光纤传感器揭示农业活动对土壤结构的深层影响

光纤传感器揭示农业活动对土壤结构的深层影响

土壤往往被人们简单地视为“土”，但事实上，它是一个充满活力的生态系统，具有类似天然海绵的功能。然而，来自中国科学院地质与地球物理研究所的石启斌博士与国际团队合作开展的一项最新研究发现，常规的农业行为，如深耕和使用重型机械，可能对这一复杂系统造成显著损害。

这项发表于《科学》的研究指出，健康的土壤内部具备一种天然的孔隙网络，这些微小通道构成了水分向下渗透的路径，使植物根系能够有效获取水分。

频繁的翻耕和拖拉机作业不仅会破坏土壤的物理结构，还会削弱其在极端气候条件下——如洪水或干旱——对作物的支撑能力。

为深入研究土壤内部过程，研究团队采用了一种创新方法，通过改造标准光纤电缆，将其部署于英国哈珀亚当斯大学的实验农田中，从而构建出一个高精度的地下监测系统。

利用该光纤阵列，研究人员能够捕捉雨水流动过程中引起的地面振动信号，从而实现对土壤水分动态的高时间分辨率观测。

分析结果显示，在频繁耕作的土壤中，雨水倾向于聚集在表层，由于浅层蒸发迅速，深层土壤则变得干燥。

而在自然状态下未受干扰的土壤中，水分吸收效率显著提升，能迅速渗透并储存在深层，为植物提供持续的水分供给。

为解释这些现象，研究团队提出了一种动态毛细应力模型，揭示出土壤孔隙结构中可能存在的“墨水瓶效应”：水容易进入孔隙，但难以流出。

这一效应源于毛细作用力对土壤强度的影响，而这种影响会随着土壤干湿状态的变化而不同，即使总体水分含量保持恒定。

该模型超越了传统土壤力学的基本假设，后者通常认为土壤强度主要由整体含水率决定。

石启斌博士指出：“土壤不应被看作松散颗粒的堆叠，而应理解为一种具备复杂孔隙结构的多孔介质，其功能类似于水循环中的毛细血管。”

这些发现为农业用地管理提供了新的视角。过度翻耕和土壤压实不仅改变了土壤颗粒的排列方式，还破坏了土壤的自然呼吸机制、水分循环路径和生态稳定性。

研究人员认为，保护土壤原有的结构对于提升作物应对气候剧烈变化的能力至关重要。

这项研究因其引入分布式光纤传感技术而受到关注，这种技术属于新兴的农业地震学领域，旨在非侵入性地评估土壤水力系统的健康状况。

通过“聆听”土壤的声音，科学家与农民得以实时了解土壤状态，并据此制定更具适应性的可持续农业策略。

研究论文标题为《农震学与农业实践对土壤流体动力学的影响》，发表于《科学》杂志（2026年）。DOI：10.1126/science.aec0970。链接：www.science.org/doi/10.1126/science.aec0970

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