基于土壤扰动的新型超深旋耕刀具仿真研究

为解决现有超深旋耕刀具作业时存在的土壤扰动大、表层土壤破碎度低的问题,采用SPH方法建立现有刀具-土壤作业系统模型,开展仿真研究,分析刀具对土壤的作用过程,从而揭示现有刀具作业时土壤扰动大、表层土壤破碎度低的原因;而后,开展超深旋耕刀具结构创新设计,构建3种新型刀具,并对其扰动效果进行仿真分析,优选出性能最佳的新型刀具,最后与现有刀具的作业性能做对比分析。研究结果表明:现有刀具的螺旋叶片触土面积大,对土壤的推挤和抬升作用大,是土壤扰动大的原因,而刀具上方的切割刀片数量少,难以切碎大幅扰动的表层土壤,导致其破碎度低;与原刀具相比,优选的新超深旋耕刀具对表层土壤的竖直方向扰动量减小了67%,且表层土壤的质量中值下降了42%,功耗幅宽比减小11.67%,能有效减小土壤扰动,提高表层土壤破碎度,同时降低功耗。

非金属矿山开采土壤扰动重构对地下水补给的影响分析

非金属矿山开采区域土壤扰动重构会使水文地质环境发生改变,导致地下水补给分析结果不准。从土层厚度、土壤温度、地表径流量等角度出发,分析土壤扰动重构对地下水补给影响因素,并构建三维地下水流动模式,进而构建土壤扰动重构对地下水补给影响数值模型,得出水位演变公式和入渗系数、含水率与水位的变化关系式。结果表明,研究区域的土壤扰动重构方式对超过100cm土壤含水率具有一定促进作用,并且地下水位总体呈现先上升后下降趋势,为其他矿山开采过程中解决同类问题提供了参考方案。

基于土壤扰动与牵引阻力的深松铲结构参数优化

针对目前深松铲作业阻力大的问题,以3种深松铲(凿形、箭形、翼形)为研究对象,以深松铲的铲形、入土角α和张角β为试验因素,在辽宁省春玉米垄作区,进行了田间正交试验。检测了深松沟土壤扰动等指标和深松阻力F,计算了深松沟形面积与牵引阻力比值即沟形面积比阻。结果表明,α、β对耕后土壤特性、深松沟形面积和沟形面积比阻没有显著影响。α对阻力F有显著影响,F随α先减小,再增大,当α为21°时阻力最小。铲形对耕后土壤特性、深松沟形面积、阻力F和沟形面积比阻有显著影响,凿形铲、箭形铲和翼形铲作业对土壤扰动面积依次增大,翼形铲的扰动面积分别比凿形铲和箭形铲大49.8%、30.0%,箭形铲扰动面积比凿形铲大15.3%(P<0.05);但翼形铲所受阻力分别比箭形铲和凿形铲大123.6%和36.6%,箭形铲比凿形铲所受阻力大63.7%(P<0.05)。从凿形铲到翼形铲,沟形面积比阻依次增大,凿形铲的沟形面积比阻分别较箭形铲和翼形铲小42.4%和50.2%(P<0.05),箭形铲的沟形面积比阻较翼形铲小5.4%(P<0.05)。综合深松铲对土壤扰动疏松效果、牵引阻力及沟形面积比阻分析,入土角α为21°的凿形铲是相对最优的铲形。

水稻土深松阻力与土壤扰动效果研究

为探讨机械深松过程的水稻土扰动、土壤结构及能量的效应,利用原位土壤耕作综合测试平台进行精准控制条件的深松试验,采用凿形铲,设置5种耕作深度(10、15、20、25、30 cm),从耕作阻力及比阻、土壤宏观扰动轮廓、土壤破碎体尺度分布指标综合评价水稻土深松作业的效果。结果表明,深松耕作阻力与耕作深度符合二阶函数拟合的递增关系。耕深20 cm时,深松铲对土壤扰动程度最大,地表隆起、开裂和纵向起伏程度最强,此时土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径均达到最大值,分别为16.3 cm、42.2 cm、0.030 5 m^2、28.77 cm,耕作比阻则相对较低,为62 kN/m^2;然而在耕深超过20 cm之后,深松铲的土壤扰动效果显著降低,地表隆起、开裂和纵向起伏程度减弱,土壤隆起高度、隆起宽度、横剖面扰动面积、平均土块径数值均明显减小,耕深30 cm时分别降至10.3 cm、31.2 cm、0.026 8 m^2、19.12 cm,相比耕深20 cm降幅分别为36.8%、26.1%、12.1%和33.54%,而此时耕作比阻急剧增大至195 kN/m^2,相比耕深20 cm增幅高达214.5%。因此,在水稻土条件下,耕作深度20 cm时能够获得最佳的土壤扰动、土壤结构及耕作能量的综合效应。

