研究院名片

中国科学院西北生态环境资源研究院是我国专门从事高寒干旱地区生态环境、自然资源和重大工程研究的国家级研究机构，其主要研究领域（如冰川、冻土、沙漠、生态、油气地质和资源环境信息等）均处于国内引领地位。

目前，西北研究院拥有2个全国重点实验室，1个国家科学数据中心，13个省级重点实验室/工程中心，7个国家级、17个中国科学院和研究所级野外观测研究实验站，1个文献情报中心和1个公共技术中心，构建了“实验室（研究室）+野外台站+数据中心+公共技术中心+文献情报中心”五位一体的科技创新体系。

遍野黄沙之上，风机林立，巨大的叶片在蓝天白云下缓缓转动。这是我国西北地区的“沙戈荒”（沙漠、戈壁和荒漠的统称）地带的常见景象。

这里气候恶劣、沙土飞扬、植被稀疏、人烟稀少，面临防沙治沙难题。同时，这里又有着丰富的风能资源，风电产业发展如火如荼。如今，这里早期安装的风电机组即将迎来大规模退役。

风机退役之后，如何循环利用？“沙戈荒”与风机之间的关系，还有怎样的可能性？

中国科学院西北生态环境资源研究院（简称“西北研究院”）柳本立研究员带领的研究团队以退役风机叶片为原料，成功研发出了新型防沙材料，为循环利用退役风机叶片提供了新的解决方案。相关研究成果近日发表于国际水土保持科学权威期刊《国际水土保持研究》。

风电场往往与防沙治沙地区接近或重合

就地取材，变废为宝，解决双重难题

在习近平生态文明思想指引下，我国近年来已成功遏制荒漠化扩展态势。今年的政府工作报告中提到，2024年我国“深入实施重要生态系统保护和修复重大工程，荒漠化、沙化土地面积持续‘双缩减’”。

机械沙障是有效防治沙害的现有固沙措施之一。但研究人员发现，传统的机械沙障所用材料如秸秆、芦苇等存在易老化、寿命短、强度不足等问题，亟待研发能够适应恶劣环境的新型防沙材料。

那为什么选择以退役风机叶片为原料？

退役风机叶片。受访者供图

我国是风电大国，2010年，全国累计风电装机容量跃居世界第一，由此一直领跑，截至2024年年底全国累计风电装机容量已达约5.2亿千瓦。今年的政府工作报告提出“加快建设‘沙戈荒’新能源基地”，“沙戈荒”地带的风电装机量还将增长。

风电产业蓬勃发展的同时，一个问题迫在眉睫：退役风电设备如何处理？

风电机组的设计寿命一般为20年至25年，早期建设的风机正面临“退役潮”。有数据显示，到2030年，累计将有超过3万台风电机组达到退役年限，由此带来的固体废弃物规模将达94.79万吨。

普通的风电机组动辄高达一两百米，单个风机叶片一般长达数十米，这些曾为千家万户送去清洁能源的“捕风高手”，退役后却成了难以处理的固体废物，仅堆放、运输等就是很大的难题。

为处置、利用好这些庞然大物，我国近年来出台了一系列政策：2021年，将风机叶片回收写入《“十四五”循环经济发展规划》；2023年，国家发展改革委等部门出台《关于促进退役风电、光伏设备循环利用的指导意见》……

在退役风电设备中，风机叶片被认为是最难处理的部分。目前绝大多数风机叶片主要由玻璃纤维、碳纤维和树脂等材料采用真空灌注加热固化工艺制成，强度高、韧性大、抗风能力强。然而，正因如此，它难以降解，回收处理难度极大。

在参与其他研究项目中，西北研究院的研究人员关注到这些情况。柳本立对记者说：“对风机叶片的处理，如果采用处理其他固体废物常用的填埋和焚烧方式，一旦处理不当，会释放有害物质，造成严重污染。”

补齐风电产业链绿色低碳循环发展最后一环，就要考虑对这些退役风机叶片进行绿色、无害化处理。

风机叶片的材料特性，恰好能满足风沙肆虐、环境恶劣地方对坚固耐用的防沙材料的要求；它是空心的，其厚度也适合加工成防沙材料……西北研究院的研究人员想到，或许可以尝试将其应用于防沙治沙，同时解决退役风机叶片循环利用、新型防沙材料研发双重难题。

“风电场往往与需要开展防沙治沙工作的地区接近或重合，这种地理重叠的优势为防沙原材料的供应和资源化循环利用提供了可能。”柳本立说。

变废为宝，让“捕风高手”变成“防沙能手”。自2023年开始，柳本立带领的研究团队开始以退役风机叶片为原料研发新型防沙材料。

新型多孔沙障截沙效率是传统材料的3倍以上

1台退役风机的叶片材料至少可供防沙治沙1亩

西北研究院干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室及敦煌戈壁荒漠研究站研究团队联合中国地质大学（北京）、江苏海洋大学、中科碳汇（北京）科技有限公司等伙伴，采用精密切割、钻孔等工艺，将已退役或损坏的风机叶片制成了一块块具有多孔结构的模块化沙障。

新型多孔沙障抗弯性能测试。受访者供图

这种新型多孔沙障的防沙治沙性能如何，需要经过严谨的模拟实验来测试。依托西北研究院的大型仪器设备，研究团队对其进行了紫外老化、高低温交变、冲蚀磨蚀、抗弯强度等测试。

