Scaling of pores in 3D images of Latosols (Oxisols) with contrasting mineralogy under a conservation management system
Carla Eloize Carducci A E , Geraldo César de Oliveira B , Nilton Curi B , Richard John Heck C and Diogo Francisco Rossoni D
+ Author Affiliations
- Author Affiliations
A Federal University of Santa Catarina, Curitibanos Campus (UFSC), Curitibanos, SC 89520-000, Brazil.
B Soil Science Department of Federal University of Lavras (UFLA), Lavras, MG 37200-000, Brazil.
C School of Environmental Science, University of Guelph, Guelph, ON N1G 2W1, Canada.
D Statistical Department, State University of Maringá (UEM), Maringá, PR 87020-900, Brazil.
E Corresponding author. Email: elocarducci@hotmail.com
Soil Research 52(3) 231-243 https://doi.org/10.1071/SR13238
Submitted: 27 August 2013 Accepted: 12 November 2013 Published: 1 April 2014
Abstract
The aim of this study was to evaluate the spatial and morphological configuration of the pore space in 3D images of Latosols with different mineralogy under a conservation tillage system in a coffee crop area. The visualisation and quantification of pore size distribution by data mining and spatial variability by semi-variogams were investigated in 3D images with 60-µm spatial resolution generated by X-ray CT scan (EVS/GE MS8x-130) in soil core samples collected at different depths of a kaolinitic Red-Yellow Latosol (RYL) and a gibbsitic Red Latosol (RL) from Brazil. Greater spatial variability occurred in the horizontal direction of the 3D image, a novel finding in this area of research. The pores detected were different between the Latosols studied, mainly at 0.20–0.34 m depth. The largest number (>4000) and volume (±30 mm3) of pores was found in the RL. The soil classes differed in 3D pore characteristics, and this aspect may be important in the characterisation of causes of pore variability. Sphericity was similar for both soils, with greater emphasis on pore classes with a diameter <0.4 mm, mainly at the 0.20–0.34 m depth. A higher percentage of spheroid pores occurred in RL (±25%), whereas the platy pores were more abundant in RYL (>15%).
Additional keywords: Brazil, CT scan, coffee crop, geostatistics, regression models, soil pore configuration.
References
Ávila LF, Mello CR, Silva AM (2010) Continuidade e distribuição espacial da umidade do solo em bacia hidrográfica da Serra da Mantiqueira. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental 14, 1257–1266.| Continuidade e distribuição espacial da umidade do solo em bacia hidrográfica da Serra da Mantiqueira.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Bispo FHA, Silva AC, Vidal-Torrado P, Souza Junior VS (2011) Highlands of the upper Jequitinhonha Valley, Brazil. II—mineralogy, micromorphology, and landscape evolution. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 35, 1081–1091.
| Highlands of the upper Jequitinhonha Valley, Brazil. II—mineralogy, micromorphology, and landscape evolution.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Bottega EL, Queiroz DM, Pinto FAC, Souza CMA (2013) Variabilidade espacial de atributos do solo em sistema de semeadura direta com rotação de culturas no cerrado brasileiro. Revista Ciência Agronômica 44, 1–9.
| Variabilidade espacial de atributos do solo em sistema de semeadura direta com rotação de culturas no cerrado brasileiro.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Bullock P, Fedoroff N, Jongerius A, Stoops G, Tursina T (1985) ‘Handbook for soil thin section description.’ (Waine Research Publications: UK)
Camargo LA, Marques Júnior J, Pereira GT, Horvat RA (2008a) Variabilidade espacial de atributos mineralógicos de um Latossolo sob diferentes formas do relevo. I—mineralogia da fração argila. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 32, 2269–2277.
| Variabilidade espacial de atributos mineralógicos de um Latossolo sob diferentes formas do relevo. I—mineralogia da fração argila.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Camargo LA, Marques Júnior J, Pereira GT, Horvat RA (2008b) Variabilidade espacial de atributos mineralógicos de um Latossolo sob diferentes formas do relevo. II—correlação espacial entre mineralogia e agregados. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 32, 2279–2288.
| Variabilidade espacial de atributos mineralógicos de um Latossolo sob diferentes formas do relevo. II—correlação espacial entre mineralogia e agregados.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Carducci CE, Oliveira GC, Severiano EC, Zeviani WM (2011) Modelagem da curva de retenção de água de Latossolos utilizando a equação duplo van Genuchten. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 35, 77–86.