深松土壤扰动行为的离散元仿真与试验

分析深松土壤的扰动行为是深入研究深松铲-土壤互作用规律的基础。采用离散元方法建立深松工作模型,结合高速摄影技术及室内土槽试验,对比分析了不同位置深松土壤的微观运动及宏观扰动行为。结果表明,土壤的扰动范围随土壤与深松铲之间距离的增大而减小;不同位置土壤的扰动范围由大到小依次为:浅层、中层、深层;在深松范围内,土壤的运动速度随土壤与深松铲之间距离的增大而逐渐减小,等速度土壤颗粒的分布曲线与深松铲的铲柄弧线基本吻合;不同深度土层土壤颗粒在不同方向上的平均运动速度为:在x方向上由大到小依次为浅层、中层、深层,在y方向上由大到小依次为中层、浅层、深层,在z方向上由大到小依次为深层、中层、浅层;离散元仿真能够较准确模拟深松土壤的扰动行为,仿真与试验获取的土壤扰动截面轮廓形状基本吻合,土壤膨松度、土壤扰动系数的仿真值与试验值的相对误差分别为13.21%、17.38%;地表土壤纵向堆积角的仿真值与试验值的相对误差为9.42%。

深松深度对土壤扰动影响的仿真与试验研究

深松深度是深松作业的重要评价指标之一,可对土壤扰动产生重要影响。为此,以凿型深松铲为研究对象,综合使用离散元仿真和土槽试验方法,利用土壤坑形轮廓宽度、土壤垄形轮廓高度、土壤蓬松度、土壤扰动系数和地表平整度等评价指标,研究不同深松深度对土壤扰动的影响。结果表明:1土壤扰动轮廓截面曲线基本吻合,土壤坑形轮廓宽度和土壤垄形轮廓高度随深松深度的增加而增大;2土壤蓬松度随深松深度的增加逐渐减小,土壤扰动系数随深松深度的增加逐渐增大,且试验和仿真得到的结果一致;3地表平整度随着深松深度的增加而逐渐增大,且试验与仿真结果的趋势一致。本研究可以为深入理解深松土壤扰动过程提供决策依据。

前铲入土深度对分层深松土壤扰动的影响研究

分层深松采用前后铲分层作业,深松后土壤松碎,避免上、下土层土壤翻转。以分层深松铲为研究对象,采用数字化土槽试验方法,研究前铲的入土深度对分层深松土壤扰动的影响。结果表明:(1)随着前铲入土深度的增加,土壤坑形轮廓宽度随之增大;(2)前铲入土深度为150 mm时,分层深松的深松深度稳定性最高,且分层深松的深松深度稳定性均高于单铲深松;(3)分层深松的土壤蓬松度随着前铲入土深度的增加而增大,土壤扰动系数均大于单铲深松;(4)分层深松的土壤地表平整性优于单铲深松,土垄垄沟宽度大于单铲深松,而土垄高度低于单铲深松。本研究可以为前铲最佳入土深度的确定提供依据。

前铲入土角对分层深松土壤扰动的影响研究

前铲入土角是分层深松机设计的关键参数之一。本文以分层深松铲为研究对象,采用数字化土槽试验方法,研究不同前铲入土角对分层深松土壤扰动的影响。结果表明:(1)随着前铲入土角度的增大,分层深松的土壤坑形轮廓宽度随之减小;单铲深松的土壤坑形轮廓宽度大于前铲入土角度不同的分层深松;(2)当前铲入土角为15°时,分层深松铲的深松深度最小,当前铲入土角为31°时,分层深松铲的深松深度稳定性最大;(3)当前铲入土角为15°时,分层深松的土壤蓬松度最大,分层深松的地表平整性最差;当前铲入土角为31°时,分层深松的地表平整性最好。本研究可以为分层深松机前铲入土角的确定提供决策依据。

