表層土壤翻埋深度及分布與預(yù)測(cè)分析

摘要：【目的】研究影響犁體曲面表層土翻埋深度的主要因素，建立表層土翻埋預(yù)測(cè)模型，為提高耕作質(zhì)量以及為犁體曲面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。【方法】采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，基于離散元仿真分析犁體推土角、跡線側(cè)移量、翻土角及翻土曲線等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耕翻后表層土壤分布的影響。利用非線性回歸分析方法，建立耕翻后表層土壤分布預(yù)測(cè)模型并驗(yàn)證?！窘Y(jié)果】翻土曲線頂部切線傾角在犁胸處變化的斜率對(duì)耕翻后表層土壤分布的影響均顯著（ Plt;0.05 ），跡線側(cè)移量對(duì)地表上及地表下 100～200mm 土層內(nèi)表層土含量的影響顯著（ P lt;0.05 ），翻土曲線頂部切線傾角在犁胸變化的斜率對(duì)地表下土層內(nèi)表層土含量的影響大于跡線側(cè)移量?！窘Y(jié)論】隨著翻土曲線頂部切線傾角在犁胸處變化的斜率的增加，地表以上土層內(nèi)表層土含量逐漸增大;隨著跡線側(cè)移量的增加，地表以上土層內(nèi)表層土含量呈先減小后增大的趨勢(shì)。耕翻后表層土分布預(yù)測(cè)模型可預(yù)測(cè)犁體曲面不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下耕翻后各土層內(nèi)表層土含量，預(yù)測(cè)值與模擬值平均誤差小于 6% 。

中圖分類號(hào)：S222.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-4330（2025）04-0962-13

0 引言

【研究意義】農(nóng)田土壤質(zhì)量是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素，犁耕作業(yè)可對(duì)土層之間進(jìn)行置換達(dá)到改良土質(zhì)的作用，作業(yè)過程主要依靠犁體曲面的翻垡來實(shí)現(xiàn)[1-4]，將農(nóng)田中表層土壤，包括雜草、殘茬和肥料等翻埋到犁溝底，并將深層的土壤疏松并翻至上層，使耕翻后表層土壤更適合植物生長，從而提高耕作質(zhì)量?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】犁耕是一個(gè)復(fù)雜的土壤與耕作工具互作過程，通過試驗(yàn)研究方法較難觀測(cè)和獲取犁耕過程中的土垡運(yùn)動(dòng)軌跡。隨著數(shù)值模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用，離散元仿真分析廣泛應(yīng)用于土壤動(dòng)力學(xué)研究，能較好地反映土壤與耕作工具的互作關(guān)系。Ucgul等[5-6]建立離散元模型，分析耕速對(duì)表層土壤翻埋在土壤剖面中深度方向位置及前進(jìn)方向和橫向位置的影響。Nejadian等分析犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)表層土翻埋和犁耕阻力的影響，使用響應(yīng)面法對(duì)犁體曲面進(jìn)行優(yōu)化。Bulgakov等[8]對(duì)犁體曲面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，探究犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)阻力的影響，通過增大導(dǎo)曲線兩端切線夾角來減小阻力分量引起的摩擦力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化犁體曲面。Tarverdyan等建立犁壁曲面方程，分析土壤與曲面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，得到犁耕運(yùn)動(dòng)時(shí)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。Ahmadi等[1使用excel建立以土壤性質(zhì)、犁體工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量，耕作阻力為因變量的數(shù)學(xué)模型，模型誤差小于 8% ，具有合理的準(zhǔn)確性。Mattetti等[11]探究犁耕阻力隨速度的變化趨勢(shì)，有助于優(yōu)化犁的幾何形狀，限制最大壓力，提高效率。劉進(jìn)寶等1建立了以犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)和土壤物理特性的耕作阻力模型，為犁體減阻設(shè)計(jì)提供方向。魏國梁等[13-15]為提高表層土翻埋，提出了基于土垡先抬、后扣的側(cè)邊翻埋工藝方案，基于扣堡方式確定犁體曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)，為設(shè)計(jì)犁體曲面提供依據(jù)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤翻垡深度過淺容易造成殘茬覆蓋率低，土攘翻垡深度過深會(huì)導(dǎo)致犁耕阻力變大，土壤側(cè)向翻垡距離過長或過短都會(huì)影響耕地質(zhì)量，易出現(xiàn)溝和壟的現(xiàn)象，需要通過其他工序平整土地，降低生產(chǎn)效率。以往研究更多是圍繞犁體工作參數(shù)對(duì)表層土翻埋影響和耕作工具的優(yōu)化來進(jìn)行的。但目前，關(guān)于犁體曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)與表層土翻埋的數(shù)學(xué)關(guān)系建立的研究較少，需研究犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耕翻后表層土分布的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以耕翻后各土層內(nèi)表層土含量為指標(biāo)，在多因素綜合影響研究的基礎(chǔ)之上，分析犁體曲面不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耕翻后表層土分布的影響，采用非線性回歸法建立耕翻后表層土分布預(yù)測(cè)模型，為犁體曲面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