| Modelagem da curva de retenção de água de Latossolos utilizando a equação duplo van Genuchten.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Carducci CE, Oliveira GC, Zeviani WM, Lima VMP, Serafim ME (2013) Bimodal pore distribution on soils under conservationist management system for coffee crop. Engenharia Agrícola 33, 291–302.
| Bimodal pore distribution on soils under conservationist management system for coffee crop.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Castro SS, Cooper M, Santos MC, Vidal-Torrado P (2003) Micromorfologia do solo: bases e aplicações. In ‘Tópicos em ciência do solo’. (Eds RF Novais, VVH Alvarez, CE Schaefer) pp. 107–164. (Sociedade Brasileira de Ciência do Solo: Viçosa, Brazil)
Clausnitzer V, Hopmans JW (2000) Pore-scale measurements of solute breakthrough using microfocus X-ray computed tomography. Water Resources Research 36, 2067–2079.
| Pore-scale measurements of solute breakthrough using microfocus X-ray computed tomography.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Costa Junior C, Píccolo MC, Siqueira Neto M, Camargo PB, Cerri CC, Bernoux M (2012) Carbono em agregados do solo sob vegetação nativa, pastagem e sistemas agrícolas no Bioma Cerrado. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 36, 1311–1322.
| Carbono em agregados do solo sob vegetação nativa, pastagem e sistemas agrícolas no Bioma Cerrado.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Cremom C, Rosa Júnior EJ, Serafim ME, Ono FB (2009) Análise micromorfométrica de agregados de um Latossolo Vermelho Distroférrico em diferentes sistemas de manejo. Acta Scientiarum 31, 139–146.
| Análise micromorfométrica de agregados de um Latossolo Vermelho Distroférrico em diferentes sistemas de manejo.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Dexter AR (2004) Soil physical quality part I: theory, effects of soil texture, density, and organic matter, and effects on root growth. Geoderma 120, 201–214.
Embrapa Solos (2011) ‘Manual de métodos de análise de solos.’ 2nd edn (Centro Nacional de Pesquisa de Solos: Rio de Janeiro)
Embrapa Solos (2013) ‘Sistema brasileiro de classificação de solos.’ 3th edn (Centro Nacional de Pesquisa de Solos: Rio de Janeiro)
Faraco MA, Uribe-Opazo MA, Silva EAA, Johann JÁ, Borssoi JA (2008) Seleção de modelos de variabilidade espacial para elaboração de mapas temáticos de atributos físicos do solo e produtividade da soja. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 32, 463–476.
| Seleção de modelos de variabilidade espacial para elaboração de mapas temáticos de atributos físicos do solo e produtividade da soja.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Ferreira T, Rasband W (2011) IJ 1.45m. ImageJ user guide. Available at: http://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/index.html
Ferreira MM, Fernades B, Curi N (1999) Mineralogia da fração argila e estrutura de Latossolos da região sudeste do Brasil. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 23, 507–514.
Gantzer CJ, Anderson SH (2002) Computed tomographic measurement of macroporosity in chisel-disk and no-tillage seedbeds. Soil & Tillage Research 64, 101–111.
| Computed tomographic measurement of macroporosity in chisel-disk and no-tillage seedbeds.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Genro SA Genro SA (2004) Variabilidade temporal da resistência à penetração de um Latossolo argiloso sob semeadura direta com rotação de culturas. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 28, 477–484.
| Variabilidade temporal da resistência à penetração de um Latossolo argiloso sob semeadura direta com rotação de culturas.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Ghidin AA, Melo VF, Lima VC, Lima JMJC (2006) Toposseqüências de Latossolos originados de rochas basálticas no Paraná. II—relação entre mineralogia da fração argila e propriedades físicas dos solos. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 30, 307–319.
| Toposseqüências de Latossolos originados de rochas basálticas no Paraná. II—relação entre mineralogia da fração argila e propriedades físicas dos solos.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Gomes JBV, Fernandes MF, Barreto AC, Araújo Filho JC, Curi N (2012) Soil attributes under agroecossystems and forest vegetation in the coastal tablelands of Northeastern Brazil. Ciência e Agrotecnologia 36, 649–664.
