土壤常被视为普通“泥土”，但研究人员指出，土壤实际上是一个动态的生命系统，并在水分调蓄方面发挥类似“天然海绵”的作用。中国科学院地质与地球物理研究所施启斌博士与国际合作伙伴开展的一项研究显示，深耕等频繁耕作方式以及重型机械使用，可能显著破坏土壤的自然结构。
这项研究发表在《科学》杂志上。研究结果表明，健康土壤内部存在由微观孔隙和通道组成的天然“管道”网络，可使水分向下渗透并进入更深层土体，为植物根系提供水源。研究团队指出，频繁耕作或重型拖拉机碾压不仅会扰动土壤结构，还会降低土壤帮助作物抵御洪涝与干旱的能力。
在方法上，研究团队采用了一种无需挖掘即可观测地下过程的技术路线。他们将高速互联网网络中常见的标准光纤电缆改造为大规模传感器阵列，并将其安装在英国哈珀亚当斯大学的一处实验农场。通过检测水流引发的微小地面振动，该阵列可用于实时追踪水分在土壤中的流动。
基于高分辨率光纤数据，研究人员观察到，在重度耕作的土壤中，降雨更容易在表层积聚；由于水分停留较浅，在阳光作用下更快蒸发，导致深层土壤趋于干燥。相较之下，未受扰动的土壤表现为更高效的天然过滤系统，能够更快吸收水分并将其储存在深层，从而在干旱时期为植物提供可利用水源。
为解释上述差异，研究团队提出动态毛细应力模型，并假设土壤孔隙结构中存在“墨水瓶效应”，即水分进入孔隙相对容易，但排出更为困难。研究人员认为，这与毛细力对土壤结合强度的影响有关，而这种强度会随土壤处于干燥或湿润状态而变化，即便总体含水量保持不变。研究团队表示，该模型较传统土壤力学框架更为复杂，后者通常将土壤强度主要归因于总含水量。
施启斌表示，土壤并非简单的颗粒集合体，而是一种多孔介质，其结构在水循环中发挥类似毛细血管的作用。研究团队据此强调，需要重新审视农业土地管理方式：过度耕作与重型机械导致的土壤压实，不仅是土壤颗粒的重新排列，还会破坏土壤呼吸、循环水分与维持生态稳定所依赖的“无形机械键”。
研究人员指出，保护这些自然结构对于帮助作物适应气候变化驱动下日益极端的天气条件至关重要。研究还引入分布式光纤传感技术，并将其置于更广泛的“农业地震学”应用框架中，用于在不破坏土地的情况下评估土壤水系统的健康状况。研究团队认为，通过对地表微振动的持续监测，科学家与农户有望实现对农业土壤状况的实时“诊断”，从而支持更具韧性的可持续粮食生产策略。
