The physicochemical interactions between water, sediment and soil deeply influence the formation and development of the ecosystem. In this research, different freshwater, brackish and saline subaqueous environments of Northern Italy were chosen as study area to investigate the physicochemical processes which occur at the interface between water and sediments, as well as the effects of soil submergence on ecosystem development. In the freshwater system of the Reno river basin, the main purpose was to define the heavy metals hazard in water and sediments of natural and artificial water courses. Heavy metals partitioning and speciation allowed to assess the environmental risk linked to the critical action of dredging canal sediments, for the maintenance of the hydraulic safety of plain lands. In addition, some bioremediation techniques were experimented for protecting sediments from heavy metals contamination, and for giving an answer to the problem of sediments management. In the brackish system of S. Vitale park, the development of hydromorphic and subaqueous soils was investigated. The study of soil profiles highlighted the presence of a soil continuum among pedons subjected to different saturation degrees. This investigation allowed to the identification of both morphological and physicochemical indicators, which characterize the formation of subaqueous soils and describe the soil hydromorphism in transitional soil systems. In the saline system of Grado lagoon, an ecosystem approach was used to define the role of water oscillation in soil characterization and plants colonization. This study highlighted the close relationship and the mutual influence of soil submergence and aeration, tide oscillation and vegetation cover, on the soil development. In view of climate change, this study contribute to understand and suppose how soil and landscape could evolve. However, a complete evaluation of hydromorphic soil functionality will be achieved only involving physiological and biochemical expertise in these kind of studies.

Nanotechnology promises huge benefits for society and capital invested in this new technology is steadily increasing, therefore there is a growing number of nanotechnology products on the market and inevitably engineered nanomaterials will be released in the atmosphere with potential risks to humans and environment. This study set out to extend the comprehension of the impact of metal (Ag, Co, Ni) and metal oxide (CeO2, Fe3O4, SnO2, TiO2) nanoparticles (NPs) on one of the most important environmental compartments potentially contaminated by NPs, the soil system, through the use of chemical and biological tools. For this purpose experiments were carried out to simulate realistic environmental conditions of wet and dry deposition of NPs, considering ecologically relevant endpoints. In detail, this thesis involved the study of three model systems and the evaluation of related issues: (i) NPs and bare soil, to assess the influence of NPs on the functions of soil microbial communities; (ii) NPs and plants, to evaluate the chronic toxicity and accumulation of NPs in edible tissues; (iii) NPs and invertebrates, to verify the effects of NPs on earthworms and the damaging of their functionality. The study highlighted that NP toxicity is generally influenced by NP core elements and the impact of NPs on organisms is specie-specific; moreover experiments conducted in media closer to real conditions showed a decrease in toxicity with respect to in vitro test or hydroponic tests. However, only a multidisciplinary approach, involving physical, chemical and biological skills, together with the use of advanced techniques, such as X-ray absorption fine structure spectroscopy, could pave the way to draw the right conclusions and accomplish a deeper comprehension of the effects of NPs on soil and soil inhabitants.

Oggetto di studio del dottorato sono stati i suoli forestali in ambiente litoraneo della Regione Emilia-Romagna. In particolare sono state considerate quattro zone di studio in Provincia di Ravenna: Pineta di San Vitale, aree boscate di Bellocchio, Pineta di Classe e Pineta di Pinarella di Cervia. Lo studio in una prima fase si è articolato nella definizione dello stato del sistema suolo, mediante la caratterizzazione pedologica delle zone di studio. A tale scopo è stata messa a punto un’adeguata metodologia d’indagine costituita da un’indagine ambientale e successivamente da un’indagine pedologica. L’indagine ambientale, mediante fotointerpretazione ed elaborazione di livelli informativi in ambito GIS, ha permesso di individuare ambiti pedogenetici omogenei. L’indagine pedologica in campo ha messo in luce l’elevata variabilità spaziale di alcuni fattori della pedogenesi, in particolar modo l’andamento microtopografico tipico dei sistemi dunali costieri e la profondità della falda freatica del piano campagna. Complessivamente sono stati aperti descritti e campionati 40 profili pedologici. Sugli orizzonti diagnostici di questi sono state eseguite le seguenti analisi: tessitura, pH, calcare totale, carbonio organico, azoto kjeldahl, conduttività elettrica (CE), capacità di scambio cationico (CSC) e calcare attivo. I suoli presentano, ad eccezione della tessitura (generalmente grossolana), un’elevata variabilità delle proprietà chimico fisiche in funzione della morfologia, della profondità e della