土壤是地球的“皮膚”，更是全球農(nóng)業(yè)與生態(tài)的基石。近日，由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用分布式光纖傳感技術(shù)（DAS），首次實(shí)時(shí)捕捉到了農(nóng)田土壤在分鐘級(jí)的結(jié)構(gòu)波動(dòng)，并通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的土壤結(jié)構(gòu)模型揭示了耕作方式對(duì)土壤水分變化過(guò)程的影響。

為實(shí)現(xiàn)可再生農(nóng)業(yè)，農(nóng)學(xué)家一直以來(lái)在探尋有效方式評(píng)估耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響。針對(duì)這個(gè)難題，研究團(tuán)隊(duì)利用分布式光纖技術(shù)，在不破壞土壤的前提下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高分辨率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)記錄大地背景噪聲產(chǎn)生的地震波分析土壤結(jié)構(gòu)變化。

▲分布式光纖傳感揭示的耕作對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)、水分變化的影響

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，土壤中地震波傳播速度在降雨和蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生高于預(yù)期數(shù)倍幅度的劇烈波動(dòng)。少量水膜產(chǎn)生的毛細(xì)應(yīng)力增加了顆粒間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致地震波在干燥土壤中比在濕潤(rùn)土壤中傳播更快。這種波動(dòng)反映了水分流動(dòng)對(duì)土壤顆粒結(jié)構(gòu)的獨(dú)特作用。

研究團(tuán)隊(duì)提出“土壤動(dòng)態(tài)毛細(xì)應(yīng)力”模型，指出由于土壤孔隙的“瓶頸效應(yīng)”，在脫水和吸水過(guò)程中，即使含水量相同，毛細(xì)應(yīng)力的分布也不同。借助該模型，科研人員可以利用光纖數(shù)據(jù)像CT掃描一樣還原土壤深處的孔隙網(wǎng)絡(luò)特征。

▲光纖布設(shè)過(guò)程（左）和光纖所處的土壤狀態(tài)（右）

研究揭示，不同耕作模式對(duì)土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了截然不同的“改造”。在頻繁翻土區(qū)域，短暫降雨導(dǎo)致水分淤積在淺表層無(wú)法滲透，并迅速蒸散流失；農(nóng)具的重壓也加速了淺部土壤毛細(xì)應(yīng)力的抽水作用。而免耕或干擾較少的土壤則能保證水分迅速滲流與儲(chǔ)存，為作物根部提供穩(wěn)定供水。

研究通過(guò)地震學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)的交叉，為科學(xué)認(rèn)識(shí)植物與土壤的關(guān)系提供了新視角。未來(lái)，土壤的光纖傳感與人工智能技術(shù)相結(jié)合，或?yàn)橐?guī)模化、精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理提供更多數(shù)據(jù)支撐。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所

責(zé)任編輯：宋同舟