張 林， 孫步功， 張克平， 張 鵬， 祁 淵， 孔德榮

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

中國是受沙漠化影響嚴(yán)重的國家，據(jù)第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，中國荒漠化土地面積為261.16萬km2，占土地面積和水域面積之和的27.2%，沙化土地面積約172.12萬km2[1]。時(shí)至今日沙漠化的綜合治理始終是我國土地治理所面臨的一個(gè)難題，在針對(duì)沙漠化治理問題的不斷探索和試驗(yàn)研究中，人工鋪設(shè)草方格或人工鋪設(shè)作物秸稈已經(jīng)成為了治理沙漠最有效可行的技術(shù)方法，盡管這些方法在實(shí)踐過程中效率比較低且人工鋪設(shè)的成本比較高，消耗的草料、秸稈等原料多，但對(duì)于治理沙漠問題來說無疑是目前最有效的。然而這些方法雖然可以起到防風(fēng)固沙的效果，但是與我國土地沙漠化的速度相比較，人工鋪設(shè)草方格或秸稈作物治理沙漠的速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，最終只能是減緩?fù)恋厣衬?，并不能阻止土地沙漠化，總體而言，土地沙漠化情況還在不斷惡化。

沙漠沙丘按照植被覆蓋率主要分為固定沙丘和流動(dòng)沙丘，而能夠造成危害的是流動(dòng)沙丘，它常常破壞和淹沒人們居住的生活環(huán)境。治理流動(dòng)沙丘的方法是在迎風(fēng)坡種植植被，以此達(dá)到固沙的效果，當(dāng)植被覆蓋率達(dá)到一定值(大約為30%)時(shí)，流動(dòng)沙漠便轉(zhuǎn)變成固定沙漠，因此植樹固沙是治理沙漠的一種有效方法。新月形沙丘和長條形沙丘(如圖1所示)在沙漠中是常見的，也是典型的沙漠地形，它的迎風(fēng)坡坡度約為5°～20°，要在迎風(fēng)坡上栽培植被，首先人工鋪設(shè)草方格達(dá)到固沙效果，隨后在草方格內(nèi)種植植被，降低風(fēng)力，停止風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)，阻止沙丘流動(dòng)，但由于人工鋪設(shè)草方格工作量和對(duì)于稻草等原料的消耗大，所以需要的勞動(dòng)力和原材料也大，加上工作環(huán)境又比較惡劣，因此導(dǎo)致沙漠治理的速度遠(yuǎn)不及沙漠化的速度，為此我國研制出一些治沙機(jī)器代替人工鋪設(shè)，來減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高治理沙漠速率。本文結(jié)合治沙歷史經(jīng)驗(yàn)，以現(xiàn)有的治沙機(jī)器及其關(guān)鍵部件鋪草機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，闡述近年來治沙機(jī)器的發(fā)展情況，針對(duì)現(xiàn)存的問題對(duì)未來治沙機(jī)器的發(fā)展進(jìn)行展望。

圖1 沙漠類型

1 國內(nèi)治沙歷史及治沙機(jī)器研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)治沙歷史

