楊艷山，丁啟朔，賀亭峰，孫翠華，王鋒

(1. 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215000； 2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京市，210031； 3. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱地農(nóng)業(yè)研究院，太原市，030031)

0 引言

隨著保護(hù)性耕作技術(shù)在稻麥輪作系統(tǒng)中的不斷推廣與應(yīng)用，稻茬田免耕播種技術(shù)越來越受到重視[1-4]。與北方相比，南方稻麥輪作地區(qū)田塊小而零散不規(guī)則，多以家庭為基礎(chǔ)的小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，大型免耕播種機(jī)械不能達(dá)到很好的作業(yè)效果[5]。為適應(yīng)稻麥輪作區(qū)域的地理和土壤條件，踐行保護(hù)性耕作理念，帶狀旋耕式免耕播種機(jī)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用[6-8]。

帶狀旋耕式免耕播種機(jī)耕作部件創(chuàng)造的種溝內(nèi)應(yīng)具有足夠多的松碎濕潤(rùn)土壤，以滿足種子與土壤充分接觸以及萌發(fā)生長(zhǎng)對(duì)水分的需要[9]。提高耕后土壤破碎體的回填效果是保證帶狀旋耕式播種機(jī)耕作質(zhì)量的關(guān)鍵。研究表明旋耕刀形狀、刀軸轉(zhuǎn)速、田間土壤物理狀態(tài)等因素是影響帶狀旋耕耕作土壤破碎和回填的關(guān)鍵因素[10-13]。然而，耕作過程中刀具與土壤的相互作用過程非常復(fù)雜，以往的田間或室內(nèi)試驗(yàn)研究方法僅能根據(jù)耕作前后的相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象推測(cè)刀具與土壤的相互作用機(jī)理，難以明確刀具與土壤間的真實(shí)作用關(guān)系[14]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與仿真軟件的不斷發(fā)展和應(yīng)用[15-17]，離散元仿真軟件在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用為明確耕作機(jī)具的作業(yè)機(jī)理提供了切實(shí)有效的研究方法[14, 18-19]。Tanaka等[20]對(duì)土壤圓錐貫入過程進(jìn)行了離散仿真和室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，離散元仿真模型能夠模擬實(shí)際土壤的不連續(xù)行為。Zhang Rui等[21]對(duì)推土刀工作過程進(jìn)行了離散元仿真分析，發(fā)現(xiàn)仿真土壤顆粒的破碎過程與真實(shí)土壤破碎時(shí)的表現(xiàn)一致。丁啟朔等[22]對(duì)水稻土條件下深松鏟的作業(yè)過程進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，結(jié)果表明離散元仿真軟件的應(yīng)用能夠從微觀角度揭示不同工況下深松鏟與土壤間的相互作用機(jī)理。方會(huì)敏[14, 23]等對(duì)旋耕過程中秸稈和土壤的位移情況進(jìn)行了離散元仿真分析，結(jié)果表明離散元仿真分析有助于從微觀層面分析刀具—土壤—秸稈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，為機(jī)具的優(yōu)化提供理論依據(jù)。鑒于帶狀旋耕過程中刀具與土壤相互作用的復(fù)雜性和土壤回填效果對(duì)耕作機(jī)具評(píng)價(jià)的重要性，本文旨在利用離散元數(shù)值模擬方法探究旋耕刀—土壤相互作用機(jī)理，結(jié)合田間試驗(yàn)結(jié)果找出影響土壤回填效果的關(guān)鍵因素，為帶狀旋耕式免耕播種機(jī)耕作機(jī)具的優(yōu)化提供理論支持。

1 田間試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)田基本情況

試驗(yàn)田位于南京市六合區(qū)八百橋鎮(zhèn)，該地區(qū)為典型的稻麥輪作區(qū)域，土壤中砂粒、壤粒、黏粒含量分別為24.1%、40.4%、35.6%。土壤物理參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)Tab. 1 Soil physical parameters of the test area

1.2 田間試驗(yàn)方法

本文采用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁啟朔課題組研發(fā)的田間原位綜合耕作試驗(yàn)臺(tái)[24]對(duì)典型的且已廣泛應(yīng)用的IT225型旋耕刀[1]、直刃旋耕刀[11]、鑿型旋耕刀(圖1、圖2)進(jìn)行4種刀軸轉(zhuǎn)速(180，280，380，510 r/min)共16個(gè)小區(qū)的田間原位旋耕耕作試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)8 m，寬4 m，試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)處理。

(a) IT225型旋耕刀

圖2 旋耕刀具的排列組合

根據(jù)保護(hù)性耕作盡量減少土壤擾動(dòng)且能保證小麥播種需要的原則[25]，刀具數(shù)量和旋轉(zhuǎn)方向采用Lee等[10]推薦的4把旋耕刀和正旋切削的方式，旋耕刀的前進(jìn)速度為0.5 m/s，刀座中心距設(shè)定為60 mm，作業(yè)深度設(shè)定為50 mm[26]。

