【摘要】：稻麥輪作制是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的主導(dǎo)高產(chǎn)種植模式之一,然而該模式下因周年干濕交替、稻季淹水以及長(zhǎng)期淺旋代深耕翻造成土壤硬化、孔隙率低、耕層淺薄等問題日趨嚴(yán)重,嚴(yán)重限制稻麥作物的高產(chǎn)創(chuàng)建和品質(zhì)提升。為改善水稻土的結(jié)構(gòu)性,近年來人們開始探索將北方已成熟應(yīng)用的深耕深松技術(shù)應(yīng)用于南方耕作的可能性。現(xiàn)有研究指出,土壤耕作(尤其是深松耕)的機(jī)理非常復(fù)雜,僅僅采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法難以深刻理解深松土壤的擾動(dòng)行為。近年來更強(qiáng)調(diào)借助離散元等數(shù)值模擬手段解析土壤的機(jī)械耕作過程。本文以水稻土為研究對(duì)象,基于離散元法對(duì)深松土壤擾動(dòng)過程進(jìn)行機(jī)理分析,進(jìn)一步結(jié)合田間試驗(yàn)驗(yàn)證,探討濕粘性水稻土機(jī)械化深松的土壤失效機(jī)理及深松機(jī)具的力學(xué)行為與土壤結(jié)構(gòu)效應(yīng),以期從微觀擾動(dòng)過程及破碎機(jī)理的仿真角度理解機(jī)具-土壤相互作用機(jī)理,為南方耕作機(jī)具的研究提供借鑒及方法學(xué)的支撐。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)對(duì)水稻土土壤參數(shù)進(jìn)行全面測(cè)試,掌握水稻土與旱作區(qū)土壤類型的差異及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為后續(xù)建立離散元耕作模型打下基礎(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明,水稻土平均含水率在30%左右;對(duì)土壤抗剪特性和緊實(shí)度的力學(xué)特性隨土壤深度變化曲線分析表明水稻土在深度為15 cm左右土壤具有明顯的分層特性。(2)基于田間試驗(yàn)結(jié)果建立離散元深松耕作模型。主要包括深松鏟、虛擬土槽幾何模型,雙層離散元土壤模型,并對(duì)土顆粒接觸模型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。最終結(jié)果為,模型內(nèi)0～150mm為耕層土壤、150～400mm為底層土壤,耕層土壤與底層土壤粘結(jié)作用臨界應(yīng)力分別為3×105Pa和5×105Pa,最終得到仿真模型設(shè)計(jì)的所有參數(shù)如表3-2所示。(3)基于離散元參數(shù)模型對(duì)深松耕作機(jī)理進(jìn)行深入分析。包括耕作阻力與土壤宏觀擾動(dòng)情況,深松土壤擾動(dòng)的微觀過程展示,土壤微觀擾動(dòng)位移分析,以及基于模型對(duì)深松鏟入土角變化帶來的影響進(jìn)行初步探索。研究結(jié)果表明,耕作阻力隨著耕作深度的增加而增大,當(dāng)耕作深度小于200mm時(shí),耕作阻力緩慢增大;隨著耕作深度的繼續(xù)增加,耕作阻力急劇增大,當(dāng)耕作深度為300mm時(shí)水平耕作阻力和垂直耕作阻力均達(dá)到最大值,分別為5.48 kN和2.56 kN。土壤擾動(dòng)方面起壟高度和起壟寬度都隨著耕作深度先增大再減小,在耕作深度200mm時(shí)達(dá)到最大值,分別為166mm和402mm。對(duì)深松土壤的微觀擾動(dòng)過程進(jìn)行了分析,進(jìn)一步明確了深松鏟與土壤相互作用機(jī)理,從仿真模型粘結(jié)斷裂的角度表達(dá)了深松擾動(dòng)邊界的產(chǎn)生,土壤破碎的過程。結(jié)合深松鏟結(jié)構(gòu)的不同部位分析了其觸土過程的“鑿、抬、剪、落”四個(gè)階段。對(duì)土壤運(yùn)動(dòng)位移的分析表明,土壤在耕作方向、垂直方向位移較大,側(cè)向土壤擾動(dòng)不明顯。(4)進(jìn)行田間深松耕作試驗(yàn),對(duì)田間試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,耕作阻力平均誤差6.63%,土壤擾動(dòng)壟寬平均誤差4.39%、壟高平均誤差19.22%。應(yīng)用離散元EDEM軟件,提出反映土壤破碎程度的指標(biāo)“斷裂系數(shù)”。本研究中當(dāng)耕深在200 mm以內(nèi)時(shí),斷裂系數(shù)穩(wěn)定在30%左右;耕深大于200 mm時(shí),斷裂系數(shù)逐漸增大到52.52%。與傳統(tǒng)田間試驗(yàn)下“碎土系數(shù)”指標(biāo)無論是在變化趨勢(shì),還是相對(duì)誤差都在可接受范圍內(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S222
【圖文】：

