基于EDEM 的粉壟和旋耕作業(yè)混肥效果研究

單發(fā)科， 康朔， 朱建錫， 王永維， 王俊*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058； 2.浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江 金華 321051）

土壤施肥是提高作物產(chǎn)量的重要措施，化肥顆粒的分布范圍和作物根系的吸收范圍是否匹配及化肥分布的均勻性是影響化肥利用率的重要因素[1-2]。利用耕作機(jī)械將撒施在土壤表面的化肥顆粒與土壤混合是常用的施肥方法，不同耕作方式下的化肥分布存在差異，對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不同影響[3-5]。石麗紅等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻生產(chǎn)中，適當(dāng)?shù)姆柿戏植加欣谔岣咚井a(chǎn)量；張擁兵等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥方式對(duì)葡萄果實(shí)品質(zhì)影響較大，而施肥方式的不同也導(dǎo)致肥料分布的不同；雷金銀等[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式改變了養(yǎng)分在土壤內(nèi)的分布，提高了化肥利用率?；试谕寥乐械姆植挤秶绊懽魑锷L(zhǎng)，而耕作方式則直接影響化肥顆粒在耕層內(nèi)的分布[9-11]。因此，有必要研究不同耕作方式對(duì)化肥分布的影響。

離散元分析近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究中，目前針對(duì)施肥效果的仿真研究也多采用離散元法（discrete element method，DEM）。EDEM（expanded DEM）軟件近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和作業(yè)過(guò)程仿真模擬等[12-13]研究，并取得一定進(jìn)展。在EDEM 中，土壤由離散的顆粒組合而成，可以通過(guò)定義顆粒的大小、尺寸、位置組合以及結(jié)合方式等模擬不同的土壤特性[14-16]，DEM 是模擬耕作過(guò)程中機(jī)具與土壤相互作用的有效方式[17-18]?；暑w粒為球狀，在EDEM 中可以很方便地建立其仿真模型。

通過(guò)田間試驗(yàn)的探究不同耕作方式的混肥效果時(shí)步驟復(fù)雜且耗時(shí)耗力，為研究帶來(lái)極大困難。因此，本研究通過(guò)分析化肥顆粒分布規(guī)律建立仿真預(yù)測(cè)模型并對(duì)旋耕、粉壟2 種耕作方式的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究旨在通過(guò)對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，基于EDEM 建立一種適用于不同耕作方式的離散元高精度混肥仿真模型。

1 材料與方法

1.1 刀具及整機(jī)結(jié)構(gòu)

粉壟機(jī)具為浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院制造的五軸粉壟機(jī)，其主要工作部件為5 把螺旋粉壟刀具。粉壟刀具主體由單螺旋刀片和側(cè)切削刃共同組成，刀軸直徑（D）80 mm，螺旋刀片半徑（a）80 mm，總高度（Hz）400 mm，螺旋角（α）28°，螺旋線(xiàn)圈數(shù)（n）為3。

旋耕機(jī)為河北耕耘農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的170 型旋耕機(jī)，用Handyscan 手持式3D 掃描儀獲得170 型旋耕機(jī)的旋耕刀三維點(diǎn)云模型后進(jìn)行逆向建模。

使用SolidWorks2018 建立三維模型，對(duì)實(shí)際機(jī)具進(jìn)行1∶1 原尺寸還原，并將殼體、箱體、懸掛等非入土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理，保留耕作刀具。結(jié)合農(nóng)藝要求，2種機(jī)具的耕作參數(shù)如表1所示。

表1 耕作參數(shù)Table 1 Tillage parameters

1.2 主要材料參數(shù)標(biāo)定

土壤樣本取自浙江省金華市婺城區(qū)徐村農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地的試驗(yàn)田，取樣方法參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法》[19]。使用與環(huán)刀同尺寸的光滑薄壁塑料管獲取自然狀態(tài)下不同土層深度（0—10、10—20、20—30、30—40 cm）的原樣土壤樣本。化肥樣本取自實(shí)際耕作時(shí)使用的顆粒狀復(fù)合肥（硫酸鉀型復(fù)合化肥，火山能公司）。