由于耕地不斷沙漠化，人們飽受沙塵暴災(zāi)害的影響。早在新中國成立之前，1949年2月，當(dāng)時(shí)的華北人民政府農(nóng)業(yè)部就設(shè)立了冀西沙荒造林局，領(lǐng)導(dǎo)人民一年三季造林，在華北農(nóng)業(yè)部及以后的中央林業(yè)部帶領(lǐng)下僅僅4年便治沙造林50萬畝[2]。1955年為使火車在沙漠地段安全運(yùn)行，第一個(gè)沙漠研究試驗(yàn)站——沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站就此設(shè)立，相關(guān)科研人員突破重重困難，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐最終確定了鋪設(shè)麥草方格防風(fēng)固沙的關(guān)鍵技術(shù)，并提出集工程治沙與生物固沙于一體的方法。1978年開始，國家啟動(dòng)了三北防護(hù)林工程，根本目的就是減少風(fēng)沙侵害，改善人們的生活環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。經(jīng)過40年的建設(shè)，在從新疆到黑龍江的沙漠化地區(qū)總共治沙造林超過1億畝，有效治理約五分之一的沙漠化地區(qū)，使沙漠化的速度有所減緩，但要想徹底阻止沙漠化，不僅僅要提高治沙效率，還要從根源上采取相應(yīng)的防治措施。于是1998年，國務(wù)院發(fā)出通知，要求全面停止所有毀林、亂占林地以及濫用開墾的行為，并提出退耕還林。2002年我國全面啟動(dòng)退耕還林，這使得土地沙化得到有效治理；人們的生活環(huán)境得到了明顯改善；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也得到了一定程度上的保障，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)調(diào)整。通過多年不斷地實(shí)踐，鋪設(shè)草方格成為了治理沙漠化最有效的方法，草方格主要由稻草、麥草或蘆葦鋪設(shè)而成，草方格鋪設(shè)成1 m×1 m效果最好，以稻草為例，一米鋪設(shè)稻草4兩到半斤，壓入沙中10～15 cm，若草方格面積過大則不利于格內(nèi)植物生長，防風(fēng)固沙效果大大降低，若面積過小，則會(huì)使稻草使用量和人力勞動(dòng)增加，而且所收獲的效果甚微，不但增加了作業(yè)時(shí)間還過多的消耗了人力，治沙效率也會(huì)降低。人工鋪設(shè)草方格時(shí)，一般先規(guī)劃好一個(gè)個(gè)正方形，然后將稻草、麥草或蘆葦?shù)炔牧系闹行姆旁谡叫蔚倪吘€上，再用鐵鍬將稻草等材料的中心壓入沙內(nèi)，稻草等材料的兩端自然翹起直立，起到防風(fēng)固沙的作用。時(shí)至今日，我國對(duì)沙漠的治理一直在進(jìn)行著，新時(shí)代的到來也要求著治理沙漠效率的提高，使治沙速度大于沙漠化的速度，這就要加快現(xiàn)代化智能治沙設(shè)備的研究，用智能化機(jī)械設(shè)備和專業(yè)化的技術(shù)相結(jié)合來加快治沙效率，快速打造一個(gè)良好的生態(tài)環(huán)境。

1.2 國內(nèi)治沙機(jī)器研究現(xiàn)狀

土地沙漠化直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)使自然災(zāi)害加劇，破壞生態(tài)環(huán)境，為提高治沙效率，早在1987年張名振[3]就研發(fā)了7CX-2型草沙障修筑機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械化治理沙漠，一定程度上減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著2002年“國家863計(jì)劃”防風(fēng)固沙設(shè)備研發(fā)的啟動(dòng)，草方格鋪設(shè)機(jī)器人的研發(fā)就此開始。2005年東北林業(yè)大學(xué)劉永臣[4]確定了鋪設(shè)輪系設(shè)計(jì)初步試驗(yàn)，2006年孫術(shù)發(fā)[5]利用ADAMS和ANSYS對(duì)鋪草機(jī)構(gòu)橫向鋪設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，2007年舒慶[6]提出了防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，設(shè)有縱向和橫向鋪設(shè)機(jī)構(gòu)，可一次性實(shí)現(xiàn)草方格的鋪設(shè)，劉永臣[7]建立了鋪設(shè)輪滾動(dòng)工作的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真分析，為草方格鋪設(shè)機(jī)器人鋪草機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供了設(shè)計(jì)參數(shù)。之后，李玉印[8]將縱向鋪設(shè)和橫向鋪設(shè)相結(jié)合，確定了機(jī)器總的鋪設(shè)裝置。孫術(shù)發(fā)[9]又對(duì)橫向割斷機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，確保橫向鋪草機(jī)構(gòu)工作合理可行。至此，草方格鋪設(shè)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)基本完成，但該機(jī)器體積大，成本高，在實(shí)踐中并未得到很好的推廣與應(yīng)用，這也使治沙機(jī)的研究方向開始轉(zhuǎn)向小型和性價(jià)比的提高。隨著機(jī)械化治沙的需求越來越大，2018年以后不同類型的治沙機(jī)器也開始逐步研發(fā)出來，像雷凱龍[10]研發(fā)的一款機(jī)械化固沙車可實(shí)現(xiàn)智能控制、琚靈[11]提出的Arduino草方格鋪設(shè)機(jī)器人為機(jī)器的制造提供了參數(shù)、周永升[12]研發(fā)的單行固沙麥稈鋪設(shè)裝置采用麥秸卷為原料實(shí)現(xiàn)單行固沙、李衛(wèi)衛(wèi)[13]研發(fā)的一種多功能沙漠壓沙種草機(jī)可在沙漠丘陵工作、常橋墩[14]研發(fā)的小型草方格固沙機(jī)以散長草為原料通過拖拉機(jī)牽引可一次性完成取草、鋪草、栽插和鎮(zhèn)壓等工作。這些治沙機(jī)器的出現(xiàn)雖然對(duì)治沙效率有所提高，但都沒有推廣使用，只在小范圍內(nèi)試驗(yàn)，目前治理沙漠普遍還是以人工治理和半機(jī)械化治理為主。

