丁啟朔 任 駿 BELAL Eisa Adam,2 趙吉坤 葛雙洋 李 楊

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.扎林蓋大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系， 扎林蓋 06)

濕粘水稻土深松過程離散元分析

丁啟朔1任 駿1BELAL Eisa Adam1,2趙吉坤1葛雙洋1李 楊1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.扎林蓋大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系， 扎林蓋 06)

濕粘水稻土的深耕松對作業(yè)機(jī)具設(shè)計(jì)與作業(yè)參數(shù)的要求不同于旱作制，為探究水稻土條件下土壤深松擾動(dòng)過程及其內(nèi)在相互作用機(jī)理，本文結(jié)合田間實(shí)測土壤物理參數(shù)，借助離散元EDEM軟件，建立適用于粘性水稻土的深松耕作離散元模型。利用粘性水稻土模型對水稻土的機(jī)械深松耕作過程進(jìn)行離散元模擬仿真，并結(jié)合田間試驗(yàn)結(jié)果對機(jī)具耕作阻力、土壤宏觀擾動(dòng)進(jìn)行對比驗(yàn)證，進(jìn)一步從仿真的角度揭示深松土壤擾動(dòng)的微觀過程、土壤失效破碎的微觀機(jī)理。結(jié)果表明，該模型下深松耕作阻力平均誤差為6.63%，土壤擾動(dòng)的起壟寬度平均誤差為4.39%，起壟高度平均誤差為19.22%；DEM仿真對土壤的微觀擾動(dòng)過程分析進(jìn)一步論證了宏觀試驗(yàn)測試結(jié)果及假說的正確，并且能夠從土顆粒接觸力學(xué)層面表達(dá)土壤擾動(dòng)的邊界生成、土體內(nèi)部破碎等過程；結(jié)合DEM仿真角度提出的反映土體破碎程度指標(biāo)——斷裂系數(shù)，與傳統(tǒng)試驗(yàn)的指標(biāo)參數(shù)碎土系數(shù)對比兩者誤差為3.46%，該指標(biāo)更有利于對土壤破碎過程微觀機(jī)理的表達(dá)。

深松； 土壤擾動(dòng)； 離散元； 水稻土

引言

稻麥輪作制是長江中下游地區(qū)的主導(dǎo)高產(chǎn)種植模式，然而該模式的機(jī)械化耕作問題日趨嚴(yán)重，因稻麥輪作周年干濕交替、稻季淹水以及長期淺旋代深耕翻造成土壤硬化、孔隙率低、耕層淺薄等問題日趨嚴(yán)重[1-5]，嚴(yán)重限制了稻麥作物的高產(chǎn)創(chuàng)建和品質(zhì)提升，水稻土的合理機(jī)械化耕作已成為制約南方稻作制發(fā)展的瓶頸問題。為改善水稻土的結(jié)構(gòu)性，近年來人們開始探索將北方已成熟應(yīng)用的深耕深松技術(shù)應(yīng)用于南方耕作的可能性[6-9]。不過相關(guān)研究表明現(xiàn)有的深松技術(shù)尚難于滿足不同土壤條件下的深松要求[10]，因此對于特定土壤類型的深松性能差異性研究就顯得尤為重要。黃玉祥等[11-12]在西北地區(qū)塿土條件進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了該土壤條件的深松擾動(dòng)行為且提供了作業(yè)效果的方法；鄭侃等[13]針對華北平原壤土區(qū)的特定土壤類型設(shè)計(jì)了一種新型的折線刃深松鏟。鑒于水稻土土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，適用于北方旱作區(qū)的深松機(jī)具及理論并不完全適合南方稻麥輪作區(qū)域[9]。因此須對南方水稻土條件下深松過程深入研究。

現(xiàn)有研究指出，土壤耕作(尤其是深耕松)的機(jī)理非常復(fù)雜，機(jī)械擾動(dòng)過程受土壤空間變異、耕作機(jī)械動(dòng)力學(xué)、土壤破碎等眾多復(fù)雜因素影響，僅僅采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法難以深刻理解深松土壤的擾動(dòng)行為[11]，因此需要進(jìn)一步從內(nèi)在機(jī)制上探討與機(jī)械耕作密切相關(guān)的土壤物理響應(yīng)及其表現(xiàn)[14]。但鑒于宏觀測試方法的局限性，其定量化測試與描述并不容易實(shí)現(xiàn)，因此，近年來更強(qiáng)調(diào)借助離散元等數(shù)值模擬手段解析土壤的機(jī)械耕作過程[11,13,15-16]。實(shí)踐表明，數(shù)值模擬方法的確為深刻闡釋深耕松等機(jī)械耕作過程提供了有效的解決途徑[10]，鄭侃等[13]、李博等[17]、鄧佳玉等[18]對不同工況下的深松鏟耕作力學(xué)行為進(jìn)行了研究，顯示應(yīng)用離散元法分析深松鏟耕作過程的力學(xué)行為及效應(yīng)的可行性和有效性，計(jì)算仿真已經(jīng)成為揭示田間試驗(yàn)耕作力學(xué)過程的優(yōu)勢技術(shù)手段。