材料與方法

1.1 材料

1.1. 1 犁體結(jié)構(gòu)

我國西北地區(qū)多用柵條犁，目前高速犁的耕速為 8～10km/h 。當(dāng)拖拉機(jī)以 10km/h 的速度進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)的作業(yè)效果更佳且燃油經(jīng)濟(jì)效益高，因此犁體參數(shù)選取耕深為 300mm ，耕寬為 450mm ，機(jī)具前進(jìn)速度為 10km/h 。

犁體主要由犁鏵、犁壁、犁托、犁柱和犁側(cè)板等組成。犁鏵和犁壁組成犁體曲面，其中犁鏵由犁鏟和犁鏟尖組成，犁壁由犁胸和犁翼組成，前半部分為犁胸（連續(xù)翻土和碎土的作用），后半部分為犁翼（起保證翻堡質(zhì)量的作用）。犁側(cè)板的作用是平緩?fù)寥缹?duì)犁體曲面的側(cè)壓力及防止溝墻坍塌，提高犁耕作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。圖1

注：1-犁鏵，2-沉頭螺栓，3-犁壁，4-犁托，5-犁側(cè)板Notes：1-Plough share，2-Countersunk headbolts，3-Plough moldboard，4-Ploughsupport，5-Ploughsideplates

圖1 型體結(jié)構(gòu)

犁體曲面的首要任務(wù)是完成土垡的翻轉(zhuǎn)，土垡的翻轉(zhuǎn)通過曲面幾何形狀來完成，主要取決于翻土曲線的變化規(guī)律[16-17]。溝底跡線由AB和BC兩部分組成，鏟尖部分翻土曲線沿溝底移動(dòng)的跡線由推土角決定，推土角可根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[18]選取合適的數(shù)值，可得推土角0為 40^°～ （204號(hào)45^° 。自鏟翼之后部分翻土曲線沿溝底移動(dòng)的跡線BC由跡線側(cè)移量 j 決定，跡線側(cè)移量越小，犁體翻土性能越好，跡線側(cè)移量越大，犁體碎土性能越好，跡線側(cè)移量 j_max= 耕寬－耕深，即跡線側(cè)移量 j 的范圍為 0～150 。

翻土角 β₀ 在犁胸處變化呈遞增的趨勢(shì)，使得土垡經(jīng)犁胸破碎之前翻轉(zhuǎn)，提高土垡翻垡效果，在犁翼處遞增的趨勢(shì)較為平緩，設(shè)犁胸與犁翼連接位置的翻土曲線為s，則曲線s處的翻土角為 ，取 β_s0 為 45^° 。犁翼尾端的 β_0max 值越大，翻垡效果越好，但相應(yīng)犁體長度增加，導(dǎo)致耕作阻力增加。當(dāng)耕速較大時(shí)，避免立垡，保證土垡扣過去不回垡，犁翼端點(diǎn)處翻土曲線角度 β_0max 為 105^°～110^° 。圖2

