基于离散元方法分析不同土壤压实程度下油菜胚根的穿透阻力

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Analysis of rapeseed embryo root penetration resistance under different soil compaction levels based on the discrete element method

　　土壤压实对油菜胚胎根穿透阻力及生长的影响研究。通过离散元法（DEM）模拟和探针渗透试验，发现压实度每增加44.2%，穿透阻力激增443%达11.68N，根生长速率下降56.1%，总长度减少62.5%，直径变薄53.6%。揭示根冠区（占总长度8%）贡献28.7-41.2%穿透阻力，高压实下颗粒间摩擦和机械咬合主导力学机制，并建立预测模型评估极端压实（>1127.5kg/m3）下根发育受限规律。

　　

孙宇|张青松|廖青溪|蔡家顺|严欢

华中农业大学工程学院，武汉430070，中国

摘要

土壤穿透阻力严重限制了根系的早期伸长，进而限制了水分和养分的吸收，最终影响了作物的表现。离散元方法（DEM）模拟有助于我们更深入地理解土壤-工具和幼苗出土的力学机制；然而，对于生长中的油菜胚根所经历的动态穿透阻力的精确量化仍然十分有限。在本研究中，我们利用DEM研究了土壤压实对油菜胚根穿透阻力的影响。我们将探针穿透测试与基于图像的根系形态学数据相结合，构建了一个能够模拟根系动态生长的3D DEM模型。经过高精度校准（R2 > 0.95）后，土壤粘聚力参数（k? = 1.4×10?–8.0×10? N·m?3）能够再现737.57–1063.41 kg·m?3范围内的体积密度。结果表明，体积密度增加44.2%会导致穿透阻力增加443%（从2.15 N增加到11.68 N），并显著抑制根系生长速率（减少56.1%）、根系总长度（缩短62.5%）和根径（减小53.6%）。我们发现了一种“根尖突破”机制：根冠区（占总长度的8%）贡献了28.7–41.2%的总阻力，并主导着土壤穿透过程。动态模拟揭示了力链的传递和键合破坏模式；在高压实条件下，键合破坏开始的时间延迟（位移0–1.7 mm），且断裂的键合数量减少（减少29.7%）。预测模型表明，在极端压实条件下（L4 = 1127.50 kg·m?3），根系面临的阻力可高达15.92 N，总长度缩短至不足20 mm，生长速率降至低于0.3 mm·h?1。这个基于DEM的定量框架揭示了根系与土壤之间的力学相互作用，为优化耕作方式以减轻压实引起的产量损失提供了依据。

引言

油菜（Brassica napus L.）的早期根系生长对其建立和后续生长表现至关重要。除了吸收水分和养分外，根系还提供固定作用，调节根际微生物群，并增强抗逆性（Bardgett等人，2014年）。在众多胁迫因素中，土壤压实是一个日益严重的全球性问题，主要由现代农业中的重型机械引起，严重限制了可持续的作物生产（Duan等人，2023年）。

土壤压实通过增加穿透阻力来抑制根系生长。作为压实程度的关键力学指标，穿透阻力强烈影响根系伸长和水分吸收（Colombi等人，2018年；Ran等人，2024年）。过高的阻力限制了根系在土壤中的扩展，减少了地上部分的生物量和产量（Nawaz等人，2013年）。从力学角度来看，根系穿透是根系生长与土壤机械阻抗之间的力平衡（Steinbrecher和Leubner-Metzger，2016年）。高阻抗会导致根系生长受阻、变细，在极端情况下甚至会导致幼苗死亡。这一问题在集约化农业系统中尤为突出。在水稻-油菜轮作系统中，水稻生长季节的淹水和机械化收割会破坏土壤结构。随着田地变干，可能会形成坚硬的犁底层，这对后续油菜作物的播种、出土和早期生长构成严重威胁（Whitmore和Whalley，2009年）。因此，定量评估油菜胚根在压实土壤中面临的穿透阻力对于理解根系与土壤的相互作用至关重要。

