Building predictive models of soil particle-size distribution

Is it possible to build predictive models (PMs) of soil particle-size distribution (psd) in a region with complex geology and a young and unstable land-surface? The main objective of this study was to answer this question. A set of 339 soil samples from a small slope catchment in Southern Brazil was used to build PMs of psd in the surface soil layer. Multiple linear regression models were constructed using terrain attributes (elevation, slope, catchment area, convergence index, and topographic wetness index). The PMs explained more than half of the data variance. This performance is similar to (or even better than) that of the conventional soil mapping approach. For some size fractions, the PM performance can reach 70 %. Largest uncertainties were observed in geologically more complex areas. Therefore, significant improvements in the predictions can only be achieved if accurate geological data is made available. Meanwhile, PMs built on terrain attributes are efficient in predicting the particle-size distribution (psd) of soils in regions of complex geology.

Atributos topográficos na diferenciação de Argissolos

A topografia do terreno controla muitos processos hidrológicos, geomorfológicos e pedológicos, influenciando a radiação solar, precipitação pluvial, escoamento superficial, evaporação, regime de umidade do solo e tipo de vegetação, entre outros. Desta maneira, atributos topográficos derivados de um modelo digital de elevação foram utilizados para explicar a diferenciação de solos com horizonte B textural da região de ''Mar de Morros'', no noroeste do Estado do Rio de Janeiro. Foram estudados oito perfis de solo (quatro Argissolos Vermelhos e quatro Argissolos Vermelho-Amarelos), desenvolvidos de granulitos noríticos nos municípios de São José de Ubá e Itaperuna. Os dados dos atributos topográficos em cada perfil de solo (elevação, declividade, aspecto, plano e perfil de curvatura, radiação solar e índice topográfico combinado) foram extraídos, utilizando-se uma janela de 7 x 7 pixels, com os perfis ocupando o centro dessa janela. Os Argissolos que ocorrem nas encostas noroeste e nordeste recebem maior quantidade de radiação solar (mais quentes e secas) e por isto são vermelhos, eutróficos e não apresentam horizonte B latossólico, enquanto os solos das encostas sudeste (relativamente mais frias e úmidas) são vermelho-amarelados, distróficos e com horizonte B latossólico. A radiação solar, a declividade e o aspecto são os atributos topográficos relacionados com as diferenças entre os perfis de solos estudados. Os atributos topográficos analisados pelas técnicas multivariadas apresentaram-se efetivos para a distinção entre os Argissolos Vermelho-Amarelos distróficos e os Argissolos Vermelhos eutróficos, exceto o P7 (PVe). Estudos relacionando a influência da radiação solar na pedogênese são escassos em condições tropicais e, embora menos atuante em regiões tropicais, foi a radiação solar que determinou diretamente a diferenciação dos solos da área estudada.

Detecção de limites de solos por dados espectrais e de relevo

Existe a necessidade de avaliar a importância do relevo associado aos parâmetros espectrais de solos como base no mapeamento. O objetivo deste trabalho foi determinar um método de detecção de limites de solos por meio da interação de dados espectrais e formas de relevo. Foram percorridas 14 topossequências representativas de uma área de 13.000 ha próxima dos municípios de São Carlos e Araraquara, SP. As amostras foram caracterizadas pelos métodos convencionais de análise química e granulométrica. Posteriormente, foram obtidos dados espectrais de 400 a 2.500 nm. As informações do relevo foram obtidas pelo emprego de técnicas de geoprocessamento. Geraram-se o modelo digital de elevação do terreno e os mapas de declividade, de curvatura, de índice topográfico composto e de Potencial de Densidade de Drenagem. Ainda, procedeu-se à validação dos métodos pontual e espacial. Na primeira validação, os pontos classificados nas topossequências foram tomados como verdadeiros e contrastados com as informações contidas no mapa de solo pré-existente, com os dados de relevo e com os dados espectrais agrupados. Na validação em nível espacial, procuraram-se avaliar em que locais os diferentes métodos indicavam mudanças nos limites dos solos e comparar com as observações reais. Verificou-se que a análise de agrupamento com cluster evidenciou-se eficiente na discriminação das unidades de solos em topossequência, quando utilizados parâmetros espectrais do solo. Já o conjunto de parâmetros de relevo isoladamente não foi o mais adequado.