翻土曲線頂點(diǎn)處切角 β₂ 對(duì)扣垡的效果有影響， β₂～β₀ 和 β₀～β_β1 反映了翻土曲線的彎曲程度及曲線的具體形狀， β₂～β₀ 和 β₀～β₁ 在犁壁處變化均呈先增加后減小的趨勢(shì)。 β₂～β₀ 增大，翻土曲線頂部曲率增大，碎土效果增加，避免過大的耕作阻力，一般 β₂～β₀ 是通過曲率變化增大， β₀～ β₁ 增大，有利于土垡翻轉(zhuǎn)，提高翻垡質(zhì)量，由于 β₀ ～β₁ 只對(duì)翻土曲線下部分曲率有影響，所以在犁翼部分的作用不大。因?yàn)榉燎€在底部的切線傾角 β_1max?β_0max ；翻土曲線在頂部的切線傾角β_0max?β_2max 且 β₂～β₀gt;β₀～β₁ ，即 β_1max?105^° ：β_2max?115^° ，翻土曲線s處的曲率值最大。又因β_s2～β_s0=bδ/acosθ（360/2π）=35^° ，其中δ為土壤抗壓強(qiáng)度，得到 β_S2=80^° ，根據(jù) β₂～β₀gt;β₀ ）β₁ ，得出 β_s1?10^° 。因此選定翻土曲線角度 β₀ 、β₁?β₂ 分別在犁胸和犁翼變化的斜率 、k₁₂，k₂₁ 和 k₂₂ 的參數(shù)就能確定所需的犁體曲面。

1. 1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2023年10月在石河子市石河子總場(chǎng)（簡(jiǎn)稱石總場(chǎng)）試驗(yàn)地 （85^°98^′65^′′E，44^°38^′42^′′N） 開展，日平均氣溫為 10.4^°C ，試驗(yàn)田土壤質(zhì)地采用BT-2001 型激光粒度分布儀（濕法），測(cè)試樣本粒徑，其中土壤中砂粒占比為 15.74% ，粗粉粒占比為49.87% ，細(xì)黏粒占比為 13.68% ，并根據(jù)中國土壤質(zhì)地得到[18]，試驗(yàn)選用土壤為粉土。表1

在石總場(chǎng)隨機(jī)選取5點(diǎn)采用SC-900堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)定土壤堅(jiān)實(shí)度，并使用環(huán)刀分別對(duì)5個(gè)點(diǎn)采集土樣，根據(jù)稱量的環(huán)刀內(nèi)土壤質(zhì)量和環(huán)刀體積確定土壤的密度。5次測(cè)量取平均值，土壤的堅(jiān)實(shí)度和密度分別為1755.9 Kpa 和 1482kg/m³ 。圖4

1. 1.3 離散元仿真試驗(yàn)

為模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立一個(gè)尺寸為 5000mm ×500mm×2000mm 的土槽，在模擬中使用隨機(jī)

表1 中國土壤質(zhì)地分類

生成的 3～5mm 直徑的球形粒子代表土壤顆粒填充土槽。使用Solidworks制圖軟件建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的犁體模型并導(dǎo)人EDEM，生成顆粒之后，將犁體模型放置于土槽的一端，設(shè)定耕深300mm ，耕寬 450mm ，前進(jìn)速度 10km/h 。在田間耕作條件下，土壤會(huì)移動(dòng)到前一鏵犁耕好的犁溝中，因此，采用雙犁鏵形式土槽仿真試驗(yàn)，并選用后鏵耕作數(shù)據(jù)。粉土的顆粒主要以粉粒為主，具有一定黏性，容易發(fā)生顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，因此采用Hertz-MindlinwithJKR接觸模型來模擬土壤-土壤和土壤－犁體之間接觸特性。在田間耕作條件下，土壤會(huì)移動(dòng)到前一鏵犁耕好的犁溝中，離散元參數(shù)通過測(cè)量和查閱相關(guān)文獻(xiàn)[18-23]。表2