本文針對水稻土耕作力學(xué)行為的特殊性及其定量表達(dá)的困難性，以高粘結(jié)性為特征的水稻土離散元參數(shù)模型對深松土壤擾動(dòng)過程進(jìn)行機(jī)理分析，進(jìn)一步結(jié)合田間試驗(yàn)驗(yàn)證，探討濕粘性水稻土機(jī)械化深松的土壤失效機(jī)理及深松機(jī)具的力學(xué)行為與土壤結(jié)構(gòu)效應(yīng)，以期從微觀擾動(dòng)過程及破碎機(jī)理的仿真角度實(shí)現(xiàn)與田間宏觀測試結(jié)果的配合，為南方耕作機(jī)具的研究提供借鑒及方法學(xué)的支撐。

1 田間試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于南京市六合區(qū)八百橋試驗(yàn)田(118°59′E、31°98′N)，地勢平坦，土壤類型為壤質(zhì)粘土，該地區(qū)常年稻麥輪作。土壤pH值為7.6，土壤砂粒、壤粒、黏粒、有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.06%、40.39%、35.55%和2.27%，液限為41.94%，塑限為25.18%。0～40 cm土層土壤容重、含水率、總孔隙度及硬度參數(shù)見表1。試驗(yàn)前進(jìn)行人工地表清茬。

表1 0～40 cm土層基礎(chǔ)物理參數(shù)Tab.1 Basic physical properties in 0～40 cm soil layer

1.2 試驗(yàn)方法

為保證田間試驗(yàn)的可靠性，本文在土壤耕作原位綜合試驗(yàn)臺[19](圖1)上進(jìn)行原位深松耕作試驗(yàn)。試驗(yàn)臺內(nèi)部臺車上安裝2個(gè)LKL-101/1T型拉壓力傳感器用于測量深松鏟的水平耕作阻力。利用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲取耕作阻力波動(dòng)曲線(圖2a),對信號進(jìn)行濾波處理后(圖2b)截取波動(dòng)穩(wěn)定段并求其平均值，作為相應(yīng)耕作深度下的水平耕作阻力。

圖1 土壤耕作原位綜合測試平臺Fig.1 Schematic view of in-situ experimental platform1.牽引電動(dòng)機(jī) 2.控制柜 3.鏈條 4.信號拖鏈 5.臺車機(jī)構(gòu)6.升降電動(dòng)機(jī) 7.臺車導(dǎo)軌 8.電源拖鏈 9.信號終端計(jì)算機(jī)10.移動(dòng)導(dǎo)軌

南方水稻土的適宜深耕深松深度尚難明確，本文進(jìn)行5個(gè)耕作深度(100、150、200、250、300 mm)的深松深耕試驗(yàn)，一方面可以完整反映耕深變化的耕作效應(yīng)，另一方面則可觀察水稻土條件深松鏟不同部位的觸土性能差異，耕作速度為0.1 m/s。一次深松作業(yè)完成之后，隨機(jī)選取2 m耕作區(qū)域作為測量區(qū)域。沿著裂紋方向?qū)y試區(qū)域內(nèi)的不同尺度的土垡緩慢取出放于海綿墊上，自然風(fēng)干后進(jìn)行篩分處理，土垡尺度過大(大于64 mm)且難于篩分時(shí)采用手工測量。小尺度區(qū)間(32～64 mm、16～32 mm、8～16 mm、0～8 mm)的土壤破碎體使用篩分分級，分級尺度區(qū)間的上、下限算術(shù)平均值作為該尺度區(qū)間的平均土塊徑[20]，計(jì)算結(jié)果依次為48、24、12 mm，小于8 mm土壤粒徑默認(rèn)為4 mm。上述試驗(yàn)操作及測試方法見文獻(xiàn)[9]，所有試驗(yàn)均重復(fù)3次。

圖2 耕作阻力波動(dòng)曲線Fig.2 Wave curves of tillage draught

2 EDEM仿真分析

2.1 深松鏟建模

圖3 試驗(yàn)用深松鏟Fig.3 Subsoiler used in field test and its structural parameters

本試驗(yàn)選用鑿型深松鏟進(jìn)行深松耕作，深松鏟實(shí)物圖如圖3a所示，鏟柄為圓弧形(仿制JB/T 9788—1999《深松鏟和深松鏟柄》所規(guī)定的圓弧形深松鏟柄)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3b所示。其中鏟柄高度600 mm，鏟柄寬度60 mm，鏟尖長度160 mm，鏟柄曲率半徑300 mm，入土角為22°。為保證仿真分析的準(zhǔn)確性，對試驗(yàn)用深松鏟(圖3)按照1∶1的比例，采用Pro/E建立深松鏟的三維結(jié)構(gòu)模型，并保存為.igs格式導(dǎo)入EDEM軟件(圖4)。

圖4 EDEM仿真模型Fig.4 Simulation model of EDEM

2.2 土壤模型建立

本研究選用球形顆粒模擬田間土壤顆粒，離散元仿真中顆粒尺寸減小會導(dǎo)致仿真耗時(shí)呈幾何級數(shù)增加，故仿真中的顆粒尺寸受計(jì)算時(shí)間和存儲空間限制，總是比真實(shí)土壤尺寸大[15-16]，本文選定土壤顆粒半徑為8 mm，處于可接受范圍內(nèi)。結(jié)合表1田間實(shí)測土壤狀態(tài)，建立兩種不同物理參數(shù)(耕層土壤、底層土壤)的土壤參數(shù)模型模擬田間水稻土分層結(jié)構(gòu)，其中0～150 mm為耕層土壤，150～400 mm為底層土壤。