2 國內(nèi)治沙機(jī)器鋪草機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的治沙機(jī)器鋪草所使用的原料主要是草簾子(如圖2所示)，也有使用散草的治沙機(jī)械，但相對(duì)于散草，草簾子造價(jià)昂貴，1 kg草簾大約1.94元而1 kg稻草則是0.44元，若在同一面積沙漠上鋪設(shè)草方格，則草簾子的費(fèi)用是散草的四倍還多，而且治理沙漠需要大量的稻草、麥草或蘆葦?shù)炔牧?，這使以草簾子為原料的治沙機(jī)器的成本大大增加。而且一卷草簾子在100 m左右，治沙機(jī)器在不斷更換草簾子的同時(shí)還要用橫向割斷機(jī)構(gòu)來剪斷草簾子[15]，這使機(jī)器變得復(fù)雜難以控制，體積增大，成本增加，與治沙機(jī)器小型化、智能化、成本低的方向背道而馳，這也是許多治沙機(jī)器無法被推廣應(yīng)用的原因之一。

圖2 草簾子

7CX-2型草沙障修筑機(jī)鋪草機(jī)構(gòu)由分草、輸草、膠帶傳動(dòng)等機(jī)構(gòu)構(gòu)成，工作時(shí)有兩名工作人員將麥草送入鋪草機(jī)構(gòu)經(jīng)過各機(jī)構(gòu)連續(xù)運(yùn)作將麥草鋪設(shè)在地面上。該機(jī)器是由拖拉機(jī)牽引的，具有一定的越野性能，可實(shí)現(xiàn)草沙障的鋪設(shè)，但受拖拉機(jī)牽引的限制，加上沙子具有流動(dòng)性，沙漠地形比較復(fù)雜，流動(dòng)沙丘比較多，所以該機(jī)器只能在15°以下的沙丘上工作，工作范圍具有局限性，而且還要人工喂草，需要一定的人力協(xié)助，并未完全解放勞動(dòng)力。

多功能立體固沙車(如圖3所示)是國家“863”計(jì)劃中的一項(xiàng)發(fā)明成果，經(jīng)過多年的優(yōu)化設(shè)計(jì)到現(xiàn)在基本得到完善并在局部地區(qū)投入使用，該機(jī)器的鋪草裝置分為兩個(gè)部分，分別是是縱向鋪草裝置和橫向鋪草裝置，可實(shí)現(xiàn)一次性鋪設(shè)草方格，工作效率高。橫向鋪草裝置在工作時(shí)，隨車速每隔1米進(jìn)行一次鋪草作業(yè)，因?yàn)殇伈莶牧鲜褂玫氖遣莺熥?，所以還要配備橫向切斷機(jī)構(gòu)，這就要求橫向鋪草裝置具有精準(zhǔn)的控制，但這使橫向鋪草機(jī)構(gòu)體積增大，加上縱向鋪草機(jī)構(gòu)，使整個(gè)鋪草裝置體積變大，因此立體固沙車體積龐大，造價(jià)昂貴，動(dòng)力消耗大，難以在地形較為復(fù)雜的沙漠里工作，不利于推廣。

