VERMELHO DISTROFICO E EM UM LATOSSOLO VERMELHO AMARELO
João Paulo Franscico1, Jefferson Vieira José2, Rafael Dreux Miranda Fernandes3, Adriano Valentim Diotto4, Patrícia Angélica Alves Marques5, Marcos Vinícius Folegatti5
RESUMO: Objetivou-se avaliar a acurácia de uma sonda de capacitância (modelo Diviner 2000®) para
medição da umidade em um Nitossolo Vermelho distrófico cultivado com manjericão (Ocimum basilicum L.) e em um Latossolo Vermelho-amarelo distrófico típico cultivado com abacaxi (Ananas comosus L. Merril). A sonda foi calibrada com base no método gravimétrico, amostrando a cada 0,1 m até 0,6 m de profundidade para o solo cultivado com manjericão e, a cada 0,1 m até 0,3 m de profundidade para o solo cultivado com abacaxi. No Latossolo, realizou-se um ajuste por regressão linear simples obtendo-se índice de concordância de Wilmott de 0,756, teste de Shapiro-Wilk de 0,119, teste de Pearson de 0,8945 e índice de desempenho de Camargo-Sentelhas 0,676. Para o Nitossolo foram ajustados por meio da análise de regressão linear, obtendo-se um índice de concordância de Willmott de 0,826, teste de Shapiro-Wilk 0,238, e teste de Pearson de 0,955 e índice de desempenho de Camargo-Sentelhas 0,788. Pelo critério de interpretação de Camargo-Sentelhas, interpretam-se os resultados como “bom” e “muito bom”, respectivamente, para o Latossolo e para o Nitossolo, concluiu-se que a sonda de capacitância pode substituir a determinação da umidade do solo pelo método gravimétrico.
PALAVRAS-CHAVE: Diviner 2000®, umidade do solo, método não destrutivo.
ACCURACY AND CALIBRATION OF A CAPACITANCE PROBE IN A DYSTROPHIC RED NITOSOL AND IN A QUARTZARENIC NEOSOL
ABSTRACT: This study aimed to evaluate the accuracy of a capacitance probe (model Diviner 2000®) for
the measurement of deep soil water content in a Hapludult cultivated with basel (Ocimum basilicum L.) and in a dystrophic Oxisol cultivated with pineapple (Ananas comosus L. Merril). For this, the probe was calibrated based on the gravimetric method, with the assistance of a screw auger, sampling each 0.1 m until the depth of 0.6 m for the soil cultivated with basel, and at each 0.1 m until 0.3 m of depth for the soil cultivated with pineapple. In the area cultivated with pineapple, the frequency of the capacitance probe and the volumetric soil water content were adjusted by simple linear regression, obtaining a Wilmott concordance index of 0.756, Shapiro-Wilk test of 0.119, Pearson test of 0.8945 and performance index of Camargo-Sentelhas of 0.676. For the soil cultivated with basel, the data were adjusted by the linear regression analysis, obtaining a Wilmott concordance index of 0.826, Shapiro-Wilk test of 0.238, Pearson test of 0.955 and performance index of Camargo-Sentelhas of 0.788. By the criterion of interpretation suggested by Camargo-Sentelhas, “good” and “very good”, respectively for the dystrophic Oxisol and Hapludult, it follows that the capacitance probe can substitute the soil water content determination by the gravimetric method.
KEY WORDS: Diviner 2000®, soil water content, non-destructive method.
1 Mestrando em Irrigação e Drenagem na Esalq/USP Piracicaba – SP
2 Mestrando em Engenharia de Sistemas Agrícolas na Esalq/USP Piracicaba – SP 3 Doutorando em Engenharia de Sistemas Agrícolas naEsalq/USP Piracicaba – SP 4 Doutorando em Irrigação e Drenagem naEsalq/USP Piracicaba – SP
INTRODUÇÃO
A agricultura irrigada é considerada o ramo da atividade humana que mais consome água, sendo responsável por cerca de 72% do consumo total da água doce do planeta. O aumento da preocupação com a economia do uso da água resulta na necessidade de se manejar eficientemente o uso da água para irrigação de culturas economicamente significativas (IPCC, 2007). Para o manejo de irrigação adequado é de fundamental importância quantificar a umidade do solo atual, para saber quanto e quando irrigar.
A umidade do solo pode ser determinada à base de peso ou volume por um método destrutivo, (NBR 06457, 1986), e este não pode ser automatizado. Apesar da determinação da umidade pelo método gravimétrico ser considerada padrão e altamente confiável, esta metodologia não é temporal, ou seja, o resultado de umidade do solo será obtido após obtenção de peso seco constante da amostra, além de, sendo um método destrutivo, não permitir reamostrar o mesmo local posteriormente. Diante da necessidade de medições de medidas temporais e espaciais de umidades, surgiram os métodos indiretos, estes estimam a umidade mediante a aferição de propriedades do solo, sendo rápidos, práticos e permitem a repetibilidade no espaço e no tempo, permitem automação, no entanto exigem a necessidade de calibração prévia para aumentar a precisão das medições.
