Penetrometer application for soil compaction quantification

A agricultura moderna sofre grande impacto da mecanização devido ao aumento do tráfego e do peso do maquinário. A cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.) é uma cultura altamente mecanizada e, devido ao tempo de sua permanência no campo, o solo fica muito suscetível à compactação, processo dependente de diversos fatores intrínsecos e extrínsecos deste, podendo ser revertido através de técnicas, como subsolagem ou aração profunda. Porém, tais técnicas geram altos gastos de energia e capital, sendo que alguns manejos, como o controle do tráfego agrícola, contribuem para diminuição da carga exercida sobre o solo e dos custos de produção. Diversos aparelhos foram desenvolvidos para a apuração de atributos do solo diretamente no campo, visando averiguar áreas a serem manejadas por causa da compactação. A penetrometria é uma técnica muito utilizada na verificação de áreas com problemas de compactação, entretanto, existem diversos penetrômetros, que possuem modos de atuação diferenciados. Os objetivos deste estudo foram verificar a eficiência de dois penetrômetros com diferentes modos de introdução da haste metálica no solo (automático e manual) e a correlação dos índices obtidos (resistência à penetração) com outros atributos do solo (teor de água). Os resultados comprovaram que o teor de água no solo altera os resultados de resistência a penetração e a utilização de equações de regressão não linear expressam bem a relação entre estes dois atributos do solo, podendo ser utilizado para correção dos dados antes da comparação de diferentes sistemas de manejo. O ajuste das medições de resistência de acordo com o teor de água no solo diminuiu o intervalo de confiança da média na comparação de diferentes manejos, o que melhora a comparação de atributos que apresentam alta variabilidade, como a resistência do solo a penetração. Os dois métodos de utilização do penetrômetro (Manual e Automático) apresentaram diferenças significativas nas medições, de modo que houve uma tendência das medições manuais superestimarem os valores de resistência.Modern agriculture has suffered a large impact of mechanization due to increased of traffic and the weight of the machinery. The sugarcane (Saccharum officinarum L.) crop is highly mechanized and, since it is a semi perennial crop, the soil is very susceptible to compaction, a process dependent on a number of intrinsic and extrinsic factors that can be reversed through techniques, such as deep tillage or subsoiling. However, these techniques are expensive, and some crop managements, such as traffic control, contribute to reduction of production costs and the load on the soil. Several devices have been developed for the determination of soil attributes in the field, aiming to determine areas to be managed because of compaction. The penetrometer is a widely used equipment in the verification of areas with compaction problems. However, there are several penetrometers, which have different action mode. The objective of this study was to verify the efficiency of two penetrometers with two modes of introduction of the metal rod into the soil (automatic and manual) and the correlation of obtained data (penetration resistance) with soil water content. Results showed that the soil moisture modify the penetration resistance data and the use of non-linear regression equations express well the relationship between these two soil properties and can be used for correction of the data before comparing different management systems. The modeling of soil resistance measurements with soil moisture decreased confidence interval of the mean in the comparison of different management systems, which improves the comparison of attributes that have high variability, as the soil resistance to penetration. The two penetrometers methods (manual and automatic) showed significant differences in data measurements, showing a tendency for manual measurements overestimate the values of soil resistance

Parametrização quantitativa da estrutura da superfície do solo em volumes crescentes de chuva