1.1.4 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地選在石河子市石總場(chǎng)，土壤質(zhì)地為粉土砂粒 13.24% ，粗粉粒 54.09% ，細(xì)黏粒11.94% ），容重為 1.508g/cm³ ，前茬作物為棉花。試驗(yàn)在 300mm 的耕作深度 ，450mm 的耕作寬度和 10km/h 的耕作速度下進(jìn)行，使用約翰迪爾7M-2204 的拖拉機(jī)裝配液壓翻轉(zhuǎn)4鏵柵條犁。采用磁性示蹤劑法測(cè)定表層土翻埋含量，采用200目的鐵礦粉作為磁性示蹤劑，使用 sm30 磁化率儀測(cè)量土壤磁化率。圖5

1.2 方法

1. 2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以跡線側(cè)移量 j 、推土角0、翻土角在犁胸處變化的斜率 k₀₁ 、翻土角在犁翼處變化的斜率 k₀₂ 、翻土曲線底部切線傾角犁胸變化的斜率 k₁₁ 、翻土曲線底部切線傾角犁翼處變化的斜率 k₁₂ 、翻土曲線頂部切線傾角在犁胸處變化的斜率 k₂₁ 及翻土曲線頂部切線傾角犁翼處變化的斜率 k₂₂ 為影響因素，耕翻后深度方向表層土含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)。設(shè)計(jì)pearson相關(guān)性試驗(yàn)，篩選與耕翻后表層土壤含量相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，每種因素選取3個(gè)水平。表3

表3 因素水平

1.2.2 離散元試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將耕翻后的土壤在深度方向分為4個(gè)區(qū)域土層，為地表以上的土層 ΔT₁ 、地表下 0～100mm 的土層 T₂ 、地表下 100～200mm 的土層 T₃ 和地表下 200～300mm 的土層 ΔT₄ 。截取土垡中部150mm厚的土堡切片，使用離散元后處理步驟對(duì)切片土堡中地表 0～100mm 區(qū)域的土壤標(biāo)定，耕作結(jié)束后將標(biāo)定的土壤深度方向的坐標(biāo)導(dǎo)出，計(jì)算耕翻后表層土壤在深度方向的分布含量。圖6

1.2.3 犁體測(cè)繪

將田間試驗(yàn)所需要的犁體旋轉(zhuǎn)一定角度，使犁體曲面在垂直方向無重疊部分，將JPC-2耕層斷面測(cè)繪儀置于犁體上方，以每次 50mm 的距離向后移動(dòng)，使用斷面儀掃描犁體曲面在前進(jìn)方向的剖線（犁體曲面的翻土曲線），分析測(cè)量結(jié)果，并對(duì)底面跡線和曲面翻土角、翻土曲線傾角作線性擬合，田間試驗(yàn)犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)跡線側(cè)移量 j 為

150，推土角0為 45^° ，翻土角在犁胸處變化的斜率 k₀₁ 為0.09，翻土角在犁翼處變化的斜率 k₀₂ 0.118，翻土曲線底部切線傾角在犁胸變化的斜率k₁₁ 為-0.018翻土曲線底部切線傾角在犁翼處變化的斜率 k₁₂ 為0.164，翻土曲線頂部切線傾角在犁胸處變化的斜率 k₂₁ 為0.214，翻土曲線頂部切線傾角在犁翼處變化的斜率 k₂₂ 為0.073。圖7＼～8

1.2.4 示蹤劑濃度試驗(yàn)

在試驗(yàn)場(chǎng)地取7份土樣重量均為 1kg ，分別加人磁性示蹤劑 0.50，100，150，200，250 和 300g 作為示蹤劑樣品并充分混合，示蹤劑濃度在 0～300 g/kg ，土壤磁化率與示蹤劑濃度呈線性關(guān)系，線性回歸方程為 y=0.37x+1.125 ，擬合度 R² 為0.993。

式中， y 為土壤磁化率（10-3SI）； x 為示蹤劑濃度 。在 1kg 土樣混入 250g 示蹤劑時(shí)誤差最小為 1.5% ，研究示蹤劑與土樣比值選用