Dentre os métodos indiretos utilizados para aferir a umidade do solo os mais utilizados têm sido a Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) e Reflectometria no Domínio da Frequência (FDR), os quais se baseiam na constante dielétrica do solo.
Em geral os sensores de capacitância (FDR) têm maior flexibilidade no que se refere à forma e frequência de operação. É possível, com um único equipamento, em campo, realizar o levantamento de dados de umidade do solo em diferentes profundidades e curtos intervalos de tempo, fazendo com que esse tipo de equipamento seja visto como uma ferramenta útil (Andrade Junior et al., 2007).
Para a verificação do funcionamento da sonda de capacitância é necessária a comparação deste método em relação a um método padrão, ou seja, a umidade gravimétrica, assim como foram realizadas essas verificações com os outros métodos (Teixeira et al., 2005). A calibração do método da sonda de capacitância é necessária para a conversão da frequência medida pela sonda em teor de água no solo com base na massa de água.
A sonda FDR modelo DIVINER usa a capacitância elétrica para medir a umidade do solo, onde é criado um campo elétrico de alta frequência ao redor de cada sensor, partindo do tubo de acesso e penetrando pelo solo. A frequência medida é uma função da quantidade de água existente no solo. Os sensores FDR apresentam equações de calibração padrão de fábrica que relacionam o teor de água à leitura de frequência de saída do sensor. Entretanto, para medições mais acuradas, é necessário realizar calibrações para os diferentes solos, em virtude de suas propriedades inerentes a cada classe de solo.
Nesse contexto, objetivou-se avaliar a acurácia de uma sonda de capacitância (modelo Diviner 2000®) para medição da umidade em profundidade em um Nitossolo Vermelho Distrófico cultivado com manjericão e Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico cultivado com abacaxi.
MATERIAL E MÉTODOS
As medições teor de água no solo foram realizadas pelo método de sonda de capacitância (modelo Diviner® 2000) e pelo método gravimétrico em dois solos, ambos localizados no Departamento de Engenharia de Biossistemas da ESALQ/USP, em Piracicaba, SP. O solo cultivado com abacaxi (Ananas comosus L. Merril) foi classificado como sendo um Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico (Embrapa, 2009), contendo 73% de argila, 8% de silte e 19% de areia, com massa específica do solo de 1,26 g cm-³ e massa específica das partículas de 2,65 g cm-³. Já o solo cultivado com Manjericão (Ocimum basilicum L.) foi classificado como Nitossolo Vermelho Distrófico (Embrapa, 2009), sendo que este apresenta 50% de argila, 14% de silte e 36% de areia, massa específica do solo de 1,45 g cm-³ e massa específica da partícula 2,45 g cm-³.
Após a instalação dos tubos de acessos, e decorrido alguns dias para estabilização do solo ao redor do tubo executaram-se os procedimentos para a calibração da sonda de capacitância, modelo Diviner 2000® (Sentek, 2001). E assim, a umidade volumétrica foi calibrada com os dados de
) w F -a (F ) s F -a (F = r F (1) em que:
Fa - leitura da frequência no tubo de PVC totalmente suspenso no ar (162.480); Fs - leitura da frequência no tubo de PVC no solo;
Fw - leitura da frequência no tubo de PVC vedado e imerso em água (121.850).
As leituras de frequência foram realizadas até 0,30 m de profundidade para o solo cultivado com abacaxi, e até 0,60 m de profundidade para o solo cultivado com manjericão. As leituras de frequência foram obtidas a cada 0,10 m em ambos os solos. Imediatamente após a realização das leituras de frequência, coletou-se amostras deformadas de solo a cada 0,10 m até atingir a profundidade de operação da sonda de capacitância referente a cada solo. As amostras de terra foram retiradas nas adjacências dos tubos de acesso e colocada em um cadinho com tampa para evitar a perda de água. As amostras foram pesadas, em balança de precisão de 0,01 g, e levadas a estufa para secagem a 105ºC por 24 h ou até atingirem peso constante. A umidade volumétrica (v, m3 m-3) em cada camada de solo foi determinada multiplicando-se a umidade gravimétrica pela média da densidade do solo (g cm-3). A densidade do solo foi determinada pelo método da proveta, de acordo com recomendação da Embrapa (1997). Para esta determinação, retirou-se amostras indeformadas para com anéis volumétricos dispostos horizontalmente a 0,20 m da parede do tubo.
