《Smart Agricultural Technology》：Development and Experimental Validation of a Dual-Row Adjustable Tillage and Fertilization Machine for Mulberry Orchards
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由于桑园在不同地区因品种与农艺措施差异而表现出较大的种植行距变异性，常规旋耕与施肥设备面临显著挑战。为解决这一问题，研究人员开发了一种适用于桑园的双行可调式旋耕施肥机。依据桑树形态特征以及果园耕作与施肥的农艺要求，对该机具结构及关键部件进行了设计，包括旋耕单元
由于桑园在不同地区因品种与农艺措施差异而表现出较大的种植行距变异性，常规旋耕与施肥设备面临显著挑战。为解决这一问题，研究人员开发了一种适用于桑园的双行可调式旋耕施肥机。依据桑树形态特征以及果园耕作与施肥的农艺要求，对该机具结构及关键部件进行了设计，包括旋耕单元、施肥系统和行距调节机构。采用离散元法（DEM），开展了三因素三水平正交旋转组合试验，以研究前进速度、刀轴转速和耕深对机具耕作与施肥性能的影响。DEM仿真结果表明，当前进速度为0.5–0.8 m/s、刀具转速为265–300 r/min、耕深为100–200 mm时，耕深稳定性和施肥深度稳定性均超过90%。在最大载荷工况（1.5 m/s，300 r/min，200 mm）下的功耗分析表明，该机具需配套动力输出不低于50 kW的拖拉机。田间试验验证了优化参数，获得了91.84%的耕深稳定性、92.99%的施肥深度稳定性，以及5.88–13.74 kW的功耗。DEM仿真与试验结果之间的相对误差分别为1.73%、1.53%和7.15%，表明基于仿真的参数优化具有可靠性。本研究为变行距桑园的旋耕施肥机械化作业提供了一种经验证的技术路径。
该论文发表于《Smart Agricultural Technology》，围绕桑园种植模式多样、行距差异显著背景下旋耕与施肥机械适应性不足这一实际问题，提出并验证了一种双行可调式耕整施肥一体化装备。我国蚕桑产业具有悠久历史，桑树作为多年生叶用作物，每年需经历修剪及多次采叶、采枝，导致养分持续输出，因此施肥是保障桑树生长、提高产量和降低生产成本的关键管理措施。然而，当前桑园施肥仍以人工为主，劳动强度大、效率低、成本高；与此同时，田间反复踩踏与机械通行易导致土壤板结，进而影响根系吸收和土壤结构。按照桑园管理要求，春、秋、冬通常需进行3次100–200 mm工作深度的中耕作业，若能将旋耕与施肥协同实施，则有助于改善土壤结构并提升土壤肥力。
现有小型旋耕机、多功能管理机及部分桑园专用施肥设备虽然在一定程度上替代了人工，但大多针对固定行距设计，难以适应不同地区桑树品种、种植密度、宽窄行配置及树体形态差异。尤其在草本杂交桑日益普及的背景下，单行种植行距通常为650–800 mm，宽窄行模式中宽行为900–1200 mm、窄行为350–500 mm，而传统白桑又多采用1500–2000 mm的大行距配置，固定结构设备在此类异质化栽培体系中的适应性明显不足。基于这一问题，研究人员开展了双行可调式旋耕施肥机研制，通过左右两侧独立可调的旋耕施肥模块，实现窄行分离、宽行汇拢以及单双行模式切换，并将旋耕、深施肥和行距连续调节集成于单一平台中。研究最终表明，该装备可在450–1200 mm中心距范围内连续调整，适配多种桑园种植格局；经多目标优化获得的合理作业参数范围为前进速度0.5–0.8 m/s、刀具转速265–300 r/min、耕深100–200 mm，在此条件下耕深稳定性与施肥深度稳定性均可超过90%，且田间试验与DEM结果高度一致，验证了该装备及“土壤—机械—肥料”建模框架的有效性。其重要意义在于为既有桑园无需改造布局条件下实现高效机械化中耕施肥提供了可行方案，同时也为复杂果园环境中的土壤颗粒扰动与施肥过程优化提供了模型化研究路径。
