光纤“听诊器”诊断农田土壤水分波动

土壤如同地球的“肌肤”，是支撑全球农业发展和生态平衡的根基所在。3月20日，由中国科学院地质与地球物理研究所牵头、联合国际科研力量组成的研究团队，采用分布式光纤传感技术（DAS），成功在分钟级时间尺度上实时观测到农田土壤结构的动态波动，并借助自主研发的土壤结构模型，阐明了不同耕作方式如何影响土壤水分的变化规律。

为推动农业可持续发展，农学家长期致力于探索科学评估耕作对土壤结构影响的方法。面对这一挑战，该研究团队创新性地运用分布式光纤技术，在保持土壤原状的前提下，实现了对土壤结构的连续、高精度实时监测。这一技术通过捕捉大地背景噪声产生的地震波信号，进而分析土壤结构的动态变化。

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。