dissertação

Predição da adsorção de fósforo e matéria orgânica em solos cultivados de Minas Gerais utilizando sensores proximais e atributos de fertilidade do solo

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Resumo

Em solos tropicais altamente intemperizados, a adsorção e o baixo teor disponível de P e a dinâmica da matéria orgânica (MOS) são fatores importantes para o manejo da fertilidade. Os atributos de solo utilizados para avaliação de P e MOS requerem métodos laboratoriais dispendiosos, caros e poluidores. Atualmente, muitos atributos de solo podem ser avaliados com uso de sensores proximais, tendo como vantagens a rapidez e a não necessidade de reagentes químicos. Assim, o objetivo deste trabalho foi combinar dados de fluorescência de raios X portátil (pXRF) com parâmetros de cor do solo, obtidos por meio de smartphones e sensor digital portátil, para desenvolver modelos de predição de parâmetros indicadores da adsorção e disponibilidade de P em solos e da MOS. Foram utilizadas 108 amostras superficiais (0-20 cm) provenientes de áreas agrícolas de Minas Gerais. As amostras foram usadas para determinação dos teores elementares via pXRF, realização de ensaios de adsorção de P, determinação do P remanescente (P-rem), P disponível e MOS. Para a obtenção da cor (RGB) das amostras, foram utilizados dois smartphones com diferentes sistemas operacionais e em diferentes condições de iluminação, além do sensor proximal Nix Pro. Os resultados foram submetidos à análise estatística descritiva, análise de componentes principais (PCA) e correlações de Pearson para avaliar a influência da composição química, física, mineralógica e matéria orgânica nos parâmetros relacionados à adsorção de P. Além disso, a correlação de Pearson foi utilizada para avaliar o desempenho dos diferentes dispositivos na obtenção dos parâmetros RGB. O algoritmo Random Forest foi utilizado para criar os modelos de predição. Os melhores modelos escolhidos apresentaram o menor valor da raiz do erro quadrado médio (RMSE) e maiores valores do desvio da predição residual (RPD) e do coeficiente de determinação (R 2 ). Os resultados demonstraram que a combinação dos dados obtidos via pXRF + dados de cores permitiram o desenvolvimento de modelos de predição satisfatoriamente acurados para CMAP (RPD entre 1,60 e 1,74), P-disponível (RPD entre 2,36 e 2,52) e MOS (RPD entre 2,54 e 2,78). Os dados de fertilidade acrescidos da cor obtiveram modelos de predição acurados para MOS (RPD entre 2,61 e 2,87) e moderadamente acurados para P-rem (RPD entre 1,67 e 1,92) e P disponível (RPD entre 1,41 e 1,49). O modelo pXRF + fertilidade do solo possibilitou as melhores predições da MOS (RMSE = 0,36; R 2 = 0,90 e RPD = 3,26) e do P-rem (RMSE = 5,14; R 2 = 0,82 e RPD = 2,19). Para a CMAP, o modelo de pXRF + as cores obtidas pelo iphone em sombra natural obteve os melhores coeficientes (RMSE = 284,54; R 2 = 0,71 e RPD = 1,74), já para o P disponível o modelo utilizando apenas dados de pXRF foi o mais acurado (RMSE = 13,83; R 2 = 0,85 e RPD = 2,53). Não foram obtidos modelos confiáveis para a predição do índice K L. Portanto , o uso de sensores proximais e imagens digitais demonstraram um potencial promissor para a predição dos parâmetros indicadores da adsorção e disponibilidade de P e da MOS.

Abstract

In highly weathered tropical soils, phosphorus adsorption and low available P content, as well as organic matter (SOM) dynamics, are important factors for fertility management. Soil attributes used to assess P and SOM typically require expensive, labor-intensive, and environmentally polluting laboratory methods. Currently, many soil attributes can be evaluated using proximal sensors, offering advantages such as speed and the absence of chemical reagents. Thus, the objective of this study was to combine portable X-ray fluorescence (pXRF) data with soil color parameters obtained through smartphones and portable digital sensors to develop predictive models for indicators of P adsorption and availability, as well as SOM content in soils. A total of 108 surface samples (0-20 cm) from agricultural areas in Minas Gerais were utilized in this study. These samples were employed for elemental analysis via pXRF, conducting P adsorption tests, determining residual phosphorus (P-rem), available P, and organic matter content (SOM). To obtain color data (RGB) from the samples, two smartphones with different operating systems and under varying lighting conditions were employed, alongside the Nix Pro proximal sensor. The obtained results underwent descriptive statistical analysis, principal component analysis (PCA), and Pearson correlations to assess the influence of chemical, physical, mineralogical, and organic matter composition on parameters related to P adsorption. Moreover, Pearson correlation was utilized to evaluate the performance of the different devices in obtaining RGB parameters. The Random Forest algorithm was employed to create prediction models. The best-selected models exhibited the lowest root mean square error (RMSE) values and higher residual prediction deviation (RPD) and coefficient of determination (R 2 ) values. The results demonstrated that the combination of data obtained via pXRF + color data allowed for the development of prediction models with satisfactory accuracy for CMAP (RPD between 1.60 and 1.74), available P (RPD between 2.36 and 2.52), and SOM (RPD between 2.54 and 2.78). Fertility data combined with color yielded accurate prediction models for SOM (RPD between 2.61 and 2.87) and moderately accurate models for P-rem (RPD between 1.67 and 1.92) and available P (RPD between 1.41 and 1.49). The pXRF + soil fertility model enabled the best predictions for SOM (RMSE = 0.36; R 2 = 0.90 and RPD = 3.26) and P-rem (RMSE = 5.14; R 2 = 0.82 and RPD = 2.19). For CMAP, the pXRF + colors obtained by the iPhone in natural shade yielded the best coefficients (RMSE = 284.54; R 2 = 0.71 and RPD = 1.74), while for available P, the model using only pXRF data was the most accurate (RMSE = 13.83; R 2 = 0.85 and RPD = 2.53). Reliable models for the K L index were not obtained. Therefore, the use of proximal sensors and digital images showed promising potential for predicting parameters indicative of P adsorption and availability, as well as SOM.

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MONTEIRO, M. M. Predição da adsorção de fósforo e matéria orgânica em solos cultivados de Minas Gerais utilizando sensores proximais e atributos de fertilidade do solo. 2024. 106 p. Dissertação (Mestrado em Ciência do Solo)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2024.

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