它們不僅能直接反映土壤的基礎(chǔ)物理性質(zhì)，也是后期建立土壤模型材料參數(shù)的直接來逡逑源。逡逑W逡逑圖２－２標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀取樣逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｒｉｎｇ邋ｓａｍｐｌｉｎｇ逡逑為準(zhǔn)確反映土壤各參數(shù)隨土壤深度的變化情況，本試驗(yàn)采取小尺度環(huán)刀分層取逡逑樣。使用直徑為６１．８邋ｍｍ，高為２０邋ｍｍ的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀取樣，每層取４個(gè)相鄰?fù)翗樱渝义蠈訑?shù)為１５層，取樣深度為３０邋ｃｍ。在試驗(yàn)地點(diǎn)隨機(jī)選�。祩�(gè)位點(diǎn)，用環(huán)刀逐層取樣，逡逑取樣過程如圖２－２所示，取出土樣后立即裝入取樣盒中并標(biāo)明序號(hào)裝入保鮮袋密封，逡逑帶回實(shí)驗(yàn)室。參照《土壤物理研究方法》［４４］中稱重、烘干等方法測(cè)量并計(jì)算土樣的含逡逑水率、容重和總孔隙度。逡逑１０逡逑

逡逑■＿逡逑＿逡逑圖２－１水稻土田間土壤剖面逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｆｉｅｌｄ邋ｓｏｉｌ邋ｐｒｏｆｉｌｅ邋ｏｆ邋ｐａｄｄｙ邋ｓｏｉｌ逡逑２．１．２試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目與方法逡逑２．１．２．１邋土壤物理參數(shù)測(cè)定逡逑本文測(cè)試的水稻土土壤物理特性參數(shù)包括含水率、容重、總孔隙度三個(gè)指標(biāo)參數(shù)。逡逑它們不僅能直接反映土壤的基礎(chǔ)物理性質(zhì)，也是后期建立土壤模型材料參數(shù)的直接來逡逑源。逡逑W逡逑圖２－２標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀取樣逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｒｉｎｇ邋ｓａｍｐｌｉｎｇ逡逑為準(zhǔn)確反映土壤各參數(shù)隨土壤深度的變化情況，本試驗(yàn)采取小尺度環(huán)刀分層取逡逑樣。使用直徑為６１．８邋ｍｍ，高為２０邋ｍｍ的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀取樣，每層�。磦�(gè)相鄰?fù)翗樱渝义蠈訑?shù)為１５層，取樣深度為３０邋ｃｍ。在試驗(yàn)地點(diǎn)隨機(jī)選�。祩�(gè)位點(diǎn)，用環(huán)刀逐層取樣，逡逑取樣過程如圖２－２所示，取出土樣后立即裝入取樣盒中并標(biāo)明序號(hào)裝入保鮮袋密封，逡逑帶回實(shí)驗(yàn)室。參照《土壤物理研究方法》［４４］中稱重、烘干等方法測(cè)量并計(jì)算土樣的

數(shù)據(jù)的科學(xué)性在試驗(yàn)地點(diǎn)取３個(gè)測(cè)點(diǎn)合計(jì)１８０個(gè)土樣進(jìn)行土壤直剪試驗(yàn)。逡逑本文直剪試驗(yàn)使用的直剪儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ＳＤＪ－１型三速電動(dòng)等應(yīng)變逡逑直剪儀。其結(jié)構(gòu)示意如圖２－３主要由剪切盒（上盒和下盒）、測(cè)力裝置部分、位移測(cè)量逡逑裝置、杠桿加壓機(jī)構(gòu)等組成。試驗(yàn)時(shí)首先需要校準(zhǔn)儀器，然后將土樣小心壓入剪切盒逡逑內(nèi)，再放上濾紙、透水石及上剪切盒盒蓋。每層４個(gè)土樣依次增加砝碼，通過杠桿機(jī)逡逑構(gòu)后依次施加在土樣上的垂直壓力分別為ｌ00ｋＰａ、２００ｋＰａ、３００ｋＰａ、４００ｋＰａ。當(dāng)試逡逑樣所受載荷穩(wěn)定后，拔出規(guī)定插銷并以均勻速度對(duì)試樣進(jìn)行剪切。在百分表讀數(shù)達(dá)到逡逑峰值后記錄下峰值讀數(shù)，一般剪切位移會(huì)達(dá)到４ｍｍ左右，若試樣剪切過程中百分表逡逑讀數(shù)無峰值，應(yīng)繼續(xù)剪切試樣直到剪切位移達(dá)到６邋ｍｍ時(shí)的讀數(shù)為準(zhǔn)。逡逑法向應(yīng)力Ｐ逡逑Ｊ盒逡逑圖２－３試樣直剪示意圖逡逑Ｆｉｇ．２－３邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｓｏｉｌ邋ｓａｍｐｌｅ逡逑計(jì)算剪切應(yīng)力公式如下：逡逑ｔ＝Ｃ－Ｒ邐（２－１）逡逑式中：ｔ邐試樣所受剪切應(yīng)力，ｋＰａ；逡逑Ｃ－邐測(cè)力環(huán)系數(shù)，Ｃ＝１．６５３ｋＰａ／０．０１ｍｍ；逡逑Ｒ邐測(cè)力環(huán)讀數(shù)

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本文編號(hào)：2780353