光纤传感技术揭示农业对土壤结构的深远影响

光纤传感技术揭示农业对土壤结构的深远影响

土壤常被视为简单的土质材料，但其本质是一个活跃的生态系统，具备类似天然海绵的功能。然而，中国科学院地质与地球物理研究所石启斌博士联合国际科研团队的研究发现，现代农业实践中如深翻和使用重型农机，可能对这一复杂结构造成显著破坏。

该成果发表于《科学》杂志，揭示了健康土壤内部存在的微观孔隙网络——类似于毛细血管系统，有助于水分渗透至地层深处，并被植物根系有效吸收。

频繁的耕作操作以及重型农机碾压不仅会破坏土壤原有结构，还会削弱其对极端天气的适应能力，包括抗洪与抗旱。

研究人员采用了一种创新方法，在不破坏土壤结构的前提下对地下过程进行监测。他们将常规的光纤光缆——类似用于高速互联网通信的光缆——改造为传感器阵列，并部署于英国哈珀亚当斯大学的实验农场。

通过监测降雨引起的地表微小振动，研究人员得以实现每分钟级别的土壤水分动态追踪。

高精度光纤传感器的数据显示，经过深翻处理的土壤中，雨水更容易在地表层停留。由于缺乏深层渗透路径，水迅速蒸发，导致下层土壤持续干燥。

相反，未经人为扰动的土壤表现出了优异的渗透与储水能力，可将雨水快速导入深层，并在干旱期为植物根系提供持续水分。

研究团队提出了一种动态毛细应力模型，解释了土壤孔隙系统中“墨水瓶效应”的作用机制。该效应表明，水分进入土壤孔隙相对容易，但排出则受毛细力限制。

这种差异取决于土壤当前的湿度状态，即使总含水量保持不变，其结构稳定性也会发生变化。

与传统土壤力学模型不同，该模型引入了更多动态因素。传统模型通常将土壤强度视为总含水量的函数，而该模型则更全面地反映了土壤结构与水分行为之间的复杂关系。

“土壤并非仅仅是颗粒的集合，而是一种多孔介质，其结构在水循环中发挥着类似于毛细血管的作用。”石启斌博士指出。

研究结果凸显了对农业管理方式重新评估的紧迫性。过度翻耕和土壤压实不仅改变了颗粒分布，还破坏了土壤中维持水循环、呼吸能力和生态平衡的关键结构。

保护这些自然形成的微结构，对于提升作物在气候变化背景下对极端天气的适应能力至关重要。

该研究的创新之处在于引入了分布式光纤传感技术，以及农业地震学这一新兴领域，用于评估土壤水动力学状态，而无需物理扰动土壤。

通过“聆听”大地的声音，科学家与农民有望实现对土壤健康状况的实时诊断，并据此制定更加可持续的农业策略。

相关论文：

Shi Qibin et al., “Agroseismology and the Impact of Agricultural Practices on Soil Fluid Dynamics,”

Science

, 2026. DOI: 10.1126/science.aec0970.