以羊草为建群种的北方干旱半干旱草原,板结性退化现象严重,导致草原生产力低下,阻碍了草原生态服务功能的有效发挥。机械化改良能够较好地实现草原生态恢复,促进草原畜牧业发展;但用于天然退化草地机械化改良的触土部件与草地土壤作用关系理论研究薄弱,专用改良机具及关键部件的研发设计缺少技术支撑。为此,论文进行了窄齿类耕作部件与天然草地(羊草)土壤-根系复合体结构(简称“复合体”)之间作用关系研究。(1)论文通过田间调查与正交试验,研究了草地土壤-根系复合体结构的物理力学特性及其影响因素,发现草地土层中根系在0～10cm的深度范围内密集地横向穿插和纵向生长与周围土壤锚固形成复合体结构,加剧了草地亚表层(0～20 cm)板结。试验结果表明,容重、含水率和含根量对复合体力学特性影响显著(P<0.05),各影响因素有主次顺序且存在交互作用;含根量增加10 mg/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,高含水率(24.68%)情况下更容易打破复合体结构。(2)论文运用有限元和离散元分析方法,结合土槽试验和田间试验,研究了窄齿类耕作部件作用下的土壤-根系复合体失效特性,建立了原位十字剪切板作用下的复合体幂函数剪切失效模型,土槽试验和田间试验的拟合度分别超过96%和83%;并分析了容重、含水率和根系对模型参数的影响;建立了极窄刀齿(厚度≤10mm)与复合体作用关系模型,发现了半月形应力场和速度场引起复合体失效的作用过程,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。(3)论文基于机械土壤动力学理论,搭建了试验台,进行了土槽试验和田间试验,研究了土 壤根系复合体结构与窄齿类耕作部件的作用关系,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(R2≥0.94),构建了极窄刀齿运动阻力预测模型,模型预测值与野外试验值线性拟合度超过93%;并在理论研究基础上开展了应用研究,进行了窄齿类开沟部件草地开沟扰动试验,对比了深松铲类和铲柄类开沟部件的运动和受力情况,以及对草地的扰动情况,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,提出了基于窄齿类耕作部件的受力、草地地表翻垡率、草地土层扰动截面积和沟形面积比阻等因素为依据的草地改良用耕作部件的设计优化原则。论文的研究,为指导退化草地机械化改良技术工艺以及专用窄齿类耕作部件的优化设计提供了技术支撑和理论参考,同时丰富了 土壤-机具系统作用关系研究理论体系。