SENSORIAMENTO PROXIMAL DO SOLO:
MACERAÇÃO DAS AMOSTRAS COMO TÉCNICA
DE PREPARO
Proximal soil sensing: maceration as a sample preparation
technique
Walquíria Chaves da Silva1
Alexandre ten Caten2
Evandro Loch Boeing3
André Carnieletto Dotto4
Jean Michel Moura Bueno5
1
Universidade Federal de Santa Catarina campus Curitibanos
Discente do curso de Agronomia
[email protected]
2
Universidade Federal de Santa Catarina campus Curitibanos
Dr. Professor Adjunto do Departamento de Ciências Biológicas e Veterinária
[email protected]
3
Universidade Federal de Santa Catarina campus Curitibanos
Discente do curso de Engenharia Florestal
[email protected]
4
Universidade Federal de Santa Maria
Doutorando em Ciência do Solo
[email protected]
5
Universidade Federal de Santa Maria
Mestrando em Ciência do Solo
[email protected]
RESUMO
O Sensoriamento Proximal (SP) do solo tem sido aplicado como mais uma
alternativa para a coleta de dados sobre os solos. O SP é uma abordagem que
possibilita a coleta de dados em um grande volume de amostras com menor uso de
insumos de laboratório, mão de obra e recursos financeiros. A aplicação da técnica
de Espectroscopia de Reflectância Difusa (ERD) permite que uma série de
constituintes do solo sejam simultaneamente caracterizados através de uma única
amostra radiométrica. Muitos pesquisadores têm demonstrado interesse pela ERD,
sendo essa uma técnica promissora na obtenção de informação do solo. No entanto,
alguns autores, antes de realizar as leituras radiométricas, apenas peneiram as
amostras de solo em malhas de 2 mm, outros moem as amostras no almofariz com
pistilo. Nesse contexto, o objetivo do presente estudo é avaliar o impacto da
maceração como técnica de preparo das amostras e com isso determinar se existe
diferença significativa nos dados gerados a partir dos dois métodos de preparo das
amostras. As amostras utilizadas no estudo foram coletadas na bacia hidrográfica do
Rio Marombas, localizada na mesorregião Serrana do Estado de Santa Catarina,
onde foi realizada a descrição dos perfis de solo e coleta das amostras em diferentes
profundidades. Foram coletadas 20 amostras, sendo ambas divididas em dois
grupos: (i) amostras TFSA (terra fina seca ao ar) sendo estas somente secas ao ar e
peneiradas com malha de 2 mm; (ii) amostras moídas no almofariz, que além de
serem secas ao ar, previamente peneiradas a 2 mm foram submetidas a moagem, por
10 minutos, em um almofariz de ágata com auxílio de um pistilo. Posteriormente
todas as amostras foram devidamente identificadas e acondicionadas em placas de
petri de 9 cm de diâmetro. Para obtenção de medidas espectrais em laboratório foi
utilizado um espectrorradiômetro do tipo portátil FieldSpec HandHeld II (ASD), que
opera na faixa de 325 a 1075nm, sendo realizadas 12 leituras radiométricas em cada
amostra, em uma configuração padronizada entre fonte de radiação e o
espectrorradiômetro em ambiente controlado. As análises laboratoriais das amostras
de solo foram determinadas conforme a metodologia da Embrapa. As assinaturas
espectrais de cada amostra foram submetidas ao programa Unscrambler X v.10.3
para tratamento das curvas e tabulação dos valores de reflectância nas faixas de 400,
500, 600, 700, 800, 900 e 1000 nm para o teste t-Student. Entre os resultados
encontrados podemos destacar que as amostras de solos apresentam um decréscimo
do conteúdo de carbono orgânico em profundidade, o que implicam em amostras de
solos menos escuras e com maior reflectância. A moagem das amostras de solo no
almofariz implica em um menor efeito de sombreamento entre os agregados de solos
nas amostras, com isso há um aumento da reflectância nas amostras moídas. Esse
comportamento foi verificado em todas as amostras de solos independente do
conteúdo de matéria orgânica das amostras. Foi possível verificar ainda que, as
assinaturas espectrais, nas faixas do espectro testadas, foram estatisticamente
distintas entre as amostras TFSA e moídas, conforme constato através do teste tStudent. A pesquisa na aplicação do SP para a determinação dos constituintes de
solo é fundamental para que seja definido o melhor protocolo de aplicação desta
técnica, que por sua vez, poderá resultar na diminuição do uso de reagentes em
laboratórios de rotina de solos.