2.2.1 土壤接觸模型

接觸模型是離散元法的重要基礎(chǔ)，其實(shí)質(zhì)是準(zhǔn)靜態(tài)下顆粒固體的接觸力學(xué)彈塑性分析結(jié)果[21]。接觸模型的分析計(jì)算直接決定了顆粒受力和力矩的大小，對不同的仿真對象須建立不同的接觸模型，用以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)地區(qū)為壤質(zhì)粘土，顆粒表面粘附力較大(粘粒35.5%)，土顆粒接觸模型選定為顆粒之間存在粘結(jié)作用的Hertz-Mindlin with Bonding模型，該模型可以很好地表達(dá)粘性土壤的破碎過程[15-16,22-23]。

該模型接觸情況下，粘結(jié)作用既能傳遞作用力又能傳遞力矩，因此粘結(jié)可看作一系列具有恒定法向和切向剛度的彈性彈簧，這些彈簧均勻分布在兩顆粒之間的球形區(qū)域內(nèi)。粘結(jié)作用產(chǎn)生后，外界給予土顆粒的力Fn、Fτ和力矩Mn、Mτ隨著時(shí)間步通過下面公式[24-25]從零開始增加。

δFn=-vnSnAδt

(1)

δFτ=-vτSτAδt

(2)

δMn=-ωnSnJδt

(3)

(4)

其中

式中A——接觸區(qū)域面積Rb——粘結(jié)半徑J——截面極慣性矩Sn、Sτ——粘結(jié)顆粒法向、切向剛度

vn、vτ——顆粒運(yùn)動(dòng)速度的法向、切向分量

ωn、ωτ——顆粒角速度的法向、切向分量

δt——時(shí)間步長

當(dāng)外界作用力超過某個(gè)定義值時(shí)，粘結(jié)就被破壞。定義法向和切向臨界應(yīng)力為

(5)

當(dāng)外界的作用力破壞了土壤顆粒之間的粘結(jié)后，土顆粒之間的相互作用將不再受到粘結(jié)作用的影響。

2.2.2 土壤模型參數(shù)

在離散元EDEM軟件中，模型參數(shù)主要分為材料參數(shù)和接觸參數(shù)，材料參數(shù)包括剪切模量、密度、泊松比，接觸參數(shù)主要包括材料間的摩擦因數(shù)、恢復(fù)系數(shù)。材料參數(shù)和接觸參數(shù)可以通過實(shí)地、實(shí)驗(yàn)測量及查閱已有本地區(qū)相同土壤類型的相關(guān)文獻(xiàn)得到，其中接觸參數(shù)通過查閱文獻(xiàn)[13,16,26-27]可得：土壤-土壤及土壤-深松鏟恢復(fù)系數(shù)均為0.6、土壤-土壤靜摩擦因數(shù)0.5、土壤-深松鏟靜摩擦因數(shù)0.6、耕層土壤間動(dòng)摩擦因數(shù)0.6、耕層土壤-深松鏟動(dòng)摩擦因數(shù)0.35、底層土壤間動(dòng)摩擦因數(shù)0.24、底層土壤-深松鏟動(dòng)摩擦因數(shù)0.13。本文選用的針對粘性土的Hertz-Mindlin with Bonding土顆粒接觸模型本身有5個(gè)微觀參數(shù)，分別是：粘結(jié)法向剛度Sn、粘結(jié)切向剛度Sτ、粘結(jié)法向臨界應(yīng)力σmax、粘結(jié)切向臨界應(yīng)力τmax及顆粒粘結(jié)半徑Rb。其中，前面4個(gè)參數(shù)反映顆粒之間的粘性大小，顆粒粘結(jié)半徑則可以反映濕顆粒含水率的高低，這5個(gè)參數(shù)綜合可以體現(xiàn)濕粘水稻土的高含水率、高粘性的特點(diǎn)。粘結(jié)半徑Rb可通過公式計(jì)算出，在顆粒半徑一定的情況下，濕顆粒的粘結(jié)半徑可根據(jù)材料的密度、含水率計(jì)算得到[27]。其他微觀參數(shù)由于不便通過試驗(yàn)測出，故本文選擇虛擬仿真標(biāo)定的方法得出。參照文獻(xiàn)[28-29]的方法，為了減少標(biāo)定參數(shù)的個(gè)數(shù)，可以取Sn=Sτ，σmax=τmax，已有的研究表明該模型下顆粒行為對粘結(jié)剛度參數(shù)不敏感，因而可取粘結(jié)剛度為5×107N/m3[30]。臨界應(yīng)力的取值關(guān)系到粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而決定耕作過程中土壤的破碎程度及耕作阻力，因此本文在其他參數(shù)確定的情況下，以田間實(shí)測耕作阻力為標(biāo)準(zhǔn)校核臨界應(yīng)力的取值，建立適合本試驗(yàn)過程的深松鏟-土壤離散元耕作模型。具體方法是在EDEM軟件中建立如圖4所示的模型，以顆粒接觸模型中臨界應(yīng)力為變量(其他參數(shù)如前文所述)進(jìn)行深松耕作的仿真試驗(yàn)，得出不同臨界應(yīng)力下土壤對深松鏟的水平耕作阻力，然后參照田間試驗(yàn)相同工況下的水平耕作阻力進(jìn)行誤差分析，確定適宜的參數(shù)取值。