深松铲不同翼铲安装高度时土壤扰动行为仿真与试验

翼铲的安装高度是带翼深松铲的关键结构参数之一,其对深松土壤扰动行为产生重要影响。综合运用EDEM和室内土槽试验,研究了翼铲安装高度(55、75、95、115、135 mm)对深松土壤扰动行为的影响。结果表明:随着翼铲安装高度增加,耕后犁底层土壤扰动面积先增大后减小,在翼铲安装高度为75 mm时最大,水平耕作阻力逐渐减小,深松铲铲尖和犁底层圆弧段所受水平耕作阻力为深松铲水平耕作阻力的主要来源(90%以上),其随翼铲安装高度增大逐渐减小;翼铲安装高度直接影响耕作时不同深度土壤在不同方向的位移,当翼铲安装高度为75 mm时,深松铲纵向中心位置的各层土壤在耕作方向的最大位移相对较小,其犁底层土壤在竖直方向最大位移相对较大,表层和耕作层土壤在竖直方向最大位移相对较小;翼铲安装高度对土壤扰动效果产生重要影响,且离散元仿真能够准确模拟深松土壤的扰动过程,5个翼铲安装高度下土壤膨松度、土壤扰动系数、土壤碎土系数、土壤纵向堆积角的试验值和仿真值的平均误差分别为11.69%、11.54%、14.20%、9.64%。

东北黑土线虫群落对长期免耕后土壤扰动的响应

【目的】目前对长期免耕土壤实施扰动后土壤生态系统稳定性的响应情况尚不了解。本研究选择土壤线虫作为指示生物,研究土壤线虫群落结构对长期免耕扰动前和扰动后的响应情况,为东北黑土区合理选择耕作措施提供科学依据和参考。【方法】以吉林省德惠市中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土长期保护性耕作实验站为依托平台,分别设置长期免耕(NT)及长期免耕后扰动(DNT)两种不同免耕耕作方式;在作物播种前,采集耕层(0—15 cm)土壤,进行线虫的分离鉴定。使用效应值(lnR),以常规耕作(CT)为对照,度量不同轮作方式下(玉米-大豆轮作,CS;玉米连作,CC)长期免耕及长期免耕后扰动对土壤线虫的属数、多度和生态指数的影响效应。利用主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)进行土壤线虫群落组成及其驱动因子的分析。【结果】与CT相比,NT处理促进了各轮作方式下杂食/捕食线虫的多度,DNT处理显著(P<0.05)促进了玉米-大豆轮作下食细菌线虫的属数及多度、食真菌线虫和总线虫的多度,而对玉米连作下所有线虫营养类群的属数及多度具有抑制效应。NT、DNT处理的线虫群落组成与CT处理截然不同,其主要的土壤驱动因子分别是全氮含量和容重,可以解释线虫群落组成差异的10.5%和11.4%。此外,与CT相比,NT处理显著(P<0.05)促进了各轮作方式下的结构代谢足迹(Fs),而DNT处理显著(P<0.05)抑制了几乎所有生态指数(除自由生活线虫与植物寄生线虫成熟度指数比率(MI/PPI)之外)。DNT处理对土壤线虫生态指数的抑制程度因轮作方式而异,与玉米连作相比,玉米-大豆轮作仍能维持对MI/PPI的促进效应。【结论】长期免耕能够在各轮作方式下形成较为稳定的土壤线虫群落结构;深翻和移除秸秆等土壤扰动会破坏长期免耕下土壤线虫群落结构的稳定性,但破坏程度因轮作方式而异。

西气东输河南至上海工程段沿线土壤扰动及其对农田生态系统的影响

通过对西气东输工程河南—上海段沿线的土壤和植被进行勘察、取样和测试,分析同一地点作业带和非作业带的土壤质量状况、农作物的生长对比情况,进而分析工程施工过程中对土壤扰动的情况,及其给农田生态系统带来的影响。结果表明,在施工过程中,机械装置对土壤产生的压实效应及弃土弃渣的推放等,对土壤生态环境带来一定的破坏,土壤质量有不同程度的下降,进而影响了作物的生长,使相关的生态系统也遭到不同程度的破坏。提出了应加大对作业带土壤有机肥(尤其是作物秸秆)的施用,以改善、恢复和提高土壤生态环境质量。

