Área de estudo

O presente estudo foi realizado na Lezíria Grande de Vila Franca de Xira, uma península com cerca de treze mil hectares delimitada pelos rios Tejo, Risco e Sorraia, representada pela área delimitada na Figura 1. É uma área de baixa altitude, plana e alagadiça, com solos formados por deposição de sedimentos de origem marinha e fluvial. A Lezíria Grande de Vila Franca de Xira constitui uma importante área agrícola a nível nacional, com infraestruturas de rega e drenagem e de proteção contra alagamento pelas águas estuarinas. A parte sul da Lezíria é ocupada principalmente por pastagens de sequeiro, devido à salinidade mais elevada destes solos. Os solos são tipicamente argilosos, classificados como Fluvisols no norte da península e como Solonchaks no sul, de acordo com ^{Fischer et al. (2012}) e a classificação WRBSR (IUSS Working Group WRB, 2015). O clima é temperado com verões quentes e secos, de acordo com a classificação de Köppen. As médias climáticas para o período de 1971-2000 mostram uma média anual de chuva de 716 mm, com um máximo em novembro (127,6 mm) e um mínimo em julho (2 mm), e com uma temperatura máxima média de 28,8 °C (Agosto), e uma temperatura mínima média 6,7 °C (Janeiro e Fevereiro). O índice de aridez médio para este período foi de 0,5 (Portal do Clima, s.d.). O incide de aridez é a razão entre a precipitação e a evapotranspiração potencial, correspondendo valores entre 0,5 (inclusive) e 0,65, a um clima de tipo sub-húmido seco.

Figura 1 A área de estudo da Lezíria Grande de Vila Franca de Xira (Lisboa, Portugal) e os locais 1 - 4 onde as secções de EMI foram realizadas. 

Foram selecionados quatro locais na Lezíria ao longo da direção norte-sul, com conhecido gradiente crescente de salinidade. Os quatro locais estão indicados na Figura 1 com os números de 1 a 4. Nos locais 1 a 3 fazem-se rotações anuais com culturas regadas durante o período de primavera-verão e de azevém (Lolium multiflorum) no outono-inverno, sendo o solo geralmente mobilizado anualmente. Durante o estudo (2017) no local 1 estava instalado tomate com rega gota-a-gota e nos locais 2 e 3 cultivou-se milho com rega por aspersão com pivot central. A água de rega é de boa qualidade (EC <0,5 dS∙m^-1 e SAR <1 mmol_c∙L^-1). O local 4 tem uma pastagem permanente de sequeiro. É conhecido um gradiente crescente de salinidade do solo de norte para sul da península. Este gradiente parece dever-se à maior influência das marés oceânicas nas águas subterrâneas na parte sul da ilha, devido à maior proximidade ao estuário. As projeções dos vários cenários de alterações climáticas para esta zona apontam para um decréscimo da precipitação, o aumento da temperatura média e a subida do nível da água do mar. Estes fatores podem agravar os processos causadores de salinização nesta área (subida de águas subterrâneas salinas, aumento da evapotranspiração e diminuição da capacidade de lavagem de sais pela chuva), bem como pode levar à degradação da água de rega, recolhida do Tejo na parte setentrional da península. Em anos de seca, os caudais dos rios Tejo e Sorraia diminuem levando ao avanço para montante da água salina do estuário, aumentando a salinidade da água na zona de captação.

Medições de EMI e amostragem do solo

As medições de EMI foram realizadas com o sensor EM38 (Geonics Ltd, Mississauga, Canadá). Em cada local, realizaram-se medições ao longo de uma seção de 100 m de comprimento. O EM38 tem apenas 1 par de bobinas (transmissor e recetor), assim, de forma a obter um conjunto de medições de σ _a que permita a inversão numérica para determinação da variação vertical da condutividade elétrica do solo (σ), foram realizadas quatro passagens com o sensor ao longo das seções. Assim, mediu-se σ _a em dois modos com o sensor orientado verticalmente e horizontalmente em relação ao solo (σ _{a_v} e σ _{a_h} ) e a duas alturas da superfície do solo. O primeiro par de medições foi feito a uma altura de 0,15 m, o que permite investigar a profundidades teóricas de 0,6 m (σ _{a_h0,15} ) e 1,35 m (σ _{a_v0,15} ). O segundo par de medições foi feito a uma altura de 0,4 m, permitindo profundidades teóricas de 0,35 m (σ _{a_h0,4} ) e 1,1 m (σ _{a_v0,4} ). As medições foram feitas em modo contínuo usando um carrinho para fixação do EM38 em cada uma das posições e usando um GPS para registo da localização.

Simultaneamente foram colhidas amostras de solo em 4 a 5 pontos ao longo da secção. Em cada ponto foram colhidas amostras em 5 profundidades: 0-0,3 m, 0,3-0,6 m, 0,6-0,9 m, 0,9-1,2 m e 1,2-1,5 m. No total, foram recolhidas 89 amostras de solo.