vicinanza della falda freatica. Sono state riscontrate diverse correlazioni, tra le più significative quelle tra carbonio organico e calcare totale (coeff. di correlazione R = -0.805 per Pineta di Classe) e tra calcare totale e pH (R = 0.736), dalle quali si è compreso in che misura l’effetto della decarbonatazione agisce nei diversi ambiti pedogenetici e tra suoli con diversa età di formazione. Il calcare totale varia da 0 a oltre 400 g.kg-1 e aumenta dalla superficie in profondità, dall’entroterra verso la costa e da nord verso sud. Il carbonio organico, estremamente variabile (0.1 - 107 g.kg-1), è concentrato soprattutto nel primo orizzonte superficiale. Il rapporto C/N (>10 in superficie e molto variabile in profondità) evidenzia una efficienza di umificazione non sempre ottimale specialmente negli orizzonti prossimi alla falda freatica. I tipi di suoli presenti, classificati secondo la Soil Taxonomy, sono risultati essere Mollic/Sodic/Typic Psammaquents nelle zone interdunali, Typic Ustipsamments sulle sommità dunali e Oxiaquic/Aquic Ustipsamments negli ambienti morfologici intermedi. Come sintesi della caratterizzazione pedologica sono state prodotte due carte dei suoli, rispettivamente per Pineta di San Vitale (scala 1:20000) e per le aree boscate di Bellocchio (scala 1:10000), rappresentanti la distribuzione dei pedotipi osservati. In una seconda fase si è focalizzata l’attenzione sugli impatti che le principali pressioni naturali ed antropiche, possono esercitare sul suolo, condizionandone la qualità in virtù delle esigenze del soprasuolo forestale. Si è scelta la zona sud di Pineta San Vitale come area campione per monitorarne mensilmente, su quattro siti rappresentativi, le principali caratteristiche chimico-fisiche dei suoli e delle acque di falda, onde evidenziare possibili correlazioni. Le principali determinazioni svolte sia nel suolo in pasta satura che nelle acque di falda hanno riguardato CE, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-, SO4 2-, HCO3 - e SAR (Sodium Adsorption Ratio). Per ogni sito indagato sono emersi andamenti diversi dei vari parametri lungo i profili, correlabili in diversa misura tra di loro. Si sono osservati forti trend di aumento di CE e degli ioni solubili verso gli orizzonti profondi in profili con acqua di falda più salina (19 – 28 dS.m-1) e profonda (1 – 1.6 m dalla superficie), mentre molto significativi sono apparsi gli accumuli di sali in superficie nei mesi estivi (CE in pasta satura da 17.6 a 28.2 dS.m-1) nei profili con falda a meno di 50 cm dalla superficie. Si è messo successivamente in relazione la CE nel suolo con diversi parametri ambientali più facilmente monitorabili quali profondità e CE di falda, temperatura e precipitazioni, onde trovarne una relazione statistica. Dai dati di tre dei quattro siti monitorati è stato possibile definire tali relazioni con equazioni di regressione lineare a più variabili. Si è cercato poi di estendere l’estrapolabilità della CE del suolo per tutte le altre casistiche possibili di Pineta San Vitale mediante la formulazione di un modello empirico. I dati relativi alla CE nel suolo sia reali che estrapolati dal modello, sono stati messi in relazione con le esigenze di alcune specie forestali presenti nelle zone di studio e con diverso grado di tolleranza alla salinità ed al livello di umidità nel suolo. Da tali confronti è emerso che per alcune specie moderatamente tolleranti la salinità (Pinus pinea, Pinus pinaster e Juniperus communis) le condizioni critiche allo sviluppo e alla sopravvivenza sono da ricondursi, per la maggior parte dei casi, alla falda non abbastanza profonda e non tanto alla salinità che essa trasmette sull’intero profilo del suolo. Per altre specie quali Quercus robur, Populus alba, Fraxinus oxycarpa e Ulmus minor moderatamente sensibili alla salinità, ma abituate a vivere in suoli più umidi, la salinità di una falda troppo prossima alla superficie può ripercuotersi su tutto il profilo e generare condizioni critiche di sviluppo. Nei suoli di Pineta San Vitale sono stati inoltre studiati gli aspetti relativi all’inquinamento da accumulo di alcuni microtossici nei suoli quali Ag, Cd, Ni e Pb. In alcuni punti di rilievo sono stati osservati moderati fattori di arricchimento superficiale per Pb e Cd riconducibili all’attività antropica, mentre le aliquote biodisponibili risultano maggiori in superficie, ma all’interno dei valori medi dei suoli italiani. Lo studio svolto ha permesso di meglio conoscere gli impatti sul suolo, causati dalle principali pressioni esistenti, in un contesto dinamico. In particolare, si è constatato come i suoli delle zone studiate abbiano un effetto tampone piuttosto ridotto sulla mitigazione degli effetti indotti dalle pressioni esterne prese in esame (salinizzazione, sodicizzazione e innalzamento della falda freatica). Questo è dovuto principalmente alla ridotta presenza di scambiatori sulla matrice solida atti a mantenere un equilibrio dinamico con le frazioni solubili. Infine le variabili ambientali considerate sono state inserite in un modello concettuale DPSIR (Driving forces, Pressures, States, Impacts, Responces) dove sono stati prospettati, in via qualitativa, alcuni scenari in funzione di possibili risposte gestionali verosimilmente attuabili, al fine di modificare le pressioni che insistono sul sistema suolo-vegetazione delle pinete ravennati.

