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校友科研传真｜2016 届本科毕业生施其斌在Science 发表重要成果：分布式光纤传感诊断农田土壤水分波动，揭示耕作方式对土壤的影响

花匠小妙招
2026-03-25 01:07

土壤是地球的“皮肤”，更是全球农业与生态稳定的基石。在英国哈珀亚当斯大学实验田里，农学家连续11年控制着翻耕的深度，以及农具器械在田间行驶时的胎压，探究可再生的手段来修复土壤健康度。但一直以来，农学家并没有有效的方式来确定耕作方式对土壤结构的影响。同时，土壤水分的渗透与储存也难以在田间尺度上进行高精度监测。传统手段往往受限于空间覆盖不足或观测时间不连续。为此，之前的地震学家也提出过利用地震仪提高观测时间分辨率的方法，但并不能解决空间分辨率的问题。此外，传统地震监测需逐点埋设仪器，不仅开挖扰动土壤，且离散采样难以覆盖不同状态的土壤的水分的快速变化。

图 1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。

由中国科学院地质与地球物理研究所、美国华盛顿大学、莱斯大学和英国哈珀亚当斯大学等组成的研究团队，在这一实验田里铺设了一根分布式光纤传感细缆，在不破坏土壤的前提下，对大地背景噪声实现了连续、高分辨率的观测。在农田环境中，降雨、渗透、排水和蒸散控制着土壤湿度，而湿度又影响着地震波传播的速度，因此地震波传播的速度可以用来反向推演土壤水文过程变化，以及土壤结构和环境的关系。

研究者发现，土壤中地震波传播速度在短暂降雨和后续蒸发过程中产生高于预期数倍幅度剧烈波动。这种超出地震学家直觉的波动反映了水分流动对土壤颗粒的一种独特作用。

土壤颗粒间由水膜产生的“胶结力”被称为毛细应力，它在宏观上增加了土壤的结构强度。在过往的水力学模型中，科学家认为土壤结构强度主要受整体含水量影响。然而，光纤数据实现时空密集覆盖后，传统模型已无法解释观测到的高幅度波动。针对这一挑战，研究团队提出“土壤动态毛细应力”模型：由于土壤孔隙的“瓶颈效应”，在脱水和吸水过程中，即便含水量相同，毛细应力的分布也存在差异。因此，“动态”毛细应力超越了传统的“静态”平衡状态。借助该模型，光纤数据能高效还原土壤深层的孔隙网络特征，为同步重建土壤动态水文过程提供了可能。

研究团队进一步对比发现，不同耕作模式对土壤孔隙网络产生了截然不同的“改造”。不同于直觉认知，翻耕虽然松动了表土，却易导致下部土体致密，阻隔了如毛细管网般的水流通道。在频繁翻耕的实验区域，降雨导致水分大量淤积在植物根部以上的浅表层，无法有效渗透至深部，并随之迅速蒸散流失。同时，农机具的重压也加速了浅部土壤毛细应力的抽水作用。相比之下，轻度干扰的土壤能保证水分迅速下渗与储存，为作物根部提供稳定的水分供应。

分布式光纤传感技术的进步，使得精细化区分翻耕作用成为可能。在未来规模化农业管理中，这项技术有望与人工智能结合，实现基于土壤健康状态的精准灌溉、耕作与修复，做到“因地制宜”。这项研究开创了“农业地震学”的跨界研究，呼吁重新思考植物与土壤的关系：植物的“外部器官”就是土壤。植物与土壤间的共生纽带，为发展具备旱涝灾害韧性的可持续农业指明了方向。该研究成果以“Agroseismology and the impact of farming practices on soil hydrodynamics”为题发表于国际学术期刊《Science》（DOI: 10.1126/science.aec0970）。施其斌作为第一及通讯作者，Marine Denolle 为共同通讯作者、共同作者还包括David R. Montgomery、Abigail L.S. Swann、Nicoleta C. Cristea、Ethan F. Williams、Nan You、Simon Jeffery、Joe Collins、Ana Prada Barrio、Paula A. Misiewicz、Tarje Nissen-Meyer。