光纤传感器揭示农业活动对土壤结构的深远影响
土壤，常被人们视为普通的“土”，实际上是一个充满活力的生态系统，发挥着类似地球天然海绵的生态功能。然而，中国科学院地质与地球物理研究所石启斌博士及其国际研究团队发现，当前普遍的农业作业方式，如深耕和重型机械的频繁使用，可能严重扰乱这一复杂系统的自然结构。
这项最新研究成果发表于《科学》杂志，揭示了健康土壤中存在一个精密的“孔隙网络”。这些微小的通道和孔隙构成了地下水流的天然路径，使水分能够渗透至深层，被作物根系高效吸收。
频繁的耕作及重型拖拉机的碾压不仅破坏土壤的物理结构，还削弱了其在面对极端气候（如洪涝与干旱）时的调节能力。
为了非侵入性地监测土壤内部的动态变化，研究团队创新性地将标准光纤电缆改造成分布式传感器阵列。这些电缆与用于高速网络通信的光缆类似，被部署于英国哈珀亚当斯大学的实验农场内。
研究人员通过监测降水引发的微小地表振动，实现了对土壤水分流动的分钟级跟踪。
高精度光纤数据表明，经过频繁耕作的土壤中，降水常在表层积聚，水分难以渗透到深层。在阳光照射下，这些表层水迅速蒸发，导致下层土壤持续干燥。
相较之下，未经干扰的原生土壤展现出良好的渗透与储水能力，能够迅速吸收降水并将其存储在深层，为干旱期植物提供稳定的水源。
为了进一步解释这些现象，研究团队提出了一种动态毛细应力模型，揭示了土壤孔隙中潜在的“墨水瓶效应”：水分可轻易进入孔隙，但难以从中排出。
这种效应与毛细作用密切相关，土壤在湿或干的状态下表现出不同的力学特性，即使总含水量保持不变。
该模型比传统的土壤力学理论更为复杂，后者通常仅基于土壤总含水量判断其强度。
石启斌博士指出：“土壤并非简单的颗粒堆积物，而是一种具有多孔结构的介质，其内部孔隙在水循环中扮演着类似毛细血管的角色。”
研究结果表明，当前的农业实践亟需重新评估。过度耕作和土壤压实不仅改变了颗粒排列，还破坏了维持土壤呼吸、水文循环与生态稳定的关键结构。
保护这些天然结构，对提升作物在极端气候条件下的适应能力至关重要。
该研究的另一亮点在于引入了分布式光纤传感与农业地震学理念。这些新兴技术为评估土壤水文系统的健康状况提供了非破坏性解决方案。
通过“聆听”土壤的声音，科研人员与农民能够实时掌握土壤状态，进而制定更具弹性的可持续农业策略。
石启斌等，《农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