土壤的水分狀況是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)，決定著作物的生長態(tài)勢與最終收成。來自中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所等單位的科研人員，利用分布式光纖傳感技術(shù)，打造出一款土壤“聽診器”，首次實現(xiàn)對農(nóng)田土壤水分波動的分鐘級實時監(jiān)測，為理解不同耕作方式對土壤健康的影響提供了全新視角。相關(guān)研究成果20日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
在不破壞土壤的前提下，如何精準(zhǔn)掌握耕作方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響，是農(nóng)學(xué)家長期以來面臨的難題。為破解這一困境，研究團隊將光纖鋪設(shè)在農(nóng)田土壤表面，通過捕捉大地背景噪聲產(chǎn)生的地震波在土壤中的傳播速度變化，來反推土壤顆粒結(jié)構(gòu)的動態(tài)。
團隊提出了全新的“土壤動態(tài)毛細(xì)應(yīng)力”模型。論文第一作者兼通訊作者、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員施其斌說：“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(zhì)，孔隙結(jié)構(gòu)是維持水循環(huán)的‘毛細(xì)血管’。”借助這一模型，光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)能像CT掃描一樣，清晰還原出土壤深處的孔隙網(wǎng)絡(luò)特征。
這項技術(shù)還能“診斷”出不同耕作方式對土壤的改造痕跡。在傳統(tǒng)頻繁翻耕的區(qū)域，光纖數(shù)據(jù)顯示，短暫的降雨導(dǎo)致水分淤積在淺表層難以滲透，隨后又迅速蒸發(fā)散失。同時，農(nóng)具的重壓加速了淺層土壤的毛細(xì)抽水作用，加劇了水分流失。而在免耕或人為干擾較少的土壤中，水分能夠迅速向下滲流并儲存起來，像海綿一樣為作物根系穩(wěn)定供水。
施其斌表示，這項研究巧妙地將地震學(xué)觀測手段應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，為認(rèn)識植物與土壤的相互作用提供了新視角。未來，光纖傳感結(jié)合人工智能技術(shù)，有望實現(xiàn)對大范圍農(nóng)田土壤墑情的高精度、實時監(jiān)測，為發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和精細(xì)化管理提供堅實的數(shù)據(jù)支撐。
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