光纤“听诊”，破解土壤“脉动”密码

土壤是地球的“皮肤”，更是全球农业与生态的基石。近日，由中国科学院地质与地球物理研究所领衔的国际研究团队运用分布式光纤传感技术（DAS），首次实时捕捉到了农田土壤在分钟级的结构波动，并通过独创的土壤结构模型揭示了耕作方式对土壤水分变化过程的影响。

为实现可再生农业，农学家一直以来在探寻有效方式评估耕作对土壤结构的影响。针对这个难题，研究团队利用分布式光纤技术，在不破坏土壤的前提下，实现连续、高分辨率的实时监测，通过记录大地背景噪声产生的地震波分析土壤结构变化。

研究团队发现，土壤中地震波传播速度在降雨和蒸发过程中产生高于预期数倍幅度的剧烈波动。少量水膜产生的毛细应力增加了颗粒间的结构强度，导致地震波在干燥土壤中比在湿润土壤中传播更快。这种波动反映了水分流动对土壤颗粒结构的独特作用。

研究团队提出“土壤动态毛细应力”模型，指出由于土壤孔隙的“瓶颈效应”，在脱水和吸水过程中，即使含水量相同，毛细应力的分布也不同。借助该模型，科研人员可以利用光纤数据像CT扫描一样还原土壤深处的孔隙网络特征。

研究揭示，不同耕作模式对土壤孔隙网络产生了截然不同的“改造”。在频繁翻土区域，短暂降雨导致水分淤积在浅表层无法渗透，并迅速蒸散流失；农具的重压也加速了浅部土壤毛细应力的抽水作用。而免耕或干扰较少的土壤则能保证水分迅速渗流与储存，为作物根部提供稳定供水。

研究通过地震学与农业科学的交叉，为科学认识植物与土壤的关系提供了新视角。未来，土壤的光纤传感与人工智能技术相结合，或为规模化、精细化农业管理提供更多数据支撑。

相关研究成果发表在《科学》（Science）上。

论文链接

分布式光纤传感揭示的耕作对土壤孔隙结构、水分变化的影响

光纤布设过程（左）和光纤所处的土壤状态（右）