Il lavoro di tesi è incentrato sulla valutazione del degrado del suolo dovuto a fenomeni di inquinamento da metalli pesanti aerodispersi, ovvero apportati al suolo mediante deposizioni atmosferiche secche ed umide, in ambiente urbano. Lo scopo della ricerca è legato principalmente alla valutazione dell’efficienza del metodo di monitoraggio ideato che affianca al campionamento e all’analisi pedologica l’utilizzo di bioindicatori indigeni, quali il muschio, il cotico erboso, le foglie di piante arboree e il materiale pulverulento depositatosi su di esse. Una semplice analisi pedologica infatti non permette di discriminare la natura dei contaminanti in esso ritrovati. I metalli pesanti possono raggiungere il suolo attraverso diverse vie. In primo luogo questi elementi in traccia si trovano naturalmente nei suoi; ma numerose sono le fonti antropiche: attività industriali, traffico veicolare, incenerimento dei rifiuti, impianti di riscaldamento domestico, pratiche agricole, utilizzo di acque con bassi requisiti di qualità, ecc. Questo fa capire come una semplice analisi del contenuto totale o pseudo - totale di metalli pesanti nel suolo non riesca a rispondere alla domanda su quale si la fonte di provenienza di queste sostanze. Il metodo di monitoraggio integrato suolo- pianta è stato applicato a due diversi casi di studio. Il primo denominato “Progetto per il monitoraggio e valutazione delle concentrazioni in metalli pesanti e micro elementi sul sistema suolo - pianta in aree urbane adibite a verde pubblico dell’Emilia – Romagna” ha permesso di valutare l’insorgenza di una diminuzione della qualità dell’ecosistema parco urbano causata dalla ricaduta di metalli pesanti aerotrasportati, in tre differenti realtà urbane dell’Emilia Romagna: le città di Bologna, Ferrara e Cesena. Le città presentano caratteristiche pedologiche, ambientali ed economico-sociali molto diverse tra loro. Questo ha permesso di studiare l’efficienza del metodo su campioni di suolo e di vegetali molto diversi per quanto riguarda le aliquote di metalli pesanti riscontrate. Il secondo caso di studio il “Monitoraggio relativo al contenuto in metalli pesanti e microelementi nel sistema acqua-suolo-pianta delle aree circostanti l’impianto di termovalorizzazione e di incenerimento del Frullo (Granarolo dell’Emilia - BO)” è stato invece incentrato sulla valutazione della qualità ambientale delle aree circostanti l’inceneritore. Qui lo scenario si presentava più omogeneo dal punto di vista pedologico rispetto al caso di studio precedente, ma molto più complesso l’ecosistema di riferimento (urbano, extra-urbano ed agricolo). Seppure il metodo suolo-pianta abbia permesso di valutare gli apporti di metalli pesanti introdotti per via atmosferica, non è stato possibile imputarne l’origine alle sole emissioni prodotte dall’inceneritore. / The aim of the study was to assess the concentration of airborne heavy metals and microelements in the environment using different environmental matrixes, namely: soil, leaf tissues of coniferous and deciduous trees, mosses (spp. Hypnum cupressiforme), grasses, and washed-leaves water. The concentration of heavy metals (Cd, Co, Cu. Cr, Ni, Pb, Zn) was detected using an ICP-OE Spectrometer.