考慮到土壤模型的分層結(jié)構(gòu)，分別以150 mm、300 mm為耕作深度校核耕層土壤和底層土壤的粘結(jié)強(qiáng)度。應(yīng)先校核耕層土壤的粘結(jié)強(qiáng)度，得到確切的耕層土壤顆粒間臨界應(yīng)力取值后，再以此為基礎(chǔ)校核底層土壤顆粒粘結(jié)的臨界應(yīng)力值。田間試驗(yàn)下測得150 mm、300 mm耕深下的耕作阻力分別為1.47 kN和5.21 kN。代表顆粒粘結(jié)強(qiáng)度的臨界應(yīng)力可以以宏觀土壤剪切、壓縮破壞強(qiáng)度為參考[27]，田間取樣后做單軸壓縮試驗(yàn)得耕層、底層土壤最大法向應(yīng)力為105Pa級別，以此為基礎(chǔ)設(shè)定一系列代表粘結(jié)強(qiáng)度的臨界應(yīng)力，進(jìn)行仿真試驗(yàn)得到相應(yīng)的耕作阻力并與田間試驗(yàn)真實(shí)阻力進(jìn)行比較。仿真標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，最終確定耕層、底層土壤顆粒粘結(jié)強(qiáng)度的臨界應(yīng)力為3×105Pa和5×105Pa，由于模型土壤顆粒與真實(shí)土壤顆粒粒徑的差異，模型臨界應(yīng)力取值比真實(shí)土壤破壞強(qiáng)度稍大。最終仿真設(shè)計(jì)的所有參數(shù)如表3所示。

表2 土壤粘結(jié)臨界應(yīng)力校核參數(shù)Tab.2 Calibration process and effects of particle critical stiffness on tillage draught

表3 離散元模型基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of discrete element model

2.3 EDEM耕作模型

本文采用離散元EDEM軟件進(jìn)行整個(gè)深松耕作過程的仿真。為滿足深松作業(yè)的要求，在模型中建立長×寬×高為1 000 mm×800 mm×400 mm的虛擬土槽[11]，深松鏟模型導(dǎo)入后位于土體的一端，結(jié)合田間試驗(yàn)深松鏟耕作速度為0.1 m/s，耕作深度可在模型建立時(shí)自主設(shè)定。結(jié)合田間實(shí)測土壤狀態(tài)，土體模型分為上下兩層。上層耕作層深度區(qū)間為0～150 mm，生成土顆粒按隨機(jī)排列，土壤孔隙度約為50%；下層犁底層深度區(qū)間為150～400 mm，按簡單立方晶格排列生成土顆粒，土壤孔隙度約為40%。仿真模型中共生成土壤顆粒79 824顆，仿真中涉及到所有參數(shù)如表3所示。對應(yīng)表3在EDEM前處理器模塊依次進(jìn)行接觸力學(xué)模型、土壤顆粒模型、幾何模型和顆粒工廠等的設(shè)置。仿真試驗(yàn)為單因素試驗(yàn)，通過改變耕作深度來分析不同情況下對土壤擾動(dòng)情況的影響。在EDEM求解器模塊對仿真時(shí)步、仿真時(shí)間、數(shù)據(jù)保存間隔時(shí)間及網(wǎng)格大小等進(jìn)行設(shè)置。仿真開始時(shí)生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩(wěn)定后深松鏟開始運(yùn)動(dòng)，仿真時(shí)間總共為12 s，0～2 s為土壤顆粒生成及沉降穩(wěn)定階段，2～12 s為深松鏟運(yùn)動(dòng)階段。仿真結(jié)束后在EDEM后處理工具模塊進(jìn)行仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕作阻力與土壤擾動(dòng)對比分析

圖5a反映了不同耕作深度下田間實(shí)測水平耕作阻力與仿真水平耕作阻力的變化趨勢。其中耕作深度為150 mm時(shí)誤差最小，為0.68%，耕作深度200 mm時(shí)誤差最大，為11.05%，5個(gè)耕作深度下耕作阻力的平均誤差為6.63%。由圖5a可知耕作阻力隨著耕作深度的增加而增大，當(dāng)耕作深度在200 mm以內(nèi)時(shí)，耕作阻力平緩增加；當(dāng)耕作深度大于200 mm時(shí)，耕作阻力急劇增加。

圖5 不同耕作深度下實(shí)測與仿真結(jié)果對比Fig.5 Comparisons of simulated and measured results under different tillage depths

圖5b反映了不同耕作深度下田間試驗(yàn)土壤宏觀擾動(dòng)狀態(tài)與仿真下相對應(yīng)值的對比。田間試驗(yàn)條件下起壟寬度隨著耕作深度先增大后減小，在耕作深度200 mm時(shí)達(dá)到最大值，為422 mm，耕作深度100 mm時(shí)達(dá)到最小值，為264 mm；起壟高度隨著耕作深度變化趨勢相對平緩，總體也呈現(xiàn)出先增大后減小，在耕作深度200 mm時(shí)達(dá)到最大值(163 mm)，耕作深度300 mm時(shí)為最小值(103 mm)。仿真環(huán)境下起壟高度變化趨勢與田間試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，各耕作深度下起壟寬度平均誤差為4.39%；起壟寬度變化總體趨勢一致，但在耕作深度150 mm及300 mm時(shí)誤差相對較大，分別為32.03%和39.81%，總體顯示5個(gè)耕作深度的起壟高度平均誤差為19.22%。

圖6是仿真環(huán)境下不同耕作深度的深松鏟垂直耕作阻力變化情況。其變化規(guī)律和水平耕作阻力變化一致，當(dāng)耕作深度在200 mm以內(nèi)時(shí)，增幅平緩；當(dāng)耕作深度大于200 mm時(shí)，垂直耕作阻力急劇陡增。

