北京
土壤是地球的“皮膚”，更是全球農業與生態的基石。近日，由中國科學院地質與地球物理研究所領銜的國際研究團隊運用分布式光纖傳感技術（DAS），首次實時捕捉到了農田土壤在分鐘級的結構波動，并通過獨創的土壤結構模型揭示了耕作方式對土壤水分變化過程的影響。
為實現可再生農業，農學家一直以來在探尋有效方式評估耕作對土壤結構的影響。針對這個難題，研究團隊利用分布式光纖技術，在不破壞土壤的前提下，實現連續、高分辨率的實時監測，通過記錄大地背景噪聲產生的地震波分析土壤結構變化。
▲分布式光纖傳感揭示的耕作對土壤孔隙結構、水分變化的影響
研究團隊發現，土壤中地震波傳播速度在降雨和蒸發過程中產生高于預期數倍幅度的劇烈波動。少量水膜產生的毛細應力增加了顆粒間的結構強度，導致地震波在干燥土壤中比在濕潤土壤中傳播更快。這種波動反映了水分流動對土壤顆粒結構的獨特作用。
研究團隊提出“土壤動態毛細應力”模型，指出由于土壤孔隙的“瓶頸效應”，在脫水和吸水過程中，即使含水量相同，毛細應力的分布也不同。借助該模型，科研人員可以利用光纖數據像CT掃描一樣還原土壤深處的孔隙網絡特征。
▲光纖布設過程（左）和光纖所處的土壤狀態（右）
研究揭示，不同耕作模式對土壤孔隙網絡產生了截然不同的“改造”。在頻繁翻土區域，短暫降雨導致水分淤積在淺表層無法滲透，并迅速蒸散流失；農具的重壓也加速了淺部土壤毛細應力的抽水作用。而免耕或干擾較少的土壤則能保證水分迅速滲流與儲存，為作物根部提供穩定供水。
研究通過地震學與農業科學的交叉，為科學認識植物與土壤的關系提供了新視角。未來，土壤的光纖傳感與人工智能技術相結合，或為規模化、精細化農業管理提供更多數據支撐。
來源：中國科學院地質與地球物理研究所
責任編輯：宋同舟
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