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为解决现有作物根系失效过程精细模拟不足及离散元法（DEM）分析复杂根系断裂局限性问题，研究人员开展玉米茬土复合体（SSC）离散元模型构建及失效机制研究。结果显示模型能精准表征力学响应，根段失效符合纤维束模型（FBM）特征，该研究为根土力学建模提供新方法。
在广袤的农田里，土壤如同大地的基石，承载着作物生长的重任，对农业和生态系统的可持续发展至关重要。然而，全球气候变化、自然环境脆弱以及人类不合理活动，让土地沙漠化问题愈发严重。就拿我国北方干旱寒冷地区来说，这里的玉米秸秆本是重要的饲料资源，可在机械化收获玉米籽粒后，破碎的秸秆和茬子留在田间。到了深秋收获秸秆时，干燥的气候和冻融循环本就改变了土壤结构，而用于收获秸秆的锤爪式采摘机头，在作业过程中还会对茬土复合体（SSC）造成强烈的牵拉扰动。这种过度扰动会破坏土壤结构的稳定性，甚至使复合体与表层土壤分离，让富含养分的深层土壤暴露在外。一旦遭遇冬春季节的大风天气，土壤中的养分和有机物大量流失，土壤颗粒逐渐沙化，这对农田生态系统和作物生长都产生了极为不利的影响。
为了深入了解农业机械、根系和土壤之间的相互作用，探究作物根系的失效过程，许多科研人员做出了努力。但以往的研究存在不少问题，早期的模型常常假设所有根系会同时断裂，导致预测的根系加固值比实际偏高。后来，虽然纤维束模型（FBM）被应用到根土力学研究中，考虑了根系渐进失效的特点，也有研究在此基础上进行优化，但在模拟根土相互作用时，还是难以精准描述根系断裂和失效的详细机制。同时，离散元法（DEM）作为一种研究不连续介质力学行为的数值模拟技术，虽然在岩土工程和农业材料科学等领域广泛应用，也被用于研究植物根系和土壤在受力时的力学响应，但现有的根土复合体离散元模型大多比较简化，无法准确刻画根系的真实特征，在分析复杂根系的断裂过程和失效机制时也存在局限。
在这样的背景下，来自国内的研究人员开启了一项具有重要意义的研究。他们以玉米茬土复合体为研究对象，将 FBM 融入 DEM，致力于描述根土复合体中根系束的动态拔出行为和断裂失效过程。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过在内蒙古托克托县北部农业区开展实验，利用五点采样法选取五个采样区，测量表层以下 350mm 范围内的土壤压实度。然后，以土壤压实度为目标值，对土壤离散元模型中的土壤颗粒单位面积刚度和临界应力进行校准。在模拟过程中，设定土壤压实度测量仪探头以 50mm/s 的速度下降，模拟其在虚拟土箱 0 - 350mm 范围内的沉降过程，并监测探头所受的力，通过与田间平均土壤压实度数据对比，确定离散元的粘结参数 。
下面来看看具体的研究结果：
- 茬土复合体模型的力学响应与失效特征：构建的 SSC 离散元分层计算模型能够很好地表征根土系统在外部载荷作用下的力学接触响应和失效特征。该模型成功模拟了锤爪切割和拾取激励引发的根系失效和土壤扰动过程，为后续研究提供了可靠的模型基础。
- 根系失效概率及分布特征：研究发现，根段的失效概率和累积失效概率分别遵循高斯概率密度函数和累积分布函数，这与 FBM 描述的纤维失效统计特征相符。这表明 FBM 理论在解释根系失效模式方面具有一定的合理性，为深入理解根系失效机制提供了理论支持。
- 根系不同区域的失效行为：根系粒子键断裂呈现出阶段性失效行为。其中，基部锚固区最容易发生集中断裂失效；根功能区则表现为渐进失效过程；底部伸长区在应力分散和滑移失效方面表现较好。这说明根系不同区域在抵抗外力时具有不同的特性，对整体的根土稳定性有着不同的贡献。
- 土壤颗粒应力与根系失效的关系：在外部加载的情况下，土壤颗粒应力反馈通常滞后于根系失效。这一现象揭示了根土相互作用过程中应力变化的先后顺序，有助于进一步理解根土复合体在受力时的力学响应机制。
综合研究结果，研究人员得出结论：他们成功开发了 SSC 离散元分层计算模型，该模型有效模拟了根土系统在外部载荷下的力学响应和失效特征。通过将 FBM 理论概念融入 DEM 模拟分析，全面解释了根系的渐进失效模式。这一研究成果意义重大，它为农业设备作业过程中的根土力学行为提供了精细化的建模方法，同时引入基于 FBM 理论的计算方法，阐明了复合体扰动过程中根系失效的机制，为耕作保护和根土稳定性研究提供了新的思路和方法。该研究成果发表在《Computers and Electronics in Agriculture》上，为相关领域的研究提供了重要的参考，有望推动根土力学和农田保护等领域的进一步发展 。
