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为解决沿海围垦区土壤结构受围垦活动影响大、孔隙结构定量表征难的问题，研究人员开展土壤孔隙结构缩放分析研究。对比灰度与二值 CT 图像的分析结果，发现 MFA 和 ΔE 参数不同，明确不同图像适用方法，对研究土壤结构意义重大。
在广袤的沿海地区，围垦区作为重要的后备土地资源，其合理开发对缓解耕地短缺问题意义非凡。以江苏为例，过去的一个世纪里，通过围垦增加了 126,700 hm2 的农业用地，有力保障了当地的耕地数量。然而，沿海围垦区的耕地土壤形成时间较短，在围垦活动的影响下，土壤结构极易发生显著变化，进而影响土壤的各项功能。土壤孔隙结构在其中起着关键作用，它影响着土壤的通气性、透水性以及养分的储存和传输等。因此，精确获取并定量描述土壤孔隙结构，对于深入了解围垦活动对沿海盐碱地土壤结构的影响至关重要。
以往研究土壤孔隙结构的方法存在诸多不足。计算机断层扫描（CT）技术虽作为一种无损研究方法逐渐受到关注，能够近实时地提供土壤孔隙空间结构的定性和定量信息，但在基于 CT 图像的研究中，多聚焦于二值图像。二值图像阈值确定的准确性限制了其分形 / 多重分形维度的精度，而且二值图像并非在所有研究尺度上都呈现自相似性。此外，尽管多重分形分析（MFA）在研究土壤结构复杂性和异质性方面有一定应用，但现有研究并未详细比较灰度和二值图像的多重分形特征。同时，MFA 要求研究对象具有尺度不变性，而二值图像仅在大尺度上满足这一特性，在小尺度下获取的分形参数并不可靠，需要其他多尺度分析工具辅助。
为了解决这些问题，来自国内的研究人员开展了一项针对沿海围垦区土壤的研究。他们旨在探究不同缩放分析方法和 3D 图像类型（灰度和二值图像）对揭示土壤孔隙结构特征的影响，从而找到获取孔隙结构信息的最佳方法，并分析不同采样深度和围垦年限下土壤孔隙缩放参数的差异，明确影响孔隙缩放参数的因素。该研究成果发表在《CATENA》上，为土壤科学领域的研究提供了新的思路和方法。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，在江苏的滨海县（120.34°E，34.11°N）、东台市（120.96°E，32.76°N）和如东县（121.00°E，32.50°N）三个典型围垦区进行采样。在每个区域选取不同围垦年限（10 - 20 年、20 - 60 年、60 - 80 年）的地块，获取土壤样本。然后，对土壤样本进行 CT 扫描，得到灰度和二值的 CT 扫描图像。最后，运用 MFA 和相对熵（ΔE）两种分析方法对图像进行处理和分析。
下面来看具体的研究结果：
- MFA 分析灰度和二值图像：确定 MFA 研究的尺度范围是关键步骤。研究发现，灰度图像中 ln (χ(q))、ln (ε) 在 8 - 512 像素范围内呈现明显的线性关系；而二值图像中，这种线性关系仅出现在 64 - 512 像素。因此，研究人员选取 8 - 512 像素对灰度图像进行 MFA 分析，选取 64 - 512 像素对二值图像进行 MFA 分析。
- 灰度和二值图像的多重分形特征：通过 MFA 分析，发现灰度图像的 3D 多重分形谱更宽，且呈现明显的右偏不对称性。这表明灰度图像中的孔隙结构更为复杂，孔隙分布也更不均匀。这是因为灰度图像每个像素具有不同的灰度级，包含更多信息；而二值图像仅有两个灰度级。相比之下，ΔE 在二值图像中能更好地展现孔隙的异质性。
- 不同深度和围垦年限土壤孔隙缩放参数差异：研究对比了不同深度土壤（表层土 0 - 20 cm 和深层土 20 - 60 cm）的孔隙缩放参数。结果显示，表层土具有更高的幅度（Δα）值、更小的不对称性（Δf）值、更大的最大 ΔE 值和更宽的 ΔE 范围。这表明围垦活动显著改善了表层土的孔隙结构，使其孔隙的复杂性和异质性增强。进一步分析发现，围垦活动导致的土壤容重降低和土壤有机质增加，是增强孔隙复杂性和异质性的主要因素。然而，不同围垦年限的土壤样本之间，缩放参数的差异并不显著。
- 孔隙缩放参数与土壤参数的相关性：研究还发现，孔隙缩放参数与土壤理化性质及孔隙结构参数之间的相关性在统计学上显著（p < 0.05）。通过 MFA 和 ΔE 分析，可以获取土壤孔隙的形态信息，简化研究的孔隙参数。但孔隙连通性密度与孔隙缩放参数之间没有显著关系，这一结果可作为孔隙结构信息的补充。
综上所述，该研究深入探究了灰度和二值图像的多重分形特征及 ΔE，明确了不同图像在研究土壤孔隙结构尺度特征时的适用方法。以沿海盐碱土为研究对象，分析了孔隙缩放参数随深度和围垦年限的变化规律，揭示了孔隙缩放参数与土壤理化性质和结构参数之间的关系。这不仅为研究土壤孔隙结构提供了更科学、准确的方法，也为深入理解围垦活动对土壤结构的影响奠定了理论基础，对沿海围垦区土壤资源的合理利用和保护具有重要的指导意义。在未来的研究中，可以进一步拓展研究区域和样本类型，深入探究不同环境因素对土壤孔隙结构的综合影响，为土壤科学领域的发展提供更多有价值的参考。
