comportamento espectral de solos da região de - Unifal-MG

COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE SOLOS DA REGIÃO DE
PIRACICABA COM BASE EM AMOSTRAS NATURAIS E
PREPARADAS EM LABORATÓRIO
Laura Milani da Silva Dias
[email protected]
Mestranda, Instituto Agronômico de Campinas, bolsista Capes
Everton Alves Rodrigues Pinheiro
[email protected]
Doutorando, ESALQ-USP, bolsista Fapesp
Gustavo Casoni da Rocha
[email protected]
Doutorando, ESALQ-USP, bolsista Capes
Sara de Jesus Duarte
[email protected]
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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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 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.
Keywords: Reflectance, spectral curves, soil mapping
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Eixo de inscrição/debate: EIXO 13 - Sensoriamento remoto e mudanças da
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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3. Fundamentação teórica
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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verão, inverno seco e temperatura média de 21,1º com precipitação média anual de
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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tem apenas duas curvas, ACC e TFSE para camada superficial, visto que não foi
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).
Minerais 2:1
Óxidos
de ferro
H2O
Caulinita
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Figura 1 – Fator de reflectância em função do comprimento de onda de amostras de
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).
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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 VermelhoAmarelo (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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0,20, chegando algumas curvas a atingir picos acima de 0,35. Em relação às feições,
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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as amostras ACC e TFSE. Para as amostras ACC se observa que a reflectância foi
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).
CX
PV+CX
LV
1696
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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presença de material de alta reflectância (SOUZA-JUNIOR, 2008; GENÚ; DEMATTÊ,
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
1697
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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Os pontos seguintes, P4, P5 e P6, foram considerados Argissolos, visto que
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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A presença de minerais 2:1 que ocorrem principalmente em solos mais jovens
(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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