张 林， 孙步功， 张克平， 张 鹏， 祁 渊， 孔德荣

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

中国是受沙漠化影响严重的国家，据第五次全国荒漠化和沙化监测结果显示，中国荒漠化土地面积为261.16万km2，占土地面积和水域面积之和的27.2%，沙化土地面积约172.12万km2[1]。时至今日沙漠化的综合治理始终是我国土地治理所面临的一个难题，在针对沙漠化治理问题的不断探索和试验研究中，人工铺设草方格或人工铺设作物秸秆已经成为了治理沙漠最有效可行的技术方法，尽管这些方法在实践过程中效率比较低且人工铺设的成本比较高，消耗的草料、秸秆等原料多，但对于治理沙漠问题来说无疑是目前最有效的。然而这些方法虽然可以起到防风固沙的效果，但是与我国土地沙漠化的速度相比较，人工铺设草方格或秸秆作物治理沙漠的速度是远远不够的，最终只能是减缓土地沙漠化，并不能阻止土地沙漠化，总体而言，土地沙漠化情况还在不断恶化。

沙漠沙丘按照植被覆盖率主要分为固定沙丘和流动沙丘，而能够造成危害的是流动沙丘，它常常破坏和淹没人们居住的生活环境。治理流动沙丘的方法是在迎风坡种植植被，以此达到固沙的效果，当植被覆盖率达到一定值(大约为30%)时，流动沙漠便转变成固定沙漠，因此植树固沙是治理沙漠的一种有效方法。新月形沙丘和长条形沙丘(如图1所示)在沙漠中是常见的，也是典型的沙漠地形，它的迎风坡坡度约为5°～20°，要在迎风坡上栽培植被，首先人工铺设草方格达到固沙效果，随后在草方格内种植植被，降低风力，停止风沙运动，阻止沙丘流动，但由于人工铺设草方格工作量和对于稻草等原料的消耗大，所以需要的劳动力和原材料也大，加上工作环境又比较恶劣，因此导致沙漠治理的速度远不及沙漠化的速度，为此我国研制出一些治沙机器代替人工铺设，来减轻劳动强度，提高治理沙漠速率。本文结合治沙历史经验，以现有的治沙机器及其关键部件铺草机构为研究对象，阐述近年来治沙机器的发展情况，针对现存的问题对未来治沙机器的发展进行展望。

图1 沙漠类型

1 国内治沙历史及治沙机器研究现状

1.1 国内治沙历史

由于耕地不断沙漠化，人们饱受沙尘暴灾害的影响。早在新中国成立之前，1949年2月，当时的华北人民政府农业部就设立了冀西沙荒造林局，领导人民一年三季造林，在华北农业部及以后的中央林业部带领下仅仅4年便治沙造林50万亩[2]。1955年为使火车在沙漠地段安全运行，第一个沙漠研究试验站——沙坡头沙漠研究试验站就此设立，相关科研人员突破重重困难，经过反复实践最终确定了铺设麦草方格防风固沙的关键技术，并提出集工程治沙与生物固沙于一体的方法。1978年开始，国家启动了三北防护林工程，根本目的就是减少风沙侵害，改善人们的生活环境，促进农业生产。经过40年的建设，在从新疆到黑龙江的沙漠化地区总共治沙造林超过1亿亩，有效治理约五分之一的沙漠化地区，使沙漠化的速度有所减缓，但要想彻底阻止沙漠化，不仅仅要提高治沙效率，还要从根源上采取相应的防治措施。于是1998年，国务院发出通知，要求全面停止所有毁林、乱占林地以及滥用开垦的行为，并提出退耕还林。2002年我国全面启动退耕还林，这使得土地沙化得到有效治理；人们的生活环境得到了明显改善；农业生产也得到了一定程度上的保障，促进了结构调整。通过多年不断地实践，铺设草方格成为了治理沙漠化最有效的方法，草方格主要由稻草、麦草或芦苇铺设而成，草方格铺设成1 m×1 m效果最好，以稻草为例，一米铺设稻草4两到半斤，压入沙中10～15 cm，若草方格面积过大则不利于格内植物生长，防风固沙效果大大降低，若面积过小，则会使稻草使用量和人力劳动增加，而且所收获的效果甚微，不但增加了作业时间还过多的消耗了人力，治沙效率也会降低。人工铺设草方格时，一般先规划好一个个正方形，然后将稻草、麦草或芦苇等材料的中心放在正方形的边线上，再用铁锹将稻草等材料的中心压入沙内，稻草等材料的两端自然翘起直立，起到防风固沙的作用。时至今日，我国对沙漠的治理一直在进行着，新时代的到来也要求着治理沙漠效率的提高，使治沙速度大于沙漠化的速度，这就要加快现代化智能治沙设备的研究，用智能化机械设备和专业化的技术相结合来加快治沙效率，快速打造一个良好的生态环境。

