1　引言

全球氣候變化，尤其是土地荒漠化是整個(gè)人類(lèi)面臨的最嚴峻的危機。我國也有七個(gè)荒漠化嚴重的省份，主要分布在干旱的西北地區，占全國95%的沙化土地。新疆沙化率達到64.34%，寧夏55.8%，內蒙古52.2%，甘肅45.12%，青海26.7%。土地荒漠化，導致很多地區經(jīng)濟發(fā)展落后、貧困人口集聚，甚至時(shí)常誘發(fā)嚴重的社會(huì )和安全問(wèn)題，已成為制約這些地區發(fā)展與穩定的重要因素。

除此之外，我國提議并主導的“一帶一路”提議中的“新絲綢之路經(jīng)濟帶”也面臨嚴峻的生態(tài)問(wèn)題。尤其是“一帶一路”提議中的四個(gè)經(jīng)濟走廊存在嚴重的荒漠化問(wèn)題?！靶聛啔W大陸橋”（從中國江蘇連云港到荷蘭鹿特丹），干旱和荒漠遍布沿線(xiàn)；“中蒙俄經(jīng)濟走廊”約400公里路線(xiàn)位于荒漠區；“中國-中亞-西亞經(jīng)濟走廊”路線(xiàn)總長(cháng)超過(guò)6000公里，大約一半位于荒漠區；在“中巴經(jīng)濟走廊”的南段，主要是干旱的荒漠?！耙粠б宦贰毖鼐€(xiàn)的境外部分經(jīng)過(guò)的中東、中亞等地區，荒漠化有日益加劇的趨勢。這些區域內的大部分地區同時(shí)面臨經(jīng)濟落后和生態(tài)脆弱的雙重問(wèn)題，而經(jīng)濟發(fā)展又將對“一帶一路”沿線(xiàn)地區的生態(tài)環(huán)境構成新的壓力。要順利推進(jìn)“一帶一路”建設，必須重視土地荒漠化問(wèn)題，在維持經(jīng)濟快速發(fā)展，遏制沙漠化、治理修復我國西北地區，甚至修復“一帶一路”沿線(xiàn)的荒漠化土地是一個(gè)艱巨的任務(wù)。但是無(wú)論困難多大，必須尋找方法予以解決，因為這是實(shí)現綠色“一帶一路”、實(shí)現“一帶一路”可持續可發(fā)展的根本要求。

人工植樹(shù)造林是緩解荒漠化，甚至的全球氣候問(wèn)題的關(guān)鍵和主要手段。如果從微觀(guān)的角度看，樹(shù)木通過(guò)光合作用從空氣中吸收二氧化碳，從泥土中吸收水分，向空氣中釋放氧氣。除了吸收二氧化碳，樹(shù)木還能幫助土壤吸收大量的碳。從而可以緩解由二氧化碳聚集而形成的溫室效應?？茖W(xué)界也普遍認為，人工植樹(shù)，是目前成本最低且最有效應對氣候問(wèn)題的解決方案。根據《科學(xué)》和《自然》雜志刊登的最新研究報告，在全球范圍內，有17億公頃無(wú)樹(shù)土地，它們可成為1.2萬(wàn)億棵樹(shù)自然生長(cháng)的地方，這占了全球陸地面積的11%，相當于美國和中國陸地加起來(lái)的面積。而且，人工植樹(shù)可以在不影響城市和農作物的情況下完成這件事。根據調查研究，全球有6個(gè)國家可實(shí)現超過(guò)一半的森林恢復潛力，包括俄羅斯（1.51億公頃）、美國（1.03億公頃）、加拿大（7800萬(wàn)公頃）、澳大利亞（5800公頃）、巴西（5000萬(wàn)公頃）、中國（4000萬(wàn)公頃）。如果這些土地能被森林覆蓋，其構建的生態(tài)系統能夠幫助將全球二氧化碳排放量減少三分之一，從而有效緩解全球變暖造成的危機。