Inversão de σ _a

O conjunto de medições de EMI (σ _{a_h0,15} , σ _{a_v0,15} , σ _{a_h0,4} e σ _{a_v0,4} ) foi usado para obter a distribuição da condutividade elétrica do solo (σ) usando o algoritmo de inversão descrito detalhadamente em ^{Monteiro Santos (2004}), ^{Triantafilis e Santos (2010}) e Monteiro Santos et al. (2011). Este é um algoritmo de inversão não-linear, em que a função-objetivo (neste caso a diferença entre os valores de condutividade elétrica observados e os correspondentes à resposta do modelo) é minimizada iterativamente, usando o método dos mínimos quadrados com constrangimentos. A resposta do modelo (derivado das leis de Maxwell para a propagação eletromagnética) é calculada usando uma aproximação linear e os constrangimentos correspondem a uma regularização Occam, através da qual se procuram as respostas com variações suaves nos valores de σ. Este algoritmo tem sido aplicado com sucesso na determinação de propriedades do solo quando predomina a variação vertical da condutividade elétrica. A otimização dos parâmetros do algoritmo de inversão para a área de estudo foi apresentada por ^{Farzamian et al. (2019}), onde os autores concluem que os parâmetros de inversão podem ser utilizados para determinação de σ em diferentes locais na área de estudo.

Determinações laboratoriais

As amostras de solo foram analisadas em laboratório para a determinação de EC _e , SAR e ESP. EC _e foi determinado com um condutivímetro (WTW 1C20-0211 inoLab) num extrato da pasta saturada de solo, recolhido em funis sob sução de acordo com os métodos descritos por ^{Richards (1954}). O SAR mede a razão entre a concentração de Na solúvel relativamente à concentração de Ca e Mg solúveis, de acordo com a equação (1):

SAR= [ 𝑁𝑎 + ] 𝐶𝑎 2+ +[ 𝑀𝑔 2+ ] 2 [(mmol_c∙L^-1)^0,5] (1)

onde [Na ⁺ ], [Ca ²⁺ ], and [Mg ²⁺ ] são as concentrações dos catiões solúveis medidos no extrato da pasta saturada de solo através de espectrofotometria de absorção atómica (Thermo Scientific iCE3000). ESP é a percentagem de Na no complexo de troca, sendo a razão entre a concentração de Na de troca e a capacidade de troca catiónica do solo (CTC), de acordo com a equação (2):

onde [ 𝑁𝑎 + ] é a concentração do Na de troca, determinada através do método de Bascomb a pH 8,1, também usado para a determinação da CTC, de acordo com a norma ISO 13536:1995.

Classificação do solo quanto à salinidade e sodicidade

A classificação dos solos quanto à salinidade e sodicidade foi proposta por ^{Richards (1954}) a partir de um limite de EC_e ≥ 4 dS∙m^-1 para solos salinos e ESP ≥ 15% para solos sódicos. Estes valores foram apresentados como indicativos, mas continuam a ser geralmente seguidos. Em algumas regiões adotaram-se valores limite inferiores para classificar os solos como sódicos, como é o caso da Austrália em que os solos são considerados sódicos quando ESP ≥ 6%. Com base na relação entre ESP e SAR apresentada por Richards (1954), pode ainda usar-se SAR para a classificação, de acordo com a Figura 2.

Figura 2 Classificação do solo quanto à salinidade e sodicidade tendo em conta os valores de EC _e , SAR e ESP (aptado de ^{Weil and Bradley, 2017}). 

Determinação da salinidade e sodicidade

A correlação entre σ e EC_e, SAR e ESP foi analisada de forma a avaliar o potencial para determinação da salinidade e socididade do solo. Desenvolveram-se modelos de correlação entre σ e as três propriedades. O desempenho destes modelos para estimar EC_e, SAR e ESP foi estudada através da validação cruzada usando o método “leave-one-out”, em que cada uma das observações é retirada do conjunto de calibração e o modelo obtido é usado para determinar o valor observação que não foi incluída. Este processo repete-se n vezes e o erro quadrático médio da validação (RMSEP) é calculado de acordo com a equação (3):

Os modelos de correlação foram usados para obter os mapas 2-D da classificação do solo quanto à salinidade e sodicidade para as seções de EMI medidas.

