O USO DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA APARENTE E KRIGAGEM COM DERIVA EXTERNA PARA OTIMIZAR A AMOSTRAGEM DE SOLO

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1 O USO DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA APARENTE E KRIGAGEM COM DERIVA EXTERNA PARA OTIMIZAR A AMOSTRAGEM DE SOLO GUILHERME M. SANCHES 1, ARMANDO Z. REMACRE 2, PAULO S. GRAZIANO MAGALHÃES 3 1 Mestrando em Engenharia Agrícola, FEAGRI/UNICAMP, CTBE/CNPEM, Campinas, SP, guilherme.sanches@feagri.unicamp.br; 2 Geólogo, Professor, Dept. de Geologia e Recursos Naturais, IG/UNICAMP, Campinas, SP, 3 Professor Titular Conselho de Infraestrutura Rural, FEAGRI/UNICAMP, CTBE/CNPEM, Campinas, SP, Apresentado no Congresso Brasileiro de Agricultura de Precisão- ConBAP 2014 São Pedro - SP, Brasil, 14 a 17 de setembro de 2014 RESUMO: Um dos fatores limitantes para se fazer um adequado mapeamento do solo e atender os requisitos mínimos dos métodos de interpolação é a necessidade de uma amostragem densa da área, o que inviabiliza muitas vezes a aplicação da AP. Dentro deste contexto, os métodos de interpolação multivariados vislumbram uma saída para o presente desafio, tornando possível a descrição da variabilidade espacial do solo com uma pequena amostragem da variável a qual se deseja conhecer, utilizando para isto outros atributos que são mais facilmente mensuráveis e a um custo menor. Uma das técnicas consiste na utilização de mapas obtidos através de sensores de solo para identificação de pontos para amostragem. Este trabalho parte da hipótese que, utilizando dados provenientes de sensores de Condutividade Elétrica Aparente do solo (CEa) em conjunto com técnicas de estatística e geoestatística, é possível, através de uma amostragem direcionada e reduzida, conhecer a variabilidade espacial da fertilidade e do estado físico dos solos com adequada precisão. Estimou-se a distribuição espacial da argila, capacidade de troca catiônica, saturação por bases, ph e potássio, na camada de 0.00 a 0.25m. A metodologia utilizada abre novas perspectivas de investigação na possibilidade de predizer, com adequada precisão, mapas que podem ser utilizados para recomendação de adubação à taxa variável com uma pequena amostragem. PALAVRAS-CHAVE: krigagem com deriva externa; sensores de solo; geoestatística. THE USE OF APPARENT ELECTRICAL CONDUCTIVITY AND KRIGING WITH EXTERNAL DRIFT TO OPTIMIZE SOIL SAMPLING ABSTRACT: One of the limiting factors for making a proper soil map and meet the minimum requirements of interpolation methods is the need for a dense sampling, which often prohibit the application PA. Within this context, methods of multivariate interpolation envision a way out of this challenge, making it possible to describe the soil spatial variability with a small sampling of the desire variable, using this other attributes that are more easily measurable and to a lower cost. One technique is the use of maps obtained through soil sensors to identify points for sampling. This paper starts from the hypothesis that, using data from soil apparent electrical conductivity (ECa) sensors together with statistical and geostatistical techniques, it is possible, through a targeted and limited sampling, knowing the spatial variability soil of fertility and physical parameters with adequate precision. We