1.3 田間試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用回填率作為評(píng)價(jià)耕作質(zhì)量的指標(biāo)，回填率是指耕作完成后種溝內(nèi)土壤破碎體干重與被擾動(dòng)土壤總干重的比值[11]，種溝內(nèi)含有的土壤破碎體越多，回填效果越好，種—土接觸越充分，對(duì)種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)越有利。試驗(yàn)中采用灌沙法對(duì)不同刀具和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的回填效果進(jìn)行測(cè)量[27]，回填率的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：F——回填率，%；

W——種溝內(nèi)土體破碎體的干重，kg；

V——測(cè)試區(qū)域種溝的體積，m3；

ρ——土壤的容重，kg/m3。

2 仿真研究

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)水稻土壤含水率高、粘結(jié)性大的特點(diǎn)，本文選擇Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型對(duì)水稻土壤進(jìn)行模擬建模。在離散元仿真中土槽的尺寸對(duì)邊界效應(yīng)和時(shí)效影響顯著，土槽越大土壤顆粒數(shù)越多，邊界效應(yīng)越小，試驗(yàn)結(jié)果越真實(shí)?？紤]到計(jì)算機(jī)硬件的限制和運(yùn)算效性的合理性，結(jié)合相關(guān)資料[14, 18, 28]確定的土壤模型參數(shù)如表2所示，離散元仿真中的旋耕刀形狀、排列、旋轉(zhuǎn)方向、前進(jìn)速度和刀軸轉(zhuǎn)速均按照田間試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。

表2 土壤模型參數(shù)Tab. 2 Properties of simulation model

2.2 仿真研究評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用側(cè)拋率來定量分析旋耕刀在耕作過程中對(duì)土壤破碎體向種溝兩側(cè)的拋撒現(xiàn)象。如圖3所示，在離散元軟件中以種溝土壤表面的中心線為基準(zhǔn)，向種溝兩側(cè)每隔10 mm進(jìn)行分區(qū)處理，共80個(gè)區(qū)域。

圖3 土壤模型的分區(qū)處理

計(jì)算各個(gè)區(qū)域內(nèi)包含的土壤破碎體顆粒數(shù)量，以種溝外土壤破碎顆粒數(shù)與整個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤破碎顆粒總數(shù)的比值作為側(cè)拋率。計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：N1——被拋撒到種溝外的土壤顆粒數(shù)量；

N2——整個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤顆?？偭?。

3 結(jié)果與討論

3.1 旋耕刀—土壤相互作用過程分析

旋耕刀的耕作過程主要由未切土、刀具與土壤共同運(yùn)動(dòng)和拋土三個(gè)階段組成，其中切土階段和拋土階段是形成土壤破碎體的關(guān)鍵階段。從圖4～圖6中可以看出直刃旋耕刀由于不具備橫切刃在耕作過程中拋土性能最差，在拋土階段僅有少量的土壤破碎體被拋出。IT225型旋耕刀具有較寬的橫切刃，拋土現(xiàn)象明顯，土壤破碎體與擋土板撞擊之后向種溝兩側(cè)發(fā)散的情況明顯。鑿型旋耕刀在耕作過程中將被切下的土壤向上勾或帶起，因此產(chǎn)生的土壤破碎體一部分與擋土板碰撞向兩側(cè)發(fā)散，另一部在刀具的作用下向機(jī)具前進(jìn)方向拋灑。

圖4 直刃旋耕刀耕作過程示意圖(280 r/min)

圖5 IT225型旋耕刀耕作過程示意圖(280 r/min)

圖6 鑿型旋耕刀耕作過程示意圖(280 r/min)

帶狀旋耕的目的是創(chuàng)造良好的種溝條件，耕作過程中應(yīng)盡量減少土壤破碎體向種溝兩側(cè)拋灑，以保證種溝內(nèi)具有足夠多的土壤破碎體，以滿足種子與土壤充分接觸的需要。

3.2 土壤側(cè)拋現(xiàn)象

從圖7～圖10中可以看出，耕作過程中土壤破碎體的側(cè)拋現(xiàn)象受刀軸轉(zhuǎn)速影響顯著，向種溝兩側(cè)拋撒的土壤破碎體數(shù)量隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加顯著增多。這是因?yàn)?，刀軸轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致被拋出土壤破碎體的動(dòng)能增加，土壤與擋土板碰撞的激烈程度增加導(dǎo)致了土壤顆粒的側(cè)向運(yùn)動(dòng)程度增加，土壤顆粒的擴(kuò)散范圍隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加而增大。鑿型旋耕刀和IT225型旋耕刀產(chǎn)生的側(cè)拋率明顯高于直刃旋耕刀，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)鑿型旋耕刀和IT225型旋耕刀的側(cè)拋率高達(dá)85%和92%，而直刃旋耕刀的側(cè)拋率只有70%。這是因?yàn)殍徯托逗虸T225型旋耕刀在耕作過程中拋出的土壤破碎體與擋土板碰撞后大部分向種溝兩側(cè)發(fā)散(圖5和圖6)，直刃旋耕刀沒有橫切刃不具備拋土特性(圖4)，其耕作過程中形成的土壤破碎體擴(kuò)散范圍最小且主要集中在種溝區(qū)域，因此其產(chǎn)生的土壤顆粒側(cè)拋率最低。

