土壤的水分状况是农业生产基础，决定着作物的生长态势与最终收成。来自中国科学院地质与地球物理研究所等单位的科研人员，利用分布式光纤传感技术，打造出一款土壤“听诊器”，首次实现对农田土壤水分波动的分钟级实时监测，为理解不同耕作方式对土壤健康的影响提供了全新视角。相关研究成果20日在线发表于《科学》杂志。
在不破坏土壤的前提下，如何精准掌握耕作方式对土壤结构的影响，是农学家长期以来面临的难题。为破解这一困境，研究团队将光纤铺设在农田土壤表面，通过捕捉大地背景噪声产生的地震波在土壤中的传播速度变化，来反推土壤颗粒结构的动态。
团队提出了全新的“土壤动态毛细应力”模型。论文第一作者兼通讯作者、中国科学院地质与地球物理研究所副研究员施其斌说：“与其将土壤视作简单的颗粒集合体，不如将其视为多孔介质，孔隙结构是维持水循环的‘毛细血管’。”借助这一模型，光纤监测数据能像CT扫描一样，清晰还原出土壤深处的孔隙网络特征。
这项技术还能“诊断”出不同耕作方式对土壤的改造痕迹。在传统频繁翻耕的区域，光纤数据显示，短暂的降雨导致水分淤积在浅表层难以渗透，随后又迅速蒸发散失。同时，农具的重压加速了浅层土壤的毛细抽水作用，加剧了水分流失。而在免耕或人为干扰较少的土壤中，水分能够迅速向下渗流并储存起来，像海绵一样为作物根系稳定供水。
施其斌表示，这项研究巧妙地将地震学观测手段应用于农业科学研究，为认识植物与土壤的相互作用提供了新视角。未来，光纤传感结合人工智能技术，有望实现对大范围农田土壤墒情的高精度、实时监测，为发展节水农业和精细化管理提供坚实的数据支撑。
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