2　荒漠化治理的中國經(jīng)驗與局限

雖然防沙治沙早已列入很過(guò)國家的發(fā)展戰略，生態(tài)保護也逐漸成為人類(lèi)社會(huì )的共識，但是由于過(guò)度追求經(jīng)濟發(fā)展，荒漠化現狀依然非常嚴峻，生態(tài)恢復進(jìn)程非常緩慢。我國政府在荒漠化治理投入的資金最多，尤其是政府主導的“三北工程”，民間資本和公益基金也廣泛參與，尤其是最近幾年由阿拉善SEE公益機構發(fā)起的“一億棵梭梭”項目，聯(lián)合了全社會(huì )的力量，如阿拉善盟政府、牧民、合作社、民間環(huán)保組織，希望用十年的時(shí)間（2014-2023年）在阿拉善關(guān)鍵生態(tài)區種植一億棵以梭梭，預計可以恢復200萬(wàn)畝荒漠植被，改善當地生態(tài)環(huán)境，遏制荒漠化蔓延趨勢。我國政府及民間機構正以更大的資金力度支持防治荒漠化。

世界各國也都重視并采用以人工造林（灌木）為主的荒漠化治理方式，也特別重視造林技術(shù)的研究。其中以美國、加拿大、俄羅斯、日本、英國領(lǐng)先。對于林業(yè)栽培技術(shù)，包括育種技術(shù)、整地技術(shù)、施肥技術(shù)、造林方法等方面，美國、加拿大等國已有50~60年的經(jīng)驗，并取得相當成績(jì)。

然而，我們應該清楚地意識到，我國荒漠化土地目前依然是年均凈增長(cháng)的。而且如何在種植1.2 萬(wàn)億棵樹(shù)，以現在的方式和技術(shù)來(lái)看，完全是天方夜譚。

在此，我們可以對當前植樹(shù)造林面臨的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題總結如下：

·現在大部分地區都是人工植樹(shù)，勞動(dòng)強度大、工作效率低、人工費用高。

·防護植被的存活率極低的問(wèn)題，其中關(guān)鍵又是“水”的問(wèn)題?，F實(shí)中，經(jīng)常面對的是植樹(shù)容易，存活不易。在荒漠地區，即使水源有保證，存活也相當不容易，外來(lái)樹(shù)種，更難存活。

·重植樹(shù)，不重維護，缺乏有效監控；

這個(gè)過(guò)程急需高新技術(shù)和可行方案進(jìn)行支撐，尤其是需要重視將自動(dòng)化、機器人技術(shù)引入到全球氣候變化，防治荒漠化的國家戰略中。

3　現狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

人工傳統穴狀植樹(shù)：這種方法最為常見(jiàn)，通過(guò)人工挖坑、放苗、填土、澆水完成植樹(shù)。該方法易于操作，適合于小批量植樹(shù)造林，缺點(diǎn)是人工效率低，且要反復灌溉，才能保證樹(shù)木的成活率。

機械化挖坑機（如圖1所示）：近幾年出現的，以拖拉機、挖掘機為動(dòng)力源，配以液壓系統來(lái)實(shí)現土坑挖掘的機械設備。該設備一般由動(dòng)力系統（拖拉機或挖掘機）、液壓系統、機械鉆挖系統三部分組成。這種設備需要對現有土地進(jìn)行大面積翻動(dòng)，這種方式不適合生態(tài)脆弱的荒漠地區。

沙丘低壓水沖植樹(shù)：利用有壓水流在流動(dòng)沙丘上打孔扦插的造林技術(shù)，在造林過(guò)程中，以硬質(zhì)管作為水槍?zhuān)糜袎核鳑_擊在沙丘上形成栽植孔，插入沙柳插條，一次性完成造林及灌溉工作。這種技術(shù)較人工植樹(shù)的效率提高十幾倍。這種技術(shù)主要適用于松軟的沙丘。

人工澆水：水分是影響植物成活的關(guān)鍵因素，在降水量低、水資源缺乏的地區種樹(shù)需人工大量澆水。由于土壤滲漏和地表蒸發(fā)，漫灌溝灌等方法對水源利用率低；滴管、微噴等方法提高了水資游的利用率，但其應用受地形、供水、維護等外在條件的限制，難以在無(wú)供水條件、立地困難的地區應用。

透氣防滲砂技術(shù)：沙漠里的水分大部分被下滲和蒸發(fā)掉，在樹(shù)根底部鋪設透氣防滲砂，就可以保住下滲的水分保存在下來(lái)，節水75%，提高成活率。這種技術(shù)防水、防滲性能顯著(zhù)，但往往也會(huì )影響植被的根系發(fā)展。