| Soil attributes under agroecossystems and forest vegetation in the coastal tablelands of Northeastern Brazil.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Goovaerts P (1999) Geostatistics in soil science: state-of-the-art and perspectives. Geoderma 89, 1–45.
| Geostatistics in soil science: state-of-the-art and perspectives.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
GE Healthcare (2006) Microview Analysis 2.2. Technical Publication. Direction 2407688. Revision 1. Available at: www.oucom.ohiou.edu/ou-microct
Isaaks EH, Srivastava RM (1989) ‘An introduction to applied geostatistics.’ (Oxford University Press: New York)
IUSS Working Group WRB (2006) ‘World reference base for soil resources 2006.’ World Soil Resources Reports No. 103. (FAO: Rome)
Journel A, Huijbregts CJ (1978) ‘Mining geostatistics.’ (Academic Press: San Diego, CA, USA)
Ker JC (1997) Latossolos do Brasil: uma revisão. Geonomos 5, 17–40.
Klein VA, Libardi PL (2002) Densidade e distribuição do diâmetro dos poros de um Latossolo Vermelho sob diferentes sistemas de uso e manejo. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 26, 857–867.
Liaw A, Wiener M (2012) Package ‘randomForest’. Breiman and Cutler’s Random Forests for classification and regression. Version 4.6-7. Available at: http://stat-www.berkeley.edu/users/breiman/RandomForests
Lima HV, Lima CLR, Leão TP, Cooper M, Silva AP, Romero RE (2005) Tráfego de máquinas agrícolas e alterações de bioporos em área sob pomar de laranja. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 29, 677–684.
| Tráfego de máquinas agrícolas e alterações de bioporos em área sob pomar de laranja.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Lima VMP, Oliveira GC, Serafim ME, Curi N, Evangelista AR (2012) Intervalo hídrico ótimo como indicador de melhoria da qualidade estrutural de Latossolo degradado. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 36, 71–78.
| Intervalo hídrico ótimo como indicador de melhoria da qualidade estrutural de Latossolo degradado.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Luo L, Lin H, Li S (2010) Quantification of 3-D soil macropore networks in different soil types and land uses using computed tomography. Journal of Hydrology 393, 53–64.
| Quantification of 3-D soil macropore networks in different soil types and land uses using computed tomography.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Martin SL, Mooney SJ, Dickinson MJ, West HM (2012) The effects of simultaneous root colonization by three Glomus species on soil pore characteristics. Soil Biology & Biochemistry 49, 167–173.
| The effects of simultaneous root colonization by three Glomus species on soil pore characteristics.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Mello CR, Curi N (2012) Hydropedology. Ciência e Agrotecnologia 36, 137–146.
| Hydropedology.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Munkholm LJ, Heck RJ, Deen B (2012) Soil pore characteristics assessed from X-ray micro-CT derived images and correlations to soil friability. Geoderma 181–182, 22–29.
| Soil pore characteristics assessed from X-ray micro-CT derived images and correlations to soil friability.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Oliveira GC, Dias Junior MS, Resck DVS, Curi N (2004) Caracterização química e físico-hídrica de um Latossolo Vermelho após vinte anos de Manejo e cultivo do solo. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 28, 327–336.
| Caracterização química e físico-hídrica de um Latossolo Vermelho após vinte anos de Manejo e cultivo do solo.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Pereira TTC, Ker JC, Schaefer CEGR, Barros NF, Neves JCL, Almeida CC (2010) Gênese de Latossolos e Cambissolos desenvolvidos de rochas pelíticas do grupo Bambuí—Minas Gerais. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 34, 1283–1295.
| Gênese de Latossolos e Cambissolos desenvolvidos de rochas pelíticas do grupo Bambuí—Minas Gerais.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Pires LF, Cássaro FAM, Saab SC, Brinatti AM (2011) Characterization of changes in soil porous system by gamma-ray tomography. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Section A, Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 644, 68–71.
| Characterization of changes in soil porous system by gamma-ray tomography.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
R Development Core Team (2012) R: a language and environment for statistical computing. Institute for Statistics and Mathematics, Vienna, Austria. Available at: www.R-project.org
Rasband W (2012) ImageJ: Image processing and analysis in Java (Online). Research Services Branch, National Institute of Health. Bethesda, MD, USA. Available at: http://rsb.info.nih.gov/ij/index.html
Rena AB, Guimarães PTG (2000) Sistema radicular do cafeeiro: estrutura, distribuição, atividade e fatores que o influenciam. Documentos 37. EPAMIG, Belo Horizonte, MG, Brasil.