圖6 仿真環(huán)境下不同耕作深度的垂直耕作阻力 變化曲線Fig.6 Variation curve of vertical tillage draught in simulation under different tillage depths

本文以田間實(shí)測耕作阻力為校核標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合田間實(shí)測土壤物理參數(shù)建立水稻土離散元耕作模型。以深松阻力行為作校核顯示仿真耕作阻力與田間實(shí)測阻力誤差相對較小，在可接受范圍內(nèi)，表明DEM模型預(yù)測的匹配與適用性。但是鑒于田間試驗(yàn)條件地表雖經(jīng)清茬處理仍然存在根茬和秸稈殘留，而且雖然考慮到水稻土在深度方向的分層結(jié)構(gòu)但并未描述其他方向的土壤力學(xué)空間變異，因此在土壤宏觀擾動(dòng)狀態(tài)方面仿真與實(shí)測結(jié)果差異較大，尤其是起壟高度在某些點(diǎn)出現(xiàn)較大誤差?？傮w上看，仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果在耕作力學(xué)及土壤擾動(dòng)兩方面的效應(yīng)基本一致，表明針對粘性水稻土的離散元耕作模型的土壤接觸模型選定、仿真參數(shù)設(shè)定以及雙層土壤模型建立的準(zhǔn)確性。

田間試驗(yàn)和仿真結(jié)果都表明無論是耕作阻力(包括垂直耕作阻力)還是土壤宏觀擾動(dòng)，200 mm耕作深度是水稻土耕作深度的特征臨界點(diǎn)，該臨界深度對合理選擇適宜的深松深度具有一定理論參考價(jià)值[9]，耕作的深度一定要因地制宜，尤其對于深松這種高能耗作業(yè)，相近工況下華北平原壤土區(qū)深松耕作水平阻力為1.80 kN[13]、東北平原黑土區(qū)土壤耕作阻力為3.86 kN[31]，然而在本文水稻土條件下，300 mm耕作深度時(shí)深松耕作牽引阻力已達(dá)到5.21 kN，這充分反映出濕粘水稻土深松作業(yè)與旱作土的差異性。因此，不同土壤條件的作業(yè)參數(shù)各不相同，且耕作深度等作業(yè)參數(shù)也需要進(jìn)一步配合農(nóng)藝要求。

耕層土壤剪切模量小、顆粒粘結(jié)強(qiáng)度低，底層土壤剪切模量大、顆粒粘結(jié)強(qiáng)度高，耕作阻力變化趨勢如圖5a所示。土壤宏觀擾動(dòng)參數(shù)隨著耕作深度先增大后減小，在200 mm耕作深度時(shí)宏觀擾動(dòng)參數(shù)達(dá)到最大，這顯然是土壤自身屬性和深松鏟特點(diǎn)共同作用的結(jié)果。當(dāng)耕作深度較淺(100 mm)時(shí)，深松鏟的觸土效應(yīng)主要由鏟尖和少部分曲柄段提供，此時(shí)耕作阻力小，對土壤的擾動(dòng)也?。划?dāng)耕作深度逐步增大到200 mm時(shí)，深松鏟鏟尖部分和曲柄弧段完全作用于耕層土壤和部分底層土壤，耕作阻力逐漸增大，土壤擾動(dòng)量增大，曲柄弧形結(jié)構(gòu)的抬土功能得到充分發(fā)揮，此時(shí)地表起壟參數(shù)達(dá)到最大值；當(dāng)耕作深度繼續(xù)加到300 mm時(shí)，深松鏟作用于耕層土壤和底層土壤，由于底層土壤剪切模量大、粘結(jié)強(qiáng)度高，使得耕作阻力急劇增大，深松鏟對土壤的擾動(dòng)能力被大大削弱，地表起壟參數(shù)降低。由此可見，粘性水稻土的DEM模型仿真為土壤宏觀擾動(dòng)過程提供了機(jī)理性解釋，DEM仿真也是實(shí)現(xiàn)不同耕作效應(yīng)的耕作機(jī)具設(shè)計(jì)的重要方法學(xué)支撐。

3.2 深松土壤擾動(dòng)微觀機(jī)理

3.2.1 土壤擾動(dòng)微觀過程分析

在仿真環(huán)境下選取耕作方向上中間段厚度為100 mm的局部土體，以300 mm耕作深度為例分析深松鏟對土壤的微觀作用過程。如圖7所示，分別為耕作方向及其側(cè)向在不同時(shí)刻的截圖，圖8為土體內(nèi)部粘結(jié)結(jié)構(gòu)變化情況，圖9為不同耕作深度下土體內(nèi)部粘結(jié)斷裂總數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。

圖7 不同時(shí)刻深松鏟對土壤擾動(dòng)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of soil disturbance of subsoiler at different time

圖8 關(guān)鍵時(shí)刻土體內(nèi)部粘結(jié)圖示Fig.8 Diagrams of soil internal particle bond at important moment

圖9 各耕作深度下粘結(jié)斷裂總數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Variation curves of total broken bond under different tillage depths

