光纤助力农田“体检” 揭示耕作方式对土壤的影响

北京3月20日电 记者获悉，中国科学院地质与地球物理研究所施其斌团队联合多国科学家，于3月20日在国际权威期刊《科学》发布最新成果。团队首次利用分布式光纤传感技术，实时捕捉到了农田土壤在分钟尺度上的结构波动，并通过创新土壤结构模型，深入阐释了不同耕作方式对土壤含水特性变化的影响。

土壤不仅是地球的“外衣”，也是全球农业和生态系统的重要支撑。为推动可持续农业发展，科学界一直在寻找能够精细评估耕作对土壤结构影响的方法。此次研究团队采取分布式光纤探测技术，实现无损、连续且高精度的土壤动态监测。研究人员通过捕捉土壤内部因环境变化形成的地震波，分析由此带来的结构变化。

研究发现，土壤内地震波的传播速度在降雨与蒸发期间会出现比过去预测高出几倍的显著波动。在土壤较干时，地震波速度相比湿润状态更高，这是因为极薄的水膜会通过毛细效应增加土壤颗粒间的结合强度。这些观测结果揭示了水分流动如何影响土壤粒子结构的规律。

团队提出了“土壤动态毛细应力”新模型，指出受限于土壤内部孔隙的“瓶颈效应”，哪怕含水率相同，缺水与补水时期毛细应力的分布也截然不同。施其斌介绍，与传统只将土壤视作粒子集合的观点不同，新观点强调土壤是复杂的多孔体系，其孔隙结构类似于维持循环系统的“微型毛细血管”。借助这一模型，光纤技术能像CT扫描般“透视”土壤内部网络。

此次研究还显示，不同耕作措施会对土壤孔隙结构造成明显不同的变化。在频繁翻耕田块中，降雨容易造成表层积水，很难下渗，水分也会因蒸发迅速流失；同时，机械对土壤的反复碾压还加强了浅层的毛细作用，令水分上移。而采用免耕或减少干扰的方式，可以保证水分更快深入土壤并储存下来，为作物根系稳定供水。

这项研究把地震学的方法和农业科学结合起来，为我们理解植物根部活动与土壤间的复杂关系打开了全新视角。展望未来，结合土壤光纤传感和人工智能技术，有望为规模化、智能化农业运营提供更加详实与科学的数据支持。