仿蚯蚓運動多功能開溝器設計及參數優化

賈洪雷，鄭 健，趙佳樂※，郭明卓，莊 健，王增輝

（1.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，長春 130025；2.吉林大學生物與農業工程學院，長春 130025；3.東北師范大學人文學院，長春 130117）

0 引 言

東北地區大豆種植面積和產量約占中國的40%以上[1]，但東北地區地處寒溫帶，氣候干燥易旱，冬季土壤封凍期較長，春季耕種時一直存在土壤耕種層積溫不夠和含水率不足，嚴重影響了大豆根系生長，延緩了大豆的生長發育。因此，相比于水稻和玉米等高產作物，大豆產量較低，同時受到進口轉基因大豆的沖擊，造成大豆種植面積逐年遞減，2012-2016年已減少13.4%以上[2]。因此，通過提升土壤耕種層溫度和含水率提高中國大豆產量，是保障中國大豆生產良性發展的有效途徑。

土壤溫度和含水率作為土壤主要物理參量之一，影響著土壤中水鹽的運移，微生物的數量與活性，農田溫室氣體排放，土壤碳氮等物質的化學和生物學過程及平衡[3-6]，進而影響種子的萌發和作物的生長。土壤溫度和含水率除主要受太陽輻射、大氣循環和降水等外部因素影響以外，還受到土壤自身孔隙結構的影響[7-8]。土壤孔隙主要分為大孔隙和毛細孔隙[9-10]，Holden等[11]研究得出增加土壤大孔隙的數量，可加快土壤與外界的物質能量交換，可有效提高地溫，但也會加速表層土壤中的水分蒸發；Skopp等[12]研究得出增加土壤毛細孔隙的數量，利用其毛細作用吸收耕種層下方土壤中的蓄水，可提高耕種層土壤含水率；因此，通過構建出合理的土壤孔隙結構，可提升東北地區春播時的耕種層土壤溫度和含水率。

農業機械中的耕作部件可改善土壤孔隙結構，Haukka等[13]研究得出對土壤進行疏松作業可有效提高土壤大孔隙數量；Asare等[14-15]研究得出對土壤進行鎮壓作業可增加土壤毛細孔數量，有效提高土壤蓄水能力。因此，本文設計一種對表層土壤進行疏松作業，對下層土壤進行鎮壓作業，集松土、溝底鎮壓和開溝功能為一體的耕整機構，使耕種層土壤達到表層松軟，下層緊實的狀態，從而加速耕種層土壤對外部熱量和下層蓄水的吸收，達到迅速提升耕種層土壤溫度和含水率的目的。

近年來，仿生學在農業機械設計中的應用愈發廣泛，如趙淑紅等[16]根據旗魚頭部的流線型曲線，設計了仿旗魚頭部曲線型開溝器，優化了作業效果；馬云海等[17]依據土壤動物與生俱來的減黏脫土特性，設計了仿生波紋形開溝器，具有較強的減黏降阻性能；王文君[18]研制的仿形仿生鎮壓裝置，可有效提高土壤含水率。本文本著師法自然的思想，在自然界尋找可以改善土壤孔隙結構的生物。蚯蚓是土壤中最常見的生物之一，Lavelle等[19]的研究表明其特殊的運動方式可有效疏松土壤，改善土壤孔隙結構的作用。

基于上述原因，本文的目的是設計出一種設有仿蚯蚓動態松土開溝機構和鎮壓力調節機構的仿蚯蚓運動多功能開溝器，其可模擬出蚯蚓疏松土壤的生物學行為（主要包括結構和運動方式），并通過理論分析和試驗優化等方法，明確仿蚯蚓運動多功能開溝器的結構參數對中國東北地區土壤溫度、含水率和大豆生長發育的影響。

1 仿蚯蚓運動多功能開溝器設計及其作業原理

1.1 生物原型分析

如圖1所示，蚯蚓的體壁具有環肌和縱肌2種肌肉層[20-21]，其主要依靠體壁肌肉層和剛毛的密切配合在土壤中運動[22-25]。蚯蚓運動時，首先將前端的口前葉伸入土壤縫隙并膨脹，像楔子一樣插入土中，后部體節的剛毛伸出并插入土壤，起到支撐和固定的作用，而后再收縮前端的環肌產生向前的推力，使前部體節向前推進，呈收縮狀態（舒張環肌層，收縮縱肌層）。環節的收縮沿著體節一節一節地向后傳輸，使蚯蚓身體后端向前拉，呈舒張狀態（舒張縱肌層，收縮環肌層），環肌與縱肌協調地收縮使蚯蚓產生波浪式蠕動[26-28]。

