南京大学地球科学与工程学院徐金建、唐朝生教授团队联合新加坡南洋理工大学、中科院青海盐湖研究所等机构，在《Geoderma》期刊（2024年卷452期，文章编号117090）发表了一项关于土壤干裂监测的创新研究。该研究提出了一种基于光学频域反射技术（OFDR）和主动热光纤传感（AHFO）的新型地理物理监测框架（AH-OFDR框架），旨在解决极端干旱条件下土壤干裂的实时分布式监测难题。

学术背景
全球变暖导致极端干旱事件频发，土壤干裂会引发土体强度弱化、边坡失稳等地质灾害，并加速水分蒸发和污染物迁移。传统干裂监测方法（如人工测量、数字图像处理）存在效率低、难以捕捉地下裂纹等缺陷，而现有的地球物理技术（如地质雷达、电阻率成像）又受限于分辨率或适用场景。为解决这些问题，研究团队开发了结合主动加热与分布式光纤传感的AH-OFDR框架，其核心通过热传导差异实现裂纹位置与宽度的精准反演。

研究流程与方法
1. 实验室校准
- 使用恒温水浴槽和PT100温度传感器对铜网加热光缆（CMHC）进行温度测量校准，验证OFDR技术的温度测量精度（±0.1°C）和空间分辨率（1毫米）。数据分析显示OFDR与参考传感器的温度变化呈强线性关系（R²>0.99），并确定了1.4071的温度校正系数。

1. 野外监测验证

   • 在南京仙林校区布设5组预制裂缝（宽度0.01-0.12米），将CMHC埋设于地下0.1米处，以8W/m功率加热6分钟。通过OFDR分析温度场变化，发现裂缝中点温度显著高于周围土壤，且温度-时间曲线呈现四个阶段：快速加热（0-2分钟）、缓速加热（2-4分钟）、稳定阶段（4-6分钟）和冷却阶段（6-9分钟）。数据显示裂纹宽度与稳态温度呈非线性正相关（如0.01米裂缝温升2.77°C，而0.12米仅增0.38°C/0.01米）。

2. 数值模拟拓展

   • 采用FreeFEM++软件建立热传导模型，模拟不同裂纹宽度（0.01-0.50米）和间距（0.05-1.00米）下的温度场。结果不仅验证了野外数据，还揭示了关键阈值：当裂缝宽度超过0.30米时，温度变化趋于饱和（因热传导转为以空气为主导的一维模式）。此外，裂缝间距小于0.30米时会显著影响邻近区域的温度分布。

3. 敏感性分析

   • 通过数值实验证明AH-OFDR对0.05米间距的微裂纹仍具分辨能力，但裂纹宽度预测精度在间距超过0.30米时更高。土壤块体中心温度受裂缝影响的最大距离为0.4米。

主要结果
- 技术性能：AH-OFDR框架实现了毫米级空间分辨率（1毫米）和±0.1°C的温度精度，可检测0.01-0.50米宽的裂缝。 - 阈值效应：发现0.30米的临界裂缝宽度阈值，超过此值后温度变化对宽度增量的敏感性显著降低。 - 热传导机制：窄裂缝（<0.30米）的热扩散受土壤与空气共同作用，而宽裂缝（≥0.30米）表现为空气主导的一维传导。

结论与价值
该研究创立了首个基于主动加热-OFDR的土壤干裂分布式监测体系，其科学价值体现在三方面：
1. 方法论创新：将线热源模型与光纤传感结合，突破了传统技术对地下裂纹监测的局限；
2. 理论突破：明确了土壤-空气热传导差异的定量关系，提出裂纹宽度预测的指数模型（*W_c = a·e^(bT_c)*）；
3. 应用潜力：为边坡稳定性评估、农业基础设施维护提供了高分辨率实时监测方案，并可扩展至土壤含水量、地下水流速等参数测定。

研究亮点
- 技术先进性：相较传统分布式温度传感（DTS）技术，空间分辨率提升100倍（从0.1米至0.001米）；
- 多学科融合：综合地球物理学、光纤传感和数值模拟方法；
- 工程适用性：CMHC设计实现测温与加热功能一体化，适用于野外复杂环境。

其他价值
研究还探讨了AH-OFDR在生态水文过程（如干旱区蒸发量评估）和地质灾害预警（如裂缝网络三维重构）中的潜在应用，为后续研究提供了跨学科技术范例。