王开铭 达红伟 郑豆豆 戴敏

一、研究背景

武威市地处荒漠、半荒漠地带，是河西走廊生态系统的关键部位，也是生态脆弱、敏感区。武威市范围内的腾格里沙漠生态环境恶化，是武威市面临的最为重要的生态问题。凉州区九墩滩位于腾格里沙漠的西南缘，其土壤和植被均具荒漠区特性，研究区干旱、高温、少雨，大风和沙尘暴是该区域的主要灾害性天气，严重影响了周边区域人们的生产、生活条件，制约了当地的经济社会发展。

本论文借助《基于地表植被保护和恢复的土地荒漠化沙化治理关键技术集成及固沙装备开发与应用》《机械化在沙漠典型生态区生态恢复中的应用探索》等可研项目的研究内容，在前期推广应用中发现，利用现代化的机械工程手段，将传统草沙障固沙技术与现代装备技术相结合，利用固沙装备将稻草在沙漠表面铺设成不同规格的草沙障，极大地增加了沙漠表面的粗糙度，消减近地风力，阻止流沙、半流沙移动，截流雨水，防风固沙作用非常明显，比人工固沙质量更高、固沙效果更好。

二、机械治沙简介

在当今的沙漠治理中，治沙工程可分为工程治沙、化学固沙和生物治沙等。其中，化学固沙成本相对较高，要求有特殊的施工机械，适用范围有限；工程治沙因其成本低廉、治沙见效快等特点，在实际应用中最为普及。根据治沙工程的作用，将工程治沙分为封闭、固定、阻拦、输导、改向和消散等6 类，这揭示了工程治沙的原理。机械化治沙是指利用机械化手段实现治沙目的的一种方法。本研究所指的机械治沙是将机械化治沙与工程治沙相结合的治沙方式。

（一）沙漠网格铺设机简介

沙漠网格铺设机：是一种能够高效、科学地铺设草沙障的固沙设备（见图1）。

工作原理：沙漠网格铺设机在铺设草沙障的过程中，将铺设所需要的稻草放在草料箱内，通过横向输草机构和纵向输草机构的运转，将稻草分别运送到工作位置，然后横向压刀和纵向压刀开始工作，完成草方格的铺设。

图1 沙漠网格铺设机侧视图

功能作用：沙漠网格铺设机主要作用是机械形成草方格固沙，增加沙漠表面的粗糙度，消减风力，截流雨水，从而使固沙达到一定的效果。

（二）机械治沙优势

1.机械治沙更具科学性

机械治沙利用无人机信息采集技术在沙漠地区采集图像，通过微机处理图像，针对不同地貌、风向、风速、沙丘大小、沙丘坡度、植被情况、面积大小等环境特征综合评测，对不同环境条件下的沙漠有针对性地制定科学治理方案。

2.机械治沙效率更高

传统人工治沙平均2～3 人一组，每天能铺设600多平方米草沙障，在局部范围内虽然能取得一定的成效，但面对“沙进人退”的局面无法从整体上得以遏制。而机械治沙配置3 人每天即可铺设草沙障近40000 平方米，固沙效率是人工的50 余倍。

3.机械治沙效果更好

沙漠网格铺设机可通过液压及地形感应系统随时调节压草结构保证草沙障压草深度。通过实地比较，固沙机械压制的草沙障更牢固，压草深度更深，防风固沙效果更明显。同时，配合播种机以及其他配套设施，可有效恢复沙区植被，促进流动沙丘向半固定沙丘、固定沙丘转变，最终形成稳定沙地，实现沙区的生态修复。

4.机械治沙确保固沙成果

利用沙漠网格铺设机将稻草在沙漠表面铺设成不同形式的草沙障，增大了沙漠表面的粗糙度，消减近地面风力，阻止流沙、半流沙移动，截流雨水，可以起到明显的防风固沙作用。使用稻草帘作为治沙材料，其整体性较好，不易被风吹散，可更长效地保持治沙效果。

