基于数学模型和DEM仿真方法，量化土壤微量元素状态分布并预测在钠盐碱土层改良过程中的耕作效果

《Computers and Electronics in Agriculture》：Quantifying soil micro-element state distribution and predicting tillage performance during sodic saline-alkali subsoiling based on mathematical model and DEM simulation approach

基于土壤动力学方程构建耕作性能预测模型，量化分析土壤微要素（非交互、拥堵、反复扰动）比例对牵引力和土壤松紧度的动态影响机制，通过离散元法模拟与田间试验验证模型准确性，优化了参数（X=42.6cm，Y=39.7cm，Z=27.8cm），揭示微观动态与宏观性能的直接耦合关系，填补了传统耕作优化缺乏机理解释的空白。

　　

刘敏|孙金春|吕品彦|黄东燕|乔大|郭英杰|冯伟志|傅大平|江立民|王景丽

吉林农业大学工程技术学院，长春130118，中国

摘要

为了解决东北地区初次盐碱化土壤深松改良过程中土壤扰动对耕作性能影响机制不明确的问题，本研究基于土壤动力学方程建立了一个耕作性能的数学预测模型。通过量化三种土壤微观元素状态（无相互作用、拥挤和反复扰动）的比例分布，并分析土壤颗粒运动机制，阐明了这些状态对牵引力和土壤松散度的影响。现场验证表明，离散元方法模拟和预测模型能够准确预测牵引力和土壤松散度（误差<5%）。研究结果表明，处于拥挤和反复扰动状态的土壤微观元素的空间比例是影响耕作性能的关键因素：拥挤状态的微观元素对牵引力的正面影响最大，而增加反复扰动微观元素的数量可以降低阻力，但会降低土壤松散度。通过模型优化得到了最佳的深松机参数（纵向间距X=42.6厘米，横向间距Y=39.7厘米，辅助深松器深度Z=27.8厘米），现场和模拟测试均验证了其准确性。本研究建立了微观元素动态与宏观性能（牵引力和土壤松散度）之间的直接耦合关系。微观尺度分析从根本上解决了以往研究的局限性，即以往研究仅关注优化措施，而未解释耕作性能与土壤运动机制之间的演变关系，从而为盐碱化土壤深松机械的优化设计提供了理论工具和数据支持。

章节摘录

引言

盐碱化土壤是指可溶性盐分积累过多、抑制作物生长的土壤（Zhao等人，2022年）。中国东北地区是盐碱化土壤的主要分布区。由于其高pH值（通常>9.0）、高交换性钠含量（ESP>15%）以及可溶性碳酸盐的积累，会导致土壤硬层的形成（Yang等人，2022年）。深松是改善盐碱化土壤的有效措施。通过打破土壤硬层，

盐碱化土壤物理参数的测定

实验地点位于吉林省白城市大安市梁家子镇同泉村（经度：123°88′，纬度：45°47′），属于松嫩平原的内陆地区，地形低平。该地区属于温带大陆性季风气候，年降水量为350至450毫米，降雨和热量同步。实验地点的土壤母质为河流湖泊沉积物，质地均匀。该土壤没有A₂层

田间实验、模拟和模型预测结果的比较

在保持固定参数（深松器纵向间距X=35厘米，深松器横向间距Y=35厘米，辅助深松器深度Z=30厘米）的情况下，改变折线深松器和辅助深松器的相对位置，对三种排列模式（“W”、“V”、“Λ”）进行了不同间距组合的实验试验。在田间测试过程中，记录了这三种模式的牵引力和土壤松散度数据

模型验证

田间测试验证了所建立的预测模型和离散元模拟模型的有效性。预测值、模拟值和实验值之间表现出高度一致，证明了预测和模拟模型的准确性。这些方程能够有效计算不同扰动状态下土壤颗粒的运动轨迹和瞬时矢量速度，并精确描述了牵引力随深松器排列方式的变化

机械解释

以往分析耕作机制的研究（Li等人，2022年；Qi等人，2019年）得出了一致的结果：土壤颗粒的微观运动特性及其相互作用从根本上决定了其宏观流动行为的预测。当深松器在土壤中运行时，深松器尖端同时剪切和压缩土壤，并在相邻土壤中产生侧向应力。随后的土壤破碎和松散过程是通过这种剪切作用共同发生的

结论

基于土壤微观元素应力-位移方程，本研究对不同加载条件下的土壤微观元素进行了力分析。通过量化三维相空间中三种土壤微观元素状态（无相互作用、拥挤和反复扰动）的比例分布，定量分析了不同受力状态下土壤微观元素比例以及土壤颗粒运动机制对牵引力的影响规律

CRediT作者贡献声明

刘敏：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、研究监督、方法论设计、数据分析、概念构建。孙金春：软件开发、方法论研究。吕品彦：软件开发、研究工作。黄东燕：写作——审稿与编辑、可视化处理、研究监督。乔大：写作——审稿与编辑、验证、方法论设计、数据分析、概念构建。郭英杰：研究工作、资金筹集。冯伟志：软件开发、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国吉林省科技发展计划项目（项目编号：20210202018NC）的支持。