玉米根-土复合体与破茬刀片互作机理研究：模型构建与性能优化

针对保护性耕作中破茬作业阻力大、能耗高等难题，研究人员通过建立数学解析模型(MAM)，揭示了玉米根-土复合体与破茬刀片的互作机制。模型预测切割力误差<20%，效率达1.86秒，证实根系拖拽产生的拉力(a)、根-土界面失效(b)、土壤基础模量(c)、根系密度(d)及粗根分布(e)是影响破茬性能的关键因素，为低阻高效破茬装置设计提供理论依据。

　　

【研究背景】
东北地区作为中国主要玉米种植区，干旱寒冷的气候使玉米茬难以腐烂，保护性耕作技术推广面临严峻挑战。破茬装置作为免少耕播种机的核心部件，长期存在作业阻力大、能耗高、茬秆破碎效果差等问题，直接影响播种质量，成为制约保护性农业发展的瓶颈。传统研究多基于特定工况建立经验模型，虽能优化刀具设计，但未能从本质上揭示刀片-根-土复合体的互作机制，模型普适性不足。

【研究团队与方法】
吉林某科研团队在《Biosystems Engineering》发表研究，通过数学解析法(MAM)构建玉米根-土复合体正交切割模型，结合重塑/原状土切割实验验证，系统分析根系拖拽、根-土界面失效等关键因素对破茬性能的影响。研究得到国家自然科学基金(52275288, 52105300)等资助。

【关键技术】

1. 基于弹性基础梁理论建立单根系正交切割模型
2. 引入纤维束模型(FBM)模拟根系渐进失效
3. 采用力-位移曲线验证模型精度(误差<20%)
4. 通过控制土壤基础模量、根系密度等变量进行参数化分析

【研究结果】

1. 基本假设与MAM构建
   将复杂根-土复合体简化为单根系正交切割体系，考虑根系拉伸力、根-土脱粘等关键因素，建立包含纯切削力(F_c)、根系阻力(F_r)的力学模型。

2. 模型验证
   切割实验显示预测与实测力-位移曲线吻合良好，边界效应可忽略。模型计算效率达1.86秒，适用于工程优化。

3. 互作机制解析
   (a)根系拖拽产生的拉伸力增加刀片阻力；(b)根-土界面失效后根系难断裂；(c)高土壤基础模量抑制根系拖拽但增大切割力；(d)单位体积根系数量与破茬阻力正相关；(e)粗根或密布细根导致更高切割力。

【结论与意义】
该研究首次通过MAM量化了破茬过程中刀片-根系-土壤三元互作机制，突破传统经验模型的局限性。提出选择适宜田间条件、避免刀径密集布根、缩短根系拖拽距离等优化策略，为低阻高效破茬装置设计提供普适性理论框架，对推动保护性耕作技术应用具有重要工程价值。研究创新性地融合土壤力学(FBM)与加工理论(正交切割模型)，为农业装备-生物材料互作研究提供新范式。