1.2 国内治沙机器研究现状

土地沙漠化直接影响着农业生产，制约着经济的发展，同时使自然灾害加剧，破坏生态环境，为提高治沙效率，早在1987年张名振[3]就研发了7CX-2型草沙障修筑机来实现机械化治理沙漠，一定程度上减轻了劳动强度。随着2002年“国家863计划”防风固沙设备研发的启动，草方格铺设机器人的研发就此开始。2005年东北林业大学刘永臣[4]确定了铺设轮系设计初步试验，2006年孙术发[5]利用ADAMS和ANSYS对铺草机构横向铺设进行了优化设计，2007年舒庆[6]提出了防风固沙草方格铺设机器人的总体设计，设有纵向和横向铺设机构，可一次性实现草方格的铺设，刘永臣[7]建立了铺设轮滚动工作的数学模型，利用Matlab/Simulink进行仿真分析，为草方格铺设机器人铺草机构的研发提供了设计参数。之后，李玉印[8]将纵向铺设和横向铺设相结合，确定了机器总的铺设装置。孙术发[9]又对横向割断机构进行动力学分析，确保横向铺草机构工作合理可行。至此，草方格铺设机器人优化设计基本完成，但该机器体积大，成本高，在实践中并未得到很好的推广与应用，这也使治沙机的研究方向开始转向小型和性价比的提高。随着机械化治沙的需求越来越大，2018年以后不同类型的治沙机器也开始逐步研发出来，像雷凯龙[10]研发的一款机械化固沙车可实现智能控制、琚灵[11]提出的Arduino草方格铺设机器人为机器的制造提供了参数、周永升[12]研发的单行固沙麦秆铺设装置采用麦秸卷为原料实现单行固沙、李卫卫[13]研发的一种多功能沙漠压沙种草机可在沙漠丘陵工作、常桥墩[14]研发的小型草方格固沙机以散长草为原料通过拖拉机牵引可一次性完成取草、铺草、栽插和镇压等工作。这些治沙机器的出现虽然对治沙效率有所提高，但都没有推广使用，只在小范围内试验，目前治理沙漠普遍还是以人工治理和半机械化治理为主。

2 国内治沙机器铺草机构的研究现状

目前现有的治沙机器铺草所使用的原料主要是草帘子(如图2所示)，也有使用散草的治沙机械，但相对于散草，草帘子造价昂贵，1 kg草帘大约1.94元而1 kg稻草则是0.44元，若在同一面积沙漠上铺设草方格，则草帘子的费用是散草的四倍还多，而且治理沙漠需要大量的稻草、麦草或芦苇等材料，这使以草帘子为原料的治沙机器的成本大大增加。而且一卷草帘子在100 m左右，治沙机器在不断更换草帘子的同时还要用横向割断机构来剪断草帘子[15]，这使机器变得复杂难以控制，体积增大，成本增加，与治沙机器小型化、智能化、成本低的方向背道而驰，这也是许多治沙机器无法被推广应用的原因之一。

图2 草帘子

7CX-2型草沙障修筑机铺草机构由分草、输草、胶带传动等机构构成，工作时有两名工作人员将麦草送入铺草机构经过各机构连续运作将麦草铺设在地面上。该机器是由拖拉机牵引的，具有一定的越野性能，可实现草沙障的铺设，但受拖拉机牵引的限制，加上沙子具有流动性，沙漠地形比较复杂，流动沙丘比较多，所以该机器只能在15°以下的沙丘上工作，工作范围具有局限性，而且还要人工喂草，需要一定的人力协助，并未完全解放劳动力。

多功能立体固沙车(如图3所示)是国家“863”计划中的一项发明成果，经过多年的优化设计到现在基本得到完善并在局部地区投入使用，该机器的铺草装置分为两个部分，分别是是纵向铺草装置和横向铺草装置，可实现一次性铺设草方格，工作效率高。横向铺草装置在工作时，随车速每隔1米进行一次铺草作业，因为铺草材料使用的是草帘子，所以还要配备横向切断机构，这就要求横向铺草装置具有精准的控制，但这使横向铺草机构体积增大，加上纵向铺草机构，使整个铺草装置体积变大，因此立体固沙车体积庞大，造价昂贵，动力消耗大，难以在地形较为复杂的沙漠里工作，不利于推广。