This study investigates the changes in soil fertility due to the different aggregate breakdown mechanisms and it analyses their relationships in different soil-plant systems, using physical aggregates behavior and organic matter (OM) changes as indicators. Three case studies were investigated: i) an organic agricultural soil, where a combined method, aimed to couple aggregate stability to nutrients loss, were tested; ii) a soil biosequence, where OM chemical characterisation and fractionation of aggregates on the basis of their physical behaviour were coupled and iii) a soils sequence in different phytoclimatic conditions, where isotopic C signature of separated aggregates was analysed. In agricultural soils the proposed combined method allows to identify that the severity of aggregate breakdown affected the quantity of nutrients lost more than nutrients availability, and that P, K and Mg were the most susceptible elements to water abrasion, while C and N were mainly susceptible to wetting. In the studied Chestnut-Douglas fir biosequence, OM chemical properties affected the relative importance of OM direct and indirect mechanisms (i.e., organic and organic-metallic cements, respectively) involved in aggregate stability and nutrient losses: under Douglas fir, high presence of carboxylate groups enhanced OM-metal interactions and stabilised aggregates; whereas under Chestnut, OM directly acted and fresh, more C-rich OM was preserved. OM direct mechanism seemed to be more efficient in C preservation in aggregates. The 13C natural abundance approach showed that, according to phytoclimatic conditions, stable macroaggregates can form both around partially decomposed OM and by organic-mineral interactions. In topsoils, aggregate resistance enhanced 13C-rich OM preservation, but in subsoils C preservation was due to other mechanisms, likely OM-mineral interactions. The proposed combined approach seems to be useful in the understanding of C and nutrients fate relates to water stresses, and in future research it could provide new insights into the complexity of soil biophysical processes.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, 2016. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-06-28T16:42:57Z No. of bitstreams: 1 2016_AlvaroXavierFerreira.pdf: 6672307 bytes, checksum: ceee197cf6b838134e263a11b933a8d6 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-07-18T19:08:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_AlvaroXavierFerreira.pdf: 6672307 bytes, checksum: ceee197cf6b838134e263a11b933a8d6 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-18T19:08:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_AlvaroXavierFerreira.pdf: 6672307 bytes, checksum: ceee197cf6b838134e263a11b933a8d6 (MD5) / As planícies de inundação ou várzeas, como a Várzea Lago Grande de Curuai, são sistemas de reciclagem de água e matéria que ocorrem ao longo da Bacia Amazônica e em diversas partes do mundo. Embora haja um grande interesse por parte de diversos pesquisadores ao redor mundo em estudar a Bacia Amazônica, pouco se sabe sobre os ambientes de várzea da Bacia. Hoje em dia, acredita-se que estes ambientes estejam ameaçados pelas mudanças climáticas e ambientais e mais particularmente pelas crescentes pressões antrópicas, atuando em escala regional e local. Esta dissertação enquadra-se dentro do projeto científico Clim-FABIAM. Um dos objetivos do projeto Clim-FABIAM é o aprimoramento do software de modelagem da várzea, o qual foi criado com base em levantamentos que vem sendo realizados há mais de dez anos, cujo objetivo é entender melhor como as atividades antrópicas influenciam o regime hidrológico e a qualidade das águas das várzeas e prever a sua evolução em resposta a vários cenários climáticos e diferentes usos dos recursos naturais. Porém, o modelo apresenta algumas limitações, principalmente em relação aos dados pedológicos. A fim de colaborar com interdisciplinaridade do projeto Clim-FABIAM e ampliar os conhecimentos sobre os solos da região, este estudo tem como principais objetivos gerar um mapa pedológico específico para a várzea de Curuai, avaliar as propriedades físico-químicas dos solos em vários contextos de cobertura vegetal e uso da terra, e identificar os possíveis impactos antrópicos aos solos da bacia de estudo. Um novo mapa pedológico da região foi proposto, baseado em mais de 100 pontos de coleta de dados. Os resultados permitiram dividir a área de estudo em duas zonas: a zona de terra firme, composta basicamente por latossolos distróficos com textura arenosa, onde há um predomínio de quartzo e caulinita; e a zona de várzea, onde observa-se a predominância de gleissolos háplicos de textura argilo-siltosa e composição mineralógica diversificada, marcada principalmente por quartzo, caulinita, ilita, anatásio e esmectita. A assembléia mineralógica dos solos não apresentou modificações perceptíveis de acordo com o uso dos solos, ao contrário da condutividade