Em um momento em que o enfrentamento às mudanças climáticas ganha espaço nas agendas globais, uma inovação brasileira promete transformar a forma como se calcula o carbono armazenado nos solos. Pesquisadores da Embrapa Instrumentação (SP) desenvolveram um método que usa laser e inteligência artificial para estimar, em uma única análise, a densidade do solo e o teor de carbono. A solução simplifica processos tradicionais demorados, reduz custos e pode acelerar iniciativas ligadas a mercados de créditos de carbono.

Combinando técnica fotônica e modelo de aprendizado de máquina, o método estima com rapidez e eficiência a densidade aparente do solo e o teor de carbono. A solução é adequada para aplicações de campo em larga escala, como na agricultura de precisão e monitoramento ambiental. A técnica é embasada na espectroscopia de emissão por plasma induzido por laser (LIBS, na sigla em inglês), e substitui, em uma única análise, medições separadas de densidade aparente e a concentração de carbono.

Para superar os desafios de métodos tradicionais, como o anel volumétrico, que requer amostras não perturbadas ou indeformadas (foto acima) e impõe etapas longas de coleta e preparo (veja quadro abaixo), o pesquisador Paulino Ribeiro Villas-Boas, em coautoria com Ladislau Martin Neto e Débora Milori, desenvolveu um modelo baseado em LIBS para estimativa eficiente e econômica da densidade aparente e do estoque de carbono no solo.

O método já está com pedido de patente depositado no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) e em processo de licenciamento junto ao setor privado. A solução tecnológica será apresentada no Simpósio Nacional de Instrumentação Agropecuária (Siagro), que será realizado de 14 a 16 de outubro, em São Carlos (SP).

Método une eficiência, rapidez e economia

“O método proposto emprega modelos de regressão de aprendizado de máquina calibrados com espectros LIBS de amostras de solo com densidade aparente e concentração de carbono conhecidas. Treinamos e avaliamos o modelo usando um conjunto de 880 amostras diversas de solo brasileiro, divididas aleatoriamente em 70% para treinamento e 30% para teste”, conta Villas-Boas.

As amostras foram coletadas em experimentos de campo de longa duração, em instituições de pesquisa, propriedades agrícolas e áreas de floresta nativa, com maior representatividade dos biomas Cerrado e Mata Atlântica. As coletas ocorreram em trincheiras de 0 a 100 cm de profundidade, para captar variações de matéria orgânica da superfície ao subsolo.

“O método desenvolvido estima não apenas a densidade aparente do solo, como também o teor de carbono, o que permite calcular o estoque de carbono com uma única análise feita por LIBS. Com a metodologia desenvolvida, o processo de coleta de amostras de solo é facilitado, pois podem ser coletadas amostras deformadas – que sofreram alterações em sua estrutura durante a coleta”, esclarece o pesquisador.

Técnica beneficia diferentes usuários

Para Villas-Boas, os resultados do estudo ressaltam o potencial do LIBS para estimar múltiplas propriedades do solo simultaneamente, ampliando a sua utilidade na ciência do solo para além da composição elementar, ao incluir parâmetros físicos e químicos críticos, como a densidade aparente.

“A análise contribui para o manejo sustentável do solo e para a mitigação e adaptação às mudanças climáticas, além de impulsionar iniciativas de monitoramento e mercados de créditos de carbono”, prevê o pesquisador.

A tecnologia pode ser usada por laboratórios de solos, produtores rurais, que se beneficiarão do método, uma vez que ele viabilizará estimativas mais frequentes de estoques de carbono de suas propriedades agrícolas, além das certificadoras de crédito de carbono que terão suas atividades e verificações facilitadas.

LIBS requer tratamento mínimo

A espectroscopia de emissão com plasma induzido por laser (LIBS) é uma ferramenta rápida, versátil e eficaz na avaliação de amostras de solo, porque captura características essenciais associadas a densidade aparente e ao teor de carbono.

Milori esclarece que a técnica LIBS consiste em focalizar um pulso de laser de alta energia na superfície da amostra para gerar um microplasma (uma nuvem de átomos, íons e elétrons em alta temperatura). Esse plasma emite uma luz característica que funciona como uma “impressão digital” do material, uma vez que cada elemento químico (como carbono, ferro, cálcio) emite luz em comprimentos de onda específicos.

Segundo a pesquisadora, outra vantagem importante é que a técnica requer um pré-tratamento mínimo da amostra, incluindo remoção de partículas maiores que grãos de areia (gravetos, fragmentos de raízes, folhas e pedras), além de secagem, homogeneização e peletização.

“O espectro LIBS de uma amostra de solo exibe centenas de linhas de emissão correspondentes a elementos comuns do solo, como carbono, silício, alumínio, magnésio, ferro e cálcio. Essas características espectrais, que são influenciadas tanto pela composição elementar quanto pelas propriedades estruturais, desempenham um papel crucial na estimativa da densidade do solo”, detalha Villas-Boas.

Villas-Boas acrescenta que variações na estrutura e na composição do solo se refletem nos espectros de LIBS, os quais, quando associados a modelos de aprendizado de máquina, permitem estimar a densidade aparente do solo.

Métodos tradicionais são complexos

Martin Neto explica que, em métodos tradicionais, além da abertura de trincheira com profundidade que pode chegar até um metro, devido às características dos solos e das culturas do País, geralmente é necessária uma retroescavadeira para abrir a vala (foto acima).

Mas isso pode causar impacto nas culturas ao redor e, ainda é necessário realizar um procedimento específico para “cravar” um anel volumétrico no solo, e a retirada cuidadosa para não perder amostras do solo e gerar erros no cálculo da densidade.

“Se o solo for muito arenoso ou muito seco, há dificuldades adicionais para ‘cravar’ o anel e retirar o solo. Isso implica tempo de trabalho das equipes de coletas, encarecendo os custos de amostragens, pois o processo fica moroso e exige procedimento cuidadoso. No laboratório, a massa de solo do anel volumétrico é secada e depois pesada em balança analítica para obter a massa e ter o dado de densidade do solo”, conta o pesquisador.

Segundo ele, com o novo método, a amostra poderá ser coletada rapidamente com amostradores automáticos e sem os riscos dos erros existentes com o método tradicional.

A densidade reflete a saúde do solo

A densidade do solo é uma medida da massa seca de todo o material contido em determinado volume e inclui frações de origem mineral e orgânica do solo, normalmente difícil de medir com métodos convencionais.

“É um indicador da estrutura do solo, reflete o grau de compactação e é crucial para cálculos precisos do estoque de carbono e de nutrientes. Contudo, a relação com o estoque por área não é direta: o estoque depende simultaneamente da concentração de carbono orgânico e da densidade do solo; além disso, solos com maior concentração de carbono orgânico tendem a apresentar menor densidade e melhor agregação”, explica Martin Neto.

Estudos futuros podem incluir fusão de técnicas

No entanto, os pesquisadores afirmam que a técnica ainda é pouco explorada, o que representa uma oportunidade valiosa para aprimorar métodos em contextos agrícolas e ambientais, particularmente para otimizar a estimativa do estoque de carbono no solo.

“Avanços em técnicas de fusão de sensores, pré-processamento e modelagem continuam sendo cruciais para o monitoramento confiável do carbono do solo in situ”, conclui Villa-Boas.

O estudo “LIBS for Rapid Soil Bulk Density and Carbon Stock Estimations: Toward Scalable Soil Carbon Monitoring recebeu apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)  e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e foi publicado na Revista Europeia de Ciência do Solo (European Journal of Soil Science).

Fonte: Joana Silva – Embrapa Instrumentação