区域, 如湖北与安徽等地区, 要侧重于生态修复。这些区域要首先进行生态恢复, 如推广秸秆补饲和植被恢复的生态管理措施, 以提升与修复生态系统服务功能^[47]。然后, 在研判导致畜牧业发展潜力和生态系统服务水平双低的气候生态和水土地理因素的基础上, 可以适度地发展畜牧业, 使修复后的草地成为人类干扰较少的荒野, 以此尽可能地发挥和提升这些区域的生态功能。除此之外, 建立跨区域协调机制, 协调不同地区的生态保护和草牧业发展策略, 实现区域间的生态平衡和资源优化配置。

综合上述分析, 南方八省草地畜牧业的发展必须在生态保护和经济发展之间找到平衡点。通过科学评估、合理规划、技术创新、政策支持和社区参与, 探索出一条生态友好、经济可行的畜牧业发展之路^[48—49]。因此, 国家有关部门应把南方草地纳入全国草地统筹范围, 完善南方草地监理机构, 建立科学化管理体系和考核机制。采取种植和养殖相结合的方式利用畜禽粪便、促进就地就近还田利用, 依据生态承载力优化调整畜牧业区域布局, 引导市场主体加大对南方现代化草原生态牧场的投入, 推广智能养殖、种养循环、疫病防控等新生产技术和模式, 加快培养和造就较高素质、有技能的新型牧民。同时, 加强扶持力度和政策支持, 根据南方草地特点, 实施禁牧、休牧、轮牧等政策措施, 建立草原畜牧业生产方式转变补偿制度。通过这些政策措施, 可以有效地提高南方草地的利用效率和生产力, 促进草地畜牧业的可持续发展, 同时保护和改善生态环境, 实现经济、社会和环境的协调发展。

本研究聚焦南方草牧业的生产与生态协同问题, 依据现行草畜供需计算体系对南方八省市级尺度的草牧业发展潜力进行了评价, 并探讨其对生态保育的潜在影响, 但研究尚存在一些局限性。首先, 本研究利用现有的植被NPP数据与南方草地分布数据间接测算了草地NPP, 这一过程可能缺少一定的机理性, 无法表达模拟对象的内在规律。尽管如此, 将本研究的测算结果与现有南方草地NPP遥感估算结果相比较, 两者结果较为相似, 表明测算结果是可行的。其次, 在草畜供需核算中, 采用年末存栏数作为牲畜头数的统计数据存在争议。有学者认为年底为牲畜的产仔旺季, 牲畜数量变动较大, 不适宜作为统计数据。再者, 本研究对规模化饲养与散户饲养的牲畜饲草结构等参数进行了初步估算, 但目前所采用的参数相对粗略。未来需要结合实地调研数据, 对不同饲养模式下的牲畜饲草结构进行深入分析, 采用更精细的本地化参数以提高准确性。

4 结论

本研究揭示了南方地区草地畜牧业的发展潜力及面临的生产生态权衡问题。总体而言, 南方八省在发展草地畜牧业方面具有较大的潜力和优势, 但也面临着生态环境退化的挑战。南方八省的草地资源总量丰富。四川西部、云南、贵州和江西南部的草地面积较为集中。值得注意的是, 尽管四川西部地区的草地面积广阔, 但草地生产力处于较低水平, 因此需要严格执行草畜平衡和休牧轮牧等生态可持续管理模式。相比之下, 广东、湖北、湖南等东部省份的草地面积较少, 但草地生态系统的生产力水平较好, 意味着这些地区发展集约化草牧业生产模式较为高效。同时, 我们需要清醒地认识到南方草地也存在局部区域牲畜饲草需求超过草地牧草供给能力的问题, 超载放牧导致的草地生态退化在个别地区业已凸显。尤其重要的是, 南方草地具有发展潜力的地区, 恰恰也是生态系统服务较高的地区。南方草地的生态草牧业发展将会影响这些区域的固碳增汇、涵养水源和生物多样性等生态系统服务功能。因此, 建议学术界和政策制定者重视南方草地的生产生态权衡问题, 合理规划和布局南方草地的生态草牧业发展, 以充分发挥南方地区的草地资源潜力, 推动生态草牧业在南方草地的可持续发展。