Resende M, Bahia Filho AFC, Braga JM (1987) Mineralogia da argila de Latossolos estimada por alocação a partir do teor total de óxidos do ataque sulfúrico. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 11, 17–23.
Ribeiro PJ, Diggle PJ (2001) geoR: a package for geoestatistical analysis. R-NEWS 1, 15–18.
Santos RD, Lemos RC, Santos HG, Ker JC, Anjos LHC (2013) ‘Manual de descrição e coleta de solo no campo’. (Sociedade Brasileira de Ciência do Solo: Viçosa, MG, Brasil)
Schaffrath VR, Tormena CA, Fidalski J, Andrade ACG (2008) Variabilidade e correlação espacial de propriedades físicas de solo sob plantio direto e preparo convencional. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 32, 1369–1377.
| Variabilidade e correlação espacial de propriedades físicas de solo sob plantio direto e preparo convencional.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Schlüter S, Weller U, Vogel HJ (2010) Segmentation of X-ray microtomography images of soil using gradient masks. Computers & Geosciences 36, 1246–1251.
| Segmentation of X-ray microtomography images of soil using gradient masks.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Serafim ME, Oliveira GC, Oliveira AS, Lima JM, Guimarães PTG, Costa JC (2011) Sistema conservacionista e de manejo intensivo do solo no cultivo de cafeeiros na região do Alto São Francisco, MG: um estudo de caso. Bioscience Journal 27, 964–977.
Soil Survey Staff (2006) ‘Keys to Soil Taxonomy.’ 8th edn (United States Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service: Washington, DC)
Taina IA, Heck RJ, Elliot TR, Scaiff N (2010) Micromorphological and X-ray μCT study of Orthic Humic Gleysols under different management conditions. Geoderma 158, 110–119.
| Micromorphological and X-ray μCT study of Orthic Humic Gleysols under different management conditions.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Taina IA, Heck RJ, Deen W, Ma EYT (2013) Quantification of freeze–thaw related structure in cultivated topsoils using X-ray computer tomography. Canadian Journal of Soil Science 93, 533–553.
| Quantification of freeze–thaw related structure in cultivated topsoils using X-ray computer tomography.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Tippkötter R, Eickhorst T, Taubner H, Gredner B, Rademaker G (2009) Detection of soil water in macropores of undisturbed soil using microfocus X-ray tube computerized tomography (µCT). Soil & Tillage Research 105, 12–20.
| Detection of soil water in macropores of undisturbed soil using microfocus X-ray tube computerized tomography (µCT).Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
Tracy SR, Roberts JA, Black CR, Mcneill A, Davidson R, Mooney SJ (2010) The X-factor: visualizing undisturbed root architecture in soils using X-ray computed tomography. Journal of Experimental Botany 61, 311–313.
| The X-factor: visualizing undisturbed root architecture in soils using X-ray computed tomography.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar | 20051353PubMed |
Vidal-Torrado P, Lepsch IF, Castro SS, Cooper M (1999) Pedogênese em uma seqüência Latossolo podzólico na borda de um platô na depressão periférica paulista. Revista Brasileira de Ciencia do Solo 23, 909–921.
Vieira SR (2000) Geoestatística em estudo de variabilidade espacial do solo. In ‘Tópicos em ciência do solo’. Vol. 1. (Eds RF Novais, VHV Alvarez, CEGR Schaefer) pp. 1–55. (Sociedade Brasileira de Ciência do Solo Viçosa, MG, Brasil)
Volland-Tuduri N, Bruand A, Brossard M, Balbino LC, Oliveira MIL, Martins ÉS (2005) Mass proportion of microaggregates and bulk density in a Brazilian clayey Oxisol. Soil Science Society of America Journal 69, 1559–1564.
| Mass proportion of microaggregates and bulk density in a Brazilian clayey Oxisol.Crossref | GoogleScholarGoogle Scholar |
