分布式光纤传感揭示农业活动对土壤结构的深远影响
土壤通常被视为普通的“土”，实则是一个活跃且充满生命的生态系统，其功能类似于地球的天然储水结构。中国科学院地质与地球物理研究所石启斌博士与国际研究团队合作开展的新研究指出，传统农业操作，例如深翻和使用重型机械，可能对这一关键生态体系造成显著破坏。
研究成果发表于《科学》期刊，揭示了健康土壤内部复杂的“孔隙网络”。这种微结构网络有助于水分渗透至地下较深部位，便于植物根系吸收。
然而，反复的翻耕和大型农机的频繁作业不仅会破坏土壤原有的结构，也会削弱其调节水分、应对极端天气的能力。
研究团队采用了一种创新方法，通过改造常规光纤光缆，将其部署于英国哈珀亚当斯大学的试验田中，形成了一个非侵入式的大规模传感网络。该技术借鉴了光纤通信基础设施，具备高空间分辨率。
利用分布式光纤传感系统，科研人员能捕捉到降雨过程中土壤产生的细微振动，实现对水分运移路径的分钟级监测。
研究数据表明，经过重耕的土壤往往使降水在表层聚集。由于水层较浅，阳光下的快速蒸发导致深层土壤变得干燥，影响水分的长期储存。
而在未受干扰的自然土壤中，水分可以迅速渗透并储存在深层，为植物在干旱条件下提供持续水源。
为解释上述现象，团队提出了一种动态毛细应力模型，引入“墨水瓶效应”概念——即水分进入孔隙相对容易，但要从中排出则需克服较大的毛细阻力。
这种效应使得土壤在不同含水状态下呈现出不同的力学性质，即使总体含水量不变，其结构稳定性也会发生显著变化。
传统土壤力学模型通常仅关注总体水分含量，而新模型考虑了微观结构对力学行为的影响，显著提升了理论的描述精度。
石博士指出，土壤不应被简单看作颗粒的堆积，而应理解为一种多孔介质，其结构在水循环中扮演着类似毛细血管的关键角色。
研究强调，农业用地的管理策略亟需重新审视。过度耕作和机械压实不仅改变土壤颗粒的排列，更破坏了土壤中维持水分传输和生态稳定的微观“机械键”。
研究人员表示，保护这些自然形成的结构，对于提升农作物在气候变化背景下的适应能力至关重要。
这项研究的创新之处在于引入了分布式光纤传感技术，并推动了“农业地震学”这一新研究方向的发展，旨在通过非侵入手段评估土壤水文系统的健康状态。
通过“聆听”土壤内部的微弱震动，科研人员与农户可实现对农业土壤的实时诊断，从而优化耕作方式，推动可持续粮食生产。
石启斌等，《农业地震学与农业实践对土壤流体动力学的影响》，科学，2026年。DOI：10.1126/science.aec0970。更多信息请访问：www.science.org