COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE SOLOS DA REGIÃO DE PIRACICABA COM BASE EM AMOSTRAS NATURAIS E PREPARADAS EM LABORATÓRIO

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COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE SOLOS DA REGIÃO DE

PIRACICABA COM BASE EM AMOSTRAS NATURAIS E

PREPARADAS EM LABORATÓRIO

Laura Milani da Silva Dias

Mestranda, Instituto Agronômico de Campinas, bolsista Capes

Everton Alves Rodrigues Pinheiro

Doutorando, ESALQ-USP, bolsista Fapesp

Gustavo Casoni da Rocha

Doutorando, ESALQ-USP, bolsista Capes

Sara de Jesus Duarte

Mestranda, ESALQ-USP, bolsista CNPq

Resumo

A necessidade de conhecer com maiores detalhes o recurso solo exige que se aperfeiçoem métodos que permitam inferir avaliações qualitativas e quantitativas de seus principais atributos, contribuindo com a exatidão e rapidez nas etapas de levantamento, como também encorpando os modelos que possuem em suas rotinas de cálculo parâmetros passíveis de serem estimados por meio destas ferramentas. Objetivou-se com este trabalho avaliar o comportamento espectral de amostras de solo em condição de campo e tratadas em laboratório, coletadas nas camadas superficiais e subsuperficiais no município de Piracicaba/SP. Dos oito pontos de coleta, seis pertenciam a uma topossequência, portanto, foi possível avaliar o comportamento espectral das curvas em função do grau de intemperismo dos solos. Para a obtenção do fator de reflectância das amostras foi utilizado o sensor FieldSpec Pro. Os principais resultados foram: (i) a intensidade das curvas se mostrou inversamente relacionada à umidade do solo; (ii) os minerais, a matéria orgânica, a umidade e a textura foram as características mais importantes que influenciaram o

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intensidade das curvas, a concavidade proveniente dos óxidos de ferro e as feições de absorção da água acompanharam o grau de intemperismo dos solos amostrados na topossequência e (iv) a camada superficial apresentou um padrão de reflectância em função do tipo de solo.

Palavras-chave: Reflectância; curvas espectrais; mapeamento de solos

Abstract

For a better and more detailed comprehension of soil as a resource, it is necessary to improve the methods that will allow the inference of quantitative and qualitative evaluations of the main attributes of soils. This will contribute to quicker and more accurate stages of the inventory as well as growing the models that carry in their routines of calculus the parameters liable to be estimated by means of these toolkits. This work is aimed to evaluate the spectral behavior of soil samples in field conditions and treated in laboratories, collected at surface layers as well as at subsurface levels in the Municipality of Piracicaba, SP. Of eight collecting points, six of them belonged to a toposequence, therefore allowing the evaluations of the spectrum behavior of the curves due to the soils grade of weathering. To obtain the reflectance factor of the samples, the FieldSpecPro was utilized. The chief results were: (i) the intensity of the curves were shown as inversely related to soils humidity; (ii) minerals, organic matters, humidity and texture were the most important characteristics influencing the spectrum behavior, allowing the characterization and discrimination of the soils; (iii) the intensity of the curves, the hollowness derived from iron oxides and the features of water absorption ran parallel to the degree of weathering of the soils shown at the toposequency and (iv) the surface layer presented a reflectance pattern due to type of soil.

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paisagem

1. Introdução

Informações sobre o recurso solo são necessárias para as políticas de planejamento que envolvam o manejo dos recursos naturais, assim como para as ações de monitoramento de impactos ambientais (MULDER et al. 2011).

Outra questão muito pertinente é que a maioria dos modelos atuais que simulam processos sobre produção agrícola, degradação ambiental e hidrologia quase sempre possuem parâmetros de entrada relacionados às características dos solos, seja química e/ou física, no entanto, é muito raro a espacialização dessas características, na maioria dos casos quando se consegue alguma informação são de caráter pontual (ANDERSON, 2008).