hidráulica dos solos que varia de acordo com o seu uso e com a estação hidrológica do sistema. Esse estudo também utilizou isótopos de ∂2H(∂D) e ∂18O a fim de melhor identificar as fontes de água que abastecem a bacia de estudo. Esses traçadores revelaram que o rio Amazonas, os igarapés e os lençóis freáticos são os principais fornecedores de água para o Lago, sendo que o rio Amazonas apresenta maior influência que os outros compartimentos na assinatura isotópica da água do Lago. ________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The flood plains or wetlands like Várzea Lago Grande de Curuai are water and matter recycling systems that occur throughout the Amazon Basin and in various parts of the world. Although there is a great interest around the world to study the Amazon Basin, particularly Floodplain environments. Nowadays, it is believed that these environments are threatened by climate and environmental changes and more particularly by the increasing human pressures act at a regional and local scale. This work falls within the Clim-FABIAM scientific project. One of the goals of the Clim-FABIAM project is the improvement of the modeling of floodplain software, which was created based on surveys conducted for over ten years. It aims to better understand how human activities affect the hydrological regime and water quality of wetlands and predict its evolution in response to various climate scenarios and different uses of natural resources. However, the model suffers some limitations, especially in relation to soil-related data. In order to collaborate with interdisciplinary Clim-FABIAM project and expand the knowledge of regional pedology, the main objective is to generate a specific soil map for Curuai’s floodplain, evaluate the physical and chemical properties of soils in various contexts vegetation and land use, and identify potential human impacts to soils of the study basin. The new soil map of the region was based on over 100 points of data collection. The results allowed dividing the study area into two zones. The upland area where there is a predominance of dystrophic Oxisols with sandy texture and mineralogy consists mainly of quartz and kaolinite. Lowland areas, where we observe a predominance of Gleysols Haplic of clay and silty texture and diverse mineralogy, marked by minerals such as quartz, kaolinite, illite, smectite and anatase. The soil mineralogy has no noticeable changes according to the land use, unlike the hydraulic conductivity of soils that varies according to its use and the hydrological station system. This study also used water isotopes (∂2H (∂D) e ∂18O) as tracer in order to understand more about the water sources that supply the basin study. These tracers revealed that the Amazon River, local streams and groundwater are the main water supplier for the Lake. Amazon River has more influence than the other compartments in the isotopic signature of the water of Lake.

Experimentos em casa de vegetação, tendo como substrato solo de uma área de cerrado da região de Sorocaba-Itapetininga e como culturas soja e milho, procuraram estabelecer relações de produtividade comparando-se o efeito dos componentes termofosfato potássico fundido (TKF), superfosfato simples (SSP) e superfosfato triplo (TSP) como fontes unicamente de fósforo, em adição a potássio, nitrogênio e enxofre, como fontes de NPK. Esses fertilizantes foram adicionados em vasos com 2 Kg de solo, empregando-se 150Mg P/KG de solo em ambros os experimentos. No caso do NPK, o teor dos demais elementos guardava uma relação N:P2O5:K2O de 4:14:8. Além disso, foi feito também um segundo plantio das mesmas culturais nos vasos, porém, sem fertilização adicional. A produção de matéria seca mostrou que o TKF sem adições é equivalente aos fertilizantes solúveis em água, com importante efeito residual no segundo plantio para a soja. Para o milho, a produção com TKF foi superior à dos demais fertilizantes no primeiro plantio, aumentando no segundo. A adição de K,N e S aumentou ligeiramente a produção com TKF, obtendo-se melhores resultados com TSP e SSP no primeiro plantio em ambas culturas. No segundo plantio, a produção com os fertilizantes foi nivelada a valores baixos semelhantes aos da testemunha. Experimentos de lixiviação do mesmo solo, fertilizado com TKF, SSP e TSP em série fosfática e série NPK em gomo superior de coluna de Lixiviação aquosa, mostraram grande fixação de P proveniente das fontes solúveis,paralelamente ao K e Ca. O P do TKF quase não apresentou fixação. Experimentos semelhantes foram efetuados com \"solos artificiais\" constituídos por concentrado de caulinita, bauxita natural e concreção limonítica natural, e comparando-se duas fontes fosfatadas, TKF e SSP. Os resultados evidenciaram grande fixação de fosforo proveniente do SSP e pequena do TKF. Foi possível caracterizar uma fixação sob forma insolúvel em água e solúvel em acido cítrico sobretudo da fonte SSP. A fixação foi maior