Palavras chaves: Radiometria, Mapeamento Digital de Solo, Pedometria,
Espectroscopia de Reflectância Difusa.
ABSTRACT
Proximal Soil Sensing (PSS) soil has been applied as a new approach towards
acquiring soil information . PSS is an approach that enables the collection of data in
a large volume of samples with less use of laboratory inputs, labor and financial
resources. The application of the diffuse reflectance spectroscopy (DRS) technique
allows a series of soil constituents to be simultaneously characterized by a single
radiometric sample. Many researchers have shown interest in DRS, this is a
promising technique in obtaining soil information. However, some researchers,
before performing radiometric sampling, only sift the soil samples through a 2 mm
mesh, others grinde the samples in mortar and pistil. In this context, the objective of
this study was to evaluate the impact of maceration as sample preparation method
and to determine whether there are significant differences in the generated data by
those two methods of sample preparation. The samples used in the study were
collected at the Marombas river basin, located in the middle region of the state of
Santa Catarina, where the description of soil profiles and collection of soil samples,
in different depth, were carried out. A total of 20 samples were collected and lately
divided into two groups: (i) samples TFSA air-dried and sieved with a 2 mm mesh;
(ii) grounded in mortar samples, besides being air-dried, were subjected to
grounding in an agate mortar with the aid of a pistil for 10 minutes. Posteriorly the
samples were properly identified and placed in petri dishes 9 cm diameter. For
spectral measurements in laboratory a portable spectroradiometers FieldSpec
HandHeld II (ASD) was used, which operates the range of 325 to 1075 nm. Every
sample was read 12 times with a 30° turn in the petri dish. Radiometric readings
were performed in a standardized configuration between a light source and the
spectroradiometers. Laboratory analysis of soil samples have been determined
according to the methodology of Embrapa. The spectral signatures of each sample
was subjected to Unscrambler X v.10.3 program for treatment and data tabulation of
the reflectance values in the ranges 400, 500, 600, 700, 800, 900 and 1000 nm for
Student’s t-test. Among the results we can say that the soil samples show a decrease
of the organic carbon content in with depth, which imply in lighter soil samples and
with more reflectance. The grounding of soil samples in mortar implies a lower
shadowing effect between soil aggregates in the samples, thus there is an increased
reflectance in the milled samples. This behavior was observed in all samples
independent of the soil organic carbon contend. It was possible to verify that the
spectral signatures, in the tested spectrum bands, were statistically different between
the TFSA and milled samples. Research into the application of the PSS for the
determination of soil constituents is essential for a better protocol for application of
this technique, which in turn, could result in a decreasing use of chemicals in routine
soil laboratories.
Keywords: Radiometry, Digital Soil Mapping, Pedometrics, Diffuse Reflectance
Spectroscopy.
1. INTRODUÇÃO
O sensoriamento proximal do solo tem despertado interesse de
pesquisadores, pois apresenta vantagens em relação aos métodos de análises
tradicionais. Sendo uma das técnicas mais eficientes de obtenção de informações do
solo, econômicas, reproduzíveis e disponíveis no século 21, conforme Shepherd e
Walsh (2002). Isso se deve pelo fato que esta ferramenta permite grandes avanços
nas pesquisas relacionadas à agricultura de precisão, assim como, facilitará o
Mapeamento Digital de Solos em grande escala. Outra vantagem é que os dados
podem ser armazenados em tempo real em um computador o que facilita a
construção de bases de dados espectrais de solos (LOPES, 2009). O sensoriamento
proximal do solo é discutido em detalhes por Viscarra Rossel et al. (2010) sendo
motivado pela necessidade de informações espaciais dos solos em alta resolução.
Esses autores demonstram que já são comuns mapeamentos de solos de alta
resolução, em que são aplicadas formas de detecção proximal do solo, desse modo o
sensoriamento proximal permite medições em altas densidades, sendo realizadas
medidas in-situ e ex-situ (campo e laboratório).
De acordo com Ben-Dor et al. (2009) a Espectroscopia de Reflectância
Difusa (ERD) tem conquistado espaço como uma opção de análise de propriedades
do solo, tornando-se um marco importante e promissor na Ciência do Solo. A
técnica pode ser utilizada como alternativa para melhorar, ou até mesmo, substituir
os métodos de análise tradicionais realizados no laboratório. Além disso, as leituras
radiométricas não requerem o uso de produtos químicos, o que é uma vantagem do
ponto de vista ambiental.