图3 多功能立体固沙车

由于在沙漠中比较恶劣的工作环境下无法使用大型的治沙机器，一种多功能沙漠压沙种草机便被研制出来，相对于大型治沙机器，该机器灵活方便，主要用于沙漠丘陵地形工作。该机器设有秸秆铺设机构，机器在牵引行进时带动秸秆箱里拨草轴转动，将秸秆箱里的草料秸秆输送到斜输送板上，草料秸秆在重力作用下落到地面上。该机器还设有开沟装置可形成一个沟槽便于实现后续压草作业，但由于机器不能实现一次性铺设草方格，在完成纵向铺设的情况下，横向铺草时开沟装置容易破坏已经完成铺设压草的草料秸秆，且开沟装置易产生缠草现象影响机器正常工作，因此该机器只能实现纵向铺设稻草并不能完成草方格的铺设。

徐先英[16]研发的一种手扶式独轮麦草沙障铺设装置解决了大型治沙机器机动性差，价格昂贵，难以推广的问题。该机器结构简单，具有动力装置，工作时带动料箱内嵌草轮盘转动将麦草输送到沙地表面，随后完成压草、覆土。机器灵活且操作简单，可适应于不同的沙漠地形，较大程度上提高了铺设速率，具有很大的推广潜能。但当在距离生活区域较远的沙漠进行麦草铺设时，机器在路程行进上要消耗大量的时间，且该机器的工作效率与驾驶员的精力相关联，具有一定的区域局限性，况且治理沙漠是一个巨大的工程，从长远来看，手扶式治沙机器不能满足机械化治沙的要求。

为了使治沙机器操作简单且适应沙漠广而复杂的微地形，周永升[12]研发了单行固沙麦秆铺设装置(如图4所示)，该机器采用履带行走方式，可根据工作要求调整草方格的压入深度。机器在工作前，先将储料箱里的麦秸卷一端置于滚轮底部，工作时履带驱动滚轮转动，麦秸卷自然旋转下落完成麦秸的铺设工作。但由于机器铺设所用的原料是麦草卷，其价格远高于散草的价格，因此机器的工作成本会大大增加，且受储料箱只能放一卷麦秸卷的限制，在工作中需要经常更换麦秸卷，加上机器工作前的准备工作，使机器前期工作增加，导致铺设效率降低。

图4 单行固沙麦秆铺设装置

考虑到草帘子价格昂贵和大型治沙机器无法适应复杂多变的沙漠环境，宁夏大学常桥墩研发了小型草方格固沙机，由履带式拖拉机牵引工作。该机器铺草装置所选用的原料是散长草，相对于价格昂贵的草帘子可大大降低作业成本，而且机器体积小、行动灵便可适应复杂的沙漠微地形，但只适于在坡度15°以下的沙丘上工作。该机器铺草装置工作时，散草通过伸缩扒齿喂入到调播器中进入草箱，随后被取草链条抓取再输送到沙面上。该机器采用地轮驱动，在复杂的沙漠地形中对于拖拉机的牵引消耗大，受牵引设备影响机器只能在短距离工作，一旦距离较远需配备车辆拉载，这样会使成本增加且不方便。

治沙机器的治沙效果主要表现在铺草是否均匀，若是铺草太多则造成原料的浪费，增加了治沙成本，若是铺草过少，则防风固沙的效果降低，因此铺草均匀性成为了治沙机器的性能指标之一。从使用原料来看，虽然有使用散草作为原料的治沙机器，但目前我国的治沙机器还是普遍使用草帘子为原料，草帘子价格昂贵会使成本增加，且使用散草的治沙机器也存在着铺草不均匀的问题。综上分析，结合未来治沙机器工作要求，手扶式治沙机器并不适用于远距离工作，牵引式治沙机器对于牵引设备要求高且消耗大，大型治沙机器无法满足多变的沙漠环境。

3 我国治沙机器发展趋势及展望

目前治理沙漠的有效方法是人工铺设草方格，现有的治沙机器虽然可以降低劳动强度达到防风固沙的效果，但治沙机器发展不完善，并未普及使用，难以推广，主要原因是造价昂贵成本高、难以适应不同地形的沙漠、铺草不均匀等，因此未来治沙机器将会向小型化、低成本、适应性强、铺草均匀方向发展。从长远来分析，未来治沙机器应该满足以下几个方面：

(1)小型化，低成本。针对于大型机器机动性差，价格昂贵，难以推广的问题，未来的治沙机器应该向着小型化、低成本的方向发展。

(2)具备优秀的越野性能和远距离工作范围。为了适应不同地形的沙漠环境，未来治沙机器应该有优良的越野性能，随着治沙的面积逐渐扩展，远距离的工作是必然的，为减少路程消耗的时间提高治沙效率，未来治沙机器应具备远距离工作能力。

(3)铺草系统的梳分拨料均匀性。目前治沙机器铺设主要用的原料是草帘子，虽然以固定厚度编织起来的草帘子可以达到铺设均匀性，但是草帘子价格昂贵，需要投入大量资本，因此未来治沙机器铺设所用原料将主要以散草为主，这就要求机器铺草均匀性良好以提高防风固沙的效果。