COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE SOLOS DA REGIÃO DE … · ISBN: 978-85-99907-05-4 I Simpósio Mineiro de Geografia – Alfenas 26 a 30 de maio de 2014 1688 comportamento espectral, permitindo

ISBN: 978-85-99907-05-4 I Simpósio Mineiro de Geografia – Alfenas 26 a 30 de maio de 2014

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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

[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

mailto:[email protected]





1688

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.


1690

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


1691

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


1692

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).

Óxidos

de ferro

H2O

Minerais 2:1

Caulinita


1693

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).

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


1694

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.


1695

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


1696

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).

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

CX PV+CX

LV


1697

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

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.


1698

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.


1699

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.

7. Referências Bibliográficas

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