No preparo das amostras de solo, alguns autores antes de realizar as leituras
radiométricas, usam apenas peneirar as amostras em malhas de 2 mm, outros usam
moer as amostras no almofariz com pistilo. Wetzel (1983) concluiu que o tamanho
das partículas, a forma e os espaços vazios entre os agregados constituintes do solo
podem afetar a transmissão de luz e, por conseguinte a sua reflectância. Dalal e
Henry (1986) estudaram a energia que é refletida em solos, os autores argumentaram
que o tamanho da partícula, teor de umidade e matéria orgânica afetam a reflexão da
energia radiante, descobriram também que a reflectância aumentou
exponencialmente com a diminuição do tamanho da partícula até 0,4 mm. Essas
referências indicam que a qualidade das leituras radiométricas dependem do método
utilizado para o preparo das amostras. Nesse contexto, o objetivo do presente estudo
foi o de avaliar o impacto da maceração como técnica de preparo das amostras e
com isso determinar se existe diferença significativa nos dados gerados a partir dos
dois métodos de preparo das amostras.
2. MATERIAL E MÉTODOS
As amostras utilizadas no estudo foram coletadas na bacia hidrográfica do
Rio Marombas (Fig. 1), a referida bacia hidrográfica está localizada na mesorregião
Serrana do Estado de Santa Catarina (Curitibanos – SC), onde foi realizada a
descrição dos perfis e coleta das amostras de solo.
Fig. 1 – Locais de descrição dos perfis e coleta das amostras de solos. Coordenadas
Geográficas – Latitude: 27º21’23.78’’S; Longitude: 50º43’58.71’’O –
SIRGAS2000.
A descrição dos perfis de solo foi conduzida conforme as recomendações
de Lemos e Santos (1996) e a coleta das amostras foram realizadas em diferentes
profundidades (Fig. 2).
Fig. 2 – Perfil de solo descrito com a indicação dos horizontes pedogenéticos e das
profundidades em centímetros.
Nas amostras de solo foram realizadas análises físicas e químicas, a saber:
os valores de pH do solo em água e em KCl; o teor de carbono orgânico total (COT);
os teores de cálcio, magnésio, óxidos de ferro, potássio trocável, acidez potencial,
alumínio trocável e pela análise granulométrica foram determinadas areia, silte e
argila, sendo realizado os procedimentos de acordo com a metodologia proposta pela
Embrapa (1997).
Para obtenção dos dados espectrais foi utilizado um espectrorradiômetro do
tipo portátil FieldSpec HandHeld II (ASD), que recobre a faixa espectral entre 325 e
1075 nm (Fig. 3). As medidas espectrais foram realizadas nas amostras TFSA e
também nas amostras moídas, sendo 12 leituras radiométricas em cada amostra, na
placa de petri foram efetuados giros de cerca de 30º afim de melhor representar a
amostra analisada, em uma configuração padronizada de sensor, alvo e fonte de
radiação conforme determinado por Jensen (2009). O sensor foi montado a uma
distância de 27 cm do alvo. A fonte de radiação é constituída de uma lâmpada
halógena de 50 W com refletor e feixe não colimado, que por sua vez, foi ligada em
fonte estabilizadora com entrada e saída regulada, sendo posicionada a 61 cm do
alvo.
Fig. 3 – Espectrorradiômetro FieldSpec HandHeld II (ASD).
Utilizou-se uma placa branca de material Spectralon® como padrão de
referência, para a obtenção dos dados radiométricos em valores de reflectância (Fig.
4), considerando-se que a placa proporciona aproximadamente 100% de reflectância.
Desse modo, foram realizadas leituras imediatamente antes e imediatamente após as
leituras de cada placa de petri.
Fig. 4 – Leituras radiométricas no laboratório.
Posteriormente, os dados espectrais foram submetidos ao programa
Unscrambler X v.10.3 para tratamento das curvas, realizou-se uma filtragem dos
dados eliminando o excesso de ruídos, para facilitar a interpretação dos dados
(DEMATTÊ et al., 1998c) e tabulação dos valores de reflectância nas faixas de 400,
500, 600, 700, 800, 900 e 1000 nm, os comprimentos de onda (nm) escolhidos
recobrem todo o espectro eletromagnético coletado pelo equipamento. Como foram
realizadas 12 leituras espectrais em cada amostra, utilizou-se a curva espectral média
nas discussões através do teste de comparação de médias t-Student.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Através do programa Unscrambler X v.10.3, foi possível representar em
diferentes comprimentos de onda a energia eletromagnética refletida na forma de um
gráfico que se denomina de curva de reflectância espectral ou assinatura espectral
(Fig. 5).