土壤屬性參數(shù)包括彈性模量、剪切模量、泊松比、含水率、密度等。使用TMS-PRO 質(zhì)構(gòu)儀（美國(guó)FTC 公司，檢測(cè)精度>0.015%）于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定土壤彈性模量，得到力-位移曲線(xiàn)。質(zhì)構(gòu)儀的壓縮速度為15 mm·min-1，并設(shè)置在正壓力到達(dá)500 N 時(shí)停止壓縮。每層土壤深度下做4 組重復(fù)，共做16 組壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)中一組土壤內(nèi)部摻雜石塊，所得曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯偏差，將其剔除后共獲得15 條曲線(xiàn)。參照相關(guān)研究進(jìn)展[13-15,23-25]選取土壤泊松比，通過(guò)計(jì)算獲得土壤剪切模量。

式中，E為土壤彈性模量；G為土壤剪切模量；F為正壓力，N；S為土樣截面積，m3；dL為壓縮距離，m；L為土樣原長(zhǎng)，m；v為土壤泊松比。

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，所用環(huán)刀為100 cm3定體積環(huán)刀（南京土壤儀器廠）。土壤含水率通過(guò)烘箱干燥法測(cè)定，將環(huán)刀取得的土樣放入烘箱（GZX-9140ME 數(shù)顯吹風(fēng)干燥機(jī)，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司）105 ℃烘干至恒重，土樣做2 份平行測(cè)定。基于以下公式計(jì)算土壤容重和土壤含水率[21]。

式中，ρs為土壤容重，g·cm-3；m1為環(huán)刀的重量，g；m2為土壤和新鮮土壤的重量，g；V為環(huán)刀體積，cm3；Ws為樣品的土壤含水量g?kg-1；Ws為土壤含水率；Wf和Wd為土壤的鮮重和干重，g。

使用排油法測(cè)定化肥顆粒真實(shí)密度。供試材料的其余屬性參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[22-24]。

不同材料間接觸參數(shù)包括土-土間接觸參數(shù)、土-肥間接觸參數(shù)、土-鋼間接觸參數(shù)和肥-鋼間接觸參數(shù)；材料間接觸參數(shù)包括碰撞恢復(fù)系數(shù)、滑動(dòng)摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)。采用下落法標(biāo)定碰撞恢復(fù)系數(shù)，以土-肥間接觸參數(shù)標(biāo)定為例，將實(shí)地取得的原樣土壤平鋪在平板上，并進(jìn)行壓實(shí)以模擬真實(shí)土況；利用高速相機(jī)，記錄從固定高度自由下落的化肥顆粒在與土壤平面發(fā)生碰撞后反彈的最高高度，并通過(guò)式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中，ε為碰撞恢復(fù)系數(shù)；?H為反彈高度，m；H為下落高度，mm。

每種材料間碰撞恢復(fù)系數(shù)做20 組重復(fù)，取平均值。采用自行搭建的摩擦系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1）測(cè)定摩擦系數(shù)，通過(guò)改變表面覆蓋材料測(cè)定不同材料間的摩擦系數(shù)[25]。測(cè)定滑動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)，將一種待測(cè)材料覆蓋固定于測(cè)試平臺(tái)之上，另一種待測(cè)材料利用環(huán)刀制成大小均勻的圓餅狀置于其上，以保證材料間不發(fā)生滾動(dòng)；測(cè)定滾動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)，將一種待測(cè)材料覆蓋固定于測(cè)試平臺(tái)之上，另一種待測(cè)材料制成大小均勻的圓球狀置于其上，以保證材料間不發(fā)生滑動(dòng)。測(cè)定過(guò)程中記錄所有材料質(zhì)心的位置，并通過(guò)高速相機(jī)驗(yàn)證材料間的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)數(shù)顯式旋鈕調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，測(cè)量物體被拋離的距離和拋離高度，計(jì)算摩擦系數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)通過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)以減小誤差。