圖1 蚯蚓的運動過程Fig.1 Motion process of earthworm

1.2 仿蚯蚓運動多功能開溝器設計與作業原理

圖2為仿蚯蚓運動多功能開溝器結構示意圖。如圖2a所示，仿蚯蚓運動多功能開溝器由仿蚯蚓動態松土開溝機構、鎮壓力調節機構、波紋圓盤、軸、機架等組成。如圖2b所示，密封擋板1、波紋圓盤1、軸、鎮壓力調節機構、波紋圓盤2和橡膠擋板2依次焊合。仿蚯蚓動態松土開溝機構的內圓盤和外圓盤的焊合面則與軸上波紋圓盤的安裝位置中心相對應，并與滾筒焊合，軸的兩端與機架通過螺母固連。如圖2c所示，機具作業時，在土壤阻力的作用下，仿蚯蚓動態松土開溝機構做逆時針轉動，而波紋圓盤和鎮壓力調節機構做平移運動。

1.2.1 鎮壓力調節機構設計

圖3為鎮壓力調節機構示意圖。如圖3所示，4個鎮壓力調節機構的彈簧一端套接于軸上，另一端設有滾輪，滾輪與套筒相接觸，4個鎮壓力調節機構于軸上呈90°交錯對稱排列。鎮壓力調節機構的滾輪安裝在設置于仿蚯蚓動態松土開溝機構套筒內的導軌槽中，通過調節軸上的螺母位置，可調節仿蚯蚓運動多功能開溝器對土壤的鎮壓力，其鎮壓力由式（1）得出，通過仿蚯蚓運動多功能開溝器對種溝底部的鎮壓作用，提高耕種層下方土壤的堅實度，進而提高耕種層下方土壤內的毛細作用，提高耕種層土壤的含水率。Celik等[29]研究發現選用60 kPa的壓實力，可有效提高土壤含水量，因此本文選用的溝底鎮壓強度設計為60 kPa。

圖2 仿蚯蚓運動多功能開溝器示意圖Fig.2 Schematic diagram of earthworm-like multi-function opener

圖3 鎮壓力調節機構示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure regulating mechanism

式中m外為外圓盤質量，kg；m內為內圓盤質量，kg；m套為套筒質量，kg；k為彈簧彈性系數，N/m；x為彈簧原長，m；x1、x2為彈簧受力壓縮后的長度，m。

1.2.2 仿蚯蚓動態松土開溝機構設計

圖4為仿蚯蚓動態松土開溝機構結構示意圖。如圖4所示，仿蚯蚓動態松土開溝機構由外圓盤、內圓盤、套筒、內圓盤、外圓盤焊合而成，外圓盤上設有橡膠擋板。每個外圓盤和內圓盤表面均設有12個仿蚯蚓柔性凸表面機構，每個仿蚯蚓柔性凸表面機構均設有1個驅動機構，驅動機構一端與仿蚯蚓柔性凸表面機構相套接，另一端設有滾輪，滾輪與波紋圓盤表面相接觸。

圖4 仿蚯蚓動態松土開溝機構結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of earthworm-like dynamic scarification furrow mechanism

圖5為仿蚯蚓柔性凸表面機構運動示意圖。如圖5所示，機具作業時驅動機構與波紋圓盤發生相對轉動，當驅動機構由波紋圓盤的波谷向波峰運動時，仿蚯蚓柔性凸表面機構可模擬出蚯蚓環肌擴張，同時縱肌收縮的運動狀態；當驅動機構由波紋圓盤的波峰向波谷運動時，仿蚯蚓柔性凸表面機構可模擬出蚯蚓環肌收縮，同時縱肌擴張的運動狀態；隨著驅動機構在波紋圓盤表面上循環往復的逆時針轉動，即可驅使仿蚯蚓動態松土開溝機構在完成開溝作業的同時，模擬出蚯蚓疏松土壤的生物學行為，增強了對土壤的疏松作用，加速了耕種層土壤與外部環境之間的物質能量交換，進而更快速地提高地溫。

圖5 仿蚯蚓柔性凸表面機構運動示意圖Fig.5 Motion schematic diagram of earthworm-like flexible convex surface mechanism