圖3 多功能立體固沙車

由于在沙漠中比較惡劣的工作環(huán)境下無法使用大型的治沙機(jī)器，一種多功能沙漠壓沙種草機(jī)便被研制出來，相對(duì)于大型治沙機(jī)器，該機(jī)器靈活方便，主要用于沙漠丘陵地形工作。該機(jī)器設(shè)有秸稈鋪設(shè)機(jī)構(gòu)，機(jī)器在牽引行進(jìn)時(shí)帶動(dòng)秸稈箱里撥草軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將秸稈箱里的草料秸稈輸送到斜輸送板上，草料秸稈在重力作用下落到地面上。該機(jī)器還設(shè)有開溝裝置可形成一個(gè)溝槽便于實(shí)現(xiàn)后續(xù)壓草作業(yè)，但由于機(jī)器不能實(shí)現(xiàn)一次性鋪設(shè)草方格，在完成縱向鋪設(shè)的情況下，橫向鋪草時(shí)開溝裝置容易破壞已經(jīng)完成鋪設(shè)壓草的草料秸稈，且開溝裝置易產(chǎn)生纏草現(xiàn)象影響機(jī)器正常工作，因此該機(jī)器只能實(shí)現(xiàn)縱向鋪設(shè)稻草并不能完成草方格的鋪設(shè)。

徐先英[16]研發(fā)的一種手扶式獨(dú)輪麥草沙障鋪設(shè)裝置解決了大型治沙機(jī)器機(jī)動(dòng)性差，價(jià)格昂貴，難以推廣的問題。該機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)力裝置，工作時(shí)帶動(dòng)料箱內(nèi)嵌草輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)將麥草輸送到沙地表面，隨后完成壓草、覆土。機(jī)器靈活且操作簡(jiǎn)單，可適應(yīng)于不同的沙漠地形，較大程度上提高了鋪設(shè)速率，具有很大的推廣潛能。但當(dāng)在距離生活區(qū)域較遠(yuǎn)的沙漠進(jìn)行麥草鋪設(shè)時(shí)，機(jī)器在路程行進(jìn)上要消耗大量的時(shí)間，且該機(jī)器的工作效率與駕駛員的精力相關(guān)聯(lián)，具有一定的區(qū)域局限性，況且治理沙漠是一個(gè)巨大的工程，從長遠(yuǎn)來看，手扶式治沙機(jī)器不能滿足機(jī)械化治沙的要求。

為了使治沙機(jī)器操作簡(jiǎn)單且適應(yīng)沙漠廣而復(fù)雜的微地形，周永升[12]研發(fā)了單行固沙麥稈鋪設(shè)裝置(如圖4所示)，該機(jī)器采用履帶行走方式，可根據(jù)工作要求調(diào)整草方格的壓入深度。機(jī)器在工作前，先將儲(chǔ)料箱里的麥秸卷一端置于滾輪底部，工作時(shí)履帶驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，麥秸卷自然旋轉(zhuǎn)下落完成麥秸的鋪設(shè)工作。但由于機(jī)器鋪設(shè)所用的原料是麥草卷，其價(jià)格遠(yuǎn)高于散草的價(jià)格，因此機(jī)器的工作成本會(huì)大大增加，且受儲(chǔ)料箱只能放一卷麥秸卷的限制，在工作中需要經(jīng)常更換麥秸卷，加上機(jī)器工作前的準(zhǔn)備工作，使機(jī)器前期工作增加，導(dǎo)致鋪設(shè)效率降低。

