Avanços no uso da espectroscopia no infravermelho-próximo para o monitoramento da matéria orgânica do solo e suas frações

Abstract

A espectroscopia na região do infravermelho-próximo – NIR (Near-infrared) é uma técnica analítica rápida, não destrutiva, de fácil uso, altamente reprodutiva e ambientalmente correta, que pode ser utilizada para o monitoramento da matéria orgânica do solo, um atributo que pode beneficiar diversos serviços ecossistêmicos providos pelo solo. No presente trabalho, aspectos metodológicos que envolvem o uso de espectrofotômetros NIR compactos para determinação de carbono orgânico do solo (COS) foram avaliados, assim como o potencial do uso da espectroscopia NIR (NIRS) para a determinação de C, N, δ 13 C e δ 15 N em frações da matéria orgânica do solo (matéria orgânica particulada e matéria orgânica associada aos minerais). Os resultados indicaram que o aumento da área da amostra sondada pelo espectrofotômetro NIR compacto afeta positivamente a representatividade dos espectros de amostras de solo e proporciona ganhos na acurácia dos modelos de determinação de COS. O uso de um sistema de movimentação automático programado para mover, axial e radialmente, os frascos contendo as amostras de solo sobre o feixe de sondagem ótica de um instrumento compacto aumentou a representatividade dos espectros do solo e resultou em ganhos de até 400 % na acurácia dos modelos. Constatou-se ainda que a performance dos modelos de determinação de COS, desenvolvidos com instrumentos compactos e usando conjuntos de dados amplos e heterogêneos, pode ser beneficiada pela moagem do solo. Contudo, nestas condições, o uso de modelos de regressão local, construídos utilizando apenas as amostras do conjunto de calibração consideradas semelhantes à amostra que se deseja avaliar usando a NIRS, se mostrou uma melhor alternativa. Quando os modelos locais foram construídos utilizando amostras de solo secas em estufa e finamente moídas, foram obtidos os melhores resultados, sendo observada redução no erro de predição de até 15 %. Os resultados demonstraram também que a NIRS pode ser utilizada para caracterização rápida e não-destrutiva da matéria orgânica do solo. Além de fornecer informações sobre os teores totais de C e N, foi possível inferir os teores de C, N e δ 13 C na matéria orgânica particulada e na matéria orgânica associada aos minerais. Palavras-chave: Espectrofotômetros NIR compactos. Modelos de regressão local. Pré- processamento de amostras de solo. Matéria orgânica particulada. Matéria orgânica associada aos minerais.

Near-infrared spectroscopy (NIR) is a rapid, non-destructive, easy-to-use, highly reproducible and environmentally friendly analytical technique that can be used for monitoring soil organic matter, an attribute that can benefit several ecosystem services provided by soil. In the present work, methodological aspects involving the use of compact NIR spectrophotometers to determine soil organic carbon (SOC) were evaluated, as well as the potential of using NIR spectroscopy (NIRS) to determine C, N, δ 13 C and δ 15 N in fractions of soil organic matter (particulate organic matter and mineral-associated organic matter). Through the results, it can be observed that increasing the sample area probed by a compact NIR spectrophotometer positively affects the representativeness of the soil sample spectra, which can increase the accuracy of SOC determination models. Using an automatic system to move, axially and radially, the flasks containing the soil samples over the optical probe beam during spectral data acquisition increase the representativeness of the soil spectra acquired using a compact spectrophotometer and has resulted in gains of up to 400 % in model accuracy. It was also found that the performance of SOC determination models, developed with compact instruments and using large and heterogeneous data sets, can be improved when ground soil samples are used. However, when compact instruments are used under these conditions, the use of local regression models, built using only the samples from the calibration set with similar spectra to the sample being evaluated, has proven to be a better option. The best performance of compact spectrophotometers was obtained using local calibration and finely ground oven-dried soil samples. This protocol provided a reduction of up to 15% in the prediction error. The results also demonstrated that NIRS can be used for rapid and non-destructive characterisation of soil organic matter. In addition to providing information on total C and N contents, it was possible to infer the C, N and δ 13 C contents in particulate organic matter and mineral-associated organic matter. Keywords: Compact NIR spectrophotometers. Local regression models. Soil sample pre- processing. Particulate organic matter. Mineral-associated organic matter.