1：4。表4

1.2.5 田間試驗(yàn)示蹤

采用磁性示蹤劑法測(cè)定表層土翻埋含量，采用200目的鐵礦粉作為磁性示蹤劑，在最后一鏵犁的路徑上布設(shè)長寬深為 150mm×450mm×100 mm的示蹤小區(qū)，挖出示蹤小區(qū)的土壤至于塑料布上進(jìn)行破碎，破碎土壤直徑小于 5mm ，并采用磁化率儀多次測(cè)定初始磁化率。將土壤重量25% 的鈦鐵礦粉混入土壤混合均勻，使混合后的土壤磁性強(qiáng)度為土壤磁性本地值的 20～30 倍，多次測(cè)定混合土壤的磁強(qiáng)，若測(cè)定的值波動(dòng)較大，則重新混合，直至測(cè)定數(shù)值基本一致保證土壤和磁鐵粉混合均勻，測(cè)定后將混合磁鐵粉的土壤填回至示蹤小區(qū)中。將 1m×1m 的塑料膜上按照磁化率儀后面接受信息面積 50mm×50mm 劃分400個(gè)網(wǎng)格，塑料膜頂點(diǎn)與原點(diǎn)重合，使用磁化率儀在各層測(cè)量，直至測(cè)量值與初始土壤磁性一致為止。記錄數(shù)據(jù)并將磁化率計(jì)算為示蹤劑濃度，得到深度方向上各層內(nèi)表層土的含量。圖 9～10

犁耕后表層土含量仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在T₁、T₂、T₃ 和 T₄ 的誤差均在 10% 以內(nèi)，且最大誤差為 9.01% ，建立離散元模型可用于犁耕土壤運(yùn)動(dòng)過程模擬。表5

2 結(jié)果與分析

2.1 Pearson相關(guān)性分析

研究表明，翻土曲線底部切線傾角犁胸變化的斜率 k₁₁ 與 ΔT₁ 和 T₃ 層內(nèi)表層土含量顯著相關(guān)（ ∣r∣gt;0.5） ，翻土曲線頂部切線傾角犁翼處變化的斜率 k₂₂ 與 T₄ 層內(nèi)表層土含量顯著相關(guān)（ ∣r∣gt; 0.5），跡線側(cè)移量 j 與 T₁，T₃ 和 ΔT₄ 層內(nèi)表層土含量相關(guān)（ ∣r∣gt;0.3; ，推土角和翻土曲線頂部切線傾角在犁胸處變化的斜率 k₂₁ 與 T₄ 層內(nèi)表層土含量相關(guān)（ 和 k₂₂ 是影響表層土壤翻埋深度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖11

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

研究表明，表層土在耕翻后大部分在 T₂ 層，T₄ 層的表層土含量最少，是由于犁鏵在進(jìn)人土壤時(shí)，下層土壤被抬升，中層和表層土壤在下層擠壓下也被抬升，下層靠近鏟翼部分的土壤從鏟翼的邊界露出留在溝底，其余隨犁體運(yùn)動(dòng)側(cè)向翻轉(zhuǎn)，所

確定犁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì) ΔT₁ 層 ?T₂ 層 ?T₃ 層和 T₄ 層內(nèi)表層土含量的影響程度的相對(duì)大小。 ΔT₁ 層內(nèi)表層土的含量，跡線側(cè)移量 j 的極差值均為最大值，犁體翻土曲線在底部的切線傾角在犁鏟至犁胸變化的斜率 k₁₁ 的極差值次之，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)極差值相近，跡線側(cè)移量 j 對(duì)表層土含量的影響最大，犁體翻土曲線在底部的切線傾角在犁鏟至犁胸變化的斜率 k₁₁ 對(duì)表層土含量的影響次之，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)表層土含量的影響最小，各因素間對(duì) T₁ 層內(nèi)表層土含量的主次順序?yàn)椋痕E線側(cè)移量jgt; 犁體翻土曲線在底部的切線傾角在犁鏟至犁胸變化的斜率 k₁₁gt; 其余結(jié)構(gòu)參數(shù)。除 T₁ 層外其他層內(nèi)表層土的含量，犁體翻土曲線在底部的切線傾角在犁鏟至犁胸變化的斜率 k₁₁ 的極差值均為最大值，跡線側(cè)移量 j 的極差值次之，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)極差值相近，犁體翻土曲線在底部的切線傾角在犁鏟至犁胸變化的斜率 k₁₁ 對(duì)表層土含量的影響最大，跡線側(cè)移量 j 對(duì)表層土含量的影響次之，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)表層土含量的影響最小，各因素間對(duì) T₂ 層 ??T₃ 層和 ΔT₄ 層內(nèi)表層土含量的主次順序?yàn)槔珞w翻土曲線在底部的切線傾角在犁鏟至犁胸變化的斜率 k₁₁gt; 跡線側(cè)移量 jgt; 其余結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖12

