答辩博士：徐高明
指导老师：丁启朔教授
论文题目：稻麦轮作区旋耕秸秆还田质量评价与刀具优化设计研究
答辩委员会：
主席：
何瑞银教授/博导 南京农业大学
委员：
汪小旵教授/博导 南京农业大学
周俊教授/博导 南京农业大学
吴崇友研究员/博导 农业农村部南京农业机械化研究所
凌小燕研究员 农业农村部南京农业机械化研究所
秘书：
施印炎副教授/硕导南京农业大学
答辩时间：2024年5月25日14时
答辩地点：浦口校区育贤楼C402会议室
论文简介：
长江中下游稻麦轮作区在水稻和小麦收获后会产生大量的秸秆且茬口季节短，如大量的前茬作物秸秆无法及时处理，不仅容易引发农田病虫害问题，还容易堵塞机具和架空种子，影响后续播种作业质量。采用旋耕的方式进行秸秆还田是稻麦轮作区农民广泛采用的一种机械化秸秆还田方式，其特点是可以将秸秆与土壤充分混合并进行掩埋，这样可以有利于增加秸秆与土壤接触面积而加快秸秆腐解速度。但目前缺乏稻麦轮作区秸秆-土壤-旋耕刀相互作用规律的深刻认识以及系统性定量旋耕还田秸秆在土壤空间中分布质量的测试评价技术，也缺少基于秸秆-土壤-旋耕刀具三者交互作用且综合考虑秸秆空间分布质量评价指标的旋耕刀具耕作性能提升的相关研究。因此，本课题针对这一现实问题，在前人研究的基础上，开展了稻麦轮作区旋耕秸秆还田质量评价与刀具优化设计研究。
本文研究的主要内容和结论包括以下几个方面：
（1）以旋耕秸秆还田作业中的秸秆长度、耕作深度、刀轴转速为影响因素，以秸秆位移和埋覆率为指标进行三因素三水平的二次回归正交试验，分析了各因素对秸秆位移和埋覆效果的影响。试验结果表明：影响秸秆埋覆率和位移的主次顺序为耕作深度、秸秆长度、刀轴转速；秸秆长度与耕作深度交互作用对秸秆埋覆率和位移影响显著，其余参数交互作用不显著。多目标优化结果表明：当秸秆长度为5 cm、耕作深度为14.99 cm、刀轴转速为320 r/min时，秸秆还田效果最优，其对应指标秸秆埋覆率与位移分别为95.5%和27.6 cm。
（2）利用田间原位耕作试验平台开展秸秆-土壤-旋耕刀交互下的还田秸秆空间分布质量田间试验研究，借助秸秆三维坐标数字化仪与Matlab软件平台构建了一套高精度旋耕还田秸秆空间分布质量综合测试评价技术。结果表明，所构建的秸秆空间分布质量综合测试评价技术完整且适用，能够用于描述还田秸秆在土壤空间中的分布状态。5 cm（T5）、10 cm（T10）、15 cm（T15）三种长度秸秆的旋耕还田效果的测试评价结果表明，随着秸秆切碎长度的增加，秸秆空间分布质量逐渐变差。
（3）通过构建秸秆-土壤-旋耕刀交互作用仿真模型，模拟了实际旋耕秸秆还田的作业过程，并从仿真角度构建了一套中等精度的旋耕还田秸秆空间分布质量综合测试评价技术。结果表明，所构建的秸秆-土壤-旋耕刀交互作用仿真模型不仅可以分析旋耕秸秆还田动态过程，还能定量测试与分析秸秆沿深度方向、水平方向和单元格方向等多尺度水平的分布效果。仿真发现在T5、T10、T15三种长度秸秆处理下，沿深度方向、水平横向、水平纵向和整体单元格方向上的各区间秸秆占比变异系数仿真值与试验值变化趋势一致，其三种处理下的总平均相对误差分别为8.5%、21.4%、20.5%和16.2%，误差在可接受范围之内。
（4）基于仿生学设计思想，设计了一款具有鼹鼠足趾结构特征的仿生旋耕刀并进行了作业性能的田间试验验证。先分析鼹鼠前足趾的趾爪轮廓曲线特征并开展多因素优化的仿真试验，确定了仿生旋耕刀的最佳结构参数为：圆弧直径12 mm，工作幅宽45 mm，弯折角为120°。后开展仿生旋耕刀与国标刀的多参数田间作业性能对比试验，结果表明，当刀轴转速从240 r/min增加到320 r/min、前进速度从0.2 m/s增加到0.5 m/s、秸秆长度从5 cm增加到15 cm时，仿生旋耕刀和国标刀的秸秆还田质量变化规律一致，但相比于国标刀，其秸秆埋覆率增幅超过6%、秸秆分布变异系数减少超过11%、平均土块径降幅超过7%、旋耕扭矩下降近7%。
（5）基于仿生学设计思想，设计了一款具有鼹鼠足趾结构特征的仿生组合刀辊并进行了作业性能的田间试验验证。两种秸秆条件下的田间作业性能对比试验结果表明，相比于旋耕组合刀辊，仿生组合刀辊的秸秆埋覆率分别平均提升6.9%和6.1%，单元格秸秆占比变异系数分别平均降低8.5%和6.8%；在两种秸秆条件下的仿生组合刀辊的平均土块径和旋耕扭矩都小于旋耕组合刀辊，平均土块径分别降低12.1%和11.5%，旋耕扭矩分别降低8.8%和8.0%。
主要创新点如下：
（1）采用秸秆三维坐标数字化仪和Matlab软件相结合的方法，构建了一套高精度的旋耕还田秸秆空间分布质量综合测试评价技术，该技术完整且适用，能够准确定量描述还田秸秆在土壤空间中沿深度方向、水平横向、水平纵向、整体单元格方向等多尺度水平的分布效果。
（2）采用离散元方法构建了稻麦轮作区秸秆-土壤-旋耕刀三者交互作用仿真模型，从数字模拟角度构建一套中等精度的旋耕还田秸秆空间分布质量综合测试评价技术。
（3）借助仿生学设计思想，提取鼹鼠前足趾的轮廓曲线并应用于旋耕部件的结构设计中，在国标旋耕刀和旋耕组合刀辊的基础上合理优化设计出了具有鼹鼠足趾结构特征的仿生旋耕刀和仿生组合刀辊。
