In Mitteleuropa gibt es keine andere Region, die auf so engem Raum so reich an Besonderheiten ist, an Zeugnissen einer mehrtausendjährigen, außergewöhnlichen Naturgeschichte. Die Landschaft des Mainzer Sandes entstand vor etwa 10.000 Jahren und ist damit relativ jung. Durch den Flugsand, der aus dem kiesigen Flussbett des Rheins ausgeblasen wurde, bildeten sich Dünen. Durch das Aufkommen von Gehölzen wurden diese festgelegt und damit war die Dünenbildung im Wesentlichen abgeschlossen.   Die Landschaftsform, die hierbei entstand, ist sehr selten, da es sich hierbei um Binnendünen handelt. Durch den lichten Bewuchs und den Eingriff des Menschen, der immer wieder freie Stellen schuf, konnten auch weiterhin Verlagerungen stattfinden, sodass die jüngsten Dünenaufwehungen kaum älter als etwa 50 Jahre sind. Und genau diese ständigen Umlagerungen sind ein entscheidender ökologischer Faktor, der die außergewöhnliche Tier- und Pflanzenwelt bestimmt.
Seit 1939 ist das Gebiet auf nationaler Ebene als Naturschutzgebiet ausgewiesen. 1997 wurde es um weitere Flächen ergänzt. Außerdem gehört es zum Natura 2000 Netzwerk, mit dem die europäische Staatengemeinschaft den Verlust der biologischen Artenvielfalt stoppen will. Lange Zeit wurde der Große Sand als Weidefläche für Schafe und Ziegen genutzt. Sie begrenzten die Verbuschung und förderten somit die Verbreitung der Steppenvegetation.
Seit dem ausgehenden 18. Jahrhundert wurde das Gebiet als Truppenübungsgelände genutzt. Anfangs von französischen, später von preußischen und österreichischen Truppen. Bäume oder größere Büsche wurden immer wieder entfernt, um für die Artillerie freies Schussfeld zu erhalten. Später nutzten die Wehrmacht, und nach dem Zweiten Weltkrieg auch französische und amerikanische Truppen den Sand als Übungsplatz. Noch heute sind Teile des Mainzer Sandes Übungsgelände der US-Truppen.
 
Zweimal im Jahr wird Im Großen Sand eine Schafbeweidung durchgeführt. Hierdurch wird auf natürliche Weise eine Verbuschung der offenen Flächen vermieden.    
Sand-Thymianblüte im August    
 
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