dissertação

Innovation in foliar analysis using portable X-ray fluorescence spectrometry with aid of machine learning

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Resumo

O diagnóstico nutricional de plantas é essencial para promover o manejo adequado e garantir uma boa produtividade. Tradicionalmente, esse diagnóstico é baseado em análises químicas que geram diversos resíduos químicos potencialmente poluentes, além de serem demoradas e onerosas. Nesse sentido, a espectrometria de fluorescência de raios X portátil (pXRF) é uma alternativa promissora para análise foliar de maneira rápida, fácil, não-destrutiva e ambientalmente correta. Neste trabalho, objetivou-se contribuir com abordagens metodológicas para o uso de equipamentos pXRF para análise foliar. No primeiro capítulo, investigou-se a performance de um pXRF para análise direta de folhas intactas de diferentes culturas com teores de água e anatomia contrastantes. Folhas de feijão, soja, mamona, cafeeiro, eucalipto, mangueira, goiabeira e milho foram analisadas na condição intacta e úmida (Cwet) e intacta e seca (Cdry), objetivando-se verificar o efeito da superfície de leitura (adaxial ou abaxial) e do teor de umidade sobre os resultados obtidos pelo pXRF. Os resultados obtidos nessas condições foram submetidos à modelagem pelo algoritmo random forest (RF) com o objetivo de predizer as concentrações de macro (N, P, K, Ca, Mg e S) e micronutrientes (B, Cu, Fe, Mn e Zn) obtidas pelo método convencional. A superfície analisada não influenciou significativamente os resultados obtidos. Já o teor de umidade constitui um fator importante subestimando as concentrações dos elementos, principalmente P e S. Os resultados obtidos via pXRF em folhas intactas e modelados por RF foram capazes de predizer a concentração de todos os nutrientes avaliados, mesmo aqueles que não são detectados pela técnica (N e B). As variáveis mais importantes nos modelos obtidos refletiram as relações de sinergismo e antagonismo que ocorrem durante o processo de absorção de nutrientes pelas plantas. No segundo capítulo, foi avaliado o desempenho de um pXRF em diferentes condições operacionais para acessar a composição elementar de folhas de cafeeiro. Foram utilizadas amostras foliares secas, moídas e peneiradas de cafeeiro cultivado em solução nutritiva de Hoagland e Arnon. As condições operacionais avaliadas foram o tempo de leitura, modo de operação, corrente (A) e voltagem (V) do equipamento. Os resultados obtidos nas melhores condições operacionais foram submetidos à métodos estatísticos convencionais (regressão linear simples – LR e múltipla – MLR) e algoritmos machine learning (ML) (support vector machine – SVM e RF) para predição numérica da concentração de macro e micronutrientes e categórica do nível nutricional da cultura (baixo, adequado e alto). A otimização das condições operacionais melhorou a performance do equipamento. Os elementos K, Ca, Cu e Mn foram preditos de maneira satisfatória por meio de métodos estatísticos convencionais (LR e MLR). A predição dos nutrientes avaliados foi melhorada com uso de algoritmos ML, principalmente RF. Esses resultados demonstraram que o pXRF é uma ferramenta poderosa, permitindo acessar a composição elementar de amostras foliares de maneira rápida, precisa e menos onerosa. Com base neste trabalho, a análise foliar diretamente no campo com uso de pXRF combinada à modelos robustos de ML demonstra ser promissora e poderá contribuir para a agricultura moderna que está cada vez mais inserida em inteligência artificial.

Abstract

The assessment of nutritional status of plants is very important for adequate management and guarantee high productivity. Conventionally, foliar analysis has been performed using laboratory-based methods which require sampling, preparation, digestion and determination. This is a complete non environmentally-friendly analysis and time-consuming. Thus, the portable X-ray fluorescence spectrometry (pXRF) can be a promising method for fast, easy, non-destructive and environmentally-friendly foliar analysis. This work aimed to investigate methodological approaches influencing the pXRF performance for plant leaf analysis. In chapter #1, the performance of pXRF for direct analysis of intact leaves from different crops with contrasting water content and anatomy was assessed. Bean, soybean, castor bean, coffee, eucalyptus, mango, guava and corn leaves were analyzed via pXRF at the following conditions: i) intact and wet (fresh) conditions (Cwet); ii) intact and dry conditions (Cdry). The objective was to assess the effect of analyzed leaf surface (adaxial or abaxial) and water content. The pXRF results were used to predict the real concentrations of macro (N, P, K, Ca, Mg, and S) and micronutrients (B, Fe, Cu, Zn, and Mn) using machine learning techniques (Random Forest – RF). The analyzed surface did not influence the pXRF results. Yet the water content has a significant effect on pXRF results underestimating the concentrations, mainly for P and S. The pXRF results obtained directly on intact leaves and modeled by RF very accurately predicted the concentration of both macro- and micronutrients, even those that are not detected by pXRF (N and B). This achievement was attributed to antagonism and synergism uptake relationships. The most important variable for modelling reflected reasonably these uptake relationships. In Chapter #2, the performance of pXRF at different operational conditions was evaluated to access the elemental composition of dried and ground coffee leaves. Coffee leaves from a hydroponic experiment (Hoagland & Arnon) with different concentrations of macronutrients were used. The following operational conditions were assessed: dwell time, calibration (from manufacturer or user), current (A), and voltage (V). The results obtained by pXRF in the best operational conditions were submitted to simple linear regression (LR), multiple linear regression (MLR), and machine learning algorithms (random forest – RF; and support vector machine – SVM) in order to predict the real concentrations of macro- and micronutrients obtained via conventional method, as well as predict categorically the nutritional status as low, adequate, and high. Operational conditions influenced significantly the pXRF performance and must be strongly considered. By parsimony, the elements K, Ca, Cu, and Mn were satisfactorily predicted using LR and MLR. The prediction of all the evaluated nutrients were considerably improved by using machine learning, mainly RF. From this work, it is possible to conclude that pXRF is a really promising method for fast, economical and eco-friendly analysis of plants under laboratory conditions. Furthermore, the direct analysis of plant leaves in the field added to machine learning techniques can substantially facilitate the assessment of nutritional status of plants, contributing for smart farming agriculture and artificial intelligence approaches.

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COSTA, M. V. da. Innovation in foliar analysis using portable X-ray fluorescence spectrometry with aid of machine learning. 2023. 91 p. Dissertação (Mestrado em Ciência do Solo)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.

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