No Brasil, há uma necessidade iminente de mapeamento de solos e de seus atributos para fomentar o desenvolvimento dos principais setores da produção agrícola, além de impulsionar o planejamento mais adequado dos recursos ambientais. Porém, o que se tem visto nos últimos anos é o aumento da carência por profissionais capacitados para realizarem esses mapeamentos, além da limitação financeira. Diante disso, se faz necessária a apropriação de novas técnicas e ferramentas que viabilizem com maior exatidão e rapidez o levantamento de solos, onde se destacam a geoestatística, os sistemas de informação geográfica e o sensoriamento remoto (CHAGAS et.al, 2010).

De acordo com Ben-Dor et al. (2008) e Slaymaker (2001), o sensoriamento remoto oferece possibilidades de expandir as informações sobre os atributos dos solos voltados para o levantamento, em que os dados provindos desta técnica podem ser usados de várias maneiras, uma delas é a distinção de unidades de paisagem a partir do grau de homogeneidade, dentro destas áreas homogêneas, além de ser um método que facilita o mapeamento de regiões de difícil acesso, reduzindo o tempo necessário ao mapeamento e os custos envolvidos.

2. Objetivos

O objetivo deste trabalho foi comparar de forma descritiva, a intensidade, forma e feições de absorção das curvas espectrais de oito perfis de solo quanto as suas camadas superficial e subsuperficial e o conteúdo de água nas amostras.

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O sensoriamento remoto de solos separa a radiância de interesse das radiâncias de outros componentes. No caso dos solos, as características da reflectância espectral são funções que incluem textura do solo, conteúdo de água, conteúdo de matéria orgânica, óxidos de ferro e rugosidade superficial. Portanto, é imprescindível que se avalie a influência que cada característica tem sobre a resposta espectral de um determinado solo considerando os diferentes comprimentos de onda (JENSEN, 2011).

A reflectância bidirecional é a razão entre a radiância espectral refletida pela superfície da amostra de solo e a radiância espectral refletida por uma placa de referência (TERRA, 2011). Esta proporção é também é denominada de fator de reflectância bidirecional gerando as curvas espectrais, onde o eixo das abcissas representa os comprimentos de onda e o eixo das ordenadas o fator de reflectância. Deste modo, cada amostra de solo tem uma assinatura espectral ou curva espectral específica, que é um cumulativo proveniente da heterogeneidade de seus constituintes. Muitos trabalhos vêm sendo realizados com objetivo de discriminar e identificar diferentes solos através da relação de seus atributos com a energia refletida (DEMATTÊ, 2002 e 2004; DEMATTÊ et al., 2006; BREUNIG et al., 2009; FIORIO et al., 2010; MULDER et al., 2011). Desses esforços surgem as bibliotecas espectrais, que oferecem significativo suporte no levantamento de solos por permitir a criação de padrões de reflectância que auxiliam na caracterização de solos (BELLINASO et al., 2010).

A água é um dos elementos que mais interferem nos dados espectrais, sua interação com a energia eletromagnética refletida pode ajudar a diagnosticar características do solo (DEMATTÊ et al., 2006). Bowers e Hanks (1965) apud Formaggio et al. (1996) demonstraram que, à medida em que o conteúdo de água aumenta, há uma diminuição na intensidade da reflectância dos solos, afetando a forma do espectro devido à ocorrência de feições de absorção bem definidas nas bandas 1400 e 1900 nm como demonstrado por Demattê et al. (2006).

4. Metodologia

A Fazenda Areão está situada no município de Piracicaba-SP, parte central do Estado de São Paulo em altitudes que variam de 520 a 600 metros entre as coordenadas geográficas, 22º 41,716’ S e 47º 38, 478 W. Segundo a classificação de Köppen (1948), o clima da região é do tipo Cwa: subtropical úmido, com chuvas de

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1247 mm.

A segunda área onde foi realizado o trabalho é uma topossequência localizada na Fazenda Santa Rita, também no município de Piracicaba-SP, entre as coordenadas 47º 35’ 0” W e 22º 40’ 0” S com solos desenvolvidos sobre composição geológica de diabásio da Formação Serra Geral e folhelho da Formação Irati em mesmas condições climáticas e de precipitação (DEMATTÊ, 2004).

Na fazenda Areão foram coletadas amostras de camada superficial (C1) de 0-20 cm e subsuperficial (C2) de 80-100 cm por meio de tradagem em dois pontos identificados como P1 e P2.