圖1 摩擦系數(shù)測(cè)定平臺(tái)及測(cè)定原理Fig. 1 Coefficient measuring platform and measuring principle

式中，μ為摩擦系數(shù)；r為旋轉(zhuǎn)半徑，m；h為墜落高度，m；l為拋離距離，m。

1.3 EDEM 仿真模型建立

使用離散元分析軟件EDEM2018建立仿真模型，包括刀具模型和導(dǎo)入以及土槽模型。

依據(jù)刀具尺寸和耕深，設(shè)置土槽尺寸為400 mm×500 mm×1 200 mm。試驗(yàn)土槽每層土壤厚度為10 cm，每層生成15 萬(wàn)個(gè)土壤顆粒，共計(jì)60 萬(wàn)個(gè)[26]。結(jié)合試驗(yàn)田土壤特性選取合適的模型： 0—10 cm 土壤松散，呈粉壤土性質(zhì)，選取Hertz-Mindlin 無(wú)滑動(dòng)模型；10—40 cm 土層，土壤間存在明顯黏結(jié)現(xiàn)象，呈黏性土性質(zhì)，選取Hertz-Mindlin with Bonding 黏結(jié)模型對(duì)土壤顆粒進(jìn)行約束，根據(jù)BPM 黏結(jié)模型，法向剛度和切向剛度由式（7）和式（8）計(jì)算[27-29]，黏結(jié)半徑計(jì)算公式（9）可由土壤含水率的計(jì)算公式推導(dǎo)[18]。

式中，kn為法向剛度，N·m-1；ks為切向剛度，N·m-1；a 為常數(shù)，0—10 cm 土層取2/3，10—40 cm土層取1/2；ν1為顆粒1 的泊松比；ν2為顆粒2 的泊松比；E1為顆粒1 的彈性模量，Pa；E2為顆粒2 的彈性模量，Pa；r1為顆粒1 的半徑，mm；r2為顆粒2的半徑，mm；ω為土壤含水率；m1為土壤顆粒質(zhì)量，kg；m2為水分質(zhì)量，kg；ρ1為壤顆粒干密度，kg·m-3；ρ2為水密度，kg·m-3；R為土壤顆粒半徑，m；RB為土壤顆粒黏結(jié)半徑，m。

結(jié)合實(shí)際施肥，通過(guò)設(shè)置面顆粒工廠將化肥顆粒隨機(jī)撒施到土壤表面。為提高仿真精度，同時(shí)控制計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，結(jié)合總計(jì)生成的顆粒數(shù)量及相關(guān)參考文獻(xiàn)對(duì)顆粒半徑進(jìn)行放尺，放尺后土壤顆粒半徑為4 mm，顆粒半徑對(duì)仿真精度影響不大[30-31]。土、肥顆粒模型生成后，讓其自然沉降3 s，生成黏結(jié)鍵[30]。

1.4 仿真模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

通過(guò)耕作過(guò)程牽引力值驗(yàn)證仿真模型參數(shù)標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)置仿真和田間試驗(yàn)時(shí)機(jī)具工作參數(shù)相同，粉壟耕作前進(jìn)速度為0.3 m·s-1，刀具轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，刀具傾角0°；旋耕耕作前進(jìn)速度0.2 m·s-1，刀具轉(zhuǎn)速400 r·min-1。由EDEM軟件輸出刀具前進(jìn)方向合力，即為仿真刀具水平方向牽引力。粉壟機(jī)械實(shí)際安裝過(guò)程中，根據(jù)不同旋向分別按照120°和180°間隔安裝刀具，因此仿真過(guò)程按5 把刀具排布角度進(jìn)行，并將所得前進(jìn)方向合力求和，得機(jī)具整體所受牽引力。