研究人员首先对山东省日照市莒县试验桑园土壤开展原位圆锥贯入、粒径分布、容重、含水率、休止角、土钢滑动摩擦角、直剪与单轴压缩等测试，并据此标定离散元法（DEM，Discrete Element Method）参数；随后完成双行可调式旋耕施肥机总体结构、旋耕机构、施肥开沟器与行距调节机构设计；采用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行土壤—机具—肥料仿真，开展单因素与三因素三水平正交旋转组合试验，以前进速度、刀轴转速和耕深为因素，以耕深稳定性、施肥深度稳定性和功耗为指标；最后在山东省日照市莒县Shigui Family Farm、供试品种Gui Sang You 12的双行种植桑园中进行田间验证。
3.1. Characterization analysis of soil properties in mulberry orchards
研究人员首先系统表征了桑园土壤物理力学特性，以保证后续DEM建模的真实性。结果表明，0–100 mm、100–200 mm和200–300 mm土层的容重分别为1.79 ± 0.05、1.82 ± 0.04和1.86 ± 0.11 g·cm
-3，含水率分别为17.84 ± 0.55%、17.93 ± 0.72%和18.68 ± 1.09%，均随深度增加而上升。五点采样压实度测试同样显示土壤阻力随深度增强。粒径分析表明该土壤属于砂壤土（sandy loam）。0–100 mm至200–300 mm土层的滑动摩擦角逐渐增大，说明深层土体抗剪切变形能力更强。根据直剪试验建立的抗剪强度—法向应力关系，进一步获得内摩擦角、黏聚力及泊松比；其中0–100 mm与100–200 mm工作层泊松比平均值约为0.35，支持将0–200 mm工作深度内土壤视为均质体用于DEM模拟。该部分结果既说明桑园深层土壤具有更高压实和阻力特征，也为后续机具负载、土壤扰动和功耗分析提供了基础参数。
3.2. Single-factor analysis of operating parameters on soil disturbance
在单因素DEM分析中，研究人员分别考察了前进速度、刀具转速和耕深对土壤扰动行为的影响。结果显示，前进速度升高会显著增强土壤扰动强度和功率需求，其机理在于单位时间内切削土量增加、切削节距增大、刀土接触面积扩大，从而提升剪切作用和土粒后抛速度。刀具转速提高能够增强土壤破碎程度，这是因为切削频率和刀尖切向线速度同步上升，促进土团裂纹扩展与解体；但转速过高会引起土粒过度离散和边界散射，造成能量浪费。耕深则是影响土壤阻力和总能耗的主导因子，耕深增大意味着刀具需克服更大的被动土压力区、黏聚力和压缩摩擦阻力，因此扭矩和负载急剧上升。该部分明确了三因素的主要作用分工：前进速度主导抛土行为，刀具转速主导破碎强度，耕深主导机械阻力与能耗。
3.3. Analysis of orthogonal experimental results
在三因素三水平正交旋转组合设计中，研究人员以耕深稳定性、施肥深度稳定性和功耗为响应指标，对17组组合进行了EDEM仿真。结果表明，多数组合下耕深稳定性和施肥深度稳定性均高于90%，显示该机具有较好的作业稳定性与适应性；功耗在2.23–13.87 kW之间，说明不同参数组合对能量消耗影响显著。回归分析建立了3个响应面模型。方差分析显示，在耕深稳定性模型中，前进速度和刀具转速影响极显著，耕深影响显著，贡献顺序为前进速度＞刀具转速＞耕深；在施肥深度稳定性模型中，刀具转速与前进速度影响极显著，耕深影响不显著；在功耗模型中，三者均极显著，其中耕深影响最大，其次为前进速度和刀具转速。该结果说明，高质量作业并非单一参数最优即可实现，而需要兼顾切土频率、抛土强度与入土阻力的综合平衡。
3.4. Analysis of factor interactions
3.4.1. Effects of factors on tillage depth stability
响应面分析表明，随着前进速度提高，耕深稳定性下降，原因在于高速作业时单位时间切土次数减少、节距加大、土壤切削不足。刀具转速升高则有助于提升耕深稳定性，因为更高频率的切削改善了土壤粉碎和作业连续性。耕深与耕深稳定性的关系呈先升后降的非线性趋势：耕深过浅时土壤被高速后抛，影响表层均匀性；耕深过大时土壤扰动过强，刀具碎土效率下降。
3.4.2. Effects of factors on fertilization depth stability
