Em um momento onde o enfrentamento às mudanças climáticas ganha cada vez mais espaço, uma inovação brasileira promete transformar a medição de carbono nos solos. Pesquisadores da Embrapa Instrumentação desenvolveram um método que usa laser e inteligência artificial para estimar em uma análise única, o teor de carbono armazenado. A solução simplifica processos tradicionais demorados, reduz custos e pode acelerar iniciativas ligadas a mercados de créditos de carbono.

Combinando técnica fotônica – tecnologia que manipula partículas de luz, os fótons – 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 se baseia na espectroscopia de emissão por plasma induzido por laser (LIBS, na sigla em inglês). Assim, ela 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 e impõe etapas longas de coleta e preparo , 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.

Dessa forma, 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. Assim, a apresentação da solução tecnológica ocorrerá no Simpósio Nacional de Instrumentação Agropecuária (Siagro), 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.

A coleta das amostras ocorreu 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, dessa forma, 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. A metodologia desenvolvida, facilita o processo de coleta de amostras de solo, pois permite o uso de 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.

O uso da tecnologia beneficiará laboratórios de solos, mas também produtores rurais, 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.

Estudos futuros podem incluir fusão de técnicas

No entanto, os pesquisadores afirmam que ainda há campo a progredir, o que representa uma oportunidade valiosa para aprimorar métodos da técnica 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.

*Sob supervisão de Luis Roberto Toledo