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土壤是地球的“皮膚”，它的保水能力直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。如今，一根細(xì)細(xì)的光纖化身農(nóng)田里的“聽(tīng)診器”，不僅能實(shí)時(shí)捕捉土壤水分的細(xì)微波動(dòng)，更揭秘了一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論：免耕、少干擾的農(nóng)田，保水效果遠(yuǎn)比頻繁翻土更好。
3月20日，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所施其斌領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在《科學(xué)》發(fā)表一項(xiàng)重大科研成果，首次用分布式光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田土壤分鐘級(jí)結(jié)構(gòu)波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為可再生農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了全新技術(shù)支撐。
“就像醫(yī)生用聽(tīng)診器診斷人體健康，我們的光纖‘聽(tīng)診器’，能捕捉到耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響?！笔┢浔蠼榻B，以往評(píng)估耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，要么會(huì)破壞土壤原貌，要么監(jiān)測(cè)精度低、無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)追蹤，這一直是農(nóng)學(xué)家們的困擾。
這次派上用場(chǎng)的“黑科技”，是分布式光纖傳感技術(shù)（DAS）。這套技術(shù)利用光纖本身作為傳感器，向光纖中發(fā)送激光脈沖，通過(guò)分析光纖內(nèi)部的瑞利散射信號(hào)，就能捕捉到沿線的振動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、連續(xù)、高靈敏度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且全程不破壞土壤分毫。研究團(tuán)隊(duì)將光纖鋪設(shè)在農(nóng)田表面，通過(guò)記錄大地背景噪聲產(chǎn)生的地震波，就能觀察土壤結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，相當(dāng)于給土壤做了一次“無(wú)創(chuàng)CT”。
監(jiān)測(cè)中，團(tuán)隊(duì)有了意外發(fā)現(xiàn)：土壤中地震波的傳播速度，在降雨和蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)超預(yù)期的劇烈波動(dòng)。干燥土壤中的地震波，比濕潤(rùn)土壤中傳播得更快。
分布式光纖傳感揭示的耕作對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)、水分變化的影響。地質(zhì)地球所繪圖
“這是因?yàn)樯倭克ぎa(chǎn)生的毛細(xì)應(yīng)力，會(huì)增加土壤顆粒間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，就像給松散的沙子加了一層‘黏合劑’?！笔┢浔蠼忉專@種波動(dòng)，正是水分流動(dòng)對(duì)土壤顆粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用的直接體現(xiàn)。
為了破解這一現(xiàn)象背后的原理，研究團(tuán)隊(duì)提出“土壤動(dòng)態(tài)毛細(xì)應(yīng)力”模型，指出由于土壤孔隙的“瓶頸效應(yīng)”，在脫水和吸水過(guò)程中，即使含水量相同，毛細(xì)應(yīng)力的分布也不同?！芭c其將土壤視作簡(jiǎn)單的顆粒集合體，不如將其視為多孔介質(zhì)，孔隙結(jié)構(gòu)是維持水循環(huán)的‘毛細(xì)血管’?！笔┢浔笳f(shuō)。借助新模型，光纖數(shù)據(jù)能像CT掃描一樣還原土壤深處的孔隙網(wǎng)絡(luò)特征。
更具現(xiàn)實(shí)意義的是，這項(xiàng)研究還揭開(kāi)了不同耕作方式對(duì)土壤的改造秘密。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，頻繁翻土的農(nóng)田，短暫降雨后水分會(huì)淤積在淺表層，無(wú)法向下滲透，只能快速蒸發(fā)流失；農(nóng)具的重壓，還會(huì)加速淺層土壤毛細(xì)應(yīng)力的抽水作用，讓土壤更難保住水分。反觀免耕或干擾較少的農(nóng)田，土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)更完整，能讓水分快速滲透并儲(chǔ)存起來(lái)，為作物根部提供穩(wěn)定的“水源”，這也為保護(hù)性耕作提供了科學(xué)依據(jù)。
這項(xiàng)研究通過(guò)地震學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)的交叉，為科學(xué)認(rèn)識(shí)植物與土壤的關(guān)系提供了新視角。未來(lái)，土壤的光纖傳感與人工智能技術(shù)相結(jié)合，或?yàn)橐?guī)?；⒕?xì)化農(nóng)業(yè)管理提供更多數(shù)據(jù)支撐。（光明網(wǎng)記者宋雅娟）
責(zé)任編輯：李俊博