1.2.3 仿蚯蚓柔性凸表面機構布置結構設計

為降低增設仿蚯蚓柔性凸表面機構對仿蚯蚓運動多功能開溝器作業阻力的影響，每個仿蚯蚓動態松土開溝機構表面上的12個仿蚯蚓柔性凸表面機構呈阿基米德螺旋線分布，從而在最大程度上減小仿蚯蚓運動多功能開溝器的工作阻力。阿基米德螺旋線標準方程為

式中b為阿基米德螺旋線系數，表示每旋轉1°時極徑的增加(或減小)量；θ為極角，表示阿基米德螺旋線轉過的總度數；a為當θ=0時的極徑。

圖6為仿蚯蚓柔性凸表面機構布置示意圖。如圖6a所示，仿蚯蚓動態松土開溝機構的最大半徑值選取為最常見的單元盤開溝器結構參數值135 mm[30]，大豆的播種深度為50 mm。為保證作業時12組仿蚯蚓柔性凸表面機構能夠全部入土作業，仿蚯蚓柔性凸表面機構布置方案如圖6b所示。仿蚯蚓柔性凸表面機構于阿基米德螺旋線上呈30°間隔依次排列，當阿基米德螺旋線轉過630o（即A處）時放置第一組仿蚯蚓柔性凸表面機構，其距外圓盤軸心100 mm；當阿基米德螺旋線轉過990o（即B處）時，此處距圓盤軸心120 mm。

圖6 仿蚯蚓柔性凸表面機構布置示意圖Fig.6 Layout diagram of earthworm-like flexible convex surface mechanism

又由式（2）可得參數

又知阿基米德螺旋線平面直角坐標方程為

因此由式（2）、（3）、（4）可得仿蚯蚓柔性凸表面機構在仿蚯蚓動態松土開溝機構表面上的布置結構面直角坐標曲線方程為

1.2.4 波紋曲面結構設計

仿蚯蚓運動多功能開溝器作業時，仿蚯蚓柔性凸表面機構的驅動機構在波紋圓盤的軸向方向上進行往復運動，為使驅動機構的往復運動既無剛性沖擊亦無柔性沖擊，應使驅動機構運動至波紋圓盤波峰或波谷位置時的速度和加速度值均為0，因此驅動機構的往復運動方式應為正弦加速度運動，如圖7所示，由此得出波紋圓盤凸起輪廓曲線方程應為

圖7 波紋圓盤的輪廓曲線示意圖Fig.7 Outline curve diagram of corrugated disk

式中H為波紋圓盤最大凸起高度（波峰與波谷之間的高度差）。

圖8為波紋圓盤結構示意圖。如圖8所示，本文所設計波紋圓盤直徑應小于外圓盤直徑，因此波紋圓盤直徑設置為250 mm。又可知

式中R1為波紋圓盤半徑，mm，機具中R1=125 mm；N為波紋圓盤波峰數量。

圖8 波紋圓盤結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of corrugated disk

因此由式（6）、（7）可知波紋圓盤的輪廓曲線方程為

仿蚯蚓柔性凸表面機構作業時凸起頻率可由式（9）、（10）與（11）計算。

式中T為仿蚯蚓柔性凸表面機構作業時凸起周期；R2為外圓盤半徑，mm，機具中R2=135 mm；V為機具作業速度，m/s；N為紋圓盤波峰數量；ω為仿蚯蚓動態松土開溝機構角速度，rad/s。

因此由式（9）、（10）和（11）可知仿蚯蚓柔性凸表面機構作業時凸頻率f為

由式（8）可知，H值越大，仿蚯蚓柔性凸表面機構凸起高度越大；由式（12）可知，在機具作業速度V一定時，N決定了仿蚯蚓柔性凸表面機構作業時的凸起頻率f，N越大，頻率越高。顯而易見H值越大，N值越大，仿蚯蚓運動多功能開溝器對土壤的疏松程度越高，對耕種層土壤的疏松程度更強，耕種層土壤的大孔隙度越高，土壤溫度提升越快，耕種層土壤水分蒸發越嚴重。因此，通過設置不同的H、N值，可得到不同結構參數的波紋圓盤，形成不同的耕種層土壤結構，進而產生不同的土壤物理性狀(溫度和含水率)，因此本文選取最大凸起高度H和波紋圓盤波峰數量N為試驗指標進行參數優化試驗，進而完成對波紋圓盤曲面結構的設計。

