板结性退化草地（羊草）土壤-根系复合体结构与耕作部件作用关系研究

The interaction between soil-root composited structure and tillage tools on degraded compacted grassland (Leymus-chinensis) will be studied in this project. The soil-root composited structure of grassland subsoil deteriorated degraded grassland for it strengthened soil compaction. A mechanical remediation method named soil-gashing and root-cutting was proved to be a useful method for improving degraded grassland(Leymus-chinensis),and soil-gashing indicated the hardened soil layer was slit by blades to increase soil permeability and root-cutting indicated L-chinensis roots were broken down to promote its reproduction or rejuvenation. But the suitable tools were hard to designed because of the shortage of prevenient theory on soil-root composite structure and soil-root-tool interaction, which also restricted the application development of the mechanical remediation for improving degraded grassland. The systematic theory study of soil-root composite structure, and soil-root-tools interaction will be done firstly to explore the formation mechanism of soil-root composite structure and to analyze its physical and mechanical characteristics and itsaffection on degraded grassland. And then, the failure process of soil-root composite structure under the action of tillage tools will be studied to develop soil-root-tool interaction model, this model would be used to analyze how the tillage tools effect the disturbance of soil-root composite structure . The force and movement of the tillage tools would be predicted by this model when these tools are working.

本项目将对退化草地亚表层土壤-根系复合体结构与耕作部件的作用关系开展系统研究。草地亚表层的土壤-根系复合体结构加剧了我国优质草地（羊草）大面积板结性退化的趋势，通过机械手段打破这种复合体结构，促进羊草自扩繁功能是改良板结性退化草地的有效途径。由于缺少理论支撑，适宜草地改良作业的土壤耕作部件在设计与优化中面临瓶颈，制约了机械手段改良草地技术的应用与发展。对土壤-根系复合体结构，以及这种土壤结构与耕作部件的相互作用关系开展系统研究，探求板结性退化草地（羊草）土壤-根系复合体结构的形成机理，分析其物理力学特征及对草地退化的影响，进而深入研究土壤-根系复合体结构在耕作部件作用下的失效状态，建立土壤-根系-耕作部件作用关系模型，分析耕作部件对土壤-根系复合体结构扰动程度的影响以及耕作部件的受力和运动情况，为草地改良机械和关键工作部件的设计与优化提供理论支撑，项目研究意义重大。

针对机械化改良板结性退化草地（羊草）相关理论研究不足等问题，围绕退化草地亚表层独特的土壤-根系复合体结构（简称“复合体”）与耕作部件的作用关系开展理论基础研究，并将成果应用于实际。. 开展了土壤-根系复合体结构的物理力学性状研究。发现根系在0-10cm的深度范围内横向穿插和纵向生长与周围土壤锚固形成复合体结构，加剧草地亚表层（0-20cm）板结；容重、含水率和含根量对复合体力学特性影响显著(p<0.05)且存在交互作用；含根量增加10mg/cm3可使复合体无侧限抗压强度增加14%以上，含水率提高可降低复合体的抗剪和抗压强度，当含水率＞20%时更容易打破复合体结构。开展了土壤耕作部件作用下的土壤-根系复合体结构失效特性研究。构建了土壤-根系复合体结构幂函数剪切失效模型，室内土槽和野外试验的拟合度分别超过95%和83%，分析了容重和含水率对模型参数的影响并依此发明了一种草地剪切力原位测试方法与装置；建立了极窄齿（厚度≤10mm)与复合体结构作用关系的有限元和离散元模型，发现了半月形应力场和速度场引起土壤失效的作用过程，提出了基于刀齿与复合体接触面四个力学分量分析失效阻力的方法和计算公式。开展了土壤-根系复合体结构与土壤耕作部件的作用关系研究。基于土壤机械动力学理论，发现了极窄刀齿接触面积与贯入阻力的非线性正相关规律，构建了极窄齿贯入阻力预测模型，模型预测值与野外试验值线性拟合度超过93%；基于理论研究结果优化了草地改良切根刀具刃口曲线，优化后的切根刀具比偏心圆弧式刀具比功耗降低14.8%；完成了板结性退化草地（羊草）开沟作业试验，与双翼形铲开沟器相比，带有刃口的三角形铲柄开沟器更适合于破除复合体结构，在10-15cm作业深度下牵引力降低9.09%，土层扰动截面面积降低84.2%，基于理论分析和试验结果提出了基于受力、扰动面积和沟形面积比阻为依据的耕作部件设计优化原则。. 研究内容形成了SCI/EI论文6篇，获授权发明专利2项，丰富了土壤-部件交互作用研究理论体系，为草地改良耕作部件设计优化提供了理论支撑。