Determinacao de Materia Organica Em Amostras de Solo Estudo Comparativo de Metodos

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Determinacao de Materia Organica Em

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  • Determinao de matria orgnica em amostras de solo - Estudo comparativo de mtodosBazoni, C.H.V.1; Kleinert, J.J.2; Germano, M.G.3; Leite, R.S.3; Oliveira Junior, A. de4

    1 Universidade Estadual de Londrina, Bolsista Pibic/CNPq/Embrapa Soja.

    e-mail: carloshenriquebazoni@gmail.com; 2 Tcnico B, Embrapa Soja, Londrina, PR; 3Analista,

    Embrapa Soja, Lodrina, PR; 4 Pesquisador, Embrapa Soja, Londrina, PR.

    Introduo

    A matria orgnica do solo exerce papel de grande importncia, tanto do ponto de vista qumico, quanto fsico ou biolgico. A sua origem, a composio qumica, as alteraes, e suas funes, vm sendo alvo de diversos estudos, devido ao conhecimento de seus teores ser fundamental em diferentes reas da Cincia do Solo (SOARES et al., 2009), alm da grande importncia no fornecimento de nutrientes s plantas, reteno de gua, de ctions e outros fatores.

    A determinao do teor de matria orgnica do solo baseia-se na oxidao a CO2 por ons dicromato em meio fortemente cido. No mtodo originalmente proposto por Walkley e Black (1934), a determinao da quantidade de ons Cr(III) reduzidos feita pela titulao dos ons dicromato em excesso, com ons Fe3+. Alternativamente, pode-se determinar indiretamente a quantidade de ons Cr(III) por colorimetria, medindo a intensidade da cor produzida por esses ons em soluo. Trata-se, portanto, de uma modificao do mtodo de Walkley e Black.

    O mtodo colorimtrico, amplamente adotado pelos laboratrios de anlise de solo no Brasil, requer a montagem de uma curva padro de calibrao. Essa curva feita com uma srie de amostras de solo, sendo que o teor de matria orgnica das amostras utilizadas para a montagem da curva de calibrao determinado por titulao (mtodo padro).

    Tanto a titulao quanto o mtodo colorimtrico so considerados caros e lentos. Embora o colorimtrico ainda seja muito utilizado em rotina, por ser um mtodo satisfatoriamente preciso, existe a busca por um procedimento que no gere resduos txicos. Uma alternativa em estudo a Espectroscopia no Infravermelho Prximo (Near Infra-red Spectroscopy - NIRS). A metodologia NIRS uma tcnica moderna que permite a determinao de diversos parmetros fsicos e qumicos em diversas matrizes, inclusive solo, a partir de sua reflectncia em faixas do espectro com determinados comprimentos de onda (NIRS: 800 - 2500 nm). Esta nova gerao de equipamento NIRS, alm de realizar anlise no destrutiva nas amostras, tambm no necessita de gases, reagentes e outros insumos fundamentais para a operao dos equipamentos tradicionais (MINASNY et al., 2008). Embora a aplicao desta tcnica para estudos de solo esteja em pleno crescimento, existem alguns aspectos metodolgicos ainda no analisados de maneira conclusiva. Um desses aspectos reside na etapa de pr-processamento de dados, tais como o uso de derivadas e a correo de disperso, visando aperfeioar caractersticas espectrais. Na predio do contedo de carbono do solo pelo NIRS, muitos autores utilizaram a primeira derivada do espectro (MORON; COZZOLINO, 2004), enquanto outros preferiram a segunda derivada (FYSTRO, 2002). O uso de derivada uma correo matemtica para melhorar o tratamento de dados.

  • 66 VIII Jornada Acadmica da Embrapa Soja

    Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade de uso do NIRS para determinao da matria orgnica em amostras de solo, em substituio ao mtodo colorimtrico.

    Material e Mtodos

    Para a comparao dos mtodos, foram utilizadas 273 amostras de solo coletadas no municpio de Londrina, PR, que foram modas at a granulometria inferior a da peneira de 40 mesh (0,420 mm). Para determinao colorimtrica do carbono orgnico do solo, foi utilizado cachimbo de 1,0 cm3 e erlenmeyer de 125 mL. Os reagentes utilizados para oxidao da matria orgnica foram compostos pelo dicromato de sdio 0,0167 mol L-1 (Na2Cr2O7) e cido sulfrico concentrado (H2SO4). Para determinao analtica, foi utilizado o Espectrofotmetro de Absoro Molecular Lambda 25 (Perkin Elmer).