5.机械治沙推动生态建设

在机械治沙效果的保障之下，可以在铺设草沙障的沙丘上利用生物固沙技术开展植树造林，绿化周边环境，二者相得益彰，进一步构筑和完善防沙治沙生态屏障，加快了生态文明建设步伐。

三、技术方案

（一）研究内容及供试材料

本研究利用沙漠网格铺设机在凉州区九墩滩腾格里沙漠边缘机械化铺设草方格500 亩，供试草沙障材料为稻草帘。

（二）机械化草沙障铺设方法

1.测量地形条件：通过无人机测绘，根据施工地形、面积、坡度、植被盖度确定草沙障铺设规格（考虑与主风向角度）等。

2.工、机、料准备：草沙障材料以稻草为主，将散料编制为符合规格的草帘。

3.规划施工路线：根据地形情况及确定的草沙障方位确定固沙车作业路线，保证草沙障铺设质量，草方格沙障施工时应先远后近、自上而下进行铺设。

4.边坡整平：若施工沙区有明显影响固沙车作业的环境地形，应采取适当的措施平整沙区边坡，保证固沙车能够正常完成施工作业。治沙作业时，还应最大限度保护原有植被。

（三）仪器与设备

本研究使用的仪器设备（见表1）。

表1 机械治沙试验仪器设备相关信息

四、机械沙障防风固沙效果评估

（一）草沙障铺设

沙障高度：本研究铺设低立式沙障，高度为地上保留10～15 厘米，地下10～15 厘米。

沙障方向：沙障的设置应与主风向垂直（见图2）。

沙障间距：沙障间距与地形坡度及沙障高低关系极大，除此，还要考虑风力强弱。原则上沙障间距L≤h/sinα（L 为带间距，h 为沙障高度，α 为地形坡度），本研究根据地形设置2 米×2 米草方格。

图2 风坡沙障设置方向示意图

（二）风速测定

利用数字式风速仪测量机械化铺设草沙障后近地表风速，每个样方用“五点法”选取5 个测量点，以不铺设草沙障的同一坡度和高度的沙丘为对照，每组重复5 次。

（三）侵蚀堆积量测定

侵蚀标签总长70 厘米，埋深35 厘米，外露35 厘米，每1 毫米打上标志，定期记录测点的深度r（单位厘米）。3 个调查点各测量深度值取平均值。各测点的沙面蚀积强度为（h）：

式中：H 为沙障高度，r 为深度。

按照上述步骤依次循环，每个测量样方内共测量5 个点。为减小误差，测量在无风或风力较弱时进行（见图3）。

图3 侵蚀堆积量测定

五、研究结果

沙漠网格铺设机铺设草沙障时，铺设规格为2米×2 米，其中沙障埋入深度10～15 厘米，沙障外露高度10～15 厘米（见图4）。风速测定结果显示，同一坡度、同一高度、同一时间内，铺设草沙障的近地表平均风速为11.44 公里/小时，未铺设草沙障的近地表平均风速为20.98 公里/小时，相比近地表风速降低了9.54 公里/小时。侵蚀堆积量测定结果表明，经过半年时间，机械铺设草沙障内测量点侵蚀量从10 厘米变为9.31 厘米，侵蚀变化量为0.69 厘米，而裸沙测量点侵蚀量从10 厘米变为7.46 厘米，侵蚀变化量为2.54 厘米，较沙障内变化量增多1.85 厘米。结合比较裸沙与沙障内风速、侵蚀量变化结果，说明这种沙漠网格铺设机铺设的草沙障能有效减缓近地表风沙的移动速度，并控制局部风沙的移动范围，有显著的防风固沙作用（见图5）。通过机械固沙、防风固沙、封沙育林（草）、造林绿化等措施，原本一片荒芜的沙漠呈现出一片绿色，这不仅使区域内沙漠化得以遏制，生物多样性进一步丰富，区域小气候得到改善，同时使当地生态环境逐渐步入良性循环。

图4 沙漠网格铺设机铺设2 米×2 米草沙障实际效果

图5 治理效果