圖7 旋耕過程中直刃旋耕刀的側(cè)向拋土情況

圖8 旋耕過程中IT225型旋耕刀的側(cè)向拋土情況

圖9 旋耕過程中鑿型旋耕刀的側(cè)向拋土情況

圖10 刀具形狀及刀軸轉(zhuǎn)速對(duì)土壤側(cè)拋率的影響

3.3 土壤回填率

耕作的目的是創(chuàng)造松碎濕潤(rùn)的土壤環(huán)境，種溝內(nèi)應(yīng)具有足夠多的土壤破碎體，以滿足種子萌發(fā)、作物根系生長(zhǎng)以及空氣水分的需要[9, 29]。因此，土壤破碎體的回填率是評(píng)價(jià)帶狀旋耕播種機(jī)耕作部件作業(yè)效果的關(guān)鍵指標(biāo)。

從田間試驗(yàn)結(jié)果(圖11)可以看出，不同耕作刀具創(chuàng)造的回填效果具有較大差異且回填率隨著刀軸轉(zhuǎn)速增加而減小，其中隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加IT225型旋耕刀產(chǎn)生的回填率下降尤為明顯，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)產(chǎn)生的回填率不足10%。這是因?yàn)镮T225型旋耕刀有較寬的橫切刃，拋土現(xiàn)象明顯(圖5)，土壤破碎體與擋土板撞擊之后向種溝兩側(cè)發(fā)散的情況明顯，且側(cè)拋率隨著刀軸轉(zhuǎn)速升高而增加明顯(圖8和圖10)，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)產(chǎn)生的土壤側(cè)拋率超過90%。鑿型旋耕刀耕作過程中刀具首先插入土壤，然后勾帶起土壤破碎體，在這一過程中大部分土壤破碎體向機(jī)具前進(jìn)方向移動(dòng)，少部分被側(cè)向拋出(圖6和圖9)，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min仍能達(dá)到36%遠(yuǎn)高于IT225型旋耕刀的8%。

圖11 刀具形狀及轉(zhuǎn)速對(duì)回填率的影響

直刃旋耕刀沒有彎曲部分，不具備拋土特性(圖4)，并且在耕作過程中能夠有效的阻止土壤破碎體的側(cè)向移動(dòng)[29]，土壤側(cè)拋范圍集中在刀軸兩側(cè)10 cm以內(nèi)，因此直刃旋耕刀在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)產(chǎn)生的回填率仍高于50%，創(chuàng)造的種溝內(nèi)土壤破碎體充足，能夠滿足播種過程中種—土充分接觸的需要。鑒此，從土壤回填效果來看直刃旋耕刀更加適合作為帶狀旋耕播種機(jī)的耕作部件。

4 結(jié)論

耕作的目的是創(chuàng)造松碎濕潤(rùn)的土壤環(huán)境，耕后土壤破碎體的回填效果是評(píng)價(jià)帶狀旋耕播種機(jī)耕作部件作業(yè)效果的關(guān)鍵指標(biāo)。本文利用離散元仿真和田間試驗(yàn)研究從微觀和宏觀層面對(duì)刀具—土壤相互作用機(jī)理進(jìn)行了理論分析。

1) 旋耕刀耕作過程中拋土階段是影響回填效果的關(guān)鍵因素，土壤顆粒的擴(kuò)散范圍隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，IT225型和鑿型旋耕刀耕作過程中土壤顆粒側(cè)向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)明顯，在4種刀軸轉(zhuǎn)速下側(cè)拋率均大于50%。直刃旋耕刀的側(cè)向拋土范圍最小且側(cè)拋率最低，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)土壤側(cè)拋率只有70%，顯著低于其他兩種刀具。

2) 耕后土壤破碎體的回填效果是影響帶狀旋耕播種機(jī)耕作質(zhì)量的關(guān)鍵因素，IT225型和鑿型旋耕刀在較高刀軸轉(zhuǎn)速時(shí)回填率下降明顯，刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min 時(shí)土壤回填率僅有8%和36%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直刃旋耕刀的60%。

3) 鑒于直刃旋耕刀耕作過程中具有土壤擾動(dòng)范圍小、土壤破碎體側(cè)拋率低、回填效果好等優(yōu)點(diǎn)，本文推薦直刃旋耕刀作為帶狀旋耕播種機(jī)的耕作部件。