光纤传感器揭示农业活动对土壤结构的深远影响

土壤往往被人们简单地理解为“泥土”，然而实际上，它是一个充满生命力的复杂系统，承担着类似地球“天然海绵”的功能。由中国科学院地质与地球物理研究所石启斌博士领导的团队，联合国际合作伙伴开展的一项研究指出，常见的农业操作——如深翻耕作和重型农业机械的使用——可能对土壤的自然结构造成显著破坏。

这项研究成果发表在《科学》期刊上，揭示了健康土壤内部具备一个天然的“孔隙网络”。这些微小通道构成了土壤的骨架结构，有助于水分向深层渗透，从而被植物根系高效吸收。

然而，频繁的耕作以及拖拉机等重型机械的反复碾压，不仅破坏了这些孔隙结构，也削弱了土壤调节水资源的能力，使得作物在面对极端天气如干旱或洪涝时更为脆弱。

为了深入观察土壤内部的动态变化，研究团队应用了一种创新方法：将常规的光纤通信线缆改造成高灵敏度分布式传感设备。这些传感器部署在英国哈珀亚当斯大学的实验农场，无需开挖即可实时捕捉地下环境的细微变化。

通过检测降雨或灌溉过程中地面产生的微小振动，研究团队实现了对土壤中水分流动情况的分钟级监测。结果表明，在经历频繁耕作的土壤中，降水多聚集在表层，随后迅速蒸发，导致深层土壤持续干燥。

相较之下，未经人为干扰的土壤则展现出优异的水文调控能力，能够迅速吸收降水并将其储存在深层区域，为植物在干旱时期提供稳定水源。

为了进一步阐释这一现象，团队提出了一种动态毛细应力模型，该模型基于“墨水瓶效应”的假设：水进入土壤孔隙相对容易，但要从中排出则面临阻力。这种现象取决于土壤的干湿状态，进而影响其结构稳定性，即便总含水量保持不变。

与传统土壤力学理论不同，该模型突破了“土壤强度仅由总含水量决定”的简化假设，提供了一种更为精确的土壤行为分析框架。

石启斌博士指出，土壤不应被看作简单颗粒的堆砌，而是一种具有多孔结构的介质，其内部网络如同水循环系统的毛细血管，发挥着关键作用。

这项研究强调了农业管理方式亟需转变。过度翻耕和土壤压实不仅改变了土壤颗粒的排列，更破坏了土壤中维持生态稳定、调节水循环和“呼吸”功能的微观结构。

研究人员强调，保护这些天然的土壤结构对增强作物在气候变化背景下的适应力至关重要。

此外，该研究的意义还在于开创性地引入了分布式光纤传感与农震学（Agroseismology）这一新兴交叉领域。借助这项技术，科学家和农业从业者可以在不扰动土地的前提下，对土壤水动力系统进行健康评估。

通过“聆听”大地的声音，研究人员得以实时“诊断”土壤状态，为构建更具韧性和可持续性的农业体系提供数据支撑。

该研究由石启斌等人撰写，题为《农业地震学与农业实践对土壤流体动力学的影响》，发表于《科学》2026年刊。DOI：10.1126/science.aec0970，可访问 science.org 获取全文。

期刊信息：科学

查看全文

作者最近更新