条带耕作下玉米花后高效水氮利用机制及其增产效应研究

针对湿软土壤中固-土相互作用力学机制的理论空白，研究人员以行走轮足为对象，通过EDEM离散元模拟和力学测试，揭示了不同侵入角度和土壤含水量对轮足-土壤互作性能的影响规律，建立了含侵入角的承压力学模型，为湿地行走装置设计提供了新理论依据。

　　

在农业机械化进程中，湿软土壤环境下的行走装置性能优化一直是重大挑战。传统农机在低承载力、高压缩性的水田土壤中易陷入打滑，导致作业效率低下。这一现象的核心科学问题在于缺乏对固-土相互作用微观机制的深入理解，特别是轮足姿态变化与土壤水分含量对力学行为的调控规律。

为破解这一难题，来自江苏大学的研究团队在《Soil and Tillage Research》发表了创新性研究。他们以行走轮足为研究对象，通过巧妙设计的力学测试和离散元模拟(EDEM)，系统揭示了轮足侵入角度与土壤含水量(MC)对互作性能的影响机制。研究发现，当土壤含水量恒定时，轮足侵入阻力和抬升阻力均随角度增大而递减；在20% MC时因毛细力增强出现异常阻力峰。更引人注目的是，团队建立了含侵入角的承压力学模型，其预测值与实验数据误差小于5%，为行走装置设计提供了量化工具。

研究采用了三大关键技术：1）万能试验机(DN-S10KN)多角度力学测试，涵盖0°-90°共7个侵入/抬升角度和0%-25% MC梯度；2）EDEM离散元模拟，采用1mm球形颗粒构建土壤模型，分析速度场和颗粒运动轨迹；3）响应面分析法，通过三因素交互作用评估了侵入深度、角度和MC的影响权重。

【侵入角度对性能的影响】

力学测试表明，0°侵入角时阻力最大，90°时最小。离散元模拟揭示这是由于大角度下土壤颗粒形成不对称剪切带，扰动范围缩小约40%。当侵入深度达100mm时，0°角度的侵入阻力是75°的2.3倍。

【土壤含水量的调控作用】

在0%-15% MC区间，阻力随含水量增加而降低；但在20% MC时因毛细力作用出现阻力峰值，25% MC时又显著下降。响应面分析显示，20% MC土壤在70°-90°抬升角时阻力异常增高35%。

【多因素交互效应】

方差分析表明，侵入深度(X₃)对阻力的影响权重最高(F=40.98)，其次是侵入角度(X₂ F=13.70)。三因素交互响应面显示，当MC>20%且角度>60°时，系统呈现独特的非线性阻力特征。

【微观机制解析】

EDEM模拟首次捕捉到轮足作用下土壤颗粒形成的"锥形剪切区"动态演变。在30°侵入角时，颗粒速度场呈现明显左向偏移，扰动范围比垂直侵入减少28%。高水分条件(25% MC)下，水膜润滑效应使颗粒间毛细力衰减，导致宏观阻力下降。

这项研究的重要意义在于：1）建立了首个包含轮足姿态参数的承压力学模型，其修正的Bernstein-Goriatchkin方程精度提升显著；2）揭示了20% MC为土壤力学性能突变阈值，为农机作业时机选择提供依据；3）离散元模拟首次可视化轮足-土壤互作的微观剪切带演化，填补了湿软土壤颗粒动力学研究的空白。团队提出的设计准则已被应用于新型仿生行走轮开发，在江苏水田试验中使牵引效率提升22%。这些成果不仅推动了土壤机械学发展，也为应对全球粮食安全挑战提供了创新性技术解决方案。