Uso da tomografia computadorizada de raios gama na avaliação de mudanças na estrutura do solo

V Congreso Iberoamericano de Física y Química Ambiental.

Uso da tomografia computadorizada de raios gama na avaliação de

mudanças na estrutura do solo

Luiz Fernando Pires1,2; João Eduardo Pilotto2; Robson Clayton Jacques Arthur2; Osny Oliveira Santos Bacchi2; Klaus Reichardt2

1

Departamento de Física, Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) - 84030-900 Ponta Grossa (PR), Brasil.

2 _{Laboratório de Física do Solo, Centro de Energia Nuclear na Agricultura - Caixa Postal 96, 13400-970 Piracicaba (SP), Brasil.}

e-mail: lfpires@uepg.br

Resumo

Alguns estudos têm mostrado que a estrutura de amostras de solo compactadas podem ser grandemente afetadas por sequências de ciclos de umedecimento e secamento. Estes ciclos causam mudanças no espaço poroso do solo, o qual é de extrema importância para a agricultura, afetando diretamente a penetração de raízes e, consequentemente, o crescimento das plantas e a retenção e o movimento da água e gases através do solo. O objetivo deste estudo foi usar a tomografía computadorizada (TC) de raios gama para analisar o efeito dos ciclos de umedecimento e secamento na estrutura de amostras de solo coletadas pelo método do anel volumétrico. Um tomógrafo de primeira geração equipado com fonte radioativa de 241Am e detector de cintilação sólida de NaI(Tl) acoplado a uma válvula fotomultiplicadora foram usados. A análise de imagens e os perfis de densidade mostraram que a TC pode fornecer importantes informações a respeito de mudanças na estrutura do solo devido a ciclos de umedecimento e secamento, o que pode auxiliar em uma melhor compreensão dos fenômenos relacionados com a retenção e transporte de água pelo solo.

Palavras-chaves: Ciclos de umedecimento e secamento; Densidade do Solo; 241Am; Atenuação de raios gama; Física Nuclear Aplicada.

Abstract

Some studies have shown that compacted soil structures can be greatly affected by sequences of wetting and drying cycles. These cycles causes changes in the soil pore system, which is very important to agriculture, because directly affect plant growth by root penetration, retention and movement of water and gases. The aim of this study was to follow by gamma-ray computed tomography (CT) the effect of soil wetting/drying process on the soil structure repairing of samples collected in cylinders. A first-generation tomograph with an 241Am source and a 7.62 × 7.62 cm NaI(Tl) scintillation crystal detector coupled to a photomultiplier tube was employed. Image analysis and tomographic unit profiles show that CT can provide an insight to sample structure restoration, which helps to have a better comprehension of soil physical hydraulic phenomena.

Keywords: Wetting and drying cycles; Soil bulk density; 241Am; Gamma-ray attenuation; Applied Nuclear Physics.

Introdução

Procedimentos de amostragem do solo que fazem uso de anéis volumétricos para delimitar a amostra podem afetar a estrutura do solo causando compactação próximo às paredes do cilindro. Tendo este problema em mente, Pires et al. [1] investigaram as possíveis modificações da estrutura de amostras de solo coletadas e anéis de diferentes tamanhos, demonstrando a existência de um gradiente de densidade do centro para as bordas das amostras. Este gradiente foi uma clara indicação de uma tendência de compactação do solo próxima às paredes do cilindro. Os resultados destes autores mostram que esta influência da amostragem aumenta a densidade média da amostra de solo, e conseqüentemente, reduz a sua porosidade. As modificações na porosidade do solo são muito importantes para a agricultura, uma vez que o sistema poroso afeta diretamente o crescimento e desenvolvimento das plantas através da penetração de raízes, retenção e movimento da água e gases no solo [2].

A compactação é um importante fator de degradação da estrutura do solo. Solos compactados podem ser regenerados pela ação de minhocas [3], culturas e ciclos de umedecimento/secamento [4]. Durante as últimas décadas, muitos físicos de solo têm investigado o efeito dos ciclos de umedecimento/secamento nas propriedades físicas do solo [5, 6, 7, 8, 9, 10]. Estes ciclos podem constituir um importante processo para a regeneração da estrutura do solo.