Quanto aos valores de carbono orgânico presente nas amostras de solos é
possível verificar que este atributo diminui em profundidade, isto decorre do
constante aporte de matéria orgânica em superfície e da baixa capacidade deste
material em migrar no perfil do solo, resultando em amostras de solos menos escuras
e consequentemente com uma maior reflectância. As amostras que apresentam
baixos teores, consequentemente diminuem a absorção aumentando assim a
reflectância, conforme já foi constato por Formaggio (1983), Moreira (2001) e na
própria análise físico-química realizada nas amostras de solos.
Em relação ao processo de moagem das amostras no almofariz, observa-se
um menor efeito de sombreamento entre os agregados do solo, com isso há um
aumento da reflectância nas amostras moídas, independente do conteúdo de matéria
orgânica presente nas amostras.
Fig. 5 – Assinaturas espectrais representativas dos dois grupos de amostras
analisadas: (i) amostras TFSA com conteúdos de matéria orgânica (MO) alta e
baixa; (ii) amostras moídas com conteúdos de matéria orgânica (MO) alta e baixa.
De acordo com o teste de comparação de médias t-Student (Tabela 1), os
resultados experimentais nos permitem concluir que houve uma variação entre as
médias considerada significativa. Indicando que os valores de reflectância para
amostras maceradas e não maceradas são distintos entre si. Esse padrão foi
observado tanto em amostras com baixo conteúdo de matéria orgânica quanto nas
amostras com mais elevada presença de matéria orgânica. As amostras de
reflectância na região de 400 nm apresentaram comportamento um pouco distinto
das demais regiões do espectro de amostragem do equipamento, possivelmente,
devido ao fato de que nessa região o equipamento apresenta ruídos de leitura das
amostras.
TABELA 1 – TESTE DE MÉDIAS t-STUDENT’S AMOSTRAS COM
CONTEÚDO DE MATÉRIA ORGÂNICA ALTA E BAIXA.
Perfil de solo
Comprimento
de onda (nm)
Matéria
Orgânica Alta
Matéria
Orgânica
Baixa
Médias1 (Valor-P)
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
0,409789ns
0*
0*
4,44E-16*
0*
4,44E-16*
0*
0,059331ns
2,22E-16*
0*
0*
0*
4,44E-16*
4,44E-16*
0,038535*
0*
-4,44E-16*
0*
0*
0*
0*
0,0004*
2,22E-16*
0*
4,44E-16*
0*
0*
4,44E-16*
2,43E-08*
-4,44E-16*
0*
0*
0*
2,22E-16*
4,44E-16*
0,000234*
2,22E-16*
0*
2,22E-16*
0*
0*
0*
1,83E-08*
0*
4,44E-16*
0*
0*
0,26593ns
0*
2,22E-16*
2,22E-16*
2,22E-16*
2,22E-16*
0*
0,197776ns
0*
0*
4,44E-16*
0*
0*
0*
0,002729*
0*
0*
0*
0*
0*
0*
0,000841*
0*
0*
0*
0*
0*
0*
1,81E-06*
0*
0*
0*
0*
-4,44E-16*
0*
1,45E-06*
2,22E-16*
2,22E-16*
2,22E-16*
0*
0*
0*
0,076796*
2,22E-16*
-4,44E-16*
0*
0*
P8
P9
P10
4,44E-16*
0*
1,02E-09*
0*
0*
0*
2,22E-16*
0*
0*
3,01E-13*
0*
4,44E-16*
0*
0*
0*
0*
2,89E-13*
0*
0*
0*
0*
0*
0*
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
400
500
600
700
800
900
1000
0*
0*
0,009035*
2,22E-16*
2,22E-16*
0*
2,22E-16*
0*
0*
0,313925ns
0*
0*
0*
0*
0*
0*
0,215526ns
4,44E-16*
0*
0*
0*
2,22E-16*
-4,44E-16*
1
Médias com a legenda: ns de acordo com o nível de significância de 5%, o teste t-Student
indica que as médias são iguais, então não se diferenciam entre si; * indica-se que as médias
são diferentes, que essa variação pode ser considerada significativa.
Os dados de reflectância são utilizados em modelos que relacionam essas
informações com os atributos das amostras de solos. Buscando, explorar o potencial
preditivo dos dados de reflectancia, e a influência da prática de maceração como
técnica de preparo das amostras, foram gerados modelos de predição.
Com relação aos modelos de predição de textura e carbono do solo, alguns
resultados são apresentados na tabela 2, sendo possível verificar que o método de
preparo das amostras não influencia nos resultados obtidos. Tais resultados obtidos
indicam a viabilidade da predição de atributos do solo, principalmente dos teores de
argila por técnicas espectroscópicas, assim comprovando o potencial desta técnica
para auxiliar na caracterização do solo e de sua variabilidade.