田間試驗(yàn)在浙江省金華市婺城區(qū)徐村農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地進(jìn)行，耕作過(guò)程中的牽引力信號(hào)通過(guò)板環(huán)式拉壓力傳感器（南京天光電氣科技有限公司，量程2 t，電壓輸出范圍0～20 mV）測(cè)得，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DH5902N 堅(jiān)固型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司）采集電信號(hào)并按比例轉(zhuǎn)化為待測(cè)力，所測(cè)得耕作力被用作驗(yàn)證仿真模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)所采用的板環(huán)式傳感器可以測(cè)量沿傳感器兩銷(xiāo)孔連線(xiàn)方向的力，當(dāng)機(jī)具入土后保持勻速水平前進(jìn)時(shí)，認(rèn)為傳感器測(cè)量處于平衡態(tài)，此時(shí)可根據(jù)機(jī)具與傳感器形態(tài)位置計(jì)算牽引力。

1.5 混肥效果優(yōu)化試驗(yàn)

結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)2 種耕作方式下的混肥效果進(jìn)行分析，以混合的均勻性為混肥效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，均勻性通過(guò)計(jì)算各土層化肥顆粒數(shù)變異系數(shù)（C）評(píng)價(jià)，C越小混肥更均勻。

式中，xi為第i層顆粒數(shù)，p為每層顆粒數(shù)平均值，n為層數(shù)。

結(jié)合實(shí)際農(nóng)藝經(jīng)驗(yàn)和耕作參數(shù)（表1），選取各因素取值范圍。通過(guò)所建立的仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)，獲取2 種耕作方式的分布規(guī)律預(yù)測(cè)模型，通過(guò)該預(yù)測(cè)模型計(jì)算獲得最優(yōu)工作參數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程如圖2 所示，在仿真模型中設(shè)置粉壟刀具運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)下降和旋轉(zhuǎn)前進(jìn)2 部分，旋耕刀具運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，刀具工作參數(shù)根據(jù)正交試驗(yàn)表設(shè)置，因素的編碼值和變異系數(shù)如表2 所示，其中，設(shè)置粉壟刀具傾斜角度向前進(jìn)方向傾斜為負(fù)，反之則為正。

1.6 混肥效果田間驗(yàn)證

田間驗(yàn)證試驗(yàn)在浙江省金華市婺城區(qū)徐村農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)田長(zhǎng)期進(jìn)行農(nóng)業(yè)活動(dòng)，前茬作物為水稻，水稻收割完成后使用鏵式犁對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行翻耕，并施用有機(jī)肥對(duì)試驗(yàn)田理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整改造，晾曬1 月后進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)用拖拉機(jī)型號(hào)為久保田M954KQ。由于實(shí)驗(yàn)所施用的化肥易溶于水，難以統(tǒng)計(jì)各層的數(shù)量分布，因此選用形狀、大小、密度與化肥顆粒相似的聚丙烯顆粒以1∶1 的施用比例代替化肥。耕作前采用與撒肥相同的方法將聚丙烯顆粒均勻撒施到試驗(yàn)區(qū)域土壤表面，分別使用旋耕機(jī)和粉壟機(jī)對(duì)田地進(jìn)行翻耕，將顆?；烊胪寥?。取樣時(shí)，使用10 cm×10 cm×10 cm 合金鋼方框以10 cm 為梯度在0—40 cm 土層的耕作擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)取樣，不同層的土壤分別裝入不同的取樣袋中。分別通過(guò)5 和2 mm 孔徑篩子篩選，手動(dòng)挑揀出聚丙烯顆粒，計(jì)數(shù)并統(tǒng)計(jì)顆粒分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

結(jié)合圖3 的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本研究所取土壤樣本在壓縮過(guò)程中的力學(xué)特性表現(xiàn)類(lèi)似于塑性材料，存在彈性階段（OA）和屈服階段，且進(jìn)入屈服階段以后，試樣越壓越扁，抗壓能力繼續(xù)增強(qiáng)，因此土壤彈性模量類(lèi)比線(xiàn)彈性材料，通過(guò)A 處獲得的軸向載荷計(jì)算得到。