Na topossequência da Fazenda Santa Rita, o relevo é suave ondulado e se torna ondulado a medida que se aproxima da várzea, foram amostrados 6 pontos identificados como P3, P4, P5, P6, P7 e P8. Os quatro primeiros tiveram amostras coletadas na superfície (C1) e subsuperfície (C2), enquanto os dois últimos pontos foram coletados apenas na camada superficial (C1) devido às limitações de profundidade do solo.

Imediatamente após a coleta, a fim de manter a umidade em condições de campo (ACC), as amostras foram dispostas em placa de petri buscando uniformidade para que reflexões de fundo não comprometessem o resultado e niveladas para diminuir os efeitos de rugosidade. As amostras foram encaminhadas para análise espectral bidirecional (350 a 2500 nm) sendo calibradas com placa de referência branca (100% de reflectância) e as leituras calculadas automaticamente pelo equipamento.

O sensor utilizado foi o FieldSpec Pro (Analytical Spectral Devices, Boulder, Colo) com resolução de 1 nm na faixa de 350 a 1100 nm e 2 nm na faixa de 1100 a 2500 nm. O sensor é geometricamente posicionado a 8 cm da plataforma e detecta aproximadamente 2 cm² da amostra, já que seu campo de visada (FOV) é de 18º sob iluminação de duas lâmpadas halógenas de 50 W cada (TERRA, 2011).

A segunda sequencia de análises foi realizada com as amostras secas (TFSE), em estufa de ventilação forçada a uma temperatura de 45º por 48 horas, posteriormente foram destorroadas e peneiradas. As amostras então foram dispostas novamente em placa de petri e direcionadas ao sensor sob as mesmas condições e obtidas novas curvas espectrais para cada uma das amostras.

A partir das leituras realizadas pelo sensor, foram elaboradas 4 curvas espectrais por ponto amostrado, sendo da camada superficial em ACC e TFSE e camada subsuperficial ACC e TFSE, exceto os pontos P7 e P8, onde cada um deles

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possível se coletar na camada de 80-100 cm devido a presença de impedimento.

5. Resultados

5.1 Comparação dos padrões gerais das curvas em função do tipo de amostra

De acordo com Demattê (2004), os principais componentes observados na análise qualitativa que influenciam nas características espectrais são: matéria orgânica, ferro, silte, areia, argila e minerais como o quartzo, magnetita e caulinita.

Nas Figuras 1 e 2 é apresentado o fator de reflectância em função do comprimento de onda para as camadas de superfície e subsuperficie de amostras de solo em condição de campo (ACC) e tratadas em laboratório (TFSE).

Óxidos de ferro

H2O

Minerais 2:1

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solos coletadas na Fazenda Areão, ESALQ/USP. ACC (Amostra em condição de campo), TFSE (terra fina seca em estufa) para Latossolo (P1) e Argissolo (P2).

Figura 2 – Amostras de solo coletadas na metade superior da topossequência, Fazenda Santa Rita. ACC (Amostra em condição de campo), TFSE (terra fina seca em estufa) para Latossolo Vermelho (P3), Argissolo Vermelho (P4) e Argissolo Vermelho-Amarelo (P5 e P6).

Analisando as figuras pode-se observar que independentemente do conteúdo de água, a morfologia dos espectros foi bastante similar, apresentando comportamento com inclinação pronunciada de 350 nm até aproximadamente 750 nm. A partir dos 750 nm até os 2100 nm ocorreu uma variação de magnitude com um aspecto ascendente tendendo à linearidade, conforme as diferenças de cada tipo de solo. Dos 2100 nm até 2500 nm, o comportamento espectral apresentou uma inclinação descendente, comportamento similar foi reportado por Terra (2011).

Foi observada significativa diferença na intensidade das curvas em função do tipo de amostra, em que o fator de reflectância máximo das curvas ACC foi de 0,21, enquanto que as curvas TFSE apresentaram todos os fatores de reflectância acima de

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se observa que são as mesmas, mudando apenas o grau de concavidade. Para as bandas da água e minerais 2:1, que ocorrem em 1400 nm e 1900 nm, respectivamente, se observa que as amostras TFSE apresentaram menor intensidade de absorção, isso ocorreu devido ao processo de retirada da água na etapa de laboratório, visto que, a água torna as feições mais pronunciadas nas bandas supracitadas. A feição com maior concavidade das amostras ACC, ocorreu justamente em 1900 nm, devido ao fato dos minerais 2:1 possuírem a capacidade de expansão, aumentando, portanto, o conteúdo de água retido (BELLINASO et al., 2010).