TABELA 2 – PREDIÇÃO DE ATRIBUTOS DO SOLO ATRAVÉS DE
RADIOMETRIA E VALIDAÇÃO CRUZADA
Atributo do Solo
R2
Amostras Moídas
Argila (g kg-1)
0.58
Areia (g kg-1)
0.69
Silte (g kg-1)
0.64
Carbono (g kg-1)
0.84
RMSECV
36.60
20.19
28.69
2.77
Amostras TFSA
Argila (g kg-1)
0.58
Areia (g kg-1)
0.63
Silte (g kg-1)
0.44
Carbono (g kg-1)
0.88
36.27
21.66
35.80
2.44
Legenda – RMSECV: raiz quadrada do erro médio da validação cruzada.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este estudo foi realizado com o objetivo de verificar a interferência da
maceração como técnica de preparo das amostras, como vimos o processo de
moagem das amostras apresenta diferenças consideradas significativas nos dados
gerados.
A avaliação dos dados espectrais que podem ser obtidos através da
Espectroscopia de Reflectância Difusa demostra-se ser uma ferramenta útil no
auxilio aos levantamentos de solos em níveis próximos aos detalhados. O
sensoriamento proximal vem sendo cada vez mais estudado como uma técnica
auxiliar em pedologia conforme verificado por Baumgardner et al. (1985). Assim, a
Espectroscopia de Reflectância Difusa tem um potencial ainda praticamente
inexplorado, a fim de tornar o conhecimento espectral dos solos um elemento
informativo a mais nos levantamentos de solos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BAUMGARDNER, M. F.; SILVA, L. F.; BIEHL, L. L.; STONER, E. R.
Reflectance properties of soils. Advances in Agronomy, v.38, p.1-44, 1985.
BEN-DOR, E.; CHABRILLAT, S.; DEMATTÊ, J. A. M.; TAYLOR, G. R.; HILL,
J.; WHITING, M. L.; SOMMER, S. Using imaging spectroscopy to study soil
properties. Remote Sensing of Environment, v.113, p.538-555, 2009.
DALAL, R. C.; HENRY, R. J. Simultaneous determination of moisture, organic
carbon, and total nitrogen by near infrared reflectance spectrophotometer. Soil
Science Society of America Journal, v.50, p.120-123, 1986.
DEMATTÊ, J.A.M.; MAFRA, L.; BERNARDES, F.F. Comportamento espectral de
materiais de solos e de estruturas biogênicas associadas. Revista Brasileira de
Ciência do Solo, Campinas, v.22, n.4, p.621-630, 1998c.
EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA - EMBRAPA.
Centro Nacional de Pesquisa de Solos. Manual de Métodos de Análise de Solo. 2.
ed. ver. atualiz. Rio de Janeiro, 1997. 212p.
FORMAGGIO, A. R. Comportamento espectral de quatro solos do estado de
São Paulo nos níveis orbital, de campo e de laboratório. 1983. 140 p. Dissertação
(Mestrado em Sensoriamento Remoto) – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais,
São José dos Campos.
JENSEN, J.R. Sensoriamento Remoto do Ambiente: Uma perspectiva em
recursos terrestres. 2° ed. Parêntese. São José dos Campos. 2009. 598p.
LEMOS, R. C.; SANTOS, R. D. Manual de descrição e coleta de solo no campo.
3.ed. Campinas, Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, l996. 84p.
LOPES, L. R. Pedologia quantitativa: espectrometria VIS-NIR-SWIR e
mapeamento digital de solos. 2009. 171 p. Dissertação (Mestrado em Agronomia)
– Faculdade de Agronomia, Escola Superior de Agronomia “Luis de Queiroz”
Universidade de São Paulo, Piracicaba.
MOREIRA, M. A. Fundamentos do Sensoriamento Remoto e Metodologia de
Aplicação. São Jose dos Campos, 2001.
SHEPHERD, K. D.; WALSH, M. G. Development of reflectance spectral libraries
for characterization of soil properties. Soil Science Society of America Journal,
Madison, v.66, p.988-998, 2002.
VISCARRA ROSSEL, R. A.; MCBRATNEY, A. B.; MINASNY, B. Proximal soil
sensing. ed. 1, New York: Springer, 2010. 468p.
WETZEL, D.L. Near-infrared reflectance analysis: sleeper among spectroscopic
thecniques. Analytical Chemistry, v.55, p.1165-1176, 1983.