2 estimated the spatial distribution of clay, cation exchange capacity, base saturation, total exchangeable bases, ph and potassium, in the 0.00 to 0.25m layer. The methodology indicates that it is capable of predicting with adequate accuracy, maps that can be used for fertilizer recommendation to the variable rate. KEYWORDS: kriging external drift; soil sensors; geostatistics. INTRODUÇÃO: Um dos fatores que limitam o uso da agricultura de precisão (AP) é o processo de amostragem necessário para representar espacialmente os atributos físicos e químicos do solo e/ou planta. Para tal é necessário realizar uma amostragem densa na área, fazendo com que a atividade se torne impraticável tanto física quanto economicamente (Peets et al., 2012). Uma das tecnologias atuais para vencer este desafio é a utilização de sensores de solo e/ou planta. Dentro do contexto histórico da necessidade de tecnologias acessíveis para aquisição de informações de alta qualidade, visando o adequado manejo da variabilidade espacial das lavouras, a condutividade elétrica aparente (CEa) do solo tem se destacado como um método eficaz de avaliar com rapidez, alta resolução e baixo custo a condição geral da fertilidade dos solos (Sudduth et al., 2005). Diversas pesquisas apontam que a CEa do solo está relacionada às condições topográficas locais, sendo que em áreas de menor altitude a condutividade é maior se comparada com áreas de maior altitude, sendo estas diferenças atribuídas aos efeitos combinados do acúmulo de água e sais nas áreas de menor declividade. Além de estar intrinsicamente relacionada ao teor de umidade, pesquisas mostram que a CEa é capaz de detectar variações nas propriedades do solo como salinidade, conteúdo de argila, capacidade de troca catiônica, tamanho e distribuição dos poros, matéria orgânica e temperatura (Corwin and Lesch, 2003; Kaffka et al., 2005). Este trabalho teve como objetivo comparar a descrição da variabilidade espacial dos atributos químicos e físicos do solo através de uma amostragem em grade regular densa com uma amostragem orientada pela condutividade elétrica aparente, aplicando métodos de interpolação multivariados. MATERIAL E MÉTODOS: O projeto de pesquisa vem sendo desenvolvido na Usina Santa Fé, localizada no município de Nova Europa - SP. A área de estudo, com 34 ha, foi previamente georeferenciada e os atributos físicos e químicos analisados. Utilizando uma amostragem em grade regular de 50x50m com 128 pontos (Figura 1), georeferenciada, em duas profundidades ( m e m), sendo que cada ponto amostral foi composto de três subamostras. Os dados foram submetidos à analises laboratoriais para caracterização dos macro e micronutrientes (P, K, Ca, Mg, Na, Al 3, H + Al 3, S, B, Cu, Fe, Mn e Zn), ph, carbono orgânico total, matéria orgânica e as características físicas do solo. A leitura de CEa em área total foi realizada em passadas paralelas aos terraços da área utilizando o sensor EM38-MK2 (Geonics, Mississauga, Ontário, CANADA) conectado a um receptor GPS. O sensor foi configurado para leitura nas camadas de 0.00 a 0.38m. Para uma investigação foram selecionados os atributos, Argila, Capacidade de Troca Catiônica (CTC), Potássio (K), ph, Soma de Bases (SB) e Saturação por Bases (V%).

3 Figura 1 Mapa de altitude da área experimental de 34 ha na Usina Santa Fé, SP. Foram avaliadas as medidas de tendência central, dispersão e a construção de Box plot para os atributos analisados. O Box plot permitiu avaliar a dispersão dos dados e a existência ou não de outliers nos mesmos. Os dados de CEa, foram submetidos a um pré-tratamento para retirar possíveis ruídos. O pré-tratamento foi feito com base na normalização dos dados, removendo os dados fora do intervalo de ±3. Nos dados dos atributos químicos e físicos do solo foi realizada uma análise espacial juntamente para verificação da veracidade dos outliers. Os pontos na grade reduzida foram escolhidos com base na distribuição espacial da CEa, nos locais onde a CEa apresentou valores distintos. No total foram selecionados sete pontos, correspondendo a 1 amostra a cada 5 hectares. Com os atributos de interesse na grade reduzida de amostragem, foi utilizado o método de krigagem com deriva externa (KED) para a construção de mapas temáticos dos mesmos. O objetivo foi obter os mapas do atributo de interesse (variável primária) com base nos dados de CEa (variável secundária). Utilizou-se o software GeoMS (CERENA, Lisboa, Portugal) para a realização da KED. Por fim foi realizada a comparação dos mapas obtidos na grade original (50x50m) com os dados interpolados utilizando KDE. Comparou-se os resultados com mapas gerados por krigagem ordinária em uma grade amostral convencional de 7 pontos de uma grade equidistante. RESULTADOS E DISCUSSÃO: Após a eliminação dos ruídos procedeu-se o cálculo da estatística descritiva para todos os atributos analisados, que apresentaram, uma assimetria e uma curtose entre ±1, com exceção do potássio, indicando uma distribuição simétrica dos dados. O potássio e a soma de bases apresentaram os maiores coeficientes de variação (45,7% e 24,1%), indicando alta variabilidade do atributo no campo. Todos os dados foram interpolados para uma grade de estimativa de 5x5m. Realizou-se então a seleção de pontos orientados (7 pontos) com base no mapa da CEa e a grade convencional (com 7 pontos) utilizada para comparar a qualidade dos mapas obtidos (Figura 2).

