中國科學家領銜揭示耕作方式如何影響土壤

作為全球農業與生態的基石，有地球“皮膚”之譽的土壤如何受耕作方式影響？長期以來頗受學界關注。

實現不破壞土壤實時監測

中國科學院地質與地球物理研究所施其斌副研究員領銜的國際研究團隊，最新研究運用被形象稱為光纖“聽診器”的分布式光纖傳感技術(DAS)，首次捕捉到農田土壤在分鐘級的結構波動，并通過獨創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。

本項研究成果藝術想象示意圖。中國科學院地質地球所供圖

北京時間3月20日凌晨，這項重要研究成果論文在國際學術期刊《科學》(Science)上線發表。研究團隊認為，未來，土壤的光纖傳感與人工智能(AI)技術相結合，或為規模化、精細化農業管理提供更多數據支撐。

論文第一作者和通訊作者施其斌介紹說，為實現可再生農業，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。本項研究中，研究團隊利用光纖“聽診器”，在不破壞土壤的前提下，實現連續、高分辨率的實時監測；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。

研究團隊發現，土壤中地震波傳播速度在降雨和蒸發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；波動反映了水分流動對土壤顆粒結構的獨特作用。

學科交叉研究提供新視角

研究團隊通過建立“土壤動態毛細應力”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。

施其斌表示，與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的“毛細血管”。借助新建模型，光纖數據能像計算機斷層掃描(CT)一樣還原土壤深處的孔隙網絡特征。

這項研究還通過地震學與農業科學的交叉，為科學認識植物與土壤的關系提供了新視角，發現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；免耕或干擾較少的土壤則能保證水分迅速滲流與儲存，為作物根部提供穩定供水。