深松铲铲尖对土壤扰动过程及效果的试验与分析

铲尖是深松铲的关键部件之一,其对土壤扰动产生重要影响。在分析铲尖对土壤扰动过程及影响机理的基础上,以凿形铲、箭形铲、翼形铲为对象,用碎土率、土壤蓬松度、土壤扰动系数、地表平整度等评价指标,并用高速摄影技术进一步研究不同铲尖形状对土壤扰动过程及效果的影响。结果表明:(1)铲尖形状对土壤扰动过程产生重要影响,翼形铲作业形成垄沟的地表宽度及沟底宽度最大,箭形铲次之、凿形铲最小;(2)随深松铲铲尖与土壤接触面积及土块间的二次接触概率的增加,土壤破碎效果不断改善,采用凿形铲、箭形铲、翼形铲深松后,10cm耕层的碎土率分别为89.29%、90.87%、94.75%,全耕层的碎土率分别为85.09%、92.23%、96.13%;(3)铲尖形状是影响土壤疏松程度和地表平整性的重要因素,凿形铲对土壤的疏松效果较箭形铲与翼形铲差,但其耕后地表平整度优于箭形铲与翼形铲。综合考虑作业质量、减阻效果、材料等因素,应合理确定铲尖与土壤接触面积,加强铲尖对土壤类型的适应性研究,强化带翼凿式铲铲翼的合理布置位置及其结构参数的研究。

分层深松铲前后铲距对土壤扰动行为影响的仿真与试验

前后铲距是分层深松铲的关键参数之一,会对土壤扰动行为产生重要影响。为此,综合运用离散元仿真和数字化土槽试验,研究了前后铲距对土壤宏、微观扰动行为的影响。结果表明:当前后铲距为350mm时,耕作比阻及不同层土壤颗粒在耕作方向上的最大位移相对较小,犁底层土壤颗粒在竖直方向上的最大位移和侧向方向上的最大位移相对较大,耕作层土壤颗粒在竖直方向上的最大位移相对较小;5个不同前后铲距下土壤膨松度、土壤扰动系数、耕作阻力和耕作比阻的试验和仿真结果的平均误差分别为12.41%、13.61%、13.84%、3.34%,离散元仿真能够较为准确地模拟分层深松土壤的扰动过程。

翼型深松铲铲间距对土壤扰动的仿真与试验

土壤扰动是深松作业的重要性能指标,翼型深松铲铲间距对土壤扰动特性有重要影响,是深松机设计的关键结构参数之一.本文采用离散元法(DEM)建立了土壤深松03试验模型,研究了翼型深松铲5种不同铲间距(350,400,450,500,550 mm)在恒定工作速度(0.83 m/s)和恒定工作深度(300 mm)下对土壤扰动特性的影响.仿真与试验表明,铲间距越大,土壤膨松度越小,而土壤扰动系数先减小后增大;两翼铲间未扰动土壤高度、横向扰动宽度随翼铲铲间距的增加而变大,铲间距的大小对土壤深松效果将产生重大影响,而且离散元法能够较准确地模拟土壤深松过程中的扰动行为;离散单元法仿真试验与室外田间试验获得的土壤扰动轮廓大致吻合,不同翼铲铲间距深松作业下土壤膨松度、扰动系数的EDEM仿真值和田间试验值平均误差分别是11.2%和13.5%.

振动挖掘土壤扰动行为离散元仿真与试验

为了探究振动挖掘对土壤扰动的影响,采用离散元方法建立振动挖掘工作部件模型进行挖掘仿真试验,同时结合高速摄影技术进行室内土槽试验,对比分析了不同位置土壤的微观运动及宏观扰动行为。试验结果表明:在挖掘过程中,土壤作业堆积角在16°左右;土壤的扰动范围随土壤与挖掘铲之间的距离增大而减小;在挖掘范围内,土壤的运动速度随土壤与挖掘铲之间距离增大而逐渐减少。在土壤破溃试验中,土壤在靠近挖掘铲前方区域、挖掘铲上方位置和挖掘铲后端位置分别呈现出开始产生少量裂缝、裂缝变宽变多到疏松塌陷的变化过程。

部件复杂表面影响土壤扰动行为的离散元宏细观分析

通过分析毛管水形成液桥对土壤微观力学结构的影响,引入并行约束来表征土壤颗粒间液桥的黏性作用,建立了土壤颗粒接触非线性力学模型,并对波纹形复杂表面推土板前端土壤的动态扰动行为进行了离散元宏细观模拟。结果表明,离散元模拟不仅准确再现了实验分析中复杂表面结构对土壤动态扰动行为影响的研究结果,而且从土壤颗粒运动以及土块破碎等细观角度准确分析了触土部件复杂表面对土壤动态扰动行为的影响因素和机理。

