1　引言

全球气候变化，尤其是土地荒漠化是整个人类面临的最严峻的危机。我国也有七个荒漠化严重的省份，主要分布在干旱的西北地区，占全国95%的沙化土地。新疆沙化率达到64.34%，宁夏55.8%，内蒙古52.2%，甘肃45.12%，青海26.7%。土地荒漠化，导致很多地区经济发展落后、贫困人口集聚，甚至时常诱发严重的社会和安全问题，已成为制约这些地区发展与稳定的重要因素。

除此之外，我国提议并主导的“一带一路”提议中的“新丝绸之路经济带”也面临严峻的生态问题。尤其是“一带一路”提议中的四个经济走廊存在严重的荒漠化问题。“新亚欧大陆桥”（从中国江苏连云港到荷兰鹿特丹），干旱和荒漠遍布沿线；“中蒙俄经济走廊”约400公里路线位于荒漠区；“中国-中亚-西亚经济走廊”路线总长超过6000公里，大约一半位于荒漠区；在“中巴经济走廊”的南段，主要是干旱的荒漠。“一带一路”沿线的境外部分经过的中东、中亚等地区，荒漠化有日益加剧的趋势。这些区域内的大部分地区同时面临经济落后和生态脆弱的双重问题，而经济发展又将对“一带一路”沿线地区的生态环境构成新的压力。要顺利推进“一带一路”建设，必须重视土地荒漠化问题，在维持经济快速发展，遏制沙漠化、治理修复我国西北地区，甚至修复“一带一路”沿线的荒漠化土地是一个艰巨的任务。但是无论困难多大，必须寻找方法予以解决，因为这是实现绿色“一带一路”、实现“一带一路”可持续可发展的根本要求。

人工植树造林是缓解荒漠化，甚至的全球气候问题的关键和主要手段。如果从微观的角度看，树木通过光合作用从空气中吸收二氧化碳，从泥土中吸收水分，向空气中释放氧气。除了吸收二氧化碳，树木还能帮助土壤吸收大量的碳。从而可以缓解由二氧化碳聚集而形成的温室效应。科学界也普遍认为，人工植树，是目前成本最低且最有效应对气候问题的解决方案。根据《科学》和《自然》杂志刊登的最新研究报告，在全球范围内，有17亿公顷无树土地，它们可成为1.2万亿棵树自然生长的地方，这占了全球陆地面积的11%，相当于美国和中国陆地加起来的面积。而且，人工植树可以在不影响城市和农作物的情况下完成这件事。根据调查研究，全球有6个国家可实现超过一半的森林恢复潜力，包括俄罗斯（1.51亿公顷）、美国（1.03亿公顷）、加拿大（7800万公顷）、澳大利亚（5800公顷）、巴西（5000万公顷）、中国（4000万公顷）。如果这些土地能被森林覆盖，其构建的生态系统能够帮助将全球二氧化碳排放量减少三分之一，从而有效缓解全球变暖造成的危机。

2　荒漠化治理的中国经验与局限

虽然防沙治沙早已列入很过国家的发展战略，生态保护也逐渐成为人类社会的共识，但是由于过度追求经济发展，荒漠化现状依然非常严峻，生态恢复进程非常缓慢。我国政府在荒漠化治理投入的资金最多，尤其是政府主导的“三北工程”，民间资本和公益基金也广泛参与，尤其是最近几年由阿拉善SEE公益机构发起的“一亿棵梭梭”项目，联合了全社会的力量，如阿拉善盟政府、牧民、合作社、民间环保组织，希望用十年的时间（2014-2023年）在阿拉善关键生态区种植一亿棵以梭梭，预计可以恢复200万亩荒漠植被，改善当地生态环境，遏制荒漠化蔓延趋势。我国政府及民间机构正以更大的资金力度支持防治荒漠化。

世界各国也都重视并采用以人工造林（灌木）为主的荒漠化治理方式，也特别重视造林技术的研究。其中以美国、加拿大、俄罗斯、日本、英国领先。对于林业栽培技术，包括育种技术、整地技术、施肥技术、造林方法等方面，美国、加拿大等国已有50~60年的经验，并取得相当成绩。

然而，我们应该清楚地意识到，我国荒漠化土地目前依然是年均净增长的。而且如何在种植1.2 万亿棵树，以现在的方式和技术来看，完全是天方夜谭。

在此，我们可以对当前植树造林面临的几个关键问题总结如下：

·现在大部分地区都是人工植树，劳动强度大、工作效率低、人工费用高。

·防护植被的存活率极低的问题，其中关键又是“水”的问题。现实中，经常面对的是植树容易，存活不易。在荒漠地区，即使水源有保证，存活也相当不容易，外来树种，更难存活。

·重植树，不重维护，缺乏有效监控；

这个过程急需高新技术和可行方案进行支撑，尤其是需要重视将自动化、机器人技术引入到全球气候变化，防治荒漠化的国家战略中。

3　现状及发展动态

人工传统穴状植树：这种方法最为常见，通过人工挖坑、放苗、填土、浇水完成植树。该方法易于操作，适合于小批量植树造林，缺点是人工效率低，且要反复灌溉，才能保证树木的成活率。

机械化挖坑机（如图1所示）：近几年出现的，以拖拉机、挖掘机为动力源，配以液压系统来实现土坑挖掘的机械设备。该设备一般由动力系统（拖拉机或挖掘机）、液压系统、机械钻挖系统三部分组成。这种设备需要对现有土地进行大面积翻动，这种方式不适合生态脆弱的荒漠地区。

