分层深松对土壤扰动影响的仿真与试验

分层深松可以促进深层土壤的熟化,调节土壤水、肥、气三相比,最终达到蓄水保墒的效果。目前分层深松铲的前后铲距、分层高度的选取多依靠经验,并无标准确定方法。为此,本文综合利用高速摄影技术、数字化土槽试验、离散元法和响应面法,研究了分层深松的关键结构参数对土壤微、宏观扰动行为的影响,为分层深松机结构参数的选取提供决策依据。(1)土壤参数测定与边界模型构建。为建立准确的离散元仿真模型,采用筛分法、环刀法、烘干法和快剪法等,依次对其土质、密度、含水率、紧实度以及抗剪强度进行测定,构建了不同结构参数时分层深松铲仿真模型。(2)基于离散元法的分层深松铲前后铲距对土壤扰动行为的影响研究。综合应用土槽试验与离散元方法,分析了分层深松铲的前后铲距对土壤扰动行为的影响。结果表明:当前后铲距增加时,土壤蓬松度和扰动系数呈现先增大后减小的趋势;分层深松铲的前后铲距直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移;土壤膨松度、土壤扰动系数、耕作阻力和耕作比阻的试验值和仿真值的平均误差分别为12.41%、13.61%、13.84%和3.34%,表明离散元仿真能够较为准确的模拟深松土壤的扰动过程。(3)基于离散元法的分层深松铲分层高度对土壤扰动行为的影响研究。借助离散元仿真和数字化土槽试验,研究了分层高度对土壤宏、微观扰动行为的影响。结果表明:分层高度对土壤扰动产生重要影响;分层深松铲的分层高度直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移;不同分层高度下土壤膨松度、土壤扰动系数、耕作阻力和耕作比阻的试验和仿真结果的平均误差分别为11.04%、7.19%、2.96%、13.31%,表明离散元仿真模型具有较高的准确性。(4)分层深松铲的结构参数优化。采用离散元仿真和二次正交试验研究了不同耕作深度下分层深松铲的关键结构参数对耕作比阻的影响,建立了分层深松铲的结构参数与耕作比阻之间的回归方程,得出了各因素对耕作比阻影响的主次顺序为:分层高度、前后铲距、耕深。利用Design-Expert软件对分层深松铲的参数进行优化,以最小耕作比阻为优化目标,得到分层深松铲最佳参数组合为分层高度117mm、前铲铲距352mm、耕深300mm。优化参数的仿真模拟值为3.39%,土槽试验值与仿真模拟值的平均相对误差为13.18%,说明离散元法在研究分层深松铲耕作过程方面具有较好的可行性,本研究为分层深松铲的设计与优化提供参考。