na limonita, seguindo-se a bauxita ferruginosa e, por último, a caulina. Dois plantios de milho foram realizados em latossolo Vermelho Amarelo com calagem com fertilização TKF (termofosfato magnesiano fundido) e SSP (série pura), e com adição de N e K (série NPK) somente no primeiro plantio. Os resultados não favoreceram o TKF em relação aos demais fertilizantes. Em área nova, sem calagem e fertilização fosfática, o TKF apresentou melhor produção de grãos de milho. / This thesis reports about the experiments carried out both in a green house and in the field, in order to compare the agronomic efficiency of conventional fertilizers (soluble in water). The first experiment took place in a green house, with pots containing savanna soil from the Sorocaba-Itapetinga region, under soy-bean and corn culture. Compared were the effects of the application of \"smelted potassium-thermo phosphate\" (TKF), simple super-phosphate (SSP), and triple super-phosphate (TSP), as sources of phosphate only, whereas to other pots potassium, nitrogen and sulphur was added as sources of NPK. To correlate the results, a reference standard was used (without any fertilizer). All fertilizers were added to pots containing 2 Kg soil, using 150mg P per Kg soil for all experiments. The relation between the elements N: P2O5:K2O in NPK was as 4:14:8. A second planting was carried out in the same pots, with the same crops, without additional fertilizer. Resulting, there was no change in the production of dry material, which shows that TKF without addition of NPK is equivalent to water-soluble fertilizer. The second soy-beans planting showed a significant residual effect. In the first corn plantation, the production with TKF was higher than the one with SSP and TSP. The second corn planting, because of the residual effect, showed an even higher production. The addition of K, N, and S slightly increased the production with TKF, and resulted in better results with TSP and SSP in the first planting under both cultures. In the second planting, the production with fertilizers was levelled to lower values similar to those of the reference standart. In the second experiment columns for leaching were used, with the same soil, fertilized with TKF,SSP and TSP in the phosphatic series and series of NPK in the upper section of the watery leach-column, showing a large fixation of P coming from the soluble sources, parallel to K and Ca. The P of the TKF did hardly show fixation. In a second phase similar experiments were carried out, using artificial soil of Kaolinite, ferruginous bauxite and ferruginous limonite concretions, and comparing two phosphate sources, TKF and SSP. The results demonstrated large fixation of phosphorus coming from the SSP and little from TKF. It was possible to characterize a certain fixation under the in water insoluble form and soluble in citric acid(adsorption and centering) and under the form of stable compost, insoluble in citric acid mainly from the SSP source. The fixation was larger in limonite, following bauxite and, lastly, kaolinite. The third experiment was carried out in the field. Two plantations of corn were realized in a reddish -yellow Latosol with setting (\"calagem\"), fertilized with TKF, TMgF (smelted thermo-phosphate manganese) and SSP (pure series). Only in the first plantation

O conhecimento detalhado sobre a distribuição espacial dos solos é fundamental para o monitoramento ambiental e gerenciamento da produção agrícola. Novas técnicas de modelagem espacial estão sendo utilizadas para melhor aproveitar os dados de solos existentes como a desagregação espacial dos polígonos a partir do refinamento das unidades de mapeamento combinadas em que dois ou mais tipos de solos estão representados. Este trabalho foi dividido em dois estudos. O estudo 1 teve como objetivo realizar a comparação de três algoritmos de árvores de decisão (AD) para predizer a ocorrência das unidades fisiográficas (UFs). Foram derivadas a partir do modelo digital de elevação (MDE) 12 variáveis ambientais utilizando o System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA GIS). Os algoritmos testados foram: J48, Simple Chart, BFTree. As ADs foram construídas no programa Weka 3.6.3. As acurácias obtidas usando os três algoritmos foram semelhantes, sendo que o J48 foi superior, mostrando-se útil para predizer a ocorrência de unidades fisiográficas. O estudo 2 teve como objetivo desagregar os polígonos do mapa fisiográfico para individualizar as classes de solos até o segundo nível categórico. Para realizar a desagregação do mapa fisiográfico foram utilizadas 3 variáveis ambientais preditoras, derivadas do MDE, sendo que o mapa de geoforma foi derivado utilizando um conjunto de programas chamado LandMapr toolkit©. Os limites das UFs, os mapas de elevação, declividade e geoforma foram submetidos a uma tabulação cruzada para identificar em cada UF as combinações existentes entre suas classes. O uso da desagregação