在3.3 s時(shí)刻深松鏟鏟尖即將進(jìn)入土體(圖7)，此時(shí)在牽引力的作用下鏟尖部分通過擠壓土壤“鑿”進(jìn)土體，此時(shí)(圖9)粘結(jié)斷裂數(shù)逐步增加，土壤開始產(chǎn)生破碎；在5.4 s時(shí)刻深松鏟曲柄刃段作用于土體，此時(shí)由于曲柄段的弧形結(jié)構(gòu)使得作用區(qū)域內(nèi)的土體被向上前方“抬”升(圖7)，此時(shí)刻粘結(jié)圖示(圖8)深松鏟作用下土體內(nèi)部以抗剪強(qiáng)度為極限逐步形成深松擾動(dòng)邊界，擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)土壤在深松鏟作用下被抬升，達(dá)到松土效果；在6.6 s時(shí)刻深松鏟直柄端作用于土體(圖7)，此時(shí)隨著深松鏟的前進(jìn)直柄端將前一階段抬升起來的土體進(jìn)行“剪”切，在深松鏟兩側(cè)地表形成土垡及其裂紋，粘結(jié)圖示(圖8)表層下方土壤在直柄的剪切作用下進(jìn)一步破碎，達(dá)到碎土效果；在5.4～6.6 s時(shí)段內(nèi)(圖9)粘結(jié)斷裂總數(shù)劇增，這是由于深松鏟曲柄段和直柄端對土壤的抬升、剪切作用土體內(nèi)部發(fā)生著劇烈的剪切失效使土壤充分破碎；在7.5 s時(shí)刻深松鏟完全離開土體(圖7)，此時(shí)土體會形成深松后的溝槽，溝槽兩側(cè)土壤會有一部分回“落”，回填溝槽，土壤粘結(jié)斷裂總數(shù)趨于一個(gè)穩(wěn)定值(圖9)，也說明深松鏟對這一局部區(qū)域土體擾動(dòng)完成。

傳統(tǒng)田間試驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法不便于深入理解認(rèn)識深松鏟-土壤的作用機(jī)理。已有的研究[10-11,32]表明鑿型深松鏟向前上方擠壓土壤，隨著深松鏟的不斷前進(jìn)土壤產(chǎn)生剪切裂紋，破裂線從鏟尖延伸到地表(圖8)并發(fā)生破碎。本文從微觀的DEM仿真角度進(jìn)一步解釋和論證了宏觀試驗(yàn)測試結(jié)果及假說的正確。文獻(xiàn)[11]在西北地區(qū)塿土土壤類型下對深松土壤擾動(dòng)過程進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真研究，著重分析了深松鏟對不同位置土壤的擾動(dòng)機(jī)理，對不同層土壤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了對比分析。但是其并未結(jié)合深松鏟自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析機(jī)具-土壤作用過程。本文DEM仿真能夠更深一步從微觀層面充分結(jié)合深松鏟的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)論證從鏟尖到鏟柄對土壤作用的各個(gè)細(xì)觀過程，進(jìn)一步明確了深松鏟各部分結(jié)構(gòu)的觸土功能特點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合仿真模型從土顆粒接觸力學(xué)層面嘗試表達(dá)了機(jī)具對土壤擾動(dòng)的邊界生成、土體內(nèi)部破碎等過程，更加深入明確了深松鏟對濕粘型水稻土的機(jī)械擾動(dòng)過程，為優(yōu)化深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及更好適應(yīng)南方水稻土深耕松提供了理論參考。

圖10 代表性土壤顆粒位置Fig.10 Location of representative soil particles

3.2.2 土壤擾動(dòng)位移微觀分析

圖11 代表性顆粒不同方向位移隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Changing curves of displacement of representative particles with time in different directions

為進(jìn)一步定量分析深松對土壤的擾動(dòng)過程，描述土壤在深松擾動(dòng)過程的位置變化至關(guān)重要。參照文獻(xiàn)[15]的方法，選取代表性位置土壤顆粒(即深松鏟耕作路徑上距地表0、100、200、300 mm處，如圖10中橙色顆粒)分析其在深松鏟擾動(dòng)過程中X、Y、Z方向的位移變化趨勢。由圖11可知，在耕作方向(X)上0、300 mm處的表層和底層土顆粒運(yùn)動(dòng)位移較大，300 mm處顆粒較其他位置先被擾動(dòng)；在側(cè)向(Y)上0 mm處表層土顆粒側(cè)向擾動(dòng)位移明顯大于其他位置，但總體位移變化不明顯；在縱向(Z)上，開始擾動(dòng)3.3～5.4 s階段在深松鏟的鏟尖和曲柄刃的抬升作用下各位置處土顆粒都向上運(yùn)動(dòng)，5.4～7.5 s時(shí)段深松鏟直柄端作用于這部分土壤，表層0、100 mm處土顆粒繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，而較底層200、300 mm處土顆粒則向下運(yùn)動(dòng)。

對3個(gè)方向的位移分析表明，深松鏟觸土過程的土壤主要在耕作方向和縱向上運(yùn)動(dòng)，側(cè)向擾動(dòng)不明顯。這與陳坤等[10]、 郭新榮[32]的研究結(jié)果一致，深松過程中土壤主要是向上前方運(yùn)動(dòng)。但是結(jié)合前文對擾動(dòng)過程的定性和此處縱向位移定量分析表明，深松擾動(dòng)過程中土壤有一個(gè)明顯的抬升然后再回落的過程，黃玉祥等[11]的仿真研究也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。這說明深松過程土壤在縱向上先被深松鏟抬起，隨著深松鏟的不斷前進(jìn)，土壤再向下回落，因此土壤不只單單的向上前方運(yùn)動(dòng)，而是耕作方向上向前運(yùn)動(dòng)而縱向上先向上抬升再向下回落的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖11c)。除此之外，粘性水稻土在整個(gè)過程中伴隨剪切失效進(jìn)而發(fā)生破碎，達(dá)到松碎土壤、調(diào)理耕層的效果。

