摘要：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。在一次跨学科的学术探讨之后，中国科学院地质与地球物理研究所的地震学研究团队，将分布式光纤传感（DAS）技术引入这片田野，进行了为期两天的对土壤地震噪声的采集，他们通过尖端的DAS技术与独创的土壤结构模型，首次实时捕捉到了农田土壤在分钟级的结构波动，揭示了耕作方式对土壤水分变化过程的影响。近日，该研究在Science上发表。

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

听诊地球“脉搏”：从背景噪声中重建土壤水分变化过程

土壤是地球的“皮肤”，更是全球农业与生态稳定的基石。长期以来，土壤水分的渗透与储存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。“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。而分布式光纤技术仅需铺设一根细缆，即可在不破坏土壤的前提下，实现连续、高分辨率的实时监测。”中国科学院地质与地球物理研究所韦生吉学科组的副研究员、论文第一作者兼通讯作者施其斌解释道。光纤化作密布在田间的灵敏“听诊器”，可用于记录大地背景噪声产生的地震波信号。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。

突破固有认知：引入“动态毛细应力”修正经典模型

土壤颗粒之间由水膜产生的“胶结力”称为毛细应力。从宏观上看，毛细应力增加了土壤颗粒之间的结构强度，使土壤变得更“硬”。在土壤水分下降过程中，毛细应力的作用逐渐增强，从而使地震波传播得更快。在过去的土壤水力学物理模型中，科学家往往认为土壤宏观上的结构强度主要受整体水分含量影响。但光纤数据实现时空密集覆盖后，传统模型无法解释高幅度波动。那么是什么让土壤的颗粒结构对水分的改变如此“敏感”呢？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，即使含水量相同，毛细应力的分布也不同。因此，“动态”毛细应力超越了传统的“静态”平衡状态。“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。借助这一新模型，光纤数据能够从观测到的土壤地震波速度，高效还原土壤深处的孔隙网络特征，从而为土壤中动态的水文过程提供了同步重建的可能。

图2 光纤布设过程（左）和光纤所处的土壤状态（右）。图片由 Marine Denolle 提供

分辨翻耕的影响：借助高分辨率传感器来判断最合适的耕作方式

研究团队进一步对比发现，长期以来农学家分区控制的不同耕作模式对土壤的孔隙网络产生了截然不同的“改造”。不同于我们的直觉，耕地虽然翻松了表土，却造成其下部致密，阻隔了土壤内部毛细管网一般的水流通道。在实验田频繁翻土耕作的区域，短暂降雨能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，并随之在日晒作用下迅速蒸散流失。同时，农具器械对土壤的重压也加速了浅部土壤毛细应力的抽水作用。相比之下，经历轻度干扰的土壤则能保证水分的迅速渗流与储存，为作物根部提供稳定供水。

对翻耕作用的精细化区分离不开分布式光纤传感的技术进步。在未来规模化农业管理中，需要继续发展这项既不干扰土壤、又能实时传感的技术，进一步与人工智能技术结合，最终实现立足于土壤健康状态来精细控制灌溉、耕地和修复等农耕方式的“因地制宜”。

跨界研究引发思考：土壤是生物体的“外器官”

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。植物与土壤之间相辅相成的紧密关系为发展长期可持续、具备旱涝灾害韧性的农业指明了方向。只有不再破坏这种天然的共生纽带，我们才能在变化的全球气候中守住粮食安全的红线。

研究成果发表于国际学术期刊Science（Qibin Shi, David R Montgomery, Abigail L S et al. Agroseismology and the impact of farming practices on soil hydrodynamics[J]. Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aec0970.）