Propriedades do solo

A Figura 3 mostra a média e o desvio padrão das propriedades do solo em cada um dos quatro locais. A Figura 3 mostra que os locais 1 e 2 são não-salinos ao longo de todo o perfil (EC _e < 2 dS∙m^-1). Os locais 3 e 4 são não-salinos à superfície, mas EC _e aumenta marcadamente com a profundidade atingindo 12 dS∙m^-1 no local 3 e 30 dS∙m^-1 no local 4. Esta variação está de acordo com o conhecido gradiente crescente de salinidade de norte para sul da península devido à maior proximidade do estuário. O aumento de EC _e em profundidade nos locais 3 e 4 poderá ser resultado da influência da toalha freática salina. A baixa salinidade no local 1 é propícia ao cultivo de tomate, cuja sensibilidade à salinidade é elevada. No local 3 os níveis de salinidade registados podem comprometer a cultura do milho, cujo limite superior de tolerância é de 4 dS∙m^-1 (^{Weil and Bradley, 2017}). A superfície do local 4 tem EC _e inferior à do local 3, o que pode ser resultado da adição de sais com a água de rega e/ou com piores condições de lavagem dos sais superficiais no local 3.

Em relação ao SAR, a figura mostra que tem um padrão de variação idêntico ao de EC _e entre os locais e, em cada um deles, com a profundidade. Nos locais 1 e 2 SAR está abaixo de 13 (mmol_c∙L^-1)^0,5 enquanto que em 3 e 4 o SAR ultrapassa aquele valor nas camadas mais profundas. Em relação a ESP, a figura mostra que o local 1 é não-sódico (ESP < 15%), enquanto 2, 3 e 4 mostram ESP > 15% nas camadas mais profundas. O local 3 tem valores de ESP superiores aos outros locais ao longo de todo o perfil. Estes resultados mostram que o local 1 é não-salino e não-sódico ao longo de todo o perfil, o local 2 classifica-se como sódico nas duas camadas mais profundas devido ao elevado teor de Na de troca (ESP > 15%), enquanto os locais 3 e 4 são predominantemente salino-sódicos abaixo da superfície. A classificação do local 2 como sódico é relevante, chamando a atenção para a necessidade urgente de remediação de forma a mitigar a degradação do solo nesta parcela.

Figura 3 A média e o desvio padrão de EC _e , SAR e ESP para cada um dos locais. 

Determinação de EC _e , ESP e SAR

A Figura 4 mostra os modelos de correlação entre EC _e , SAR, ESP e σ (coluna da esquerda) e os resultados da validação (coluna da direita). Em relação à correlação entre as variáveis, estabeleceram-se modelos de correlação linear entre σ e EC _e e de correlação logarítmica entre σ e SAR e entre σ e ESP. Os modelos apresentam um coeficiente de determinação (R²) significativo nos locais 2, 3 e 4, indicando que aquelas propriedades podem ser determinadas a partir de σ. No local 1, não existe correlação entre σ e EC _e e entre σ e SARσ Isto deve-se ao facto de estas propriedades terem valores baixos e variações mínimas, acabando σ por ser dominado por outras propriedades do solo neste local (como por exemplo, o teor de água). No entanto, os valores de σ no local 1 mostraram-se uniformemente baixos, o que permitiu usar os modelos para determinar corretamente EC _e e SAR a partir de σ. O RMSEP calculado para o total de observações dos quatro locais foi de 2,03 dS∙m^-1 para EC_e, 4,68 (mmol_c∙L^-1)^0,5 para o SAR e 3,83 % para o ESP. Estes resultados mostram que é possível determinar estas propriedades com erros de determinação aceitáveis, dentro das condições deste estudo, que incluem variação do teor de água e da textura dos solos estudados.

Mapa 2-D da salinidade e sodicidade

O solo foi classificado quanto à salinidade e sodicidade usando os valores de EC _e , SAR e ESP determinados a partir de σ. A Figura 5 mostra o mapa 2-D para as seções medidas em cada um dos quatro locais. Os círculos correspondem à classificação das amostras de solo em que EC _e , SAR, e ESP foram determinados em laboratório. Das 89 amostras, 88,6% é corretamente classificado a partir das medições de σ (apresentada pela cor de fundo). A figura mostra que os erros de classificação ocorrem principalmente nas zonas em que ocorre uma mudança na classificação. Nestes casos, os erros podem dever-se à variabilidade dentro de cada camada, uma vez que a amostra é recolhida à profundidade média de cada camada. Pode também ser resultado dos efeitos de suavização de picos entre valores vizinhos que é inerente ao processo de inversão numérica. Outra possibilidade refere-se ainda ao número de medições de σ _a poder não ser suficiente para obter uma inversão precisa quando existem gradientes de variação vertical elevados. Neste caso, a precisão poderia ser aumentada medindo σ _a a mais distâncias do solo, de forma a obter resultados de inversão mais precisos nos casos em que existam grandes variações de σ em pequenos intervalos.

Figura 5 Mapa 2-D da classificação do solo quanto à salinidade e sodicidade determinada a partir de σ (cor de fundo). Os círculos representam a classificação obtida para as amostras em que EC _e , SAR e ESP foram determinados em laboratório.