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

研究表明 ，j 對(duì) T₁ 層和 T₃ 層內(nèi)表層土含量的影響表現(xiàn)為高顯著性， k₁₁ 對(duì) ΔT₁ 層、 T₂ 層、 T₃ 層和ΔT₄ 層內(nèi)表層土含量的影響表現(xiàn)為高顯著性，其余因素的影響均不顯著，在后續(xù)預(yù)測(cè)模型建立中將不考慮其對(duì)表層土含量的影響。綜合方差分析可以得到 ΔT₁ 層內(nèi)表層土含量影響因素及其主次順序?yàn)?jgt;k₁₁ T₃ 層內(nèi)表層土含量影響因素及其主次順序?yàn)?k₁₁gt;j ，因素間的主次順序與極差分析結(jié)果一致。表7

2.3 建立耕翻后表層土分布預(yù)測(cè)模型

研究表明，27組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)人SPSS建立非線性回歸模型，得到 T₁ 層 ?T₂ 層、 T₃ 層和 ΔT₄

層內(nèi)表層土含量非線性回歸預(yù)測(cè)模型如下：

T₁=2×10^-5j²-2.97×10^-3j+3.46×k₁₁+ 0.23.

T₂=1453.08k₁₁²+58.48k₁₁+1.02.

T₃=-2×10^-5j²+2.7×10^-3j-872.22k₁₁²- 38.75k₁₁-0.11

T₄=-405.92k₁₁²-17.26k₁₁-0.101.

式中， T₁，T₂ 和 T₄ 的非線性方程擬合判定系 數(shù) R² 均大于 0.8，T₃ 的非線性方程擬合判定系數(shù) R² 大于0.75，擬合度較高，擬合數(shù)學(xué)模型較為準(zhǔn) 確。表8

表7 正交試驗(yàn)方差

通過上述建立的4個(gè)預(yù)測(cè)模型計(jì)算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下土層內(nèi)表層土含量的預(yù)測(cè)值，將離散元分析得到的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)與通過回歸模型求出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，回歸模型預(yù)測(cè)值與仿真模擬值趨勢(shì)變化一致，且 T₁ 層 ?T₂ 層 ?T₃ 層和 T₄ 層內(nèi)表層土含量預(yù)測(cè)誤差不超過 15% ，平均誤差不超過 6% ，建立的非線性回歸模型可以有效預(yù)測(cè) T₁ 層 ?T₂ 層 ?T₃ 層和 ΔT₄ 層內(nèi)表層土含量，模型預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。圖13

2.4 耕翻后表層土分布預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

研究表明，回歸模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)變化一致，表層土含量預(yù)測(cè)誤差不超過 10% ，平均誤差不超過 6% ，誤差較小，預(yù)測(cè)模型較準(zhǔn)確，可作為后續(xù)研究犁體參數(shù)對(duì)表層土翻埋影響的模型。圖14

表8 單因素?cái)M合關(guān)系式

3.1根據(jù)單因素模擬結(jié)果，在耕深 300mm 耕速10km/h 的作業(yè)條件下，表層土含量隨地表深度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，且地表下 200～ 300mm 的土層 T₄ 內(nèi)表層土含量 lt; 地表以上的土層 T₁ 內(nèi)表層土含量 lt; 地表下 100～200mm 的土層 T₃ 內(nèi)表層土含量 lt; 地表下 0～100mm 的土層T₂ 內(nèi)表層土含量。配備小前犁在相同作業(yè)條件下，表層土含量隨地表深度的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，且地表以上的土層 T₁ 內(nèi)表層土含量 lt; 地表下 200～300mm 的土層 ΔT₄ 內(nèi)表層土含量 ∠? 地表下 0～100mm 的土層 T₂ 內(nèi)表層土含量 lt; 地表下 100＼～200 mm 的土層 T 內(nèi)表層土含量[5-6]小前犁可以提高表層土翻埋效果，因此無小前犁