2 材料與試驗

2.1 試驗條件與儀器設備

試驗時間為2017年5月1日-7月10日，試驗地點為吉林大學教學科研基地（43°55￠0.262N，125°16￠8.362E）。試驗田為大豆玉米輪作地，2016年作物為玉米，秋季收獲后進行了秸稈覆蓋還田作業，2017年春季播種前地表覆蓋有玉米秸稈，土壤緊實度為40.2 kPa，土壤容積密度為1.237 g/cm3，土壤含水率為21.2%，土壤溫度為13.2℃，全氮質量分數為0.13%，速效鉀和速效磷質量分數分別為173.2和16.5 mg/mg。2017年春季選用的大豆種子品種為禾豐50，種植模式為壟上雙行交錯播種，隨機選定3個試驗小區，每個試驗小區的寬度為機具作業幅寬，長度為20 m，離地頭5 m以上。

試驗主要儀器設備如下：1臺CASE210拖拉機（動力為154 kW，最大行進速度為40 km/h）、1臺2BGD-6大豆耕播機（黑龍江省勃農興達機械有限公司）、卷尺、耕深尺、環刀組件（100 cm3）、MP-5002型電子天平(上海精密儀器儀表有限公司)、MS-350型水分測定儀(青島拓科儀器有限公司)、SC-900型土壤緊實度儀(美國Spectrum技術公司)、11 000型土壤溫度計(美國Deltatrak技術公司)等。

2.2 試驗方法

本文試驗分為2個部分，第一部分為研究仿蚯蚓運動多功能開溝器結構參數對平均土壤溫度（0～100 mm）、平均土壤含水率（0～100 mm）和大豆平均出苗時間的影響，由本文的分析可知仿蚯蚓柔性凸表面機構作業時的凸起高度H和波紋圓盤波峰數量N決定了仿蚯蚓運動多功能開溝器對土壤的疏松能力，因此本部分試驗選取的3個試驗因素為作業速度、凸表面機構作業時的凸起高度H和波紋圓盤波峰數量N。試驗指標為平均土壤溫度（0～100 mm）、平均土壤含水率（0～100 mm）和大豆平均出苗時間，試驗因素編碼表如表1所示。運用Design-Expert軟件中Box-Behnken Design響應曲面設計法，共進行17組試驗，其中12組為析因點，5組為零點以估計誤差，并對試驗結果進行分析，檢驗各因素對試驗指標的顯著性影響和各因素之間是否具有交互作用，并得出響應曲面和回歸方程，優化出各因素的最佳參數組合；第二部分為仿蚯蚓運動多功能開溝器結構參數的驗證對比試驗。根據第一部分試驗所得出最優參數組合加工出新的仿蚯蚓運動多功能開溝器，并選取傳統的單元盤開溝器和雙圓盤開溝器，并對3個開溝裝置進行田間對比試驗，對最優結構參數條件下的仿蚯蚓運動多功能開溝器相較于傳統開溝器的性能優越性進行驗證。

表1 因素水平編碼Table 1 Coding list of factors and levels

2.3 試驗指標的測試方法

根據JB/T10295-2001的相關規定，本試驗以土壤平均含水率（0～100 mm）、平均土壤溫度（0～100 mm）、平均出苗時間作為響應指標。

1）平均土壤含水率（0～100 mm）測定方法。播種15天后，于試驗小區的對角線上，隨機取樣5點，于每個測定點處使用MS-350水分測定儀測定0～100 mm深度的平均土壤含水率，重復3次，取其平均值作為此點的0～100 mm平均土壤含水率。取5點的平均值作為試驗小區0～100 mm平均土壤含水率。每個試驗小區重復一次。

2）平均土壤溫度（0～100 mm）測定方法。播種15天后，于0～100 mm平均土壤含水率測定點上測定其0～100 mm平均土壤溫度。使用11 000型土壤溫度計測定0～100 mm深度的平均土壤溫度，重復3次，取其平均值作為此點的0～100 mm平均土壤溫度。同樣取5點的平均值作為試驗小區0～100 mm平均土壤含水率。每個試驗小區重復一次。

3）大豆平均出苗時間測定方法。從出苗開始到出苗結束期間，需要每2 d測量一次5 m內苗數，重復3次，每個試驗小區重復一次。平均出苗時間MET由式（13）計算[31]。

式中Nn為從前一個時間點算起的出苗數，n=1,...,n；Tn為播種后的天數。

3 試驗結果與討論

3.1 參數優化試驗結果

參數優化試驗現場如圖9所示。以各影響因素水平編碼值為自變量，以平均土壤含水率（0～100 mm）、平均土壤溫度（0～100 mm）和平均出苗時間為響應指標的試驗結果，如表2所示。