沙丘低压水冲植树：利用有压水流在流动沙丘上打孔扦插的造林技术，在造林过程中，以硬质管作为水枪，利用有压水流冲击在沙丘上形成栽植孔，插入沙柳插条，一次性完成造林及灌溉工作。这种技术较人工植树的效率提高十几倍。这种技术主要适用于松软的沙丘。

人工浇水：水分是影响植物成活的关键因素，在降水量低、水资源缺乏的地区种树需人工大量浇水。由于土壤渗漏和地表蒸发，漫灌沟灌等方法对水源利用率低；滴管、微喷等方法提高了水资游的利用率，但其应用受地形、供水、维护等外在条件的限制，难以在无供水条件、立地困难的地区应用。

透气防渗砂技术：沙漠里的水分大部分被下渗和蒸发掉，在树根底部铺设透气防渗砂，就可以保住下渗的水分保存在下来，节水75%，提高成活率。这种技术防水、防渗性能显著，但往往也会影响植被的根系发展。

图1 国内外的一些机械挖坑机

图2 国内外的一些机械植树机

4　支持荒漠生态恢复的机器人集群

利用智能自动化技术和机器人技术，将其与荒漠生态恢复与重建进行结合，借鉴工业自动化的思想，对荒漠造林进行标准化规范、简化步骤、降低成本、可极大减低荒漠造林的难度，使得荒漠造林更快、更好、更稳定。同时利用物联网技术、传感器技术监控荒漠造林的效果、有助于掌握生态恢复的程度，监控生态重建的效果。长远地看，机器人技术及智能控制技术可以让千百万的沙漠植树机器人、森林看护机器人帮助重建荒漠生态。

解决方案：采用机器人集群种植，可以实现无人化、规模化、全天候工作；配合标准化的免灌溉种植设备，提供智能监控平台。

优势：将种植效率提高百倍以上；成活率提高至95%以上；实现植被即时定位和观测。

以下是几种机器人的概念图：

（1）挖坑机器人（如图3所示）

挖掘种植坑是人工植树最耗体力的工作，挖坑机器人可以替代人工作业，采用无人驾驶行进机构、GPS导航、自动挖坑装置，配备多种钻头可适应泥土和沙土等不同类型土质。采用小型化、轻型化、低成本运载小车，易于组装、方便部署，对地表土层损伤小，减少对环境的破坏。

图3 挖坑机器人概念图

（2）放苗机器人（如图4所示）

将育苗器和节水自灌溉装置放置在种植坑中，同时采集并检测土壤数据。存放树苗和节水自灌溉装置，同时该机构配备视觉设备，保证可以将树苗精准地放置在坑穴中。同时可以利用携带的土壤检测设备，在放置树苗时检测土壤质量，以评估并监控树苗在种下之后适应土壤的存活能力。

图4 放苗机器人概念图

（3）浇水机器人（如图5所示）

灌溉机器人识别种植植被和免灌溉装置的特征，判断补水的必要性、并定期浇水灌溉，可大幅提高植被的成活率。在视觉系统的辅助下，为植被和自灌溉装置进行及时补水。

图5 浇水机器概念图

该机器人集群具有以下特点：

·高效率/高安全性：利用无人驾驶和人工智能技术将实现智能种植规划、可以进行一天24小时、1周7天的全天候规模化作业。

·低成本/易于部署：机器人成本低、易于生产和组装、避免使用笨重的拖拉机牵引、易于大规模部署。

·环保：采用小型化、轻型的机器人、光伏太阳能驱动、 对地表土壤损伤小。

·云端监控：利用GPS精准定位、实现云端远程管理、监控、大数据分析。

本文涉及的研究项目得到华东师范大学、华为、百度等合作单位的技术支持，尤其是得到《支持荒漠生态恢复的机器人集群 ——华为海思Atlas DK视觉示范应用》立项支持。

参考文献：

[1] 中国环境资源部. “一带一路”生态环境保护合作规划[Z]. 2017.

[2] 联合国. 《联合国防治荒漠化公约》（UNCCD），Desertification: the invisible frontline[Z]. 2014.

[3] 包英爽, 卢琦. 防治荒漠化和土地退化的国际经验（中国林科院荒漠化研究所）[Z]. 2019.

[4] 柴静. 中国沙漠化：无国界沙尘祸[J]. 政经趋势, 2016.

[5] 吴宏鑫. 发展自动化、发展机器人是历史的必然[C]. 中国智能制造国际高峰论坛暨中国智能产业创新创业大会，2015.

[6] Pan, Y. et al. A large and persistent carbon sink in the world's forests[J]. Science, 2011.

[7] Crowther,T.W. et al. Mapping tree density at a global scale[J]. Nature, 2015.

作者简介：

张新宇，华东师范大学副教授，浙江大学博士、韩国梨花女大图形学与虚拟现实研究中心研究教授、美国北卡罗来纳大学教堂山分校研究科学家。2013年回国后在华东师范大学创建“智能机器人运动与视觉实验室”，“虚拟现实VR/AR创新中心”，研究方向为机器人运动规划、计算机视觉、虚拟现实、基于物理的计算机模拟等。2017年创立中国机器人操作系统（ROS）教育基金会，与国内外同行共同推进机器人操作系统在中国的宣传普及与产业应用。

摘自《自动化博览》2019年8月刊