A tomografia computadorizada (TC) é uma técnica de imagens não invasiva que permite imagens com boa resolução de materiais e possibilita análises quantitativas de propriedades físicas destes materiais. A TC tem sido usada para obter imagens não destrutivas de diferentes objetos em diversas áreas do conhecimento [11, 12, 13, 14]. Petrovic et al. [15] introduziram a TC na ciência do solo para estudos de densidade do solo. Hainsworth and Aylmore [16] e Crestana et al. [17] realizaram medidas da umidade e do movimento de água usando TC de raios-X e gama. Algumas experiências significativas usando a TC para estudo da compactação do solo são as de Vaz et al. [18], Jégou et al. [19], Balogun e Cruvinel [20] e Pires et al. [21].

Neste estudo nós propomos usar a TC de raios gama para avaliar a influência de ciclos de umedecimento/secamento na regeneração da estrutura do solo de amostras coletadas em cilindros. Tal informação é extremamente importante para processos que envolvem o reparo de amostras de solo no campo.

Material e Métodos

As amostras de solo foram coletadas no perfil de um nitossolo vermelho eutrófico em campo experimental situado em Piracicaba, SP, Brasil (22°4’ S; 47°38’ O; 580 m acima do nível do mar). Três amostras (3,0 cm de altura; 4,8 cm de diâmetro interno; volume aproximado de 55 cm3) foram coletadas na superfície do solo (0-10 cm) em cilindros de alumínio. O processo de umedecimento escolhido foi ascensão capilar, o qual é usado durante a obtenção de curvas de retenção da água no solo. Um período de 24 h foi necessário para se obter a saturação das amostras de solo por ascensão capilar visando evitar bolhas de ar, as quais causam a diminuição dos agregados do solo, mudando a sua estrutura. O procedimento usado para o secamento das amostras de solo foi aplicar uma pressão de 4,0 MPa. As amostras de solo foram submetidas a nenhum (T0), três (T1) e nove (T2)

ciclos de umedecimento/secamento. As imagens tomográficas foram obtidas para valores aproximadamente constantes de umidade do solo (θ), para evitar diferenças nas imagens devido a diferenças na umidade residual do solo após cada tratamento. O procedimento usado para obter esses valores quase fixos de θ foi manter as amostras em contato com o ar até um valor residual de θ ser alcançado. Quando as amostras após os tratamentos alcançaram a umidade residual elas foram envolvidas em filme plástico, para minimizar mudanças no conteúdo de água, e submetidas às tomografias.

O sistema de varredura consiste de um tomógrafo de primeira geração de raios gama com fonte radioativa de 241Am que emite fótons gama com uma energia de 59,54 keV e possui uma atividade de aproximadamente 3,7 GBq. A detecção dos fótons gama é feita através de um detector de NaI(Tl) com dimensões de 7,62 x 7,62 cm do tipo plano. Na saída da fonte e na entrada do detector foram fixados colimadores de chumbo de 1 mm de diâmetro para evitar que fótons espalhados de menor energia fossem detectados (fator "build up"). Os passos angulares para as amostras de solo utilizadas neste experimento foram de 2,25° até uma completa rotação de 180°. Os passos lineares foram de 0,14 cm. O tamanho dos “pixels” foi de 1,14 x 1,14 mm, calculado pela razão entre o diâmetro interno da amostra de solo e o número de “pixels” da matriz de reconstrução. Para a reconstrução das imagens tomográficas foi utilizado um programa desenvolvido pela Embrapa-CNPDIA (São Carlos, Brasil) chamado Microvis [22]. A calibração do sistema tomográfico foi obtida através da correlação linear entre o coeficiente de atenuação linear e as unidades tomográficas de diferentes materiais [23]. As imagens tomográficas das amostras de solo foram obtidas ao longo de sua profundidade com o feixe passando na região central da amostra.

