Predicción de propiedades del suelo para tierras agrícolas en las montañas del Cáucaso utilizando espectroscopía de medio infrarrojo
Autores: Mammadov, Elton; Denk, Michael; Mamedov, Amrakh I.; Glaesser, Cornelia
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Predicción de propiedades del suelo para tierras agrícolas en las montañas del Cáucaso utilizando espectroscopía de medio infrarrojo
Categoría
Ciencias Medioambientales
Subcategoría
Ciencias medioambientales generales
Palabras clave
Espectroscopía
Propiedades del suelo
Espectros MIR
Espectros Vis-NIR
Precisión de predicción
Técnicas de preprocesamiento
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
La espectroscopía visible-infrarroja cercana (Vis-NIR) y la espectroscopía de infrarrojo medio (MIR) se están utilizando cada vez más para la determinación rápida de las propiedades del suelo. El objetivo de este estudio fue (i) probar el uso de espectros MIR (espectrómetro portátil FTIR Agilent 4300) para la predicción de propiedades del suelo y (ii) comparar el rendimiento de predicción de los espectros MIR y Vis-NIR (ASD FieldSpecPro); los datos de Vis-NIR se adoptaron de un estudio previo. Tanto los espectros MIR como los Vis-NIR se acoplaron con regresión por mínimos cuadrados parciales, diferentes técnicas de preprocesamiento y las mismas 114 muestras de suelo, recolectadas de tierras agrícolas ubicadas entre bosques boreales y cinturones de estepa semiárida (Kastanozems). La precisión de predicción (R2 = 0.70-0.99) de ambas técnicas fue similar para la mayoría de las propiedades del suelo evaluadas. Sin embargo, (i) los espectros MIR fueron superiores para estimar CaCO3, pH, SOC, arena, Ca, Mg, Cd, Fe, Mn y Pb. (ii) Los espectros Vis-NIR proporcionaron mejores resultados para limo, arcilla y K, y (iii) el contenido de agua higroscópica, Cu, P y Zn fueron mal predichos por ambos métodos. La importancia de las técnicas de preprocesamiento aplicadas fue evidente, y entre otras, los espectros de primera derivada produjeron predicciones más confiables para 11 de las 17 propiedades del suelo analizadas. El CaCO3 espectralmente activo tuvo una contribución dominante en las predicciones MIR de propiedades del suelo espectralmente inactivas, seguido por SOC y Fe, mientras que los tamaños de partículas y el contenido de agua higroscópica aparecieron como factores confusos. La estimación de propiedades del suelo espectralmente inactivas se llevó a cabo considerando su correlación secundaria con carbonatos, minerales de arcilla y materia orgánica. La información del suelo cubierta por los espectros MIR fue más significativa que la cubierta por los espectros Vis-NIR, mientras que ambos mostraron mecanismos de captura similares. Tanto los espectros MIR como los Vis-NIR capturaron la misma información del suelo, lo que puede aparecer como un factor limitante para combinar ambos rangos espectrales. La interpretación de los espectros MIR nos permitió diferenciar muestras no carbonatadas y carbonatadas correspondientes a zonas de lixiviación y acumulación de carbonatos asociadas con la topografía y el uso del suelo. La capacidad de predicción de los espectros MIR y el contenido de elementos nutrientes estuvo altamente relacionada con los factores formadores del suelo en el área de estudio, lo que resalta la importancia de los modelos de predicción locales (específicos del sitio).
Descripción
La espectroscopía visible-infrarroja cercana (Vis-NIR) y la espectroscopía de infrarrojo medio (MIR) se están utilizando cada vez más para la determinación rápida de las propiedades del suelo. El objetivo de este estudio fue (i) probar el uso de espectros MIR (espectrómetro portátil FTIR Agilent 4300) para la predicción de propiedades del suelo y (ii) comparar el rendimiento de predicción de los espectros MIR y Vis-NIR (ASD FieldSpecPro); los datos de Vis-NIR se adoptaron de un estudio previo. Tanto los espectros MIR como los Vis-NIR se acoplaron con regresión por mínimos cuadrados parciales, diferentes técnicas de preprocesamiento y las mismas 114 muestras de suelo, recolectadas de tierras agrícolas ubicadas entre bosques boreales y cinturones de estepa semiárida (Kastanozems). La precisión de predicción (R2 = 0.70-0.99) de ambas técnicas fue similar para la mayoría de las propiedades del suelo evaluadas. Sin embargo, (i) los espectros MIR fueron superiores para estimar CaCO3, pH, SOC, arena, Ca, Mg, Cd, Fe, Mn y Pb. (ii) Los espectros Vis-NIR proporcionaron mejores resultados para limo, arcilla y K, y (iii) el contenido de agua higroscópica, Cu, P y Zn fueron mal predichos por ambos métodos. La importancia de las técnicas de preprocesamiento aplicadas fue evidente, y entre otras, los espectros de primera derivada produjeron predicciones más confiables para 11 de las 17 propiedades del suelo analizadas. El CaCO3 espectralmente activo tuvo una contribución dominante en las predicciones MIR de propiedades del suelo espectralmente inactivas, seguido por SOC y Fe, mientras que los tamaños de partículas y el contenido de agua higroscópica aparecieron como factores confusos. La estimación de propiedades del suelo espectralmente inactivas se llevó a cabo considerando su correlación secundaria con carbonatos, minerales de arcilla y materia orgánica. La información del suelo cubierta por los espectros MIR fue más significativa que la cubierta por los espectros Vis-NIR, mientras que ambos mostraron mecanismos de captura similares. Tanto los espectros MIR como los Vis-NIR capturaron la misma información del suelo, lo que puede aparecer como un factor limitante para combinar ambos rangos espectrales. La interpretación de los espectros MIR nos permitió diferenciar muestras no carbonatadas y carbonatadas correspondientes a zonas de lixiviación y acumulación de carbonatos asociadas con la topografía y el uso del suelo. La capacidad de predicción de los espectros MIR y el contenido de elementos nutrientes estuvo altamente relacionada con los factores formadores del suelo en el área de estudio, lo que resalta la importancia de los modelos de predicción locales (específicos del sitio).