圖4 單行固沙麥稈鋪設(shè)裝置

考慮到草簾子價(jià)格昂貴和大型治沙機(jī)器無法適應(yīng)復(fù)雜多變的沙漠環(huán)境，寧夏大學(xué)常橋墩研發(fā)了小型草方格固沙機(jī)，由履帶式拖拉機(jī)牽引工作。該機(jī)器鋪草裝置所選用的原料是散長草，相對(duì)于價(jià)格昂貴的草簾子可大大降低作業(yè)成本，而且機(jī)器體積小、行動(dòng)靈便可適應(yīng)復(fù)雜的沙漠微地形，但只適于在坡度15°以下的沙丘上工作。該機(jī)器鋪草裝置工作時(shí)，散草通過伸縮扒齒喂入到調(diào)播器中進(jìn)入草箱，隨后被取草鏈條抓取再輸送到沙面上。該機(jī)器采用地輪驅(qū)動(dòng)，在復(fù)雜的沙漠地形中對(duì)于拖拉機(jī)的牽引消耗大，受牽引設(shè)備影響機(jī)器只能在短距離工作，一旦距離較遠(yuǎn)需配備車輛拉載，這樣會(huì)使成本增加且不方便。

治沙機(jī)器的治沙效果主要表現(xiàn)在鋪草是否均勻，若是鋪草太多則造成原料的浪費(fèi)，增加了治沙成本，若是鋪草過少，則防風(fēng)固沙的效果降低，因此鋪草均勻性成為了治沙機(jī)器的性能指標(biāo)之一。從使用原料來看，雖然有使用散草作為原料的治沙機(jī)器，但目前我國的治沙機(jī)器還是普遍使用草簾子為原料，草簾子價(jià)格昂貴會(huì)使成本增加，且使用散草的治沙機(jī)器也存在著鋪草不均勻的問題。綜上分析，結(jié)合未來治沙機(jī)器工作要求，手扶式治沙機(jī)器并不適用于遠(yuǎn)距離工作，牽引式治沙機(jī)器對(duì)于牽引設(shè)備要求高且消耗大，大型治沙機(jī)器無法滿足多變的沙漠環(huán)境。

3 我國治沙機(jī)器發(fā)展趨勢(shì)及展望

目前治理沙漠的有效方法是人工鋪設(shè)草方格，現(xiàn)有的治沙機(jī)器雖然可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到防風(fēng)固沙的效果，但治沙機(jī)器發(fā)展不完善，并未普及使用，難以推廣，主要原因是造價(jià)昂貴成本高、難以適應(yīng)不同地形的沙漠、鋪草不均勻等，因此未來治沙機(jī)器將會(huì)向小型化、低成本、適應(yīng)性強(qiáng)、鋪草均勻方向發(fā)展。從長遠(yuǎn)來分析，未來治沙機(jī)器應(yīng)該滿足以下幾個(gè)方面：

(1)小型化，低成本。針對(duì)于大型機(jī)器機(jī)動(dòng)性差，價(jià)格昂貴，難以推廣的問題，未來的治沙機(jī)器應(yīng)該向著小型化、低成本的方向發(fā)展。

(2)具備優(yōu)秀的越野性能和遠(yuǎn)距離工作范圍。為了適應(yīng)不同地形的沙漠環(huán)境，未來治沙機(jī)器應(yīng)該有優(yōu)良的越野性能，隨著治沙的面積逐漸擴(kuò)展，遠(yuǎn)距離的工作是必然的，為減少路程消耗的時(shí)間提高治沙效率，未來治沙機(jī)器應(yīng)具備遠(yuǎn)距離工作能力。

(3)鋪草系統(tǒng)的梳分撥料均勻性。目前治沙機(jī)器鋪設(shè)主要用的原料是草簾子，雖然以固定厚度編織起來的草簾子可以達(dá)到鋪設(shè)均勻性，但是草簾子價(jià)格昂貴，需要投入大量資本，因此未來治沙機(jī)器鋪設(shè)所用原料將主要以散草為主，這就要求機(jī)器鋪草均勻性良好以提高防風(fēng)固沙的效果。