土壤是地球的“皮肤”，是全球农业与生态的基石。3月20日，中国科学院地质与地球物理研究所副研究员施其斌与国际合作者在发表于《科学》的一项研究中，运用分布式光纤传感技术首次捕捉到了农田土壤分钟级的结构波动，并通过独创的土壤结构模型，揭示了耕作方式对土壤水分变化过程的影响。

农学家一直以来在探寻有效方式来评估耕作对土壤结构的影响，以期实现可再生农业。现在，施其斌与合作者利用分布式光纤技术，分析土壤结构变化。“光纤就像密布在田间的灵敏‘听诊器’，仅需铺设一根细缆，就能在不破坏土壤的前提下，记录大地背景噪声产生的地震波，对土壤结构变化实现连续、高分辨率的实时监测。”论文第一作者兼通讯作者施其斌解释说。

研究发现，土壤中地震波传播速度在降雨和蒸发过程中产生高于预期数倍幅度的剧烈波动，地震波在干燥土壤中比在湿润土壤中传播更快，因为少量水膜产生的毛细应力增加了颗粒间的结构强度。这一波动反映了水分流动对土壤颗粒结构的独特作用。

基于此，研究者提出“土壤动态毛细应力”模型，指出由于土壤孔隙的“瓶颈效应”，在脱水和吸水过程中，即使含水量相同，毛细应力的分布也不同。“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’。”施其斌说。借助新模型，光纤数据能像CT扫描一样还原土壤深处的孔隙网络特征。

研究表明，不同耕作模式对土壤孔隙网络产生了截然不同的“改造”。在频繁翻土区域，短暂降雨导致水分淤积在浅表层无法渗透，并迅速蒸散流失；农具的重压也加速了浅部土壤毛细应力的抽水作用。而免耕或干扰较少的土壤则能保证水分迅速渗流与储存，为作物根部提供稳定供水。

合作团队表示，研究通过地震学与农业科学的交叉，为科学认识植物与土壤的关系提供了新视角。未来，土壤的光纤传感与人工智能技术相结合，或为规模化、精细化农业管理提供更多数据支撑。

分布式光纤传感揭示的耕作对土壤孔隙结构、水分变化的影响。地质地球所供图/科学网可视化团队绘

光纤布设过程。图片：美国华盛顿大学Marine Denolle

光纤所处的土壤状态。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aec0970