Os valores de v e as correspondentes leituras de frequência, foram submetidos à análise exploratória e teste de normalidade de Shapiro-Wilk (p> 0,05) sendo realizado o ajuste pela análise de regressão linear simples.
A acurácia desse ajuste foi avaliada pela significância dos coeficientes da regressão linear; por meio dos coeficientes de correlação de Pearson (r) e de determinação da regressão (R²), e pelo erro padrão da estimativa do ajuste, em que valores próximos de 1 e 0 são os desejados, respectivamente. Além disso, como os coeficientes determinísticos e de correlação, na maioria dos casos, não avaliam concordância e sim associação, para verificar se os valores de umidade estimados pela sonda e pelo método padrão foram equivalentes, a acurácia desse ajuste também foi avaliada pelo índice de concordância de Willmott e índice de desempenho de Camargo - Sentelhas (Camargo & Sentelhas, 1997); e o limite de concordância proposto por Bland - Altman (Bland & Altman, 1986).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A partir da observação dos resultados estatísticos apresentados na Tabela 1, observa-se que os desvios-padrão obtidos, para ambos os métodos e para ambos os solos, foram baixos, e semelhantes para a mesma classe de solo. Sendo que o método estimado apresentou menor desvio-padrão se comparado com o método real. O teste T de student revelou que os resultados do método de estimativa foram condizentes com os dados reais, apresentando p-valor de 0,927 para o Nitossolo Vermelho distrófico e de 0,845 para o Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico. Sendo que quanto mais elevado o p-valor do teste T de Student, maior a similaridade dos dados estimados versus real. Já o teste de Shapiro-Wilk, revelou que os dados obtidos para o Nitossolo Vermelho distrófico não são normais (p-valor de 0,024), ou seja, p-(p-valor para o teste de Shapiro-Wilk foi menor do que 0,05. E que os dados obtidos para o Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico foram normais (valor de 0,119), ou seja, p-valor maior do que 0,05. Os intervalos de p-valores de umidade do solo foram 0,31 e 0,09 m3 m-3, seco e 0,52 e 0,21 m3 m-3, úmido, respectivamente para o Nitossolo Vermelho distrófico e o Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico.
Na Figura 1, é apresentado o gráfico que confronta os pares de dados de umidade obtidos no campo utilizando a sonda Diviner 2000® e o método padrão (umidade volumétrica do solo), sendo o objetivo averiguar se as duas medidas são equivalentes e se uma poderia substituir a outra, ou seja, se existe ou não concordância.
Os ajustes obtidos entre os pares de valores de umidade volumétrica (θv) versus frequência relativa (Fr) foram significativos para o Nitossolo (Figura 1). O modelo explicou 89% da variação da umidade volumétrica, no intervalo mínimo e máximo de 0,340 a 0,525 m3 m-3.
No Nitossolo Vermelho distrófico, obteve-se índice de concordância de Wilmottu , que reflete uma relativa concordância, quando multiplicado pelo coeficiente de correlação para encontrar o índice de desempenho de Camargo-Sentelhas (c = r*d), o mesmo foi classificado como “muito bom” (c=0,788).
Já para o Latossolo, os ajustes obtidos entre os pares de valores de umidade volumétrica (θv) versus frequência relativa (FDR) foram significativos (Figura 2). O modelo explicou 78% da variação da umidade volumétrica, no intervalo mínimo e máximo de 0,098 a 0,188 m3 m-3. Neste solo obteve-se índice de desempenho de Camargo-Sentelhas (c = r*d) de 0,6557, classificado como “bom”.
O coeficiente de correção de Bland-Altman não avalia a concordância e sim associação. A metodologia proposta inicialmente por Bland e Altman para avaliar a concordância entre duas variáveis (X e Y) parte de uma visualização gráfica a partir de um gráfico de dispersão entre a diferença das duas variáveis (X - Y) e a média das duas (X + Y)/2. Neste gráfico é possível visualizar o viés (o quanto as diferenças se afastam do valor zero), o erro (a dispersão dos pontos das diferenças ao redor da média), além de outliers e tendências (Hirakata e Camey, 2009).
A partir da análise de concordância de Bland-Altman, obteve-se um viés de 2,72 10-4, intervalo de confiança do viés (CI Bias) de -0,006 a 0,006 m³ m-3, o qual, comparado à porosidade total do solo (α = 0,41 m³ m-3), é muito pequeno, representando 1,46% de α (Figura 4).
Para o Latossolo, o viés obtido pela estatística de Bland-Altman foi de -4,803 10-4, e o intervalo de confiança do viés (CI Bias) foi de -0,005 a 0,004. Considerando-se a porosidade total (α = 0,5245 m³ m-3) comparativamente ao intervalo de confiança do viés (CI Bias), conclui-se que o CI Bias é muito pequeno, representando 9,53 10-3% e 7,63 10-3% (referente aos limites inferior e superior do CI Bias da porosidade total (Figura 5).
