膨胀土干缩开裂防治中的农业废弃物循环利用：协同抑制膨胀土干缩开裂

《Geotechnics》：Soil Conservation Through Agricultural Waste Recycling: Synergistic Control of Desiccation Cracking in Expansive Soils

　　

边坡上膨胀土（expansive soil）的干缩开裂会加速土壤侵蚀并降低保水能力，对农业可持续性构成威胁。本研究考察有机肥（organic fertilizer，OF）、缓释肥（slow-release fertilizer，SRF）与水稻秸秆（rice straw，RS）联合作用对干湿（wet–dry，W-D）循环下膨胀土开裂的抑制效果。采用三因素Box–Behnken设计（BBD），OF为5–15%、SRF为0.3–0.9 kg/m3、RS为0.25–0.75%，通过20次W-D循环追踪开裂发展。基于BBD开裂率数据拟合的二次响应面模型显著（R2=0.952，调整R2=0.865，p=0.008），OF、SRF、RS的线性效应显著，而两因素交互项整体不显著（p=0.701）。BBD矩阵中最低观测开裂率为1.7%，对应10% OF + 0.9 kg/m3 SRF + 0.75% RS；这仅作为低响应观测组合，而非经统计确认的SRF–RS交互证据。LSTM模型作为补充动态预测器，在评估数据集上R2=0.927、MAE=0.325、RMSE=0.478；但训练与验证损失分离表明过拟合，外部泛化性尚待建立。结果表明农业废弃物基改良剂是具有前景的控裂策略，同时需独立重复与田间验证。

研究背景方面，蒙脱石（montmorillonite）富集的膨胀土随含水量变化发生显著胀缩变形，反复W-D循环会重构孔隙结构、促进表面开裂并削弱土体强度。传统石灰、水泥等稳定剂环境负担大，低碳改良剂与农业残余物受到关注：有机改良剂可改变保水与孔隙结构，纤维类残余物可桥接初始裂缝并重分布收缩拉应力。既有研究多聚焦单一改良剂或静态响应，OF、SRF、RS三者对开裂的联合影响，以及从静态配方效应到时序裂缝累积的转化仍不清楚。该研究由此在单一实验框架内整合BBD/响应面法（Response Surface Methodology，RSM）、20次W-D循环观测与长短期记忆（Long Short-Term Memory，LSTM）探索性预测，以区分统计支持的配方效应、描述性处理组合与动态预测行为。论文发表于《Geotechnics》。

关键方法上，研究人员使用采自湖南长沙的书香路弱膨胀土，经风干、过2 mm筛后按GB/T 50123-2019完成指数表征。实验采用三因素三水平BBD，共15次运行，其中13–15号为中心点重复；非中心点处理各由1个独立模型试件代表。试件经机械拌和、击实至1.65 g/cm³、密封养护28天后，于丙烯模型箱内种植香根草（vetiver）并开展120天室外生长，随后在受控W-D条件下以48 h为1循环、湿阶段含水量32±1.5%、干阶段40±1°C完成20循环。开裂率取第4次W-D循环结果，用全二次模型在编码变量下拟合；裂缝由高分辨率成像并经PCAS软件量化。LSTM以时间步5、80%/20%训练测试划分，动态输入为循环次数、温度、湿阶段含水量、前一循环开裂率与根含量，静态输入为OF、SRF、RS，输出为开裂率。

研究结果如下。

3.1 响应面模型拟合：研究人员用BBD的15个观测拟合全二次模型，得到编码因子方程Y₁=2.300+0.2625X₁?0.2125X₂?0.2500X₃?0.0500X₁X₂+0.0750X₁X₃?0.0250X₂X₃+0.4250X₁²+0.0250X₂²?0.2000X₃²，用于表达OF、SRF、RS对开裂率的预测关系。