Os diferentes picos que caracterizam o comportamento das curvas na faixa do espectro de 350–1000 nm se devem principalmente às interações da radiação eletromagnética com os óxidos e hidróxidos de ferro, especialmente a Hematita e Goethita (TERRA, 2011).

A feição que ocorre em 2200 nm se deve principalmente à presença de caulinita que ao contrário das feições causadas pela água, teve a concavidade aumentada com o secamento das amostras.

O Latossolo e Argissolo representados pelas curvas P1 e P2 (Figura 1) apresentaram comportamentos similares para as duas camadas avaliadas. De acordo com Bellinaso et al. (2010) isso se dá principalmente pela presença de maior quantidade de argila e óxidos de ferro, que originalmente tendem a diminuir o fator de reflectância. A menor reflectância em solos argilosos ocorre devido a estes possuírem menor tamanho de partícula, resultando em uma superfície mais uniforme. A maior granulometria, entretanto, cria superfícies mais irregulares, com sombreamentos e maior retroespalhamento interno da luz (SOUZA-JÚNIOR et al., 2008).

O comportamento espectral dos Argissolos teve maior intensidade de reflectância, esse processo ocorre devido a menor quantidade de argila e menor quantidade de ferro total, proporcionando menor absorção da energia eletromagnética e consequente aumento da reflectância. Nanni e Demattê (2006) observaram que solos com textura argilosa e com maiores teores de Fe têm os pontos concentrados em reflectâncias mais baixas. A Figura 3 apresenta os pontos P7 e P8, localizados na segunda metade da topossequência.

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Figura 3 – Amostras de solo coletadas próxima do sopé da topossequência, Fazenda Santa Rita. ACC (Amostra em condição de campo), TFSE (terra fina seca em estufa) para Cambissolos (P7 e P8).

Os pontos amostrais da Figura 3 foram inseridos em áreas de Cambissolo, com horizonte B incipiente. A ausência da concavidade na curva é reflexo da baixa presença de óxidos de ferro (hematita e goethita). A suavização da curva é indício da presença de matéria orgânica, observada em campo pela coloração escura (BELLINASO, 2009). Esta característica se mostrou mais pronunciada no P7 do que no P8.

Nos Cambissolos, as diferenças entre as feições no comprimento de onda 1900 nm das amostras TFSE e das amostras ACC tem provável relação com a presença de argilominerais 2:1, pela sua capacidade de retenção de água. Esta situação torna as feições das amostras secas menos pronunciadas neste específico comprimento de

onda. 5.2 Comparação entre camadas Na figura 4 são apresentados os fatores de reflectância das camadas C1 e C2 para

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inferior em relação às TFSE, isso correu provavelmente devido à presença da água nas amostras ACC, visto que a água tende a diminuir a intensidade de reflectância das amostras (DEMATTÊ et al. 2006).

Figura 4 – Comparação das camadas C1 e C2 de todos os pontos de coleta na condição de ACC e TFSE.

A partir da Figura 4C1 pode-se inferir ainda que as amostras TFSE das camadas superficiais agruparam as classes de solo dentro de uma determinada faixa de reflectância, sendo a menor reflectância dos Latossolos. O segundo grupo foi formado pelos Argissolos e um Cambissolo localizado na transição de sopé de encosta, enquanto que o Cambissolo localizado próximo do canal de drenagem apresentou o maior fator de reflectância (ver destaques na Figura 4C1). Este comportamento do Cambissolo é esperado, por estar localizado na parte mais íngreme da topossequência, consequentemente o solo menos desenvolvido, com provável

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2012).

A Figura 4C2, mostra que independentemente do conteúdo de água das amostras da camada subsuperficial, não houve separação das classes de solo em grupos de reflectância, sendo apenas notado o efeito da água na variação da intensidade do fator de reflectância.

5.3 Topossequência

Os resultados das amostragens da Fazenda Santa Rita se alteram de acordo com o deslocamento e posição no relevo. A topossequência analisada por este trabalho tem uma variação de altitude de 60 m entre o primeiro ponto amostrado (P3) e o último (P8) como mostra a Figura 5.

