全膜双垄沟机械化施肥中水肥运移的DEM-MBD耦合模拟研究

为解决全膜双垄沟(WFDR)系统"一膜两年用"模式下机械化施肥后水肥迁移机制不明的问题，研究人员通过离散元法(DEM)与多体动力学(MBD)耦合模拟，开发了滚筒式(T1)和直插式(T2)两种施肥装置。研究发现T2装置对地膜损伤更小(平均破膜面积11.07 cm2 vs 17.72 cm2)，且HYDRUS-3D模拟显示WFDR技术具有显著保水能力，其中T2模型的氮浓度(>10 mg/L)更利于作物吸收。该研究为WFDR系统机械化施肥设备设计提供了重要理论依据。

　　

在干旱半干旱地区农业发展中，全膜双垄沟(WFDR)种植技术通过特殊垄沟结构和地膜覆盖，有效抑制蒸发、收集雨水，显著提高作物产量。然而随着"一膜两年用"模式的推广，两大难题日益凸显：机械化施肥过程如何保护地膜结构完整性？如何满足作物生长发育的养分需求？这些问题直接关系到WFDR技术的可持续应用和农业面源污染控制。

甘肃省定西市安定区农业技术推广中心的研究人员针对上述问题开展创新研究。通过建立滚筒式(T1)和直插式(T2)两种施肥装置的DEM-MBD耦合模型，首次实现了WFDR系统下施肥机械、地膜与土壤相互作用的动态模拟。研究采用离散元法(DEM)构建土壤-地膜模型，结合多体动力学(MBD)分析机械运动轨迹；利用HYDRUS-3D建立P1(T1)和P2(T2)两种水肥运移模型；田间试验数据来自中国甘肃安定区典型旱作农业区。

施肥装置成孔特性
通过DEM-MBD耦合模拟发现，在1 m/s前进速度下，T2装置的直插机构形成平均面积11.07 cm2的施肥孔，显著小于T1装置的17.72 cm2，且对垄沟土壤扰动更小，有效保护了地膜结构完整性。

水肥运移特征
HYDRUS-3D模拟显示：WFDR系统表现出显著保水能力，为垄沟作物提供必要水分支持。P1模型中较高含水量导致蒸发加剧和肥料迁移速率加快；而P2模型氮浓度>10 mg/L的区域恰好处于作物最佳吸收范围，更利于生长发育。

结论与意义
该研究首次将宏观机械运动与微观水肥运移相结合，证实直插式(T2)施肥装置在WFDR系统中具有显著优势：既减少地膜损伤又优化了肥料空间分布。建立的DEM-MBD-HYDRUS多尺度模型为精准施肥装备设计提供了新方法，揭示的水肥耦合迁移规律为"一膜两年用"模式推广提供了理论支撑。研究成果发表于《Soil and Tillage Research》，对推动旱作农业可持续发展具有重要意义。