施肥深度稳定性的响应面结果显示，前进速度是影响最大的因素，随着其升高，施肥深度稳定性明显降低。这与高速条件下刀具与土壤作用时间缩短、土肥混合作用减弱、切削节距扩大以及单次旋转周期内土壤位移增加有关。刀具转速增加也会略微降低施肥深度稳定性，因为更强烈的土壤扰动会影响肥料沉积位置稳定。相比之下，在前进速度和刀具转速恒定时，耕深对施肥深度稳定性的影响较小，说明肥料深度主要受开沟器成沟过程控制。
3.4.3. Effects of factors on power consumption
功耗响应面表明，前进速度、刀具转速和耕深增加均会导致功耗上升。前进速度提高意味着单位时间内需处理更多土壤，且刀土相对速度增大，从而增加切削和摩擦能耗；刀具转速提高会增加冲击与剪切频率，提升机械载荷；耕深加大则意味着更大的切土体积和更高的切削阻力，因此功耗增长最为明显。
3.4.4. Optimal parameter combination
基于多目标优化，研究人员以耕深稳定性和施肥深度稳定性最大、功耗最小为目标，结合农艺约束求得适宜参数范围。结果表明，当前进速度为0.5–0.8 m/s、刀具转速为265–300 r/min、耕深为100–200 mm时，耕深稳定性和施肥深度稳定性均超过90%。这一结果说明，在推荐区间内适度提高刀具转速虽会增加约1–2 kW功率需求，但能够显著改善耕深稳定性，综合收益更优。
3.5. Analysis of power consumption during operation
为确定动力配套需求，研究人员在理论最大负荷工况下，即前进速度1.5 m/s、刀具转速300 r/min、耕深200 mm，对作业功耗进行了分析。结果显示，功耗主要来源于旋耕和施肥开沟两部分，整机平均功耗为34.95 kW，瞬时最大功耗在6.2 s时达到47.94 kW。考虑到实际田间作业条件复杂且存在负载波动，研究据此提出配套拖拉机动力输出不应低于50 kW，以确保极端工况下仍能稳定作业。
3.6. Results of field validation experiments
在田间验证部分，研究人员按照仿真优化结果制备样机，并在双行种植桑园中开展实地试验。试验共设置4组参数组合，刀具转速固定为290 r/min，前进速度和耕深分别变化。结果显示，整机实测功耗范围为5.88–13.74 kW，与仿真值5.42–12.85 kW变化趋势一致，平均相对误差为7.15%；耕深稳定性和施肥深度稳定性的田间平均值分别达到91.84%和92.99%，与仿真平均值93.42%和94.39%接近，相对误差仅1.73%和1.53%。统计分析表明，DEM结果与田间实测之间差异不显著。研究同时指出，仿真略低估功耗、略高估深度稳定性，主要与真实田间中未完全建模的非均匀容重、石块、草根缠结及拖拉机悬挂振动等边界条件有关，但整体偏差远低于农业工程可接受阈值。
综合讨论表明，该研究通过机具结构创新与DEM驱动优化相结合，解决了传统桑园旋耕施肥装备固定行距适应性差的问题。双行独立调节结构使机具能够在450–1200 mm范围内连续调整中心距，无需改造既有桑园布局即可适配多种种植模式。土壤实测—参数标定—仿真优化—田间验证的研究链条较为完整，证明了“土壤—机械—肥料”耦合分析框架在果园类异质环境中的适用性。特别是通过将施肥开沟阻力纳入总功耗估算，研究对旋耕施肥一体机能耗评价更为全面，也提高了参数设计的工程应用价值。总体来看，该成果不仅验证了双行可调式桑园耕整施肥装备的可行性，也为果园作业机械的自适应结构设计和DEM优化方法提供了实例。
研究结论部分可译述如下：
基于双行桑园旋耕施肥样机的理论分析、离散元仿真与田间试验验证，研究得到以下结论。其一，成功开发了一种自适应双行耕整施肥机构，两旋耕单元间可调中心距为450–1200 mm，能够满足桑园多种异质化行距系统的农艺需求，而无需改造田间布局。其二，经多目标优化确定的最优作业参数范围为前进速度0.5–0.8 m/s、刀具转速265–300 r/min、耕深100–200 mm；在该条件下，耕深稳定性和颗粒施肥深度稳定性均持续高于90%。最大载荷工况（1.5 m/s，300 r/min，200 mm）下的功耗分析表明，该机具需配套动力输出至少50 kW的拖拉机。其三，田间试验结果证实，一体化“土壤—机械—肥料”离散元法（DEM）模型具有较高预测精度，仿真与实测总机械功耗的平均相对误差为7.15%；独立样本t检验和方差分析进一步验证了仿真工具载特性与实际田间条件的一致性，证明所建模型框架具有较高保真度。