圖3 土壤力學(xué)分析Fig. 3 Soil mechanics analysis

最終得到的材料屬性參數(shù)和接觸參數(shù)如表3和表4 所示?？梢钥闯觯?—10、10—30 和30—40 cm 土層土壤物性存在明顯差異，隨著土層深度的增加，土壤被壓實(shí)，土壤含水率也增加。最終確定黏結(jié)模型參數(shù)如表5 所示?；暑w粒的半徑通過(guò)實(shí)際取樣，測(cè)量得平均值為1.94 mm，因此在EDEM 中設(shè)定模型半徑為2 mm，根據(jù)實(shí)際施肥量計(jì)算得到試驗(yàn)區(qū)域面積內(nèi)施用的顆粒數(shù)目為2 000個(gè)。

表3 材料屬性參數(shù)Table 3 Material property parameter

表4 材料接觸參數(shù)Table 4 Material contact parameter

表5 黏結(jié)模型參數(shù)Table 5 Bonding model parameter

2.2 模型準(zhǔn)確性分析

粉壟耕作驗(yàn)證結(jié)果如圖4A 所示，將實(shí)際情況下機(jī)具受力信號(hào)分別放縮10%，作為仿真值的10%誤差區(qū)間。粉壟耕作過(guò)程中，仿真所得刀具受力在入土初期波動(dòng)較大，且呈現(xiàn)一定的周期性，波動(dòng)范圍為-100～300 N，總體呈上升趨勢(shì)，這可能是由于機(jī)具入土初期，刀具入土深度較淺，與土壤相互作用部分較小，因此整體受力較小，刀具周期性與土壤的相互作用對(duì)受力的影響大于接觸面積的影響。在入土中期，受力大幅提升，曲線(xiàn)波動(dòng)不明顯，這可能是由于隨著耕作深度的增加，刀具與土壤接觸面積對(duì)受力的影響大于周期性接觸的影響。在入土后期，牽引力變化趨勢(shì)和變化大小相似，但由于入土階段總體受力較小，實(shí)際值的10%誤差區(qū)間較小，仿真值僅有部分在誤差區(qū)間內(nèi)。在機(jī)具平穩(wěn)前進(jìn)階段，仿真值基本全部位于10%的誤差區(qū)間內(nèi)，牽引力大小在1 100 N 波動(dòng)，這是因?yàn)闄C(jī)具平穩(wěn)前進(jìn)時(shí)，相同深度土壤性質(zhì)較為相似，刀具受土壤性質(zhì)變化影響小，且仿真模型土壤性質(zhì)參數(shù)與實(shí)際土壤性質(zhì)參數(shù)的差異不大，因此預(yù)測(cè)值與真實(shí)值擬合程度較好。

圖4 耕作牽引力曲線(xiàn)Fig. 4 Tillage traction force curve

旋耕機(jī)的牽引力驗(yàn)證結(jié)果如圖4B所示，在同一時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，仿真結(jié)果與實(shí)際信號(hào)同樣呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，波動(dòng)原因是工作過(guò)程中旋耕刀入土數(shù)量和入土深度呈周期性波動(dòng)且旋耕機(jī)耕作過(guò)程中自身抖動(dòng)較大。對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理后，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，波動(dòng)周期大小相似但存在一定差異，差異存在原因可能是實(shí)際耕作時(shí)刀具轉(zhuǎn)速難以精確控制。由平滑曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，旋耕機(jī)實(shí)際受力略大于仿真受力，這可能是由于實(shí)際工作中旋耕機(jī)存在摩擦力產(chǎn)生的機(jī)械損耗[19]。

綜合上述2 種模型的驗(yàn)證結(jié)果，認(rèn)為該仿真模型具有一定的準(zhǔn)確性，可以用于耕作過(guò)程的模擬分析。

2.3 混肥效果優(yōu)化分析

模型方差結(jié)果如表6所示，響應(yīng)曲面如圖5所示。粉壟耕作模型顯著性檢驗(yàn)P=0.000 3，決定系數(shù)R2=0.91，失擬項(xiàng)P=0.092 1，回歸模型極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，擬合程度較高。由表6 可知，對(duì)均勻性的影響，A2、B2、C2極顯著，顯著性順序?yàn)锳2>C2>B2。試驗(yàn)因素與均勻性之間存在二次非線(xiàn)性關(guān)系，得到粉壟耕作（CF）的回歸模型如下。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)差響應(yīng)曲面Fig. 5 Response surface on standard deviation

