不同外轮廓耕作工具对土壤扰动的动力学机制与实验分析

本研究针对耕作工具外轮廓形状影响土壤动力学特性的关键问题，通过设计直线型、凹型最速降线和凸型最速降线三种轮廓的耕作工具，结合砂土和黏土的土壤箱实验，采用数字粒子图像测速技术（DPIV）量化了土壤颗粒微运动。研究发现覆盖区（CA）是土壤扰动变化的主导因素，且黏土中土壤-工具相互作用力更敏感。该成果为低速耕作工具设计提供了理论依据，发表于《Soil and Tillage Research》。

　　

土壤是农业生产的根基，而耕作工具与土壤的相互作用直接影响作物生长环境。传统研究多关注工具宏观形状对土壤阻力的影响，却忽视了外轮廓差异对土壤微观运动的调控机制。随着精准农业的发展，如何通过工具设计优化土壤扰动、降低能耗成为关键课题。Kuan Qin团队在《Soil and Tillage Research》发表的研究，首次系统揭示了不同外轮廓耕作工具对土壤动力学特性的差异化影响。

研究采用土壤箱实验结合DPIV技术，创新性地将土壤扰动分为覆盖区（CA）和未覆盖区（UCA）。通过设计直线型、凹型最速降线和凸型最速降线三种工具轮廓，在砂土和黏土（10-30% MC_db）中测试了0.03-0.15 m/s速度范围内的土壤响应。主要技术包括：1）基于DPIV的土壤颗粒运动追踪；2）MATLAB图像二值化处理界定扰动边界；3）三维打印定制工具轮廓；4）多参数力学传感器实时监测阻力。

3.1 土壤扰动区域的界定

通过DPIV流线分析和MATLAB二值化，首次明确CA由标记土壤分界线（A₂B₂）界定，反映工具直接作用区；UCA则由速度矢量突变边界（A₁B₁）确定，表征间接影响范围。

3.2 土壤含水量的影响

在0.15 m/s速度下，砂土中凹型工具扰动面积最大（102.09 cm²），凸型最小（71.56 cm²）。黏土的CA随含水量增加降幅更显著，如凹型工具在30% MC_db时CA减少50.7%，证实黏土颗粒间粘结力对水分更敏感。

3.3 工具速度的调控效应

速度提升使CA线性增长（砂土斜率128.01，黏土149.84），而UCA呈负相关。凸型工具在0.15 m/s时扰动面积仅增加42.9%，显著低于凹型的146.6%，显示轮廓设计可缓冲速度扰动效应。

3.4 阻力性能差异

黏土中阻力可达砂土的2.4倍（92.67 N vs 38.55 N）。凹型轮廓产生最大阻力，如30% MC_db黏土中较凸型高58.3%，印证了轮廓曲率与应力分布的关联性。

讨论部分揭示了传统预测模型低估实际扰动面积的现象：DPIV检测到的微运动使实验值（80-100 cm²）远超理论预测（9-18 cm²）。而阻力预测方程（Eq.5）则与实验高度吻合，误差<15%。研究提出β角理论，证实凸型轮廓能增大土壤滑移线夹角，从而减少扰动范围。

该研究为耕作工具设计提供了量化依据：在减阻优先场景推荐凸型轮廓（阻力降低38.5%），播种等需大扰动作业适用凹型设计。未来可结合DEM离散元模拟进一步优化轮廓参数，推动智能农机装备发展。