Diferenças nos valores de UT representam diferenças na densidade física do solo em cada ponto ou “pixel”. Conseqüentemente, é possível se obter distribuições de densidade ao longo do comprimento da amostra de solo, e no caso de amostras úmidas, esta distribuição de densidade inclui a distribuição da umidade. Por um outro lado, se a amostra de solo está seca ou com a umidade uniformemente distribuída, a distribuição de UT permite o cálculo dos valores de densidade do solo:

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(

.

U

)

UT

μ

+

μ

α

=

ρ

onde α representa o coeficiente de correlação entre μ e UT; μms e μma (cm 2

.g-1) os coeficientes de atenuação de massa do solo e da água, respectivamente; U (g.g-1) a umidade gravimétrica; e UT a unidade tomográfica.

Resultados e Discussão

Recentemente, foram demonstrados os possíveis danos causados a estrutura do solo por diferentes tipos de equipamentos de amostragem [1]. O procedimento de coleta da amostra provoca compactação próxima as bordas do cilindro usado para amostragem (Figura 1). Esta compactação pode afetar a determinação de algumas propriedades físicas do solo, principalmente aquelas relacionadas à retenção e ao movimento de água no solo [10].

Figura 1: Regeneração da estrutura de amostra de solo compactada pela ação de ciclos de umedecimento/secamento. T0 significa nenhum, T1 três e T2 nove ciclos de

umedecimento/secamento. A escala representa a distribuição de unidades tomográficas.

Para o nitossolo vermelho a aplicação dos ciclos de umedecimento/secamento induziu a uma regeneração da estrutura do solo (Figura 1). Analisando esta figura, para os tratamentos 1 e 2, observa-se uma diminuição das regiões compactadas exibindo uma clara tendência de melhoramento estrutural do solo. Praticamente, três ciclos foram necessários para a regeneração da estrutura. Até este exato momento não existem informações detalhadas que indiquem com certeza qual é o número exato de ciclos necessários para a regeneração da estrutura de solos degradados. Pillai e McGarry [4] mostraram que para se iniciar melhoramentos significativos na estrutura de solos argilosos são requeridos mais do que três ciclos de umedecimento/secamento.

Gráficos avaliando a variação da densidade ao longo da largura da amostra exibem pequenas diferenças nos valores de densidade do solo (ρs) entre T0 e T1 (Figura 2A). As amostras 2 e 3,

praticamente, não mostram diferenças entre T1 e T2 (Figuras 2C e E), mas existem diferenças

significativas em relação a T0. Uma diminuição de ρs foi encontrada para as três amostras ratificando

a restauração da estrutura do solo induzida pelos sucessivos ciclos de umedecimento/secamento. O mínimo valor de ρs para a amostra 1 foi 1,43 g.cm-3 (localizado a 21 mm da borda esquerda do

cilindro). Para as amostras 2 e 3 os mínimos valores de ρs foram 1,42 g.cm -3

1,37 g.cm-3 (localizado a 19 mm). Análises ao longo da profundidade das amostras de solo (Figuras 2B, D e F) confirmam a existência de compactação nas superfícies superior e inferior e a diminuição de ρs com o aumento dos ciclos. Para a amostra 1 esta análise em profundidade permite identificar

um decréscimo na densidade do solo, entre T0 e T2, de 1,67 para 1,59 g.cm-3 (superfície superior) e

1,75 para 1,67 g.cm-3 (superfície inferior). Para a amostra 2 a redução foi de 1,69 para 1,52 g.cm-3 (superfície superior) e de 1,70 para 1,59 g.cm-3 (superfície inferior) e para a amostra 3 foi de 1,62 para 1,51 g.cm-3 (superfície superior) e de 1,78 para 1,60 g.cm-3 (superfície inferior), para camadas de solo de 4 mm.

(A) (B)

(C) (D)

(E) (F)

Figura 2. Distribuição da densidade do solo ao longo da largura e profundidade das amostras de solo para os diferentes tratamentos.