3.2 配比对开裂率的影响：重算模型R²=0.952、调整R²=0.865，总模型显著（F=10.95，p=0.008）。联合线性效应显著，两因素交互项整体不显著（F=0.50，p=0.701），联合二次贡献显著（F=12.32，p=0.010）。RS线性效应显著，较高RS倾向更低开裂率，解释为纤维桥接（fiber bridging）机制但未做界面力学直接验证；OF线性与二次效应显著，高水平OF开裂率回升，可能与孔隙与保水异质性有关；SRF线性效应显著，可能与局部离子条件、含水率或颗粒充填有关但未测电导率与胶结产物。单个交互项均不显著，故10% OF+0.9 kg/m³ SRF+0.75% RS的最低1.7%仅为有利观测组合，不代表统计确认协同。

3.3 开裂率降低的土壤保持意义：开裂可改变入渗路径、优势流与近表可蚀性，但径流、产沙、入渗率与田间侵蚀未测；因此开裂率降低仅作为侵蚀减缓潜力的中间指标，不能直接换算为t·ha^?1·yr^?1的避蚀量。

3.4 循环次数对开裂率的影响：同一试件重复观测显示开裂率随循环增加但增速下降，可用对数型增长描述；Run 1由第1循环约0.5%增至第20循环5.8%，可描述为快速增殖、减速、稳定三阶段。轨迹对比支持BBD主效应趋势，但不等同于显著交互证据。对数模型未考虑材料疲劳与根生长动态，后续可引入衰减因子λ改进。

3.5 LSTM动态预测表现：LSTM用于关联前态开裂与实验输入，训练RMSE持续下降而验证RMSE更高并平台化，损失曲线在约100次迭代后分离，表明过拟合。评估集R²=0.927、MAE=0.325、RMSE=0.478，属数据集内良好拟合而非外部泛化证明；输入敏感性排序（循环次数>RS>OF）仅作探索性结果。与对数模型趋势相近但幅值有差，因过拟合其灵活性须谨慎解释。

3.6 田间尺度应用考量与局限：实验室结果仅支撑田间假设，不代表已验证施用方案；Proctor击实仅用于试件标准化，不意味着田间须达到同等压实。田间混合深度、机械能耗、经济成本、碳足迹、坡度降雨阈值等均未量化，须由站点农艺与岩土评估确定。

讨论部分总结：研究人员强调非中心点多数仅1个独立试件，处理级SD/SEM/CI不可估；筛分不能分辨黏粒级配，添加剂粒度未测；未直接测孔隙演化、电导率/离子迁移、秸秆界面强度、径流产沙与长期生态效应；LSTM超参未完整留存且验证行为显示过拟合；田间成本、机械、碳足迹与长期表现待验证。未来应做独立重复W-D试验、湿散/激光粒度与矿物学表征、水力与微观机制直测、LSTM外部验证与完整重训，以及量化径流产沙、农艺表现与生命周期影响的田间小区。

结论部分翻译：本研究考察OF、SRF、RS对反复W-D循环下膨胀土干缩开裂演化的联合影响。BBD数据再分析确认显著二次开裂率模型（R²=0.952；调整R²=0.865；p=0.008）。三个线性项显著，而各两两交互项均无统计显著性。BBD最低观测开裂率为1.7%，对应10% OF+0.9 kg/m³ SRF+0.75% RS；该观测不应解释为显著SRF–RS交互的证据。已确认的多目标配方10% OF+0.6 kg/m³ SRF+0.75% RS在测试域内保持根含量与开裂响应的有利平衡。20次W-D循环下开裂呈早期快速增加、随后减速、后期稳定。RS相关控裂符合纤维桥接与应力重分布，OF可能改变孔隙与保水特征；因未直接测相应微观变量，这些仍属解释。保留LSTM模型在评估集R²=0.927、MAE=0.325、RMSE=0.478，但训练–验证差距表明过拟合，故模型仅作探索性预测器，不代表已验证外部泛化或预警能力。研究局限包括非中心点无重复、筛分不分辨黏粒、添加剂粒度缺测、未测孔隙/电导/界面强度/产沙、LSTM超参不全且过拟合、田间成本与长期表现未验证。未来工作应优先独立重复W-D试验、粒度和矿物表征、水力微观直测、LSTM外部验证与重训，以及量化径流产沙、农艺、成本与生命周期影响的田间小区。