取土器取土筒入土对土壤扰动影响的试验研究——基于离散元法

土壤的获取能否保持较好的原状性对相关土壤分析结果有很大影响,因而主要研究了取土器取土筒在入土时造成土壤扰动的原因。土壤是不透明的物质,不能直接观察取土筒内部土壤的扰动情况。为探究取土筒内部土壤扰动情况,先做取土筒入土时其外壁表层土壤的扰动试验,观察试验现象并进行分析;然后运用EDEM软件对取土筒入土时外壁表层土壤进行模拟仿真,对仿真进行结果后处理,对比察看仿真结果与试验结果所得的结论是否一致,如若一致,则可用EDEM对取土筒入土时内部土壤扰动机理进行仿真分析。试验采用电动取土器,用高速摄影仪记录取土筒入土时其外壁土壤的扰动情况,试验结果和仿真结果所得结论大致相同。对取土筒内部土壤进行仿真,结果表明:①在垂直方向,土壤的上部及下部扰动较大,上部土壤容易出现向上隆起(即涌土现象),下部土壤易受挤压变形,中间土壤扰动较小。②在水平方向,从筒中轴线到筒壁,土壤扰动逐渐增大。综合垂直和水平方向的土壤扰动规律可知:筒轴线中层处的土壤原状性保持最佳,进行土壤分析时最好以此处土壤为样本进行研究。

长江下游稻麦轮作区机收对土壤扰动的影响特征

[目的]本文旨在获取长江下游稻麦轮作区水稻与小麦机收环节的土壤扰动信息,评价该区在全程机械化条件下各机械化作业环节对土壤系统的影响。[方法]于该区连续开展3个作物季的田间调查,结合贯入阻力和微地貌测试,同时辅以取样法监测土壤含水率及容重。[结果]综合微地貌测试仪、土壤紧实度仪及土壤取样等方法获得的多维度土壤物理指标能够准确反映出中小型稻麦联合收割机对土壤的影响。水稻机收环节的微地貌破坏严重,麦收环节机械对土壤的破坏显著降低。收割机并不造成耕作层土壤容重显著变化,表明稻作制的机械-土壤关系特殊。基于多季、不同作物及不同土层数据的统计分析进一步表明,在该区开展农机安全生产的土壤含水率上限为35%,土壤紧实度下限为1 MPa。履带式中小型收割机造成的土壤压实面积比最低(40%),微地貌破坏能够影响全耕层,因此现有的机械设计准则需要针对稻麦轮作制的区域农业特点进一步修订。[结论]本文组装设计的土壤扰动区域调查方法可为农业智能化农情信息装备的研发提供借鉴,所得的机收土壤扰动结果也可为土壤质量精准管理提供参考。

错位布置深松铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响

铲距是深松机的关键布置参数,对深松耕作阻力和土壤扰动效果会产生重要影响。为此,借助田间试验的方法,通过分析错位布置深松铲在不同横向和纵向铲距作业下土壤坑形宽度、土壤垄型高度、土壤扰动面积、耕作阻力及比阻等的差异,研究不同布置铲距对土壤扰动和耕作阻力的影响。试验结果表明:前铲的土壤扰动作用大于后铲,前铲的土壤垄型高度和坑形宽度大于后铲;横向与纵向铲距较小时,土壤易堆积且双铲的土壤扰动作用会发生部分抵消;铲距较大时,双铲协同作用较小且力矩较大;二者均导致土壤的坑形宽度变小,垄形高度和耕作阻力变大,降低耕作效果;当横向铲距和纵向铲距布置分别为35cm和30cm时,垄形高度最低、比阻最小,土壤扰动及耕作阻力的综合效果较好。本研究可为深松铲的优化布局提供一定的参考依据。

森林经营措施对土壤扰动和压实的影响分析

森林经营措施属于森林管理中一个重要的组成部分,在森林经营过程中或多或少都会对土壤造成一定的扰动和压实,进而影响到林木的正常生长。本文主要探讨的是森林经营措施对土壤的扰动和压实影响,并提出了改善森林经营措施对土壤影响的建议。