possibilitou a individualização e a espacialização das classes de solos, sendo útil para a produção de mapas de solos mais detalhados. / Detailed knowledge about the spatial distribution of the soil is essential for environmental monitoring and management of agricultural production. New spatial modeling techniques have used to make better use of data from existing soils and the polygons spatial disaggregation from the refinement of combined mapping units. This work was is divided two studies. The study 1 aimed to carry out a comparison of three decision trees algorithms to predict the occurrence of physiographic units (UFs). The System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA GIS) was used to derive 12 environmental covariates from digital elevation model. Three algorithms were tested: J48, Simple Chart, BFTree. The program Weka 3.6.3 was used to built the decision trees. The accuracies obtained using the three algorithms were similar. The J48 accuracy was higher, proving to be useful to predict the occurrence of physiographic units. The study 2 aimed to disaggregate the physiographic map polygons, to individualize the soil classes by the second categorical level. Three environmental covariates were used to carry out the polygon disaggregation of physiographic unit map. The environmental covariates was derived from the MDE, and the map of geoforma was elaborated by a set of programs called LandMapr toolkit©. The limits of the UFs, maps of elevation, slope and geoforma underwent a cross-tab to identify existing combinations between classes, by each UF. The polygon disaggregation made possible the individualization and the spatialization of soils classes, being useful to production of more detailed soil maps.

Nas últimas décadas o Mapeamento Digital de Solos (MDS) está ganhando espaço devido ao aumento da disponibilidade de dados numéricos, entretanto algumas metodologias ainda precisam ser definidas, dentre elas, a densidade de amostras e as variáveis a serem utilizadas para a alimentação dos modelos. Assim, o objetivo deste trabalho foi testar diferentes densidades de amostragem, diferentes conjuntos de variáveis para avaliar a resposta dos modelos e, a partir disso, realizar a extrapolação de classes de solos em paisagens semelhantes. Esta tese é composta de três estudos que testam metodologias para a predição de ocorrência de classes de solos utilizando técnicas do MDS. No primeiro estudo, realizado nas bacias do Santo Cristo e do Lageado Grande foi testado o efeito de diferentes densidades de amostragens sobre a capacidade preditiva dos modelos de predição de ocorrência de classes de solos. Os modelos preditores foram treinados com dados dos atributos do terreno derivados do modelo digital de elevação e com informações de solos extraídas do mapa pedológico. De modo geral o aumento da densidade de amostragem resultou no aumento da concordância com os mapas de referências e no aumento do número de unidades de mapeamento preditas. No segundo estudo, realizado nas bacias do Santo Cristo e do Arroio Portão, foi testado o efeito de diferentes conjuntos de variáveis geomorfométricas sobre a capacidade preditiva dos modelos de predição de ocorrência de classes de solos. A partir do modelo digital de elevação foram geradas onze variáveis. As variáveis comprimento de fluxo, elevação do terreno e distância de rios foram as que mais influenciaram os resultados de acurácia e a quantidade de unidades de mapeamento preditas. O modelo gerado com somente as três variáveis gerou o modelo com resultados semelhantes ao modelo gerado com todas as variáveis. O terceiro estudo foi realizado em duas etapas. A primeira etapa foi realizada nas bacias do Santo Cristo e do Arroio Portão e a segunda nas bacias do Santo Cristo e na do Lageado Grande. Na primeira etapa dividiu-se as bacias em partes iguais, utilizando-se uma para o treinamento e a outra para a validação dos modelos. A acurácia foi maior na área de treinamento do que na área de validação, entretanto mostrou-se uma ferramenta interessante a ser utilizada para a elaboração de mapas. Na segunda etapa utilizou-se a bacia do Santo Cristo para o treinamento do modelo e a do Lageado Grande para a validação. Nesta fase os modelos não conseguiram gerar mapas com boas acurácias na área de validação. / In recent decades the digital soil mapping is gaining ground due to the increase of numerical data, but some methodologies have yet to be defined, among them, the density of sampling and the selection of attributes models training. The objective of this study was to evaluate the use of different methodologies and materials for data analysis and prediction of occurrence of soil classes. This thesis is composed of three studies testing methodologies for soil classes of occurrence of prediction using MDS techniques. In the first study, performed in the Santo Cristo and the Lageado Grande watersheds, it was tested the effect of different densities of