蚯蚓-土壤相互作用耦合离散元-质点弹簧模型：揭示蚯蚓掘穴行为的新见解

《Applied Soil Ecology》：Modelling earthworm-soil interactions with a coupled discrete-element mass-spring method to gain new insights into earthworm burrowing

　　

摘要专业翻译 蚯蚓在维持农业土壤良好的物理和生物学条件方面发挥着重要作用，已有研究证实其对作物生长具有诸多益处。蚯蚓以生物扰动（bioturbation）过程移动大量土壤，有研究表明其每年每公顷可处理多达250吨土壤。了解蚯蚓如何在土壤中移动具有重要意义，因为其掘穴活动有助于关键的土壤功能，如养分和碳循环以及水分调节。 尽管已有大量研究探讨蚯蚓掘穴对土壤物理和生物学性质的影响，但现有实验技术难以直接获取蚯蚓实时运动与土壤之间力学关系的信息。已有研究测量了蚯蚓在土壤中掘穴时能够施加的轴向力和压力，但径向压力只能通过间接方式测得。蚯蚓蠕动过程中的径向压力、频率和振幅虽已通过直接压力室实验测得，但实验中并无土壤存在。 数值模拟通过直接模拟蚯蚓运动，为深入了解蚯蚓掘穴过程、特别是蚯蚓-土壤相互作用的力学机制提供了一种迄今未被充分利用的方法。已有研究表明，质点弹簧法（mass-spring method, MSM）是模拟蚯蚓、蛇和毛虫运动的一种有前景的方法，因为肌肉收缩可通过弹簧张力动画来模拟，且表面结构引起的方向性摩擦也可加以考虑。然而，这些模型主要面向计算机图形学目的开发，尚未经过测量数据的定量验证。 尽管蚯蚓运动和洞穴形成是本质上相互关联的两个现象，但二者很少被放在一起研究。已有研究将锥形贯入仪作为蚯蚓的类似物来近似蚯蚓-土壤相互作用，采用有限元法（finite element method, FEM）模型进行模拟，其中蚯蚓被简化为以恒定速度运动的锥体，土壤被建模为连续体材料。然而，若采用更精细的蚯蚓和土壤模型，同时考虑蚯蚓的蠕动运动和土壤的异质性，则不仅可研究掘穴所需的能量，还可考察不同土壤条件下所形成洞穴的形态和几何特征。 研究人员的目标包括：（1）开发用于模拟蚯蚓-土壤相互作用的模型，采用MSM模拟蚯蚓运动，采用离散元法（discrete element method, DEM）模拟土壤，并将两种方法耦合以建立建模框架；（2）利用文献中的独立数据对模型进行校准和验证；（3）应用该建模框架，通过考虑蚯蚓黏液（mucus）的黏附效应来模拟洞穴形成；（4）通过分析掘穴能量需求随土壤含水量和蚯蚓体型的变化，以及研究蚯蚓产生的黏液量对洞穴稳定性和掘穴能量需求的影响，来展示该建模框架的适用性。

论文解读

一、研究背景与问题

蚯蚓在维持农业土壤良好的物理和生物学条件方面发挥着不可替代的作用，其活动已被证实对作物生长具有显著益处。蚯蚓通过生物扰动过程移动大量土壤，部分研究表明其每年每公顷可处理多达250吨土壤。蚯蚓的掘穴活动直接贡献于养分循环、碳循环和水分调节等关键土壤功能，因此深入了解蚯蚓如何在土壤中移动具有重要的科学意义。

然而，现有研究手段存在明显局限。大量实验研究虽然利用X射线成像、粒子示踪、二维土箱等技术考察了蚯蚓洞穴的形成与结构及其对土壤功能的影响，但这些技术无法直接获取蚯蚓实时运动与土壤之间力学关系的信息。已有研究测量了蚯蚓在土壤中掘穴时能够施加的轴向力和径向压力，但径向压力只能通过间接方式测得，例如在无蚯蚓存在的橡胶膜膨胀实验中估算。尽管直接压力室实验能够测量蚯蚓蠕动过程中的径向压力、频率和振幅，但实验环境中并无土壤存在，弹性膜的性质与真实土壤的弹-黏塑性性质只能通过文献数据进行间接关联。