4 Tabela 1 Análise descritiva dos atributos avaliados N Média Mín Máx Var CV sk ku 0,00 a 0,25 m Argila ,1 292,0 391,0 517,9 22,75 6,63-0,248-0,41 ph 122 4,96 4,40 5,80 0,09 0,31 6,16 0,157-0,38 K ,373 0,800 14,20 11,359 3,370 45,709-0,013-1,13 CTC ,95 29,30 60,50 40,915 6,396 14,229-0,056-0,32 V% ,38 47,00 83,00 62,351 7,896 11,719-0,525-0,39 0,00 a 0,38 m CEa ,51 0,08 14,49 8,88 2,98 54,11 0,356-0,57 Var variância; desvio padrão; CV = coeficiente de variação; sk = assimetria; ku = curtose Unidades: Argila (g kg -1 ); K + (mmol c dm -3 ); CTC (mmol c dm -3 ); CEa (ms m -1 ) - Figura 2. Grade amostral de 50x50m (à esquerda), reduzida (7 pontos) selecionada com base na condutividade elétrica aparente CEa de 0,00 a 0,38m (centro) e grade amostral convencional (7 pontos) (à direita). Todos os mapas gerados através da amostragem orientada apresentaram correlação com os mapas na grade original maior que 0,4, com exceção da CTC. A argila e o K + foram os atributos que apresentaram a melhor correlação (r = 0,641 e 0,697). Além disto, estas propriedades foram as que melhor apresentaram ganho em qualidade quando comparadas à krigagem feita com base na grade convencional. O ph acompanha a tendência da CEa em alguns locais da área (r = 0,515), porém a grade convencional apresentou melhor correlação com os dados na grade original (r = 0,734), Figura 3. Apesar da amostragem direcionada apresentar melhor correlação em apenas 2 dos 6 elementos analisados, SB e a V% apresentarem as correlações iguais, observa-se visualmente que os mapas obtidos pela KED representam a variabilidade espacial de uma forma melhor. Estes resultados sugerem que novas investigações devem ser realizadas no sentido de eliminar melhor os ruídos advindos dos sensores para que as propriedades possam ser descritas com maior precisão e definir uma metodologia para a seleção de pontos com base na CEa. O métodos utilizado para avaliar a correlação entre os mapas estimados não parece adequado, pois não é capaz de avaliar a correlação espacial entre os atributos, provavelmente uma análise do correlograma como sugerido por (Brenning et al., 2008) seja mais adequada.

5 (a) (b) (c) (d) Figura 2. Mapa obtidos por krigagem ordinária na grade amostral original de 50x50m (à esquerda), krigagem ordinária na grade convencional de 7 pontos (centro) e krigagem com deriva externa com base na CEa (à direita): da argila, CTC (a), K + (b), ph (c) e V% (d). (e)

6 CONCUSÕES: A KDE utilizando a CEa conseguiu estimar, com uma amostragem reduzida e direcionada, a distribuição espacial dos atributos relacionados a fertilidade do solo e ao conteúdo de argila melhorando a representação da variabilidade espacial. A inserção de múltiplos atributos secundários, advindos de outros sensores de solo, nos métodos multivariados de interpolação, mais facilmente mensuráveis, deve ser investigada com o objetivo de aumentar a qualidade dos mapas de variabilidade espacial dos atributos químicos e físicos do solo. AGRADECIMENTOS À Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP processo 2011/ ) pelo financiamento do projeto e à Usina Santa Fé pela infraestrutura concedida. REFERÊNCIAS Brenning, A., Koszinski, S., Sommer, M., Geostatistical homogenization of soil conductivity across field boundaries. Geoderma 143, Corwin, D.L., Lesch, S.M., Application of Soil Electrical Conductivity to Precision Agriculture: Theory, Principles, and Guidelines. Agron. J. 95, Kaffka, S.R., Lesch, S.M., Bali, K.M., Corwin, D.L., Site-specific management in salt-affected sugar beet fields using electromagnetic induction. Comput. Electron. Agric. 46, Peets, S., Mouazen, A.M., Blackburn, K., Kuang, B., Wiebensohn, J., Methods and procedures for automatic collection and management of data acquired from on-the-go sensors with application to on-thego soil sensors. Comput. Electron. Agric. 81, Sudduth, K. a., Kitchen, N.R., Wiebold, W.J., Batchelor, W.D., Bollero, G. a., Bullock, D.G., Clay, D.E., Palm, H.L., Pierce, F.J., Schuler, R.T., Thelen, K.D., Relating apparent electrical conductivity to soil properties across the north-central USA. Comput. Electron. Agric. 46,