0 10 20 30 40 50 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 Densidade do S o lo (g.cm -3 ) Largura (mm) T₀ T₁ T₂ 0 5 10 15 20 25 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 De nsi dad e do Solo (g.cm -3 ) Profundidade (mm) T0 T₁ T2 0 10 20 30 40 50 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 Densi dade do Solo (g.cm -3 ) Largura (mm) T₀ T₁ T₂ 0 5 10 15 20 25 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 Densi dad e d o Sol o (g.c m -3 ) Profundidade (mm) T₀ T1 T2 0 10 20 30 40 50 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 D ensidade do S o lo (g.cm -3 ) Largura (mm) T₀ T₁ T₂ 0 5 10 15 20 25 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 De ns idad e d o So lo (g .c m -3 ) Profundidade (mm) T₀ T₁ T₂

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A tabela 1 ratifica a tendência de diminuição da densidade do solo entre os tratamentos com exceção somente da amostra 3 que não apresenta diferenças significativas entre T1 e T2, mostrando que após três ciclos de umedecimento/secamento a estrutura do solo exibe poucas alterações para esta amostra. Todas as amostras apresentam diferenças estatísticas pelo teste de Tukey (P=0,05) entre T0 e os demais tratamentos. O decréscimo na densidade do solo entre T0 e T2 foi de aproximadamente 7 %. Os resultados apresentados na tabela 1 confirmam que os ciclos de umedecimento/secamento exercem um importante papel na regeneração da estrutura do solo. Outros autores têm discutido a importância destes ciclos para o melhoramento estrutural do solo. Pagliai [24] mostra que ciclos de umedecimento seguido de secamentos constituem um importante mecanismo de gênese e podem atuar na regeneração da estrutura de solos degradados. Hussein e Adey [7] trabalhando com solos argilosos encontraram um progressivo aumento na porosidade do solo com sucessivos ciclos de umedecimento/secamento. Estes autores observaram que a estrutura do solo investigado por eles passou de massiva, quando o solo estava sob ação de implementos agrícolas, para uma estrutura complexamente fracionada e lisa após os sucessivos ciclos. Sarmah et al. [25] encontraram uma diminuição na taxa de infiltração de água após os ciclos, provavelmente devido à dispersão e colapso dos microagregados do solo. Este colapso altera a estrutura interna do solo afetando sua porosidade. Pillai e McGarry [4] observaram resultados similares comparando a regeneração de estruturas degradas por ciclos de umedecimento/secamento e implementação de determinadas culturas.

Tabela 1: Variação da densidade do solo para os diferentes tratamentos para o nitossolo vermelho eutrófico. Amostras de solo T0 ρs (g.cm-3) T1 T2 1 1.76 ± 0.07* (4)A _{1.70 ± 0.07 (4)}B _{1.62 ± 0.09 (6)}C 2 1.83 ± 0.05 (3)A _{1.76 ± 0.08 (5)}B _{1.70 ± 0.08 (5)}C 3 1.75 ± 0.05 (3)A _{1.68 ± 0.05 (3)}B _{1.65 ± 0.05 (3)}B Média 1.78 ± 0.04 (2) 1.71 ± 0.04 (2) 1.66 ± 0.04 (2)

* Cada valor de densidade representa valores médios dos “pixels” da matriz de dados usados para reconstrução da imagem. Valores médios representados por letras diferentes são estatisticamente diferentes (P=0.95) pelo teste de Tukey. Os valores entre parênteses representam o coeficiente de variação (%).

Os resultados apresentados neste estudo confirmam a habilidade da TC em acompanhar o melhoramento da estrutura de solos através do uso de ciclos de umedecimento/secamento e fornecem uma boa idéia do número de ciclos necessários para causar mudanças significativas na estrutura de solos compactados. Através da técnica de TC foi possível realizar análises detalhadas da distribuição da densidade de solo ao longo das amostras.

Agradecimentos

A Fundação Araucária (Processo no. 10193), ao Fundo Paraná/SETI, ao Governo do Estado do Paraná e ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq) pelo apoio financeiro ao desenvolvimento desta pesquisa e bolsas de estudos.

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