The study of soil structure allows inferences on soil behavior. Quantitative parameters are oftentimes required to describe soil structure and the multifractal ones are still underused in soil science. Some studies have shown relations between the multifractal spectrum and both soil surface roughness decay by rainfall and porous system heterogeneity, however, a particular multifractal response to a specific soil behavior is not established yet. Therefore, the objectives of this research were: (i) to establish relations between multifractal parameters and soil structure changes by analyzing both soil surface roughness maps and 2D images from impregnated soil blocks; and (ii) to utilize these parameters to evaluate soil surface degradation by the processes of crusting and sealing. An experiment with simulated rainfall was assembled on a Fine Rhodic Kandiudalf with an intensity of 120 mm h-1 in quadruplicate plots at amounts of 40, 80, and 120 mm, plus a no-rainfall control. The evolution of the surface roughness was evaluated in three scales of measurement: a field microrelief meter (MRM) gathered readings on a fixed grid (10 x 10 mm, 640,000 mm²); a multistripe laser triangulation (MLT) scanner was used in the laboratory in soil blocks, creating a random mesh (0.5 mm of resolution, 5625 mm²); an X-ray tomography (XRT) scanner gathered readings of a soil block on a fixed grid (0.074 x 0.074 mm, 900 mm²). For micromorphometrical analysis, undisturbed soil samples (0.12 x 0.07 x 0.05 m) were impregnated, sliced in blocks and polished. Each block was divided into three layers (0 to 10 mm, 20 to 30 mm and 40 to 50 mm), parallel to surface, and five images (10X magnification, 156.25 μm2 pixel-1) were taken by layer. After segmentation, three representative images were chosen by layer and the pore system was evaluated. Roughness analyzes showed no differences (p > 0.10) between multifractal parameters across rainfall amounts for MRM measurements, while both MLT and XRT could be used to model roughness degradation by rainfall increase. Since the last two scales presented similar results, MLT could replace XRT in such analysis, due to its lower cost and possibility of a larger area coverage. The multifractal behavior of pores changed according to sealing development and depth of measurement, being sensitive to the changes on size distribution and fragmentation degree (number of pores) within each size class. The Hausdorff dimensions at the left side of the spectrum (Lf(α)min, LΔf(α) and D2) showed a linear behavior with increasing rainfall amount, considering both soil surface roughness and area of pores measurements. However, D2 was not different (p > 0.10) along rainfalls for the porosity closer to surface, although parameters D0-D1, D0-D2 and D1-D2 could be used to described the changes in this layer. Was concluded that the multifractal spectrum is sensitive to structure changes caused by rainfall and that it can be used to parameterize both soil surface and pores degradation.O estudo da estrutura do solo permite inferências sobre seu comportamento. Parâmetros quantitativos são comumente utilizados na avaliação da estrutura e os multifractais ainda são subutilizados na ciência do solo. Alguns estudos mostraram relação entre parâmetros multifractais com a diminuição da rugosidade superficial do solo devido à chuva e a heterogeneidade do sistema poroso. No entanto, uma assinatura multifractal relacionada a um comportamento específico do solo ainda não está estabelecida. Portanto, os objetivos desta pesquisa foram: (i) relacionar parâmetros multifractais com mudanças na estrutura do solo por meio da análise de mapas de rugosidade superficial e de imagens 2D provenientes de blocos impregnados de solo; e (ii) utilizar estes parâmetros para identificar as etapas de degradação do solo devido ao selamento e encrostamento superficial. Um experimento com chuva simulada com intensidade de 120 mm h-1 foi montado em uma Nitossolo Vermelho eutroférrico argiloso em parcelas quadruplas onde aplicou-se volumes de 40, 80 e 120 mm, mais um controle sem-chuva. A evolução da rugosidade superficial foi avaliada em três escalas: um rugosímetro de campo (MRM) reuniu leituras numa grade fixa (10 x 10 mm, 640000 mm²); um escâner com triangulação de lasers em multilinhas (MLT) foi usado em laboratório, sobre blocos de solo, criando uma grade aleatório (0,5 mm de resolução, 5625 mm²); um tomógrafo de raios-X (XRT) reuniu leituras de um bloco de solo em uma grade fixa (0,074 x 0,074 mm, de 900 mm²). Para a análise micromorfométrica, amostras de solo indeformado (0,12 x 0,07 x 0,05 m) foram impregnadas, cortadas em blocos, polidas e subdivididas em três camadas (0 a 10 mm, 20 a 30 mm e de 40 a 50 mm), paralelas à superfície, tendo cinco imagens (ampliação de 10x, 156,25 μm2 pixel-1) geradas por camada. Após a segmentação, três imagens foram selecionadas por camada e o sistema poroso foi avaliado. Análises de rugosidade não mostraram diferenças (p > 0.10) entre parâmetros multifractais nas medições da escala MRM, enquanto MLT e XRT puderam ser utilizadas para modelar a degradação da rugosidade com o aumento do volume de chuva. Como essas duas ultimas escalas apresentaram resultados similares, MLT poderia substituir o uso de XRT em tais análises, devido ao seu menor custo e possibilidade de cobrir área mais vasta durante as análises. O comportamento multifractal dos poros mudou de acordo com o desenvolvimento do selamento superficial e da camada avaliada, sendo sensitivo a mudanças no grau de fragmentação (número de poros) dentro de cada classe de tamanho de poros. As dimensões de Hausdorff a esquerda do espectro (Lf(α)min, LΔf(α) and D2) tiveram relação linear com o aumento de volume de chuva para ambas medições de rugosidade superficial do solo e de área de poros. Entretanto, D2 não foi significativo (p > 0.10) entre volumes de chuva para diferenciar a porosidade próxima a superfície, embora os parâmetros D0-D1, D0-D2 e D1-D2 pudessem ser utilizados para descrever mudanças nessa camada. Conclui-se que o espectro multifractal é sensível à mudanças estruturais no solo causadas pela chuva e que pode ser utilizado na parametrização da degradação da rugosidade superficial do solo e da porosidade

Compared performance of penetrometers and effect of soil water content on penetration resistance measurements

Modern agriculture techniques have a great impact on crops and soil quality, especially by the increased machinery traffic and weight. Several devices have been developed for determining soil properties in the field, aimed at managing compacted areas. Penetrometry is a widely used technique; however, there are several types of penetrometers, which have different action modes that can affect the soil resistance measurement. The objective of this study was to compare the functionality of two penetrometry methods (manual and automated mode) in the field identification of compacted, highly mechanized sugarcane areas, considering the influence of soil water volumetric content (θ) on soil penetration resistance (PR). Three sugarcane fields on a Rhodic Eutrudrox were chosen, under a sequence of harvest systems: one manual harvest (1ManH), one mechanized harvest (1MH) and three mechanized harvests (3MH). The different degrees of mechanization were associated to cumulative compaction processes. An electronic penetrometer was used on PR measurements, so that the rod was introduced into the soil by hand (Manual) and by an electromechanical motor (Auto). The θ was measured in the field with a soil moisture sensor. Results showed an effect of θ on PR measurements and that regression models must be used to correct data before comparing harvesting systems. The rod introduction modes resulted in different mean PR values, where the "Manual" overestimated PR compared to the "Auto" mode at low θ