3.2.3 土壤破碎程度對比分析

南方濕粘型水稻土的機(jī)械耕作特征顯著不同于旱作制，古老東方文明有別于西方的一個(gè)典型的特征是稻作制的觸土凸面設(shè)計(jì)強(qiáng)化了濕粘型水稻土的碎土效應(yīng)[33]。然而鑒于深松鏟并不具備犁的翻耕效應(yīng)，因此強(qiáng)化深松鏟在濕粘型水稻土條件的碎土效果就愈發(fā)成為現(xiàn)代保護(hù)性耕作理論的重要課題。耕后土壤破碎體的尺度分析是土壤宏觀力學(xué)結(jié)構(gòu)研究的基本內(nèi)容[34]，傳統(tǒng)的篩分法可以利用碎土系數(shù)從宏觀上反映耕后土壤的破碎程度[35]，但這些都是基于耕后結(jié)果的后評價(jià)。DEM仿真的優(yōu)勢之一是有可能從觸土過程中定量土壤的破碎程度?；谶@一考慮，本文從仿真模擬手段在微觀角度定義一個(gè)反映土壤破碎程度的指標(biāo)：斷裂系數(shù)I，其計(jì)算公式為

(6)

式中I——斷裂系數(shù)Nb——擾動(dòng)區(qū)域土壤顆粒粘結(jié)斷裂數(shù)Ni——擾動(dòng)區(qū)域土壤顆粒完整粘結(jié)數(shù)

擾動(dòng)區(qū)域的邊界劃定為:以耕作方向上耕作穩(wěn)定段中間的100 mm為區(qū)域長度，以耕作后起壟寬度作為區(qū)域?qū)挾龋魃疃葹閰^(qū)域深度。仿真結(jié)束后，提取每個(gè)耕作深度下擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 擾動(dòng)區(qū)域粘結(jié)斷裂數(shù)據(jù)Tab.4 Bond broken data in disturbed zone

圖12是田間試驗(yàn)后測得不同耕作深度下土壤破碎體尺度分布情況，由圖12可知本文水稻土深松耕作后，土壤破碎體粒徑主要分布在100～400 mm區(qū)間(質(zhì)量百分比大于50%)。耕作后土壤破碎體尺度分布能有效反映土壤的破碎程度，參照文獻(xiàn)[35]的方法以小于200 mm的土塊質(zhì)量占總碎土質(zhì)量的百分比定義為碎土系數(shù)。當(dāng)耕作深度在200 mm以內(nèi)時(shí)，粒徑小于200 mm的土壤破碎體所占質(zhì)量百分比處于一個(gè)相對較低的狀態(tài)，分別為31.16%、28.62%、21.62%；當(dāng)耕作深度大于200 mm時(shí)則迅速增加，耕作深度300 mm時(shí)達(dá)到最大值，為61.19%。圖13為田間實(shí)測不同耕作深度下碎土系數(shù)和仿真情況下土壤顆粒粘結(jié)斷裂系數(shù)的變化趨勢，兩者變化趨勢基本一致，不同耕作深度下的兩者平均誤差為3.46%。仿真情況下斷裂系數(shù)在耕作深度為200 mm以內(nèi)時(shí)，基本保持在30%左右；當(dāng)耕作深度大于200 mm時(shí)，土壤破碎率開始增大，耕作深度300 mm時(shí)達(dá)到最大值52.52%。

圖12 田間實(shí)測土壤破碎體徑級分布Fig.12 Relative size distribution of measured soil clods

圖13 土壤破碎程度定量對比Fig.13 Comparison of measured and simulated soil crushing degrees

以上結(jié)果表明，田間試驗(yàn)下耕作深度較小時(shí)(200 mm以內(nèi))，深松耕作產(chǎn)生的土壤破碎體主要是粒徑大于200 mm的大土垡結(jié)構(gòu)(破碎土壤質(zhì)量的60%以上)，土體整體破碎程度不高，此時(shí)深松擾動(dòng)的效果是使被擾動(dòng)土體破而不碎；仿真模擬環(huán)境下的結(jié)果顯示，此時(shí)土體內(nèi)部土壤顆粒粘結(jié)斷裂系數(shù)相對較低，說明土顆粒之間的粘結(jié)斷裂不充分、不完全，呈現(xiàn)出的結(jié)果就是土體破裂產(chǎn)生大土垡結(jié)構(gòu)，土壤松動(dòng)、破而不碎。隨著耕作深度加大(超過200 mm)，土壤顆粒粘結(jié)斷裂系數(shù)增大，此時(shí)對比田間試驗(yàn)土壤破碎體尺度分布結(jié)果也能印證這一點(diǎn)，耕作深度250、300 mm時(shí)碎土系數(shù)分別達(dá)到50.07%和61.19%，其中粒徑小于100 mm小尺度碎塊所占比例也分別達(dá)到23.02%、23.93%，整體破碎程度明顯高于其他耕作深度情況。