    Neste procedimento, cachimbou-se 1 cm3 de solo de cada amostra e uma prova em branco completa sem solo. Foi adicionado 10 mL da soluo de dicromato de sdio (Na2Cr2O7) e 10 mL de cido sulfrico concentrado. Aps 2 horas, foi adicionado 50 mL de gua sobre cada amostra. Deixou-se descansar por uma noite. No dia seguinte, retirou-se uma alquota de 10 mL e realizou-se a leitura no espectrofotmetro, no comprimento de onda de 650 nm. A determinao da curva-padro de calibrao foi feita por meio da titulao de 29 amostras de solo, que apresentavam ampla faixa de concentrao, bem como a determinao dos respectivos valores em absorvncia (pelo mtodo colorimtrico). Ajustou-se, ento, o modelo de regresso linear relacionando absorvncia (y) em resposta ao teor de Carbono Orgnico (CO), em g dm-3 (x).

    A anlise por espectroscopia no infravermelho prximo (NIRS) foi realizada no Laboratrio de Anlises Fsico-Qumicas e Cromatogrficas da Embrapa Soja. Foi medida a reflectncia entre 10000 e 4000 cm-1, com resoluo de 16 cm-1, utilizando um Espectrmetro FT-NIR Antaris II (Thermo Scientific). Cada espectro, formado a partir da mdia de 32 leituras ou scans, foi registrado como absorbncia (logaritmo do inverso da reflectncia), para cada comprimento de onda. Aps a obteno dos espectros crus, realizou-se uma Anlise de Componentes Principais (PCA), uma Anlise de Regresso de Quadrados Mnimos Parciais (PLS), com o auxlio do programa computacional Unscrambler X.

    Foram aplicados trs pr-tratamentos diferentes aos dados espectrais para melhorar o agrupamento das amostras: o SNV (Desvio normal padro), aplicado para diminuir as variaes de intensidade de absoro e melhorar as caractersticas espectrais; o uso da primeira derivada de Savitzky-Golay aos dados espectrais, recomendada para diminuir a variao da linha de base e melhorar as caractersticas espectrais (REEVES et al., 2002); e a MSC (correo mltipla de espalhamento), utilizada para remover a influncia de efeitos fsicos nos espectros, tais como o tamanho de partcula, a rugosidade e opacidade (SOUZA; POPPI, 2012). Foi aplicado tambm o teste da incerteza, para verificar quais comprimentos de onda influenciam mais o modelo.

    Para identificao de outliers espectrais, foi feita a PCA em todos os espectros crus, permitindo detectar alguns pontos discrepantes que foram eliminados para melhor ajuste do modelo. J no processo de calibrao e validao das amostras, realizou-se a PLS, para correlacionar os comprimentos de ondas obtidos com os valores de referncia do carbono. Do conjunto total de amostras, foram utilizadas 218 para a calibrao e validao cruzada, e 55 para validao externa. No total foram retirados 15 outliers das amostras de calibrao, ficando 203 no conjunto de calibrao.

  • 67VIII Jornada Acadmica da Embrapa Soja

    Anlise estatsticaO teste estatstico utilizado para comparao dos teores de CO foi proposto por Leite e Oliveira (2002). Este procedimento empregado para comparar duas variveis dependentes quantitativas, combinando trs testes: i) o teste F(H0) para verificar simultaneamente se os estimadores do modelo de regresso linear b0 e b1 so iguais a 0 e 1, respectivamente; ii) o teste t para o erro mdio (terro mdio), que avalia se existe algum vis (bias) entre as variveis e est relacionado acurcia e/ou preciso do mtodo proposto em relao ao mtodo padro e; iii) anlise do coeficiente de correlao linear (ryiyj) em comparao ao erro mdio [(ryiyj) |1erro mdio| ]. Com base nessas estatsticas, proposta uma regra de deciso para o teste de hiptese de identidade entre dois grupos de dados quantitativos. Os mtodos so considerados idnticos quando os resultados para os trs testes forem:

    a) F(Ho) = ns; terro mdio = ns; [(ryiyj) |1-erro mdio| = Sim

    b) F(Ho) = *; terro mdio = ns; [(ryiyj) |1-erro mdio| = Sim

    Resultados e Discusso

    Aps a leitura no NIR, observou-se os espectros crus das 273 amostras, ou seja, sem tratamento matemtico (Figura 1).

    Figura 1. Espectros sem tratamento matemtico. Eixo y: valores de absorbncia; Eixo x: comprimento de onda.

    A utilizao do SNV foi descartada, pois no obteve correlao entre o valor de referncia e o valor predito. J a utilizao do MSC obteve correlao muito baixa. O tratamento que obteve melhor resultado foi a aplicao da primeira derivada de Savitzky-Golay, como mostra a Figura 2.

