中新網(wǎng)北京3月20日電 (記者 孫自法)作為全球農(nóng)業(yè)與生態(tài)的基石，有地球“皮膚”之譽(yù)的土壤如何受耕作方式影響？長(zhǎng)期以來(lái)頗受學(xué)界關(guān)注。
實(shí)現(xiàn)不破壞土壤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所施其斌副研究員領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，最新研究運(yùn)用被形象稱為光纖“聽(tīng)診器”的分布式光纖傳感技術(shù)(DAS)，首次捕捉到農(nóng)田土壤在分鐘級(jí)的結(jié)構(gòu)波動(dòng)，并通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的土壤結(jié)構(gòu)模型揭示了耕作方式對(duì)土壤水分變化過(guò)程的影響。
本項(xiàng)研究成果藝術(shù)想象示意圖。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球所 供圖北京時(shí)間3月20日凌晨，這項(xiàng)重要研究成果論文在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來(lái)，土壤的光纖傳感與人工智能(AI)技術(shù)相結(jié)合，或?yàn)橐?guī)?；?、精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理提供更多數(shù)據(jù)支撐。
論文第一作者和通訊作者施其斌介紹說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)可再生農(nóng)業(yè)，農(nóng)學(xué)家一直以來(lái)在探尋有效方式評(píng)估耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響。本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用光纖“聽(tīng)診器”，在不破壞土壤的前提下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高分辨率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過(guò)記錄大地背景噪聲產(chǎn)生的地震波，用以分析土壤結(jié)構(gòu)變化。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，土壤中地震波傳播速度在降雨和蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生高于預(yù)期數(shù)倍幅度的劇烈波動(dòng)；地震波在干燥土壤中比在濕潤(rùn)土壤中傳播更快；波動(dòng)反映了水分流動(dòng)對(duì)土壤顆粒結(jié)構(gòu)的獨(dú)特作用。
學(xué)科交叉研究提供新視角
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立“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。
施其斌表示，與其將土壤視作簡(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”。借助新建模型，光纖數(shù)據(jù)能像計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)一樣還原土壤深處的孔隙網(wǎng)絡(luò)特征。
這項(xiàng)研究還通過(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，發(fā)現(xiàn)不同耕作模式對(duì)土壤孔隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了截然不同的“改造”：在頻繁翻土區(qū)域，短暫降雨導(dǎo)致水分淤積在淺表層無(wú)法滲透，并迅速蒸散流失；農(nóng)具的重壓也加速了淺部土壤毛細(xì)應(yīng)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(chǔ)存，為作物根部提供穩(wěn)定供水。(完)