Figura 5 – Topossequência analisada na Fazenda Santa Rita com as respectivas indicações dos pontos de coleta.

Através de observações em campo e correlações com o mapa pedológico disponível da fazenda, os solos foram previamente classificados. P3 está à montante, em posição plana e de topo com altitude de 567 metros, classificado como um provável Latossolo Vermelho.

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houve um acréscimo de argila nas camadas subsuperficiais. P4 tem altitude de 549 metros, em relevo que tende a ondulado e posição de meia encosta, P5 na altitude de 541 metros posiciona-se na mesma situação, o P6 com altitude de 526 metros está localizado no 1/3 inferior da vertente, onde o relevo começa a ser suavizado. Os pontos seguintes, P7 e P8, estão em posição de sopé de encosta (519 m) e próximo da drenagem (510 m), respectivamente, sendo considerados em campo como Cambissolos, com horizonte B incipiente e pouco profundo, onde não foi possível amostrar a camada subsuperficial (80-100 cm).

É possível perceber ao longo da topossequência um aumento da intensidade de reflectância, resultado da também diminuição do conteúdo de argila presente no perfil. Quanto mais elevada a intensidade da curva menor o conteúdo de argila. Além disso, todas as curvas apresentaram intensidade baixa, indicando a presença de textura tendendo à argilosa. Esta característica de reflectância é devido às baixas quantidades de quartzo, elemento este que apresenta alta reflectância (CEZAR et al., 2012).

Os solos da topossequência sugerem uma ordem de intensidade de intemperismo, do maior para o menor, sendo Latossolos > Argissolos > Cambissolos. A intensidade da reflectância também aumenta inversamente ao menor grau de intemperismo, o que corrobora com Demattê e Garcia (1999). O grau de intemperismo e a ação dos processos específicos de formação determinaram variações significativas nas características dos solos ao longo da topossequência, como observado por Campos et al. (2012).

Os pontos P4, P5 e P6 apresentaram maior nível de intensidade de reflectância nas camadas superficiais em relação às camadas subsuperficiais, caracterizando prováveis Argissolos, já que o mesmo padrão foi encontrado e descrito em Bellinaso et al. (2010) como característico de gradiente textural. O gradiente mais pronunciado é da curva P6 sendo compatível com a posição do ponto no relevo, mais próximo da vertente. O ponto P4 é o Argissolo com menor gradiente textural encontrado na topossequência e está localizado mais próximo do platô, além da inversão, onde a curva da camada subsuperficial é menos intensa que a camada superficial, podendo ser resultado do acúmulo de umidade pelo acréscimo de argila comum dos Argissolos. Ambas as situações coincidem com os conhecimentos de gênese de solos, conforme observado em outros estudos, como o de Braga, (2011).

A concavidade em 850 nm também acompanha variações na topossequência, resultado do teor de óxidos (hematita e goethita) que diminui progressivamente, sendo bem menor nos Cambissolos que nos Latossolos.

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(Cambissolo) torna a feição de absorção da água em 1900 nm mais pronunciada, já que absorvem mais água que os minerais 1:1 e óxidos.

Comparando horizonte a horizonte, percebe-se a suavização da concavidade devido à presença mais acentuada da matéria orgânica na camada superficial que na subsuperfície (cerca de 840 nm) mascarando a feição dos óxidos. Por outro lado, em ambiente de topo e encosta devido a maior distância do lençol freático, há maior drenagem, e por possuírem solos mais intemperizados existe maior probabilidade de ocorrência de óxidos de ferro e alumínio como a hematita e gibsita.

6. Conclusões

(i) A intensidade das curvas está inversamente ligada ao teor de umidade, ou seja, quanto maior a umidade da amostra coletada, menor será a intensidade da curva.

(ii) A matéria orgânica, a umidade e textura foram as características mais importantes que influenciaram o comportamento espectral, permitindo a caracterização e discriminação de solos.

(iii) A intensidade das curvas, a concavidade proveniente dos óxidos de ferro e as feições de absorção da água acompanharam o grau de intemperismo dos solos amostrados em topossequência.

(iv) A camada superficial apresentou um padrão de reflectância em função do tipo de solo.

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