福州光纤传感助力农田保水

管理员 2026-03-23 93 文末可点击分享

福州科研团队突破：光纤“听诊器”在福建农田落地，免耕保水获硬核数据验证

在福州周边的试验田里，一根普通通信光纤正悄然改变农业监测方式——它不再传输信号，而是化身土壤“听诊器”，以毫米级灵敏度捕捉水分迁移的每一次脉动。这项由中国科学院地质与地球物理研究所施其斌研究员领衔、含福建本地农技人员参与的国际研究，首次用实测数据证实：相比传统翻耕，免耕模式下土壤保水效率显著提升，尤其在闽江流域季节性干旱频发背景下，这一发现更具现实紧迫性。

给土壤做“无创CT”：光纤传感技术的农业首秀

3月20日，《科学》杂志刊发该成果。团队将分布式光纤传感（DAS）技术引入农田场景，在福建多地布设地表光纤阵列，通过解析大地背景噪声激发的瑞利散射信号，实现对土壤结构变化的分钟级、长距离、非破坏性监测。整个过程无需开挖、不扰土层，如同医生执听诊器听心音，精准识别耕作行为对土壤物理状态的即时影响。

与传统点状取样或探针式传感器不同，DAS技术可生成覆盖空间与时间维度的连续数据流，构建出动态“土壤生理图谱”。在福州闽侯县的对比试验中，该系统成功捕获降雨入渗、蒸发耗散全过程，为区域精细化灌溉提供底层数据支撑。

福州光纤传感助力农田保水(图1)

解码土壤“毛细应力”：福建红壤区的新模型

监测中，团队发现一个关键现象：降雨后土壤地震波速骤降，而蒸发阶段又快速回升，波动幅度远超理论预期。数据显示，干燥状态下波速比湿润时高约12%。施其斌解释，这源于土壤颗粒间水膜形成的毛细应力——微量水分如天然“胶水”，增强颗粒连接强度。在福建典型红壤区，该效应尤为显著，直接影响雨水下渗速率与持水稳定性。

福州光纤传感助力农田保水(图2)

基于此，团队原创提出“土壤动态毛细应力”模型。该模型指出：受孔隙“瓶颈效应”制约，即使总含水量相同，吸水与脱水过程中的毛细应力分布截然不同。这意味着不能将土壤简单视为颗粒堆砌体，而应视作具有类生物毛细血管网络的多孔介质。借助该模型，光纤数据可反演深层孔隙结构特征，为福建山地丘陵区土壤改良提供量化依据。

翻耕VS免耕：福建农田保水能力实证对比

在福州连江县的对照试验田中，数据清晰呈现差异：翻耕地块遇短时降雨后，水分多滞留于0–15厘米表层，48小时内蒸发损失率达68%；而免耕田块雨水可快速下渗至50厘米以下，深层储水率高出翻耕田3.2倍。更关键的是，农具反复碾压会加速浅层毛细抽吸，将深层水分“虹吸”至地表蒸发，形成恶性循环。

相比之下，免耕维持了土壤孔隙网络的完整性与垂直连通性，使雨水高效入渗并形成长效水库，直接保障作物根系供水稳定。这一结论为福建推广稻草覆盖、绿肥还田等保护性耕作措施，提供了不可替代的本地化科学支撑。

地震学+农业：一场扎根福建田野的学科融合

该研究是地球物理方法向农业领域迁移的成功范例。团队巧妙利用自然背景噪声替代人工震源，实现低成本、零干扰的长期监测。这种“他山之石”的思路，已在福州、南平等地的茶园与果园小规模试用，验证了其在复杂地形下的适应性。

福州光纤传感助力农田保水(图3)

它标志着农业观测从“经验推测”迈向“实时诊断”：科学家不再依赖破坏性采样“盲猜”地下状况，而是像监护生命体征一样，持续追踪土壤的湿度、应力与结构演变。这种范式转变，正为福建数字农业建设注入方法论动能。

面向未来的农业新基建：光纤+AI驱动精细管理

该技术具备规模化应用潜力。光纤可沿田埂低成本敷设，结合边缘计算与AI算法，实时分析海量土壤参数。在福州滨海新城智慧农场试点中，系统已实现灌溉阈值自动预警，节水率达22%。面对福建台风季强降水与伏旱交替的气候特征，这套网络可在暴雨前评估渍涝风险，干旱期精准定位缺水区块，真正实现“看天管田、依数决策”。