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.

Portable X-ray fluorescence (pXRF) applications in tropical Soil Science / Aplicações da fluorescência de raios-X portátil (pXRF) na Ciência do Solo tropical

ABSTRACT The X-ray fluorescence (XRF) is an analytical technique for determination of elemental composition of different materials. In soils, the XRF has many pedological, environmental and agronomic applications, mainly after the emergence of portable equipments (pXRF). This technique has been recently adopted and successfully used for soil characterization worldwide, but very rare works have been carried out in soils of developing countries. The soil characterization includes the complete elemental composition determination (nutrients, trace and rare-earth elements) and allows estimating some soil physical and chemical properties. In Brazil, this technique is still incipient, mainly the use of pXRF, however, it can greatly contribute to soil characterization in-field or in-lab conditions and also replacing methods of soil analyses considered non-environmentally friendly. This review summarizes the XRF technique including principles and the main applications of pXRF in soils highlighting its potential for tropical Soil Science.

RESUMO Fluorescência de raios-X (FRX) é uma técnica analítica para determinação da composição elementar de diferentes materiais. Em solos, a FRX apresenta muitas aplicações pedológicas, ambientais e agronômicas, principalmente após a emergência de equipamentos portáteis (pXRF). Essa técnica tem sido utilizada com sucessso no mundo todo para caracterização do solo, entretanto, são raros os trabalhos em solos de países em desenvolvimento. A caracterização do solo inclui a determinação completa da composição elementar (nutrientes, elementos-traço e terras-raras) e permite a estimativa de atributos químicos e físicos do solo. No Brasil, a FRX é ainda incipiente, principalmente o uso do pXRF, entretanto, essa técnica pode contribuir grandemente para a caracterização do solo no campo, em condições laboratoriais e, também, substituindo alguns métodos de análise do solo considerados não prejudicial ao ambiente. Esta revisão sumariza a técnica de FRX incluindo princípios e as principais aplicações do pXRF, destacando seu potencial de uso na Ciência do Solo tropical.