传统的评估方法——如穿透仪测试、三轴力学表征和根系成像技术——对于评估土壤强度和根系响应是不可或缺的，但每种方法都有其局限性。穿透仪只能提供土壤的宏观强度信息，可能无法捕捉到生长尖端处不断变化的应力场。X射线微CT和4D成像技术可以量化根系发育和土壤结构变化，但这些方法成本高昂、耗时较长，且难以直接获取土壤颗粒间的接触力和键合破坏情况（Bull等人，2020年；Islam等人，2024年；Tracy等人，2011年）。此外，由于多尺度相互作用的存在，土壤力-位移关系具有路径依赖性和非线性特征，实验上难以分离（Fang和Li，2016年；Marshall等人，1996年）。离散元方法（DEM）将土壤视为相互作用的颗粒，能够追踪根系与土壤相互作用过程中的接触力、键合形成与断裂以及力链的传播，从而克服了上述方法的局限性。DEM已被用于模拟压实条件下的幼苗出土过程（Gong等人，2022年），构建和验证3D根系模型（Zhao等人，2024年），分析萌发期间的子叶-土壤动态（Zeng等人，2020a），以及校准玉米根系-土壤参数（Zhang等人，2022年）。这些研究表明，DEM能够再现宏观的力-位移曲线，并可视化传统方法无法观察到的微观力学过程。

基于以上背景，我们提出以下假设：（1）土壤压实程度的增加会显著抑制油菜胚根的伸长并导致根系形态变细。（2）在土壤穿透过程中，阻力主要集中在根冠区域，表明这是一种“根冠主导”的力学机制。（3）基于DEM的计算模型能够有效模拟这种复杂的根系-土壤相互作用，并揭示难以通过实验观察到的微观力学行为（如力链传播和键合断裂）。

为了验证这些假设，我们设定了以下研究目标：（1）构建一个DEM模型，模拟不同压实程度下胚根的动态生长；（2）使用探针穿透测试数据校准土壤模型；（3）利用校准后的模型进行胚根的动态生长模拟；（4）量化胚根的穿透阻力，并明确其与土壤压实的相互作用。

实验准备

实验准备

在实验前，我们使用移液管法分析了土壤的粒径分布。根据美国农业部（USDA）的质地分类标准，该土壤含有65%的沙粒、25%的粉粒和10%的粘粒，因此被归类为沙壤土。我们通过筛分去除杂质（并未有意去除土壤成分，仅去除了明显的非土壤物质，如根系和石块），以获得适合耕作的细质土壤。通过烘箱干燥法测定了土壤的含水量。

探针穿透测试结果

四种压实处理下的体积密度（$\rho b$）分别为737.57 ± 18.24、950.12 ± 22.15、1005.72 ± 25.08和1063.41 ± 28.33 kg·m?3（平均值 ± 标准差，n = 3）。体积密度随压实程度的增加而增加。探针测试得到的穿透阻力-位移曲线如图5所示。在所有处理中，阻力在0–15 mm深度范围内迅速上升，随后趋于稳定，表明从根尖处的强烈压缩破坏过渡到了稳定的剪切阶段。对三次重复实验的结果进行了平均处理。

结论

随着土壤压实的增加，油菜胚根的生长速率、长度和直径显著下降。模拟结果显示，根冠在穿透过程中起着关键作用。随着压实的增加，微观力学特性也发生了变化：在低压实土壤中，阻力主要来源于颗粒间键合的断裂；而在高压实土壤中，阻力主要由摩擦和机械互锁作用主导。通过探针穿透测试校准的土壤模型能够很好地再现这些力学响应（R2 > 0.95）。

资助声明

本研究得到了国家自然科学基金（编号32572225）、国家重点研发计划（编号2021YFD2000401）和湖北省自然科学基金（编号2025AFB596）的财政支持。

作者贡献声明

蔡家顺：负责数据分析。严欢：负责实验调查。孙宇：负责撰写、审稿和编辑，以及初稿的构思。张青松：负责研究指导、方法学设计和资金争取。廖青溪：负责研究指导及资金争取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。