光纤传感技术揭示农业活动对土壤结构的潜在损害
科技研习社
光纤传感技术揭示农业活动对土壤结构的潜在损害
土壤往往被视为普通的“泥土”，但事实上，它是一个活跃且具有生命力的生态系统，能够起到类似地球天然海绵的作用。然而，一项由中科院地质与地球物理研究所的石启斌博士与国际团队联合开展的最新研究指出，常见的农业操作，例如翻耕和重型机械的频繁使用，可能正在破坏这一自然结构。
该研究发表于《科学》杂志，揭示了健康土壤内部存在的复杂“孔隙网络”。这些微结构形成了水分渗透通道，使雨水能够深入地下，便于植物根系吸收。
不过，频繁的农业干预，如深层翻耕或重型拖拉机的碾压，不仅改变了土壤的物理结构，还削弱了其在面对极端气候事件（如干旱或暴雨）时的调节能力。
为深入观察土壤中水的流动机制，研究团队采用了一种创新的分布式光纤传感技术。他们在英国哈珀亚当斯大学的实验田中布设了一组改造后的光纤传感器，类似于光纤网络中用于数据传输的线缆。
通过捕捉降雨过程中产生的微小地表振动信号，研究人员实现了对土壤中水分动态的实时监测，精度甚至可达分钟级。
高分辨率的传感数据表明，经过频繁耕作的土壤中，雨水主要在表层积聚，由于水分表层较浅，易因阳光照射快速蒸发，导致深层土壤水分严重流失。
相较之下，未被扰动的土壤表现出更优越的水分保持能力。它能迅速吸收降水，并将水储存于更深的层次，以备植物在干旱季节使用。
为理解这一现象背后的物理机制，研究小组建立了一个动态毛细应力模型，并提出了“墨水瓶效应”的概念。该模型假设水分进入土壤孔隙相对容易，但要从孔隙中排出则困难得多。
这种水力滞后的现象源于毛细作用对土壤颗粒之间的结合力影响，这种作用会随着土壤干湿状态的变化而显著波动，即使整体含水量未发生改变。
与传统土壤力学模型不同，该模型考虑了土壤结构的复杂性，不再仅以总含水量作为判断土壤强度的单一指标。
正如石启斌博士指出的那样，土壤并非简单的颗粒堆砌，而是一种具有多孔结构的介质，其内部结构在水循环中扮演着类似毛细血管的重要角色。
这些发现提示，当前的农业管理方式亟需重新评估。过度耕作和机械碾压不仅造成土壤压实，还可能破坏土壤中的毛细连接网络，影响其通气性、储水能力以及生态平衡。
研究人员强调，保护土壤的自然结构对于提升农业系统对气候变化的适应能力至关重要。
该研究不仅提出了新的理论模型，还在技术层面引入了分布式光纤传感方法，并推动了“农业地震学”这一新兴领域的进展，旨在通过非侵入方式评估土壤水文系统的健康状况。
这项技术的创新在于，它允许科学家和农户“聆听”土壤内部的变化，从而实时掌握土壤状态，并据此制定更加可持续和适应性强的农业管理策略。
石启斌等，《农震学与农业实践对土壤流体动力学的影响》，科学（2026年）。DOI：10.1126/science.aec0970. www.science.org/doi/10.1126/science.aec0970
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