    Na Figura 2C possvel verificar que a aplicao da primeira derivada apresentou bom resultado. Observa-se que com o fator 1, 45% dos resultados so resolvidos e, at o fator 2, o valor aumentou para 65%. Idealmente, deve-se resolver o maior nmero de amostras j no primeiro fator. Alm disso, tambm verificou-se que a grande maioria das amostras apresentaram teor de CO entre 10 e 20 g/dm3, como pode ser observado no histograma da Figura 3. necessrio, portanto, alimentar e aprimorar o modelo com amostras que possuam teor de CO menores que 10 e maiores que 20 g/dm3.

  • 68 VIII Jornada Acadmica da Embrapa Soja

    CO (colorimtrico), g/dm30 5 10 15 20 25

    CO

    (NIR

    ), g/

    dm3

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    y = 0,0049 + 0,9677xR2 = 0,99

    ^Resultado Teste Leite e Oliveira, 2002F(H0) = nst(erro mdio) = nsr(yjyi) >= |1-e| = SimConcluso: H igualdade entre os mtodos

    Figura 3. Histograma: concentrao de carbono (eixo x) e frequncia das amostras (eixo y).

    Os dados determinados com a espectroscopia NIR foram comparados com os valores obtidos pelo mtodo colorimtrico (Figura 4). Observa-se, portanto, que existe identidade entre os mtodos pelo teste de Leite & Oliveira (2002) o que inicialmente muito animador tendo em vista o volume de reagentes utilizados com o mtodo de Walkley e Black.

    Figura 2. Tratamentos estatsticos aplicados aos espectros. A) Agrupamento das amostras em funo dos espectros; B) interferncia

    dos espectros na regresso de coeficientes; C) variao das amostras para cada fator aplicado; D) correlao entre o valor de

    referncia e o predito.

    (A) (B)

    (C) (D)

    Figura 4. Comparao dos teores de CO determinados por meio dos mtodos colorimtrico (eixo x) e NIR (eixo y).

  • 69VIII Jornada Acadmica da Embrapa Soja

    Concluso

    Para o conjunto de amostras avaliadas, h identidade entre o mtodo colorimtrico e o mtodo NIR. Porm, necessrio aumentar o nmero de amostras, principalmente nas faixas de concentraes extremas, para melhor validao e, consequentemente, maior segurana quanto a substituio do mtodo colorimtrico.

    Entretanto, muito embora sejam necessrios estudos complementares para refinar a tcnica do NIR, o fato de haver identidade j na primeira tentativa de comparao das tcnicas um excelente indicativo de que o NIR ser uma opo barata e ambientalmente correta para determinao do carbono orgnico em amostras de solo.

    Referncias

    FYSTRO, G. The prediction of C and N content ant their potential mineralisation in heterogeneous soil samples using Vis-NIR spectroscopy and comparative methods. Plant and Soil, Dordrecht, v. 246, p. 139-149, 2002.

    LEITE, H.G.; OLIVEIRA, F.H.T. Statistical Procedure to Test the Identity of Analytical Methods. Communications in Soil Science and Plant Analysis, New York, v.33, n.7-8, 2001.

    MISNASNY, B.; MCBRATNEY, A.B.; TRANTER, G.; MURPHY, B.W. Using soil knowledge for evaluation of mid-enfrared diffuse reflectance spectroscopy for predicting soil physical and mechanical properties. European Journal of soil Science, Oxford, v. 59, p. 960-971, 2008.

    MRON, A.; COZZOLINO, D. Determination of potentially mineralizable nitrogen and nitrogen in particulate organic matter fractions in soil by visible and near-infrared reflectance spectroscopy. Canadian Journal of Agricultural Science, Ottawa, v. 142, p. 335-343, 2004.

    REEVES III, J.B.; MCCARTY, G.W.; MIMMO, T. The potential of diffuse reflectance spectroscopy for the determination of carbon inventories in soils. Environmental Pollution, London, v. 116, p. 277-284, 2002.

    SOARES, N.L.; XAVIER, J.R.M.; AMARANTE, C.B. Influncia das variveis massa e temperatura na determinao da matria orgnica do solo. IV Congresso de Pesquisa e Inovao da Rede Norte e Nordeste de Educao Tecnolgica; Belm - PA, 2009.

    SOUZA, A.M.; POPPI, R.J.; Quim. Nova 2012, 35, 223

    WALKLEY, A.; BLACK, I.A. An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter, and proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science, Baltimore, v.37, p.29-38, 1934.