以上對比分析說明，仿真環(huán)境下模型土壤顆粒粘結(jié)斷裂系數(shù)指標(biāo)也可以定量表達(dá)田間試驗(yàn)下土壤的破碎程度，其大小及變化趨勢與傳統(tǒng)試驗(yàn)下的碎土系數(shù)基本一致。這一指標(biāo)也更有利于對深松土壤破碎過程微觀機(jī)理的表達(dá)和理解。旱作制的深松鏟優(yōu)化設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)觸土曲面優(yōu)化[36-37]、自激或受迫振

動(dòng)[38-39]、仿生減阻[40-41]等措施，例如文獻(xiàn)[13]針對華北平原壤土區(qū)不同土層特點(diǎn)設(shè)計(jì)新型折線破土刃深松鏟，通過優(yōu)化深松鏟觸土曲面強(qiáng)化破土碎土過程從而達(dá)到節(jié)能降阻的目的。其旨在通過強(qiáng)化觸土過程達(dá)到減小耕作阻力的目的，并未過多關(guān)注耕后土壤破碎效果。然而南方水稻土的機(jī)械化深耕松更需要解決有效碎土及高效耕作層擾動(dòng)的問題，本文針對水稻土耕作力學(xué)特性的離散元建模及仿真顯示可以從深松鏟的工作參數(shù)(耕作深度、耕作速度等)優(yōu)化入手提高濕粘型土壤的深耕松效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)基于田間實(shí)測的南方稻麥輪作區(qū)域水稻土耕層土壤、底層土壤的物理性質(zhì)差異，選用帶有粘結(jié)作用的離散元接觸模型，結(jié)合田間試驗(yàn)及虛擬仿真標(biāo)定的方法建立了離散元雙層深松土壤模型。其中耕作阻力平均誤差6.63%，土壤擾動(dòng)壟寬平均誤差4.39%、壟高平均誤差19.22%。該模型的建立可為特定區(qū)域土壤耕作機(jī)具的研究提供理論參考模型。

(2)對深松土壤的微觀擾動(dòng)過程進(jìn)行了分析，進(jìn)一步明確了深松鏟與土壤相互作用機(jī)理。從仿真模型粘結(jié)斷裂的角度表達(dá)了深松擾動(dòng)邊界的產(chǎn)生過程，土壤產(chǎn)生破碎的過程。對土壤運(yùn)動(dòng)位移的分析表明，土壤在耕作方向、垂直方向位移較大，側(cè)向土壤擾動(dòng)不明顯。為南方因地制宜開展合理深松技術(shù)，例如新型深松鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理的深松鏟布局方式、最佳耕作深度的選擇等提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

(3)應(yīng)用離散元EDEM軟件，提出反映土壤破碎程度的指標(biāo)“斷裂系數(shù)”。本研究中當(dāng)耕作深度在200 mm以內(nèi)時(shí)，斷裂系數(shù)穩(wěn)定在30%左右；耕作深度大于200 mm時(shí)，斷裂系數(shù)逐漸增大到52.52%。與傳統(tǒng)田間試驗(yàn)下“碎土系數(shù)”指標(biāo)無論是在變化趨勢，還是相對誤差都在可接受范圍內(nèi)。斷裂系數(shù)可以作為衡量耕后土壤破碎程度的指標(biāo)，斷裂系數(shù)越大土壤破碎程度越高，反之亦然。

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DEM Analysis of Subsoiling Process in Wet Clayey Paddy Soil

DING Qishuo1REN Jun1BELAL Eisa Adam1,2ZHAO Jikun1GE Shuangyang1LI Yang1

(1.CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China2.DepartmentofAgriculturalEngineering,ZalingeiUniversity,Zalingei06,Sudan)

Tool design and working parameters for subsoiling in wet clayey paddy soil are different from those for dry land cropping system. Investigation on the subsoiling process and the governing mechanisms requires detailed description on the underlying influential factors. Field soil parameters were used as a reference to construct a DEM model for subsoiling which was suitable for wet clayey soil analysis and performed in a EDEM software. The proposed DEM model of clayey paddy soil was then implemented to simulate a subsoiling process, in which directly measured draft and macroscopic disturbance of field soil was compared. Microscopic process and mechanisms of soil fragmentation were assessed with simulated stages. Results showed that simulation error with the proposed DEM model was less than 6.63%. Mean error of the resulted micro-relief was 4.39%. Mean error of elevated ridge was 19.22%. The measured results from microscopic approach were re-evaluated and the correctness of related assumptions from microscopic approach was confirmed by DEM results, soil failure boundary evolution and soil failure with particle contacting models were depicted. A soil fragmentation index was proposed for describing soil fragmentation behavior from DEM perspectives. The error of fragmentation index with respect to measured soil fragmentation parameter was less than 3.46%, affirming that the proposed parameter was a suitable tool for microscopic description of soil failure imposed by subsoiling. This research provides a powerful technical basis for the interaction mechanism between soil and soil, and lays a theoretical foundation for the optimization design of the soil contact parts.

subsoiling; soil disturbance; DEM simulation; paddy soil

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.005

2016-11-14

2016-12-16

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300900)、農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(201601002)和江蘇省農(nóng)機(jī)基金項(xiàng)目(201-051028)

丁啟朔(1968—)，男，教授，主要從事土壤耕作力學(xué)研究，E-mail: qsding@njau.edu.cn

趙吉坤(1977—)，男，副教授，主要從事土壤數(shù)值模擬研究，E-mail: jikunzhao_2006@163.com

S222.12+9

A

1000-1298(2017)03-0038-11