多尺度建模与实验验证：茶树冠状根系-土壤复合体的离散元仿真分析

《Computers and Electronics in Agriculture》：Discrete element modeling and experimental validation of the multi-scale based coronal tea plant root-soil complex

为解决茶园机械化耕作中因茶树根系密集且粗壮导致的动力不足、阻力增大和效率低下等问题，研究人员开展了茶树根系-土壤复合体的高保真离散元建模研究。该工作基于3D扫描点云构建几何模型，采用并行粒子填充与无序排列策略，并通过标定与验证试验，成功建立了与真实条件高度一致的根系-土壤离散元模型，为揭示耕作机具-土壤-根系的互作机制提供了理论与方法支撑，对优化茶园管理装备设计具有重要意义。

　　

想象一下，在一片茂密的茶园中，一位农民正驾驶着旋耕机进行耕作。这本应是提高效率的现代化农业场景，却常常因为茶树庞大且盘根错节的根系而变得举步维艰。茶树作为多年生灌木，其根系不仅密集，而且粗壮（直径可达40毫米），形态极不规则。当耕作机具试图翻动土壤时，这些坚韧的根系会带来巨大的阻力，导致作业功率消耗大、阻力波动剧烈、作业效率低下，甚至损坏机具。传统的解决方案通常只能通过反复的田间试验来摸索，既耗时费力，又难以深入理解耕作工具、土壤和根系三者之间复杂的动态相互作用机理。因此，建立一个能够精确模拟根系与土壤结合体的数值模型，就成为了揭示这一“黑箱”内部力学奥秘、进而优化茶园机械化耕作的关键。

为了攻克这一难题，一项题为《多尺度建模与实验验证：茶树冠状根系-土壤复合体的离散元仿真分析》的研究发表在《Computers and Electronics in Agriculture》上。该研究旨在构建一个高保真度的茶树根系-土壤复合体离散元模型(Discrete Element Method, DEM)，以阐明根-土相互作用系统的内部运动学和动力学机制，为茶园机械耕作装备的设计与优化提供理论基础和方法支持。

研究人员综合运用了几项关键技术方法。首先，他们从安徽巢湖的茶园采集了“金山黄”茶树的代表性根系样本，利用便携式3D扫描仪获取了根系的高精度三维点云数据，并基于反求工程(Reverse Engineering)技术重构了其几何模型，确保了虚拟模型与实际粗根在形状、分布和尺寸上的一致性。其次，针对茶树根系直径多变、形态非线性强的特点，研究团队创造性地提出了基于并行粒子填充与无序排列的离散元建模策略，使用半径为0.8毫米的球形颗粒来填充几何模型，以解决潜在的力学畸变和避免颗粒重叠导致的模型失效。最后，模型的力学参数经过了严格的标定与验证过程。对于根系材料，通过恢复系数测量、休止角(Angle of Repose, AOR)试验、剪切与拉伸试验等一系列物理测试，结合Box-Behnken Design (BBD)实验设计，校准了颗粒间的粘接参数（如法向刚度、切向刚度、法向强度、剪切强度）和摩擦系数。对于土壤，则采用了爱丁堡弹塑性粘附模型(Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion, EEPA)，通过AOR试验和直接剪切试验，结合中心复合设计(Central Composite Design, CCD)标定了土壤的静摩擦系数、滚动摩擦系数、恢复系数和表面能等关键参数。

研究结果部分展示了这一系统性工作的产出与验证。

3.1. 根系材料接触参数结果：通过物理测量与模拟拟合，最终确定了根系与根系、根系与土壤之间详细的接触参数，为模型的精确性奠定了基础。

3.2. 粘接参数标定试验结果：基于物理剪切和拉伸试验测得的目标力（564 N和1327 N），利用BBD实验设计得到了粘接参数的最优组合，使模拟输出与实际测量高度吻合，决定系数R²均大于0.9。

3.3. 土壤参数标定试验的结果与分析：

3.3.1. 土壤AOR试验的结果与分析：通过CCD实验设计对土壤的EEPA模型参数进行标定，建立的二次回归模型拟合度（R²）高达0.97，获得了最优的参数组合。

3.3.2. 土壤直剪试验的结果与分析：使用标定后的参数进行直剪模拟，所得土壤的内摩擦角和粘聚力与物理试验结果的相对偏差均小于15%，验证了通过AOR试验标定土壤参数的可靠性。

3.4. 根-土复合模型验证试验的结果与分析：

3.4.1. 单根拔出试验与仿真的结果与分析：对不同直径级别的根系（R1：支撑根，直径>8 mm；R2：输导根，直径3-8 mm；R3：吸收根，直径2-3 mm）进行了实验室拔出试验与仿真。结果表明，模拟得到的拔出力-位移曲线与实验曲线趋势一致，拔出力均经历了快速上升、相对稳定和逐渐下降三个阶段。模拟中根内粘接单元的受力状态、土壤颗粒的扰动以及根土分离时的形态变化，均与物理实验观察到的现象高度吻合，最大拔出力误差在15%以内。

3.4.2. 全根系在土壤中的拔出仿真分析：对整个茶树根系模型进行的拔出仿真表明，其拔出力变化趋势与单根类似，但由于根系分支多、对土壤扰动更复杂，其峰值拔出力稳定性稍差。尽管如此，其与理论预测值的相对误差仍在15%以内，进一步确认了根-土接触模型的准确性。

3.5. 田间验证的结果与讨论：

3.5.1. 仿真与田间试验结果的一致性分析：将构建的根-土复合体模型应用于茶园开沟作业的仿真，并将仿真得到的旋耕机扭矩-时间曲线与田间实测结果对比。在根系切断阶段，两者趋势相似；在稳定作业阶段，对应时间点的扭矩值偏差小于25%，证明了该模型具备工程应用的可行性。

3.5.2. 茶树根系土壤压实效应的讨论：研究通过对比“纯土壤”、“单独根系”和“根-土复合体”三种场景下的开沟扭矩发现，在切断根系阶段，复合体所需扭矩显著高于纯土壤扭矩与单独切断根系扭矩之和。定量分析揭示，此阶段扭矩的62.3%来自土壤，22.5%来自切断根系，而另外15.2%则归因于根系对土壤的压实效应。这一发现首次在耕作仿真中量化了根系的压实作用，解释了为何含根土壤的机械阻力并非简单叠加。

在结论与讨论部分，该研究归纳出几个核心要点。首先，研究成功构建了基于真实形态的茶树根系高保真离散元柔性模型，并通过精密的参数标定流程，确保了模型在力学行为上的可靠性。其次，通过单根和全根系的拔出试验验证，证实了所建立的根-土复合体模型能够准确反映根系与土壤的真实相互作用，模拟力值与形态变化均与实验一致。最后，也是最关键的工程意义在于，研究首次将根系-土壤复合体模型应用于真实的茶园开沟作业仿真，其扭矩预测与田间实测具有良好的一致性，验证了模型的实用价值。尤为重要的是，研究通过控制变量法，初步量化了根系对周围土壤的压实效应在耕作阻力中的贡献（约15.2%），明确指出根系加固土壤的力学贡献不仅来自根系本身的强度，更来自其改变土壤结构产生的“1+1>2”的协同增强效应。这项工作不仅为研究茶园机械化耕作中的机器-土壤-根系复杂互作机制奠定了模型基础，也为构建其他类似大型木本植物不规则根-土耦合模型提供了可借鉴的方法，对设计低阻、高效的茶园耕作机具具有重要的理论指导意义。