风机叶片原材料的特性，使得新型多孔沙障兼具柔性沙障的多孔结构和刚性沙障的材料强度。柳本立介绍，它不仅抗弯强度高，而且在极端温差、强紫外线和高速风速的磨蚀测试中都能保持结构稳定。“实验数据显示，新型沙障的抗弯强度是木质复合板材的14倍。”

风洞实验和数值模拟结果表明，这种新型多孔沙障能有效改变风沙流结构，减少近地面风沙输移，防沙性能良好。

在风沙环境风洞中，被设计成不同孔隙率的新型多孔沙障，接受了高风速下沙尘的磨蚀等多重“洗礼”。

结果显示，孔隙率为20%的新型多孔沙障在防风和治沙方面表现卓越，能有效增加地表粗糙度、降低地表风沙流强度，使沙粒遇阻沉积，形成稳定的凹曲面，其截沙效率是传统材料的3倍以上。

与传统材料制成的沙障相比，新型多孔沙障的优点不只是防沙性能好、截沙效率高。

“在地上布设的方格沙障，往往过一段时间就会被沙子埋掉。只要完好无损，就可以把它向上提起再继续用。但实际上，很多传统的材料，不管是秸秆的、尼龙网的，等等，在风沙大的地方都容易破损，被沙埋掉之后很难完整提出来。”柳本立向记者介绍，“风机叶片的材料本身非常坚硬，而且柔韧性非常好，基本上不会有破损，寿命很长。它表面光滑，由其制成的新型多孔沙障如果被流沙掩埋，还可以较顺利地整体从沙中提起，从而反复利用，实现长期固沙效果。”

研究结果证实，这一新型多孔沙障格外适合应用在温差变化大、紫外线辐射强烈、风沙活动频繁的严重沙害地区。

据测算，一个普通的风机叶片，大约能生产500至600块新型多孔沙障。如果采用更复杂的加工工艺实现完全利用，则能生产2000块左右。

柳本立说，如果按荒漠地区典型的沙障布设密度计算，1台退役风机的叶片材料所制成的新型多孔沙障，至少可满足1亩防沙治沙工程所需。“西北地区防沙治沙面积大，对机械沙障的需求多，因而可以消纳大量退役风机叶片；就地取材，免去长途运输，成本大大降低；地广人稀，更加适宜发展相关产业……在西北‘沙戈荒’地带应用退役风机叶片所制新型多孔沙障，有多重优势。”

防沙治沙就像中医问诊开方，“一沙一方”系统治理

注重社会效益、生态效益和经济效益相统一

下一步，研究团队将继续深入研究这种新型多孔沙障的生态环境影响，并不断进行性能优化和应用拓展。

“我们将开展户外环境下的长期实践和测试，来检验这种新型多孔沙障能否广泛应用于‘沙戈荒’地带，更关键的是要证明它本身不会造成环境污染，使其真正发挥防沙治沙促进生态修复的作用。”柳本立对记者说。

提到未来这一成果的推广应用，柳本立认为，需要因地制宜。“防沙治沙工作没有放之四海而皆准、一成不变的方法。各地实际情况不一样，有可能是风不一样、沙子不一样、地形不一样、防护的目标不一样，用到的方法也不一样。根据目前的研究，这一新型多孔沙障更加适合风沙大的‘沙戈荒’地带。”

敦煌戈壁荒漠研究站站长屈建军经常用一个比喻来形容防沙治沙工作——中医问诊把脉开方。研究人员针对不同地方风沙灾害的病因，地理、气候等自然条件，重大工程、重要建筑物等实际情况，结合风沙运动等规律，开出药品、药量不同的“药方”，“一沙一方”、系统治理。

除了机械沙障，防沙治沙的基本措施还有生物措施、化学措施。生物措施除了人们日常熟知的植树外，还包括地衣、苔藓等先锋植物以及微生物的生长。这些是沙漠地区可以稳定形成生态系统的标志。化学措施主要通过喷洒高分子或者无机的液体化学材料，使沙子表面结成“硬壳”，固定流沙。

我国是世界上土地沙化最严重的国家之一，沙化土地面积占国土面积的17.58%。防沙治沙，是荒漠化防治的主要任务，也是习近平总书记深切的牵挂。西北研究院的研究人员不断探索风沙灾害防治新技术、新材料，积极开展荒漠地区风沙灾害防治技术的应用研究。

在青海荒漠光伏电站，中国科学院西北生态环境资源研究院研究人员进行新型防冻固沙剂喷洒实验。受访者供图

据柳本立介绍，在化学防沙材料方面，研究团队日前还研发出了一种新型防冻固沙剂。它具有较强的耐低温能力、良好的透氧和亲水防冻性能，以及不影响植物种子萌发的适宜固结强度。在青海省共和县的实地应用证明，这种环境友好型的新型防冻固沙剂能有效促进植物生长，可应用于广大寒冷荒漠地区的防沙治沙工作。

无论是哪种措施，都要注重社会效益、生态效益和经济效益相统一，实现绿色可持续发展。

用退役风机叶片制成新型多孔沙障，将固废处理、资源循环利用和防沙治沙结合起来，一旦推广应用，在多个方面都具有积极意义。

“习近平总书记强调，人类要更好地生存和发展，就一定要防沙治沙。”柳本立认为，“防沙治沙是一项‘面向国家重大需求’，建设美丽中国的重要工作，这项研究也是科研工作‘面向经济主战场’的具体实践。在政府部门、科研机构、有关企业联动下，这一成果的推广应用，将有望打通多个行业、各个环节，推动建立叶片回收、材料改性、装备制造、工程服务的全产业链，从而产生良好的综合效益。”