圖9 田間參數優化試驗Fig.9 Parameter optimization of field experiment

表2 響應曲面試驗設計與結果Table 2 Experiment design and result of response

對表2的數據經Design-Expert軟件進行二次多元回歸擬合，得到平均土壤含水率（0～100 mm）Y1、平均土壤溫度（0～100 mm）Y2和平均出苗時間Y3對編碼自變量的二次多元回歸方程分別為

對于平均土壤含水率（0～100 mm）對編碼自變量的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素對對平均土壤含水率（0～100 mm）的影響均為顯著項(P<0.05)。失擬項P值為0.192，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數與校正決定系數均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為12.528>4，表明該回歸方程在設計域內預測性能良好。各因素對土壤平均含水率（0～100 mm）顯著性的影響順序依次為：波峰數量、凸起高度、作業速度。

對于平均土壤溫度（0～100 mm）對編碼自變量的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素對平均土壤溫度（0～100 mm）的影響均為顯著項(P<0.05)。失擬項P值為0.137 6，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數與校正決定系數均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為10.108>4，表明該回歸方程在設計域內預測性能良好。各因素對土壤（0～100 mm）平均含水率顯著性的影響順序依次為：波峰數量、作業速度、凸起高度。

對于平均出苗時間對編碼自變量的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素對平均出苗時間的影響均為顯著項(P<0.05)。失擬項P值為1.06，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數與校正決定系數均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為15.526>4，表明該回歸方程在設計域內預測性能良好。各因素對平均出苗時間顯著性的影響順序依次為：凸起高度、波峰數量、作業速度。

3.2 參數優化試驗結果分析與討論

固定3因素中的1個因素為零水平，應用響應曲面法分析其他2個因素對試驗指標的影響和交互作用。運用Matlab軟件對Design-Expert軟件求出的回歸方程進行尋優，得出最佳參數組合。

3.2.1 試驗各因素對平均土壤含水率（0～100 mm）的影響規律

運用Design-Expert 6.0.10軟件得到作業速度V、凸起高度H和波峰數量N對平均土壤含水率（0～100 mm）影響的響應曲面，如圖10所示。

由圖10可知，三因素均對平均土壤含水率（0～100mm）具有顯著性影響（P<0.01），作業速度分別與凸起高度和波峰數量具有交互作用，凸起高度和波峰數量之間無交互作用。平均土壤含水率（0～100 mm）隨著前進速度的加快而下降，且下降趨勢逐步減緩；隨著凸起高度的提升而下降，且下降趨勢逐步減緩；隨著波峰數量的增加而下降，且下降趨勢逐步減緩。

3.2.2 試驗各因素對平均土壤溫度（0～100 mm）的影響規律

運用Design-Expert 6.0.10軟件得到作業速度V、凸起高度H和波峰數量N對平均土壤溫度（0～100 mm）影響的響應曲面，如圖11所示。

圖10 各因素對平均土壤含水率（0～100 mm）影響的響應曲面Fig.10 Response surfaces influenced by various factors on average soil moisture content(0-100 mm)

由圖11可知，三因素均對平均土壤溫度（0～100mm）具有顯著性影響（P<0.01），作業速度分別與凸起高度和波峰數量具有交互作用，凸起高度和波峰數量之間無交互作用。平均土壤溫度（0～100 mm）隨著前進速度的加快而上升，且上升趨勢逐步減緩；隨著凸起高度的提升而上升，且上升趨勢逐步減緩；隨著波峰數量的增加而上升，且上升趨勢逐步減緩。

3.2.3 試驗各因素對大豆平均出苗時間的影響規律及參數優化

運用 Design-Expert 6.0.10軟件得到作業速度V、凸起高度H和波峰數量N對大豆平均出苗時間影響的響應曲面，如圖12所示。

由圖12可知，三因素均對大豆平均出苗時間具有顯著性影響（P<0.01），作業速度分別與凸起高度和波峰數量具有交互作用，凸起高度和波峰數量之間無交互作用。隨著前進速度的加快，大豆平均出苗時間先下降而后上升；隨著凸起高度的提升，大豆平均出苗時間先下降而后上升；隨著波峰數量的增加，大豆平均出苗時間先下降而后上升。