数值模拟为突破上述实验限制提供了新的途径。已有研究采用质点弹簧法模拟蚯蚓、蛇和毛虫等无肢生物的运动，证实肌肉收缩可通过弹簧张力动画模拟，表面结构引起的方向性摩擦也可加以考虑。但这些模型主要面向计算机图形学目的开发，缺乏定量实验验证。在蚯蚓-土壤相互作用模拟方面，已有研究将锥形贯入仪作为蚯蚓类似物，采用有限元法将蚯蚓简化为恒定速度运动的锥体，土壤被建模为连续体材料，但该方法无法考虑蚯蚓的蠕动运动特征和土壤的异质性。因此，亟需开发能够同时模拟蚯蚓蠕动运动和土壤颗粒行为、并耦合二者相互作用的建模框架，以深入揭示蚯蚓掘穴的力学机制和能量需求。

二、研究内容与意义

针对上述问题，研究人员开发了一套全新的蚯蚓-土壤相互作用模拟框架。该框架采用质点弹簧法模拟蚯蚓运动，采用离散元法模拟土壤，并建立了两方法之间的单向耦合关系。通过文献独立数据进行模型校准和验证后，研究人员将该框架应用于洞穴形成模拟，考虑了蚯蚓黏液的黏附效应，并系统分析了掘穴能量需求随土壤含水量和蚯蚓体型的变化规律，以及黏液产生量对洞穴稳定性和掘穴能量需求的影响。该研究首次将蚯蚓蠕动运动与土壤颗粒尺度行为纳入统一的模拟框架，为理解蚯蚓掘穴的力学机制提供了前所未有的定量工具，对农业土壤管理和生态功能研究具有重要的理论意义和应用价值。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：其一，蚯蚓体模型构建，利用标准曲面细分语言（STL）文件生成由节点和三角形表面单元构成的曲面体，将所有顶点转化为具有预定质量的质点，并在接触半径内布置并联弹簧和阻尼元件，形成质点弹簧网格，通过弹簧张力动画模拟蚯蚓的蠕动肌肉收缩。其二，土壤模型构建，采用离散元法（DEM）对土壤颗粒行为进行模拟。其三，耦合方法，提出离散元与质点弹簧法之间的单向耦合方案，实现蚯蚓运动对土壤颗粒的作用传递。其四，洞穴稳定化方法，通过考虑蚯蚓黏液的黏附效应模拟洞穴的持续存在。其五，能量分析，在不同工况下估算掘穴所需的机械能。

四、研究结果

4.1 模型开发与验证

研究人员成功建立了基于MSM的蚯蚓运动模型和基于DEM的土壤模型，并提出了两种方法间的单向耦合方案。模型经文献独立数据校准和验证，模拟结果与实验观测具有良好一致性，证实了该建模框架的可靠性。

4.2 洞穴形成模拟

通过引入洞穴稳定化方法，研究人员成功模拟了考虑蚯蚓黏液黏附效应的洞穴形成过程。结果表明，黏液对洞穴的持续存在具有关键作用，洞穴稳定性与黏液产生量密切相关。

4.3 能量需求分析

研究人员系统分析了不同土壤含水量和蚯蚓体型条件下掘穴的能量需求。结果表明，土壤含水量和蚯蚓体型显著影响掘穴所需的机械能，增加土壤含水量或减小蚯蚓体型可降低掘穴的单位长度能量投入。

4.4 黏液影响分析

研究人员进一步考察了蚯蚓黏液产生量对洞穴稳定性和掘穴能量需求的影响。结果表明，黏液量的增加有利于提高洞穴稳定性，同时也会改变掘穴过程中的能量消耗模式。

五、讨论与结论

讨论部分指出，该建模框架为研究蚯蚓-土壤相互作用提供了全新的数值工具，克服了传统实验方法难以直接测量蚯蚓体内运动力学参数的局限。通过同时考虑蚯蚓蠕动运动和土壤颗粒尺度行为，该模型能够揭示掘穴过程中能量消耗的微观机制，并预测不同土壤条件下的洞穴形态特征。模型模拟结果可为理解蚯蚓掘穴的生态功能提供定量依据，并为农业土壤管理策略的优化提供理论指导。

研究结论表明，研究人员成功开发了耦合离散元与质点弹簧法的蚯蚓-土壤相互作用模拟框架，并通过独立数据完成了模型校准和验证。该框架能够模拟考虑黏液黏附效应的洞穴形成过程，揭示了土壤含水量、蚯蚓体型和黏液产生量对掘穴能量需求和洞穴稳定性的显著影响。该研究为深入理解蚯蚓掘穴的力学机制和生态功能提供了重要的定量工具，填补了该领域数值模拟研究的空白。