表6 模型方差分析Table 6 Model analysis of variance

旋耕耕作模型顯著性檢驗(yàn)P=0.000 5，決定系數(shù)R2=0.93，失擬項(xiàng)P=0.063 9，回歸模型顯著，失擬項(xiàng)不顯著，擬合程度較高。由表6 數(shù)據(jù)可知，對(duì)均勻性的影響，B、A2、B2極顯著，AB顯著，顯著性順序?yàn)锳2>B2>B>AB。試驗(yàn)因素與均勻性之間存在二次非線(xiàn)性關(guān)系，得到旋耕耕作（CX）的回歸模型如下。

結(jié)合所得回歸模型，以獲得最小變異系數(shù)為目標(biāo)，優(yōu)化方程求解得到最優(yōu)混肥效果下的工作參數(shù)為，粉壟轉(zhuǎn)速308 r·min-1，前進(jìn)速度0.28 m·s-1，傾斜角度1.7°；旋耕轉(zhuǎn)速420 r·min-1，前進(jìn)速度0.25 m·s-1。根據(jù)該組參數(shù)，設(shè)計(jì)田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.4 混肥效果田間驗(yàn)證結(jié)果分析

由EDEM 后處理模塊分析化肥顆粒分布情況。分層建立土壤化肥顆粒取樣的取樣溝模型，統(tǒng)計(jì)每層統(tǒng)計(jì)模型中化肥顆粒的數(shù)量，最后按數(shù)量計(jì)算化肥顆粒在每層土層中的數(shù)量占比。仿真模型如圖6所示，最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。

圖6 仿真結(jié)果Fig. 6 Simulation results

表7 化肥顆粒分布仿真和驗(yàn)證結(jié)果Tab. 7 Simulation and verification results of fertilizer particle distribution

從表7 可以看出，在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面，旋耕后的化肥分布預(yù)測(cè)在0—10 和20—30 cm 土層較精準(zhǔn)，預(yù)測(cè)誤差分別為4.47%和4.18%，而10—20 cm土層的預(yù)測(cè)誤差為8.65%。旋耕耕作方式下的化肥分布總體呈由上而下逐漸減少趨勢(shì)，20—30 cm土層化肥顆粒數(shù)量占比較少。對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，原因可能是仿真過(guò)程中旋耕耕作不能到達(dá)20 cm 以下土層深度，但存在少量化肥顆粒沿耕作產(chǎn)生的空隙滑落至耕作區(qū)底部；實(shí)際取樣過(guò)程中，耕作機(jī)具耕深不穩(wěn)定，時(shí)常大于設(shè)定耕深，因此實(shí)際取樣的顆粒數(shù)占比比仿真更高，從而導(dǎo)致顆粒數(shù)量波動(dòng)較大。粉壟耕作過(guò)程的預(yù)測(cè)結(jié)果在10—20和20—30 cm土層較為精準(zhǔn)，分別為2.32%和0.59%，但0—10 和30—40 cm 土層誤差較大，分別為8.03%和6.31%?；暑w粒分布在數(shù)量上大體呈現(xiàn)由上到下逐層減少的規(guī)律。對(duì)出現(xiàn)的較大誤差進(jìn)行分析，0—10 cm 土層范圍內(nèi)實(shí)際測(cè)得數(shù)量小于仿真數(shù)量，原因可能是該土層內(nèi)化肥顆粒數(shù)量較多，田間取樣時(shí)，少量顆粒滑落至10—20 cm 土層，而10—20 cm 土層實(shí)際取樣所得顆粒數(shù)大于仿真顆粒數(shù)也印證了這一點(diǎn)。30—40 cm土層誤差較大原因可能為，一方面，深層土層內(nèi)，化肥顆粒數(shù)量較少，取樣時(shí)數(shù)量很少的幾粒化肥顆粒數(shù)量波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致較大誤差的產(chǎn)生；另一方面，同樣存在耕深不穩(wěn)定現(xiàn)象導(dǎo)致實(shí)際取樣中30—40 cm土層化肥顆粒數(shù)量占比更高。