圖1 國內外的一些機械挖坑機

圖2 國內外的一些機械植樹(shù)機

4　支持荒漠生態(tài)恢復的機器人集群

利用智能自動(dòng)化技術(shù)和機器人技術(shù)，將其與荒漠生態(tài)恢復與重建進(jìn)行結合，借鑒工業(yè)自動(dòng)化的思想，對荒漠造林進(jìn)行標準化規范、簡(jiǎn)化步驟、降低成本、可極大減低荒漠造林的難度，使得荒漠造林更快、更好、更穩定。同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)監控荒漠造林的效果、有助于掌握生態(tài)恢復的程度，監控生態(tài)重建的效果。長(cháng)遠地看，機器人技術(shù)及智能控制技術(shù)可以讓千百萬(wàn)的沙漠植樹(shù)機器人、森林看護機器人幫助重建荒漠生態(tài)。

解決方案：采用機器人集群種植，可以實(shí)現無(wú)人化、規?；?、全天候工作；配合標準化的免灌溉種植設備，提供智能監控平臺。

優(yōu)勢：將種植效率提高百倍以上；成活率提高至95%以上；實(shí)現植被即時(shí)定位和觀(guān)測。

以下是幾種機器人的概念圖：

（1）挖坑機器人（如圖3所示）

挖掘種植坑是人工植樹(shù)最耗體力的工作，挖坑機器人可以替代人工作業(yè)，采用無(wú)人駕駛行進(jìn)機構、GPS導航、自動(dòng)挖坑裝置，配備多種鉆頭可適應泥土和沙土等不同類(lèi)型土質(zhì)。采用小型化、輕型化、低成本運載小車(chē)，易于組裝、方便部署，對地表土層損傷小，減少對環(huán)境的破壞。

圖3 挖坑機器人概念圖

（2）放苗機器人（如圖4所示）

將育苗器和節水自灌溉裝置放置在種植坑中，同時(shí)采集并檢測土壤數據。存放樹(shù)苗和節水自灌溉裝置，同時(shí)該機構配備視覺(jué)設備，保證可以將樹(shù)苗精準地放置在坑穴中。同時(shí)可以利用攜帶的土壤檢測設備，在放置樹(shù)苗時(shí)檢測土壤質(zhì)量，以評估并監控樹(shù)苗在種下之后適應土壤的存活能力。

圖4 放苗機器人概念圖

（3）澆水機器人（如圖5所示）

灌溉機器人識別種植植被和免灌溉裝置的特征，判斷補水的必要性、并定期澆水灌溉，可大幅提高植被的成活率。在視覺(jué)系統的輔助下，為植被和自灌溉裝置進(jìn)行及時(shí)補水。

圖5 澆水機器概念圖

該機器人集群具有以下特點(diǎn)：

·高效率/高安全性：利用無(wú)人駕駛和人工智能技術(shù)將實(shí)現智能種植規劃、可以進(jìn)行一天24小時(shí)、1周7天的全天候規?；鳂I(yè)。

·低成本/易于部署：機器人成本低、易于生產(chǎn)和組裝、避免使用笨重的拖拉機牽引、易于大規模部署。

·環(huán)保：采用小型化、輕型的機器人、光伏太陽(yáng)能驅動(dòng)、 對地表土壤損傷小。

·云端監控：利用GPS精準定位、實(shí)現云端遠程管理、監控、大數據分析。

本文涉及的研究項目得到華東師范大學(xué)、華為、百度等合作單位的技術(shù)支持，尤其是得到《支持荒漠生態(tài)恢復的機器人集群 ——華為海思Atlas DK視覺(jué)示范應用》立項支持。

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作者簡(jiǎn)介：

張新宇，華東師范大學(xué)副教授，浙江大學(xué)博士、韓國梨花女大圖形學(xué)與虛擬現實(shí)研究中心研究教授、美國北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校研究科學(xué)家。2013年回國后在華東師范大學(xué)創(chuàng )建“智能機器人運動(dòng)與視覺(jué)實(shí)驗室”，“虛擬現實(shí)VR/AR創(chuàng )新中心”，研究方向為機器人運動(dòng)規劃、計算機視覺(jué)、虛擬現實(shí)、基于物理的計算機模擬等。2017年創(chuàng )立中國機器人操作系統（ROS）教育基金會(huì )，與國內外同行共同推進(jìn)機器人操作系統在中國的宣傳普及與產(chǎn)業(yè)應用。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年8月刊