依據試驗結果分析以及模型擬合，運用Matlab軟件對式（16）進行尋優求解，以平均出苗時間最早為主要尋優指標，獲得最優參數取值方案：作業速度為8.55 km/h，凸起高度為6.23 mm，波峰數量為14.42，此時平均出苗時間最短（9.62 d），平均土壤含水率（0～100 mm）為18.07%，平均土壤溫度（0～100 mm）為16.5℃。由于作業速度易受田間復雜地況的影響而較難保證其精準性，且規定波峰數量N只能為自然數，并綜合考慮加工精度等問題，最終選取的最優參數組合為：作業速度為8 km/h，凸起高度為6 mm，波峰數量為15。

3.3 對比驗證試驗

依照最優方案參數組合，加工仿蚯蚓運動多功能開溝器，并與傳統的單元盤開溝器和雙圓盤開溝器進行對比試驗。試驗前，將試驗田平均分為9塊（A1、A2、A3…A9），每塊試驗田有6條壟，壟高300 mm、壟寬300 mm、每壟長為200 m，試驗時選用2BGD-6大豆耕播機先后安裝單元盤開溝器、雙圓盤開溝器和仿蚯蚓運動多功能開溝器后，單元盤開溝器在A1、A2和A3地塊進行播種作業，雙圓盤開溝器在A4、A5和A6地塊進行播種作業，仿蚯蚓運動多功能開溝器在A7、A8和A9地塊進行播種作業，并分別測定3種開溝器作業區域的平均土壤含水率、平均土壤溫度和平均出苗時間，試驗結果如圖13所示。

圖11 各因素對平均土壤溫度（0～100 mm）影響的響應曲面Fig.11 Response surfaces influenced by various factors on average soil temperature(0-100 mm)

圖12 各因素對平均出苗時間影響的響應曲面Fig.12 Response surfaces influenced by various factors on average emergence time

圖13 3種不同類型開溝器對大豆出苗狀況的影響Fig.13 Effect on emergence of soybean of three different kinds of openers

如圖13可知，仿蚯蚓運動多功能開溝器實際田間結果與計算機仿真結果基本一致，且相較于其他2種傳統開溝裝置，可顯著提高0～100 mm平均土壤含水率（P<0.01）和0～100 mm平均土壤溫度（P<0.01），并提前大豆平均出苗時間（P<0.01）。相較于2種傳統開溝裝置分別提高0～100 mm土壤平均含水率5.92%和4.86%，分別提高0～100 mm土壤平均溫度0.5和0.4℃，分別提前大豆平均出苗時間0.5和0.92 d。以上試驗結果表明：本文所設計仿蚯蚓運動多功能開溝器可有效疏松耕種層土壤，增加耕種層土壤孔隙度，進而有效提升地溫，雖然同時加速了表層土壤中的水分蒸發，但通過鎮壓力調節機構，增大了對耕種層下方土壤的毛細現象，使下層土壤中蓄存的水資源得到有效利用，從而在總體上提升了耕種層土壤的含水率。

4 結論

1）本文所設計仿蚯蚓運動多功能開溝器設有仿蚯蚓動態松土開溝機構和鎮壓力調節機構，其可通過模擬蚯蚓的運動方式疏松土壤，通過溝底鎮壓作業壓實下層土壤，其關鍵結構參數和作業速度均對土壤平均含水率（0～100 mm）、土壤平均溫度（0～100 mm）和大豆平均出苗時間具有顯著性影響，其中大豆平均出苗時間隨著凸起高度、波峰數量和作業速度的增大而先下降后上升，運用Design-Expert和Matlab軟件對試驗結果進行響應曲面分析和回歸分析，并考慮到作業速度易受田間復雜地況的影響而較難保證其精準性以及加工精度等問題，且規定波峰數量N只能為自然數，最終得出最優參數組合為：作業速度8 km/h、松土機構凸起高度6 mm和波紋圓盤波峰數量15。

2）本文所設計仿蚯蚓運動多功能開溝器相較于兩種傳統開溝裝置，可分別提高土壤平均含水率（0～100 mm）5.92%和4.86%，分別提高土壤平均溫度（0～100 mm）0.5和0.4℃，分別提前大豆出苗時間0.5和0.92 d，表明采用模擬蚯蚓生物學行為的松土機構，可有效疏松耕種層土壤，增加耕種層土壤孔隙度，進而有效提升地溫，同時通過增設鎮壓力調節機構對種溝下層土壤進行鎮壓作業，可增大對耕種層下方土壤中水分的吸收，進而提升耕種層土壤含水率，最終通過對耕種層土壤物理性狀的改善，達到促進大豆發育的目的。

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