人民網北京3月20日電 （記者趙竹青）記者從中國科學院獲悉，由中國科學院地質與地球物理研究所施其斌領銜的國際研究團隊3月20日在國際期刊《科學》上發(fā)表成果，該研究運用分布式光纖傳感技術首次捕捉到了農田土壤在分鐘級的結構波動，并通過獨創(chuàng)的土壤結構模型揭示了耕作方式對土壤水分變化過程的影響。

土壤是地球的“皮膚”，更是全球農業(yè)與生態(tài)的基石。為實現(xiàn)可再生農業(yè)，農學家一直以來在探尋有效方式評估耕作對土壤結構的影響。針對這個難題，研究團隊利用分布式光纖技術，在不破壞土壤的前提下，實現(xiàn)連續(xù)、高分辨率的實時監(jiān)測。通過記錄大地背景噪聲產生的地震波，用以分析土壤結構變化。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，土壤中地震波傳播速度在降雨和蒸發(fā)過程中產生高于預期數倍幅度的劇烈波動。地震波在干燥土壤中比在濕潤土壤中傳播更快，因為少量水膜產生的毛細應力增加了顆粒間的結構強度。研究團隊發(fā)現(xiàn)的波動反映了水分流動對土壤顆粒結構的獨特作用。

研究團隊提出“土壤動態(tài)毛細應力”模型，指出由于土壤孔隙的“瓶頸效應”，在脫水和吸水過程中，即使含水量相同，毛細應力的分布也不同?！芭c其將土壤視作簡單的顆粒集合體，不如將其視為多孔介質，孔隙結構是維持水循環(huán)的‘毛細血管’。”施其斌說。借助新模型，光纖數據能像CT掃描一樣還原土壤深處的孔隙網絡特征。

本項研究揭示，不同耕作模式對土壤孔隙網絡產生了截然不同的“改造”。在頻繁翻土區(qū)域，短暫降雨導致水分淤積在淺表層無法滲透，并迅速蒸散流失；農具的重壓也加速了淺部土壤毛細應力的抽水作用。而免耕或干擾較少的土壤則能保證水分迅速滲流與儲存，為作物根部提供穩(wěn)定供水。

這項研究通過地震學與農業(yè)科學的交叉，為科學認識植物與土壤的關系提供了新視角。未來，土壤的光纖傳感與人工智能技術相結合，或為規(guī)?；⒕毣r業(yè)管理提供更多數據支撐。