samples on the capacity of models to predict the occurrence of soil classes. The predictive models were trained with data attributes derived from a digital terrain elevation model and information extracted from a legacy soil map. In general, the increase in sampling density resulted in an increase in accordance with the reference map and increase the number of predicted map units. In the second study, performed in the Santo Cristo and Arroio Portão watersheds, it was tested the effect of different sets of geomorphometric variables on the predictive ability of occurrence of prediction models of soil classes. From the digital elevation model were derivate eleven variables. The variables flow length, altitude and distance from rivers were the ones that more influenced the results of accuracy and number of predicted mapping units. The model generated with only this three variables generated the model with results similar to the model that used all variables. The third study was performed in two stages. The first step performed in the Santo Cristo and Arroio Portão watersheds, and the second in the Santo Cristo and Lageado Grande watersheds. In the first step the basins were divided into two equal parts using a part for model training and the other for model validation. The accuracy was greater in the training area than in the validation area; however the extrapolation to similar areas proved to be an interesting tool to be used for the preparation of maps. In the second step it was used the basin of the Santo Cristo for model training and the Lageado Grande for model validation. In this step the models were not able to generate maps with good accuracy in the validation area.

Dados de levantamentos convencionais de solos têm sido muito usados como entrada em mapeamento digital de solos (MDS), frequentemente sem considerar a qualidade original. O objetivo desta pesquisa foi avaliar metodologias e ferramentas de MDS para predizer classes de solo a partir de levantamentos existentes. Um conjunto diversificado de mapas convencionais foi caracterizado com indicadores computados a partir das unidades de mapeamento (UM) e da legenda. Um procedimento de desagregação foi testado em um mapa semidetalhado, definindo-se áreas típicas das classes por UM a partir do relatório de levantamento e expedições em campo. 10% delas foram empregadas para treinar uma árvore de decisão (AD) e predizer classes em toda a área, usando 21 covariáveis. A predição em locais não mapeados (extrapolação) foi avaliada em um mapa detalhado, no qual três subáreas representativas foram usadas para gerar pontos com duas densidades e dois esquemas de distribuição espacial. Os pontos foram usados para treinar uma AD e predizer ordens e subordens em áreas não amostradas, com duas resoluções espaciais e variação do número e combinação de covariáveis. A desagregação possibilitou incrementar consideravelmente o detalhamento do mapa convencional de solos, sem perda de acurácia. A extrapolação possibilitou mapear áreas não visitadas com alta resolução espacial e acurácia equivalente à área de referência, notadamente com amostragem aleatória estratificada. Em ambos, a acurácia foi limitada pela qualidade dos dados legados, em geral inferior à presumida, o que demonstra a necessidade de levá-la em conta ao desenvolver e calibrar modelos de predição em MDS. / Conventional soil survey data have been widely used as inputs for digital soil mapping (DSM), often without regard to their original quality. The objective of this research was to evaluate DSM methodologies and tools for predicting soil classes from existing soil surveys. A diversified set of conventional soil maps was charachterized with indicators computed from mapping units (MU) and legend. A disaggregation procedure was tested on a semidetailed soil map, by defining typical areas of soil classes in each MU based on the soil survey report and field work. 10% of these areas were employed to train a decision tree (DT) and to predict soil classes throughout the area using 21 soil covariates. The prediction in unmapped areas (extrapolation) was evaluated on a detailed soil map, for which three representative subareas were used to generate points using two sampling densities and two spatial distribution schemes. These sampling points were used to train a DT and then to predict soil orders and suborders at non sampled areas, using two spatial resolutions and varying number and combination of covariates. Disaggregation allowed to increase considerably the details of the conventional soil map, without loss of accuracy. Extrapolation allowed mapping non visited areas with high spatial resolution and accuracy equivalent to the reference area, especially with stratified random sampling. In both cases, accuracy was limited by the quality of legacy soil data, in general lower than presumed, what demonstrates the need to take it into account when building and calibrating prediction models in DSM.