Tropical soils characterization at low cost and time using portable X-ray fluorescence spectrometer (pXRF): Effects of different sample preparation methods / Caracterização de solos tropicais a baixo custo e tempo usando espectrômetro portátil de fluorescência de raios-X (pXRF): Efeitos de diferentes métodos de preparo de amostras

ABSTRACT Portable X-ray fluorescence spectrometer (pXRF) has been recently adopted by the Soil Science community for uses in both field and laboratory, obtaining the total content of several chemical elements in a few seconds. Sulfuric acid digestion is an expensive and time-consuming laboratory analysis that provides contents of Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2 and P2O5, important for soil studies. Due to few pXRF studies in tropical soils, this work aimed to compare contents of Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2 and P2O5 obtained by pXRF with sulfuric acid digestion results, and to evaluate the effects of varying forms of preparing soil samples and scanning with pXRF on the resulting values in Brazilian soils. Soils were scanned in five conditions in-field (in situ) and in laboratory, evaluating varying sample preparation methods, particle sizes and soil moisture. Four pXRF scanning operational modes were tested. Linear regressions were adjusted between results of pXRF and sulfuric acid digestion. Equations were validated with an independent set of samples. Statistical analyses compared the methods of preparing the samples. Adequate linear models reached R2 of 0.99 and 0.89 for Fe2O3 and TiO2, respectively. Validation promoted R2 greater than 0.97 and RMSE and ME close to zero for both oxides. Statistical differences of pXRF results were found among the methods of preparing samples. pXRF spectrometer has great potential to obtain Fe2O3 and TiO2 content rapidly and economically with high correspondence with laboratory results of sulfuric acid digestion analysis. Varying methods of preparing the samples promote differences in the results of pXRF.

RESUMO O espectrômetro portátil de fluorescência de raios-X (pXRF) foi recentemente adotado pela Ciência do Solo, para uso em campo e laboratório, para obtenção do conteúdo total de vários elementos químicos em poucos segundos. A digestão com ácido sulfúrico é uma análise laboratorial cara e demorada que fornece teores de Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2 e P2O5, importantes para estudos sobre solos. Devido aos poucos estudos sobre o pXRF em solos tropicais, este trabalho objetivou comparar os teores de Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2 e P2O5 obtidos pelo pXRF com os resultados de digestão com ácido sulfúrico e avaliar os efeitos de diferentes formas de preparo de amostras de solo e leitura com o pXRF sobre seus resultados para solos brasileiros. Os solos foram submetidos a leituras com o pXRF em cinco condições, em campo (in situ) e em laboratório, avaliando variados métodos de preparo de amostras, tamanhos de partículas e umidade do solo. Quatro modos de operação do pXRF foram testados. Regressões lineares foram ajustadas entre os resultados do pXRF e digestão com ácido sulfúrico. As equações foram validadas com um conjunto independente de amostras. Análises estatísticas compararam os métodos de leitura de amostras. Modelos lineares adequados atingiram R2 de 0,99 e 0,89 para Fe2O3 e TiO2, respectivamente. A validação promoveu R2 maior que 0.97 e RMSE e ME próximos a zero para ambos os óxidos. Foram encontradas diferenças estatísticas dos resultados do pXRF entre os métodos de preparo de amostras. O pXRF possui um grande potencial para obter rápida e economicamente os teores de Fe2O3 e TiO2 com elevada correspondência com os resultados laboratoriais da análise da digestão com ácido sulfúrico. Métodos variáveis ​​de preparo das amostras promovem diferenças nos resultados de pXRF.

Multiple linear regression and random forest to predict and map soil properties using data from portable X-ray fluorescence spectrometer (pXRF) / Regressão linear múltipla e random forest para predição e mapeamento de atributos do solo utilizando dados de espectrômetro portátil de fluorescência de raios-X (pXRF)

ABSTRACT Determination of soil properties ​​helps in the correct management of soil fertility. The portable X-ray fluorescence spectrometer (pXRF) has been recently adopted to determine total chemical element contents in soils, allowing soil property inferences. However, these studies are still scarce in Brazil and other countries. The objectives of this work were to predict soil properties using pXRF data, comparing stepwise multiple linear regression (SMLR) and random forest (RF) methods, as well as mapping and validating soil properties. 120 soil samples were collected at three depths and submitted to laboratory analyses. pXRF was used in the samples and total element contents were determined. From pXRF data, SMLR and RF were used to predict soil laboratory results, reflecting soil properties, and the models were validated. The best method was used to spatialize soil properties. Using SMLR, models had high values of R² (≥0.8), however the highest accuracy was obtained in RF modeling. Exchangeable Ca, Al, Mg, potential and effective cation exchange capacity, soil organic matter, pH, and base saturation had adequate adjustment and accurate predictions with RF. Eight out of the 10 soil properties predicted by RF using pXRF data had CaO as the most important variable helping predictions, followed by P2O5, Zn and Cr. Maps generated using RF from pXRF data had high accuracy for six soil properties, reaching R2 up to 0.83. pXRF in association with RF can be used to predict soil properties with high accuracy at low cost and time, besides providing variables aiding digital soil mapping.

RESUMO A determinação de atributos do solo auxilia no correto manejo da sua fertilidade. O equipamento portátil de fluorescência de raios-X (pXRF) foi recentemente adotado para determinar o teor total de elementos químicos em solos, permitindo inferências sobre atributos do solo. No entanto, esses estudos ainda são escassos no Brasil e em outros países. Os objetivos deste trabalho foram prever atributos do solo a partir de dados do pXRF, comparando-se os métodos de regressão linear múltipla stepwise (SMLR) e de random forest (RF), além de mapear e validar atributos do solo. 120 amostras de solo foram coletadas em três profundidades e submetidas a análises laboratoriais. Utilizou-se o pXRF para leitura das amostras e determinou-se o teor total de elementos. A partir dos dados do pXRF, foram utilizadas SMLR e RF para predizer resultados laboratoriais, que refletem atributos do solo, e os modelos foram validados. O melhor método foi utilizado para espacializar os atributos do solo. Utilizando SMLR, os modelos apresentaram valores elevados de R² (≥0,8), porém maior acurácia foi obtida na modelagem com RF. A capacidade de troca de cátions potencial e efetiva, matéria orgânica do solo, pH, saturação por bases e teores trocáveis de Ca, Al e Mg apresentaram ajustes adequados e predições acuradas com RF. Dos dez atributos do solo preditos por RF a partir de dados do pXRF, sete apresentavam CaO como a variável mais importante para auxiliar as predições, seguido por P2O5, Zn e Cr. Os mapas gerados a partir de dados do pXRF usando RF apresentaram adequados valores de R² para seis atributos do solo, atingindo R2 de até 0,83. O pXRF em associação com RF pode ser usado para prever atributos do solo com elevada acurácia, com rapidez e a baixo custo, além de proporcionar variáveis que auxiliam o mapeamento digital de solos.