Three-dimensional interpolation of soil data: fertility and pedomorphological features in southern Brazil

The graphical representation of spatial soil properties in a digital environment is complex because it requires a conversion of data collected in a discrete form onto a continuous surface. The objective of this study was to apply three-dimension techniques of interpolation and visualization on soil texture and fertility properties and establish relationships with pedogenetic factors and processes in a slope area. The GRASS Geographic Information System was used to generate three-dimensional models and ParaView software to visualize soil volumes. Samples of the A, AB, BA, and B horizons were collected in a regular 122-point grid in an area of 13 ha, in Pinhais, PR, in southern Brazil. Geoprocessing and graphic computing techniques were effective in identifying and delimiting soil volumes of distinct ranges of fertility properties confined within the soil matrix. Both three-dimensional interpolation and the visualization tool facilitated interpretation in a continuous space (volumes) of the cause-effect relationships between soil texture and fertility properties and pedological factors and processes, such as higher clay contents following the drainage lines of the area. The flattest part with more weathered soils (Oxisols) had the highest pH values and lower Al3+ concentrations. These techniques of data interpolation and visualization have great potential for use in diverse areas of soil science, such as identification of soil volumes occurring side-by-side but that exhibit different physical, chemical, and mineralogical conditions for plant root growth, and monitoring of plumes of organic and inorganic pollutants in soils and sediments, among other applications. The methodological details for interpolation and a three-dimensional view of soil data are presented here.

Variability of root traits in common bean genotypes at different levels of phosphorus supply and ontogenetic stages

Selection of common bean (Phaseolus vulgaris L.) cultivars with enhanced root growth would be a strategy for increasing P uptake and grain yield in tropical soils, but the strong plasticity of root traits may compromise their inclusion in breeding programs. The aim of this study was to evaluate the magnitude of the genotypic variability of root traits in common bean plants at two ontogenetic stages and two soil P levels. Twenty-four common bean genotypes, comprising the four growth habits that exist in the species and two wild genotypes, were grown in 4 kg pots at two levels of applied P (20 and 80 mg kg-1) and harvested at the stages of pod setting and early pod filling. Root area and root length were measured by digital image analysis. Significant genotype × P level and genotype × harvest interactions in analysis of variance indicate that the genotypic variation of root traits depended on soil nutrient availability and the stage at which evaluation was made. Genotypes differed for taproot mass, basal and lateral root mass, root area and root length at both P levels and growth stages; differences in specific root area and length were small. Genotypes with growth habits II (upright indeterminate) and III (prostrate indeterminate) showed better adaptation to limited P supply than genotypes of groups I (determinate) and IV (indeterminate climbing). Between the two harvests, genotypes of groups II and III increased the mass of basal and lateral roots by 40 and 50 %, respectively, whereas genotypes of groups I and IV by only 7 and 19 %. Values of the genotypic coefficient of determination, which estimates the proportion of phenotypic variance resulting from genetic effects, were higher at early pod filling than at pod setting. Correlations between shoot mass and root mass, which could indicate indirect selection of root systems via aboveground biomass, were higher at early pod filling than at pod setting. The results indicate that selection for root traits in common bean genotypes should preferentially be performed at the early pod-filling stage.

Resistência à penetração, eficiência de escarificadores mecânicos e produtividade da soja em Latossolo argiloso manejado sob plantio direto de longa duração

Frequentemente, a compactação limita a produtividade das culturas anuais em solos mecanizados, sendo a sua distribuição na lavoura regionalizada. Em área manejada sob sistema plantio direto (SPD) por longo prazo, foi investigada a variabilidade espacial da resistência à penetração (RP), a eficiência de escarificadores mecânicos e o seu efeito na produtividade da soja. O solo foi Latossolo Vermelho argiloso localizado no planalto do RS. O clima é subtropical Cfa com precipitação pluvial anual de 1.750 mm e temperatura média anual de 18,7 ºC. O delineamento experimental foi de blocos casualizados com quatro tratamentos e duas repetições. Os tratamentos foram implantados em faixas paralelas de 100 × 20 m. Os tratamentos investigados foram: escarificador sítio-específico com profundidade de atuação variada em razão da RP (ESEV); escarificador convencional (EC) com profundidade fixa; escarificador sítio-específico com profundidade fixa (ESEF); e testemunha - sem escarificação (SE). Para avaliar a RP, utilizou-se um penetrômetro digital com leituras georrefenciadas em malha de 50 × 50 m realizadas manualmente em duas épocas. A produtividade da soja foi obtida por meio de uma colhedora equipada com sensor de produtividade e antena receptora de sinal de GPS. A RP apresentou valores médios de 1,4 e 2,1 MPa, para leituras realizadas após o manejo da cultura de cobertura e após a colheita, respectivamente. A RP determinada após o manejo da cultura de cobertura e a produtividade da soja apresentaram baixa correlação (r² = -0,297; p<0,05). Os valores de RP de 3,0 e 5,0 MPa resultaram em decréscimos de aproximadamente 10 e 38 % na produtividade da soja, respectivamente. A escarificação mecânica, independentemente do equipamento utilizado, não incrementou a produtividade da soja em relação à testemunha. Esse resultado foi atribuído à RP da área a ser classificada, quando da instalação dos tratamentos, como baixa/moderada, à ocorrência de frequente precipitação pluvial e às favoráveis condições físico-hídricas proporcionadas pelo SPD de longa duração.