綜合表7 數(shù)據(jù)，混肥效果仿真預(yù)測(cè)值和測(cè)量值最大誤差為8.65%，最小誤差為0.59%，且仿真與實(shí)際測(cè)得的化肥顆粒分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律，理論分析與實(shí)際結(jié)果非常接近，說(shuō)明該預(yù)測(cè)模型具有可靠性。

3 討論

相較于粉壟耕作方式，旋耕在耕層內(nèi)能夠近似實(shí)現(xiàn)化肥的均勻分布，適用于根系淺、根數(shù)量多的須根系作物如水稻、小麥、蔥等。粉壟耕作的影響區(qū)域較大，在每個(gè)鉆削部件的工作直徑范圍內(nèi)都產(chǎn)生影響，其土壤運(yùn)動(dòng)范圍在深度上較大，因此便于實(shí)現(xiàn)地表撒肥深施。粉壟耕作下耕層內(nèi)的化肥數(shù)量近似倒三角分布，相較于其他耕作方式，能夠?qū)崿F(xiàn)不同土壤深度下分布不同化肥顆粒量，更加貼合部分根系較深作物的生長(zhǎng)過(guò)程，如茄子、青花菜、蘿卜等。因此，結(jié)合不同作物的生長(zhǎng)習(xí)性和種植農(nóng)藝，利用預(yù)測(cè)模型對(duì)特定耕作條件下的化肥分布進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果選取最優(yōu)的耕作方式，可以提高農(nóng)業(yè)施肥效率，改善施肥效果。

目前已有研究利用離散元方法對(duì)耕作機(jī)具進(jìn)行仿真優(yōu)化，陳新予等[32]應(yīng)用EDEM 軟件對(duì)旋耕機(jī)拋土效果進(jìn)行了驗(yàn)證；鮑洋清[33]研制了新型仿生深松鏟，基于EDEM 軟件探究了深松鏟的減阻作用和土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；高亮[34]建立了耕刀切割土壤的離散元模型，并對(duì)耕刀形狀進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步探究了耕刀形狀與功耗間的關(guān)系。現(xiàn)有研究多從減小耕作阻力和降低能耗角度出發(fā)，模擬耕作機(jī)具與土壤間相互作用，優(yōu)化工作部件設(shè)計(jì)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，鮮有從化肥混合效果角度出發(fā)，對(duì)機(jī)具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的研究。

本文使用離散元法模擬了粉壟機(jī)具和旋耕機(jī)具對(duì)地表撒施化肥顆粒的混合過(guò)程和耕作過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算獲得最優(yōu)混肥效果下的工作參數(shù)。對(duì)比田間試驗(yàn)結(jié)果和仿真試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)每層化肥顆粒占比的仿真預(yù)測(cè)值和測(cè)量值最大誤差為8.65%，最小誤差為0.59%，證明了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，不同耕作機(jī)具作用下的化肥顆?？臻g分布大不相同。

綜上所述，一方面，本研究結(jié)果在旋耕機(jī)具設(shè)計(jì)時(shí)可以以化肥顆粒在耕層內(nèi)混合更均勻?yàn)槟繕?biāo)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，在粉壟機(jī)具設(shè)計(jì)時(shí)可以以自下而上，由少到多、等差分布為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，或結(jié)合作物根系分布范圍，以化肥分布與根系分布相匹配為目標(biāo)，對(duì)刀具長(zhǎng)度、螺旋葉片寬度等進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，在機(jī)具應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)重新標(biāo)定、設(shè)置不同的仿真參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同土壤條件下的工況模擬，通過(guò)虛擬試驗(yàn)方法，以達(dá)到所需的化肥混合效果為目的，對(duì)機(jī)具工作時(shí)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高作業(yè)質(zhì)量，從改善化肥顆?？臻g分布角度出發(fā)，對(duì)旋耕、粉壟等耕作機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出新的要求。