CONCLUSÃO
A sonda de capacitância (modelo Diviner 2000®) substituiu o método padrão de medida da umidade para o Latossolo Vermelho-amarelo distrófico e Nitossolo Vermelho distrófico nas profundidas 0 a 0,3 m e 0 a 0,6 m, respecitavemente.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), pelo apoio financeiro a esta pesquisa, por meio do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Engenharia da Irrigação (INCTEI) e por meio da concessão da bolsa de mestrado ao primeiro autor (processo 2012/04806-7).
REFERÊNCIAS
ANDRADE JUNIOR, A.S.; SILVA, C.R.; DANIEL, R. Calibração de um sensor capacitivo de umidade em Latossolo Amarelo na microrregião do Litoral Piauiense. Revista Brasileira de Ciências Agrárias, Belém, v. 2, n. 4, p. 303-30 7, 2007.
EMBRAPA. Manual de métodos de análise de solo. 2. ed. Rio de Janeiro, 1997. 212p. EMBRAPA. Sistema Brasileiro de Classificação de Solos. 2. ed. Rio de Janeiro, 2009. 367p.
HIRAKATA, V. N.; CAMEY, S. A. Seção de bioestatística análise de concordância entre métodos de bland-altman bland-altman analysis of agreement between methods. Revista HCPA, v.29, n.3, p.261-268, 2009.
IPCC. Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Editores: Pachauri, R.K and Reisinger, A.]. IPCC, Geneva, Switzerland, 104 p. 2007.
REICHARDT, K. et al . Neutron probe calibration correction by temporal stability parameters of soil water content probability distribution. Scientia Agrícola, v. 54,n.(Special), 1997.
TEIXEIRA, C. F. A.; MORAES, S. O. e SIMONETE, M. A. Desempenho do tensiômetro, TDR e sonda de nêutrons na determinação da umidade e condutividade hidráulica do solo. Revista
Brasileira de Ciência do Solo, v.29, p.161-168, 2005. http://dx.doi.org/10.1590/S0100-06832005000200001
Tabela 1. Estatística Descritiva
Métodos N Mínimo Máximo Média DP
t-test p-valor
S-W p-valor Nitossolo Vermelho distrófico (m3 m-3)
Real 41 0,314 0,528 0,428 0,057
0,927 0,024
Estimado 41 0,340 0,525 0,428 0,053
Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico (m3 m-3)
Real 40 0,095 0,219 0,152 0,033
0,845 0,119
Estimado 40 0,098 0,188 0,151 0,030
N: numero de valores; DP: Desvio padrão; S-W: Shapiro-Wilk (p-valor > 0,05); t-test: teste T de Student (p-valor)
Figura 1. Regressão linear da umidade estimada pela sonda Diviner 2000® versus umidade volumétrica do solo, considerando todos os dados (0,0 a 0,60 m). * (p < 0,01) = coeficiente significativo ao nível de 1% de probabilidade pelo teste t; R2 = coeficiente determinístico; r = coeficiente de Pearson; d = índice de concordância de Willmott; c = índice de desempenho de Camargo- Sentelhas para o Nitossolo Vermelho distrófico.
0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 U mi da de v o lu mé tr ic a -E sti ma da ( m³ /m ³)
Umidade volumétrica - Real (m³/m³) c = 0,788
Y = 0,8801* X + 0,0516*
d = 0,826 r = 0,955 R² = 0,8879
Figura 2. Regressão linear da umidade estimada pela sonda Diviner 2000® versus umidade volumétrica do solo, considerando todos os dados (0,0 a 0,30 m). * (p < 0,01) = coeficiente significativo ao nível de 1% de probabilidade pelo teste t; R2 = coeficiente determinístico; r = coeficiente de Pearson; d = índice de concordância de Willmott; c = índice de desempenho de Camargo- Sentelhas para o Latossolo Vermelho-Amarelo.
Figura 4. Análise de concordância de Bland-Altman entre a umidade estimada pela sonda Diviner 2000® versus umidade volumétrica (0 a 0,6 m) no Nitossolo Vermelho distrófico.
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 U mi da de v o lu mé tr ic a -E sti ma da ( m³ /m ³)
Umidade volumétrica - Real (m³/m³) c = 0,676
Y=0,8082* X + 0,0287*
d = 0,756 r = 0,8945 R² = 0,7841
Figura 5. Análise de concordância de Bland-Altman entre a umidade estimada pela sonda Diviner 2000® versus umidade volumétrica (0 a 0,3 m) no Latossolo Vermelho-amarelo distrófico