作業(yè)后表層土在地表以上的土層 ΔT₁ 及地表下0～100mm 的土層 T₂ 內(nèi)含量與配備小前犁作業(yè)相比要多。與試驗(yàn)研究相比，表層土含量隨地表深度的變化趨勢(shì)一致。

3.2磁性示蹤劑方法多用于土壤侵蝕領(lǐng)域的研究[24]，利用示蹤劑磁化率與土壤磁化率之間的差距來反映坡面土壤的運(yùn)移規(guī)律[25-27]。研究將示蹤劑用于追蹤犁耕運(yùn)動(dòng)下土壤的翻埋深度，并以磁化率為自變量，示蹤劑濃度為因變量建立模型，模型擬合度 R² 為0.993，該模型對(duì)示蹤劑濃度的計(jì)算準(zhǔn)確度達(dá) 99.3% ，可以通過示蹤劑反映土壤含量的變化。

4結(jié)論

4.1通過離散元模擬方法研究發(fā)現(xiàn)跡線側(cè)移量對(duì)地表以上土層內(nèi)表層土的含量影響最大，翻土曲線底部切線傾角在犁胸處變化的斜率影響次之，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)影響不顯著；翻土曲線底部切線傾角在犁胸處變化的斜率對(duì)地表以下土層內(nèi)表層土的含量影響最大，跡線側(cè)移量對(duì)影響次之，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)影響不顯著；翻土曲線底部切線傾角在犁胸處變化的斜率對(duì)表層土含量的影響最大，跡線側(cè)移量對(duì)地表下 100～200mm 土層內(nèi)表層土含量的影響次之，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)表層土含量的影響最小。

4.2通過 SPSS 建立表層土含量的非線性回歸模型的擬合度較好，模型決定系數(shù)大于0.8，模擬值與預(yù)測(cè)值及測(cè)量值之間趨勢(shì)變化一致，誤差范圍小于 10% ，回歸預(yù)測(cè)模型對(duì)表層土含量預(yù)測(cè)有效。

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Abstract：【Objective】 It is important to study the main factors affecting the depth of overtopping on the surface of the plough body，so this project aims to establish a prediction model for overtopping，in order to improve the quality of ploughing and to provide a theoretical basis for the design of the surfaceof the plough body.【Methods】 The orthogonal experimental design method was used to analyse the effects of structural parameters such as plough body push angle，trace lateral displacement，soil turning angleand soil turning curve on the distribution of top soil after ploughing and tiling based on discrete element simulation.A prediction model of top soil distribution after ploughing was established and validated using nonlinear regresion analysis. 【Results】Theeffect of the slopeof thechange in tangent inclinationof the topof the tillage curve at the plough breast on the distribution of topsoil after ploughing was significant （ Plt;0.05 ）in both cases，and the effect of the amount of trajectory lateral shift on the content of topsoil within the 100-200 mm soil layer above and below the surface was significant（ Plt;0.05 ），and the effect of the slope of the change in tangent inclination of the topof the tilage curve at the plough breast on the content of topsoil within the subsoil layer below the surface was greater than the amount of trajectory lateral shift.【Conclusion】With the increase of the slope of thetangent inclination of the top of the tilling curve in the plough breast change，the topsoil content within the soil layer above the surface gradually increases；with the increase of the lateral shiftof the trace，the topsoil content within the soil layer above the surface shows a tendency of decreasing first and then increasing. The prediction model of topsoil distribution after ploughing can predictthe topsoil content in each soil layer after ploughing under diffrent structural parameters of the plough body surface，and the average error between the predicted and simulated values is less than 6% ：

Key words：moldboard plow； discrete element method； plough body surface;soil displacement