Public-domain software for root image analysis

In the search for high efficiency in root studies, computational systems have been developed to analyze digital images. ImageJ and Safira are public-domain systems that may be used for image analysis of washed roots. However, differences in root properties measured using ImageJ and Safira are supposed. This study compared values of root length and surface area obtained with public-domain systems with values obtained by a reference method. Root samples were collected in a banana plantation in an area of a shallower Typic Carbonatic Haplic Cambisol (CXk), and an area of a deeper Typic Haplic Ta Eutrophic Cambisol (CXve), at six depths in five replications. Root images were digitized and the systems ImageJ and Safira used to determine root length and surface area. The line-intersect method modified by Tennant was used as reference; values of root length and surface area measured with the different systems were analyzed by Pearson's correlation coefficient and compared by the confidence interval and t-test. Both systems ImageJ and Safira had positive correlation coefficients with the reference method for root length and surface area data in CXk and CXve. The correlation coefficient ranged from 0.54 to 0.80, with lowest value observed for ImageJ in the measurement of surface area of roots sampled in CXve. The IC (95 %) revealed that root length measurements with Safira did not differ from that with the reference method in CXk (-77.3 to 244.0 mm). Regarding surface area measurements, Safira did not differ from the reference method for samples collected in CXk (-530.6 to 565.8 mm²) as well as in CXve (-4231 to 612.1 mm²). However, measurements with ImageJ were different from those obtained by the reference method, underestimating length and surface area in samples collected in CXk and CXve. Both ImageJ and Safira allow an identification of increases or decreases in root length and surface area. However, Safira results for root length and surface area are closer to the results obtained with the reference method.

Artificial neural networks applied for soil class prediction in mountainous landscape of the Serra do Mar¹

Soil information is needed for managing the agricultural environment. The aim of this study was to apply artificial neural networks (ANNs) for the prediction of soil classes using orbital remote sensing products, terrain attributes derived from a digital elevation model and local geology information as data sources. This approach to digital soil mapping was evaluated in an area with a high degree of lithologic diversity in the Serra do Mar. The neural network simulator used in this study was JavaNNS and the backpropagation learning algorithm. For soil class prediction, different combinations of the selected discriminant variables were tested: elevation, declivity, aspect, curvature, curvature plan, curvature profile, topographic index, solar radiation, LS topographic factor, local geology information, and clay mineral indices, iron oxides and the normalized difference vegetation index (NDVI) derived from an image of a Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) sensor. With the tested sets, best results were obtained when all discriminant variables were associated with geological information (overall accuracy 93.2 - 95.6 %, Kappa index 0.924 - 0.951, for set 13). Excluding the variable profile curvature (set 12), overall accuracy ranged from 93.9 to 95.4 % and the Kappa index from 0.932 to 0.948. The maps based on the neural network classifier were consistent and similar to conventional soil maps drawn for the study area, although with more spatial details. The results show the potential of ANNs for soil class prediction in mountainous areas with lithological diversity.

DESENVOLVIMENTO, AUTOMAÇÃO E DESEMPENHO DE UM CONSOLIDÔMETRO COM INTERFACE HOMEM-MÁQUINA

O ensaio de consolidação preconiza a utilização de um consolidômetro. Esse equipamento, até então, não era produzido e comercializado no Brasil. Os modelos não automatizados disponíveis para importação, apesar da proposta de baixo custo, ainda são rústicos e necessitam de contínua calibração dos níveis de pressão durante a realização do ensaio. A exclusividade e intervenção de um técnico durante todo o ensaio, associada à precária coleta de dados nesses modelos, ainda são os principais fatores que têm inviabilizado a consolidação desse ensaio na ciência do solo brasileira. Como alternativa a esses problemas, este trabalho teve por objetivos desenvolver e automatizar um consolidômetro a partir de um Controlador Lógico Programável (CLP) com interface homem-máquina (IHM). O equipamento é constituído de um gabinete de metal que aloja conjuntos de dispositivos pneumáticos, eletrônico-digital e atuadores de força e posição. O funcionamento de cada dispositivo de forma isolado ou conjugado é gerenciado por meio de um software em linguagem de programação ladder, que, a partir de um CLP com IHM incorporada, possibilita armazenar instruções e implementar funções. A interface entre o PC e o consolidômetro é feita pelo software CA-Linker, v 1.0, projetado especificamente para o equipamento. O uso do CLP com IHM incorporada permitiu o desenvolvimento e a automação do consolidômetro. O desempenho e a eficiência do conjunto de dispositivos (pneumáticos, eletrônico-digital e atuadores de força e pressão) foram comprovados pelos excelentes resultados dos valores de deformação e pressão obtidos em função do tempo e, principalmente, do comportamento da curva de compressão, gerada pelos ensaios de compressão.