Nutrient diagnosis of orange crops applying compositional data analysis and machine learning techniques

Abstract

O manejo eficiente de nutrientes é crucial para atingir alta produtividade de frutos. Resultados da análise do tecido são comumente interpretados usando faixas críticas de concentração de nutrientes (CNCR) e Sistema Integrado de Diagnose e Recomendação (DRIS) em culturas de laranja. No entanto, ambos os métodos ignoram as propriedades inerentes à classe dos dados composicionais, não considerando adequadamente as interações de nutrientes e a influência varietal na composição nutricional da planta. Portanto, ferramentas eficazes de modelagem são necessárias para corrigir vieses e incorporar efeitos genéticos na avaliação do estado nutricional. O objetivo deste estudo foi desenvolver uma abordagem diagnóstica precisa para avaliar o estado nutricional de variedades de copa de laranjeira (Citrus sinensis), usando a análise composicional dos dados e algoritmos de inteligência artificial. Foram coletadas 716 amostras foliares de ramos frutíferos em pomares comerciais de laranjeiras não irrigadas (“Valência”, “Hamlin”, “Pera”, “Natal”, “Valencia Americana” e “Westin”) distribuídos pelo estado de São Paulo (Brasil), analisadas as concentrações de N, S, P, K, Ca, Mg, B, Cu, Zn, Mn e Fe, e avaliadas as produções de frutos. Balanços de nutrientes foram computados como relações-log isométricas (ilr). Análises discriminantes dos valores de ilr diferenciaram os perfis de nutrientes das variedades de copa, indicando composições nutricionais específicas. A acurácia diagnóstica dos balanços de nutrientes atingiu 88% com a produtividade de corte correspondente a 60 t ha-1, utilizando-se ilrs e o algoritmo de classificação knn, o que possibilitou o desenvolvimento de padrões nutricionais confiáveis para a obtenção de elevado nível de produtividade de frutos. Os citricultores do estado de São Paulo devem adotar o conceito de balanços de nutrientes, onde grupos de nutrientes estão equilibrados de maneira ideal. Fornecer mais Ca através de calcário ou gesso, reduzir as aplicações de fertilizantes P e K, e aumentar a fertilização de B via solo pode reequilibrar os balanços [Mg | Ca], [Ca, Mg | K], [P | N, S], [K, Ca, Mg | N, S, P] e [B | N, S, P, K, Ca, Mg] em pomares de laranjas com produtividade inferior a 60 t ha-1. O software “CND-Citros” pode auxiliar os citricultores, engenheiros agrônomos e técnicos a diagnosticar o estado nutricional das lavouras de laranja com base no método proposto, utilizando os resultados da análise química das folhas.

Efficient nutrient management is crucial to attain high fruit productivity. Results of tissue analysis are commonly interpreted using critical nutrient concentration ranges (CNCR) and Diagnosis and Recommendation Integrated System (DRIS) on orange crops. Nevertheless, both methods ignore the inherent properties of compositional data class, not accounting adequately for nutrient interactions and varietal influence on plant ionome. Therefore, effective modeling tools are needed to rectify biases and incorporate genetic effects on nutrient composition. The objective of this study was to develop an accurate diagnostic approach to evaluate the nutritional status across orange (Citrus sinensis) canopy varieties using compositional data analysis and machine learning algorithms. We collected 716 foliar samples from fruit-bearing shoots in plots of non-irrigated commercial orange orchards (“Valencia”, “Hamlin”, “Pera”, “Natal”, “Valencia Americana” and “Westin”) distributed across São Paulo state (Brazil), analyzed N, S, P, K, Ca, Mg, B, Cu, Zn, Mn and Fe, and measured fruit yields. Sound nutrient balances were computed as isometric log-ratios (ilr). Discriminant analysis of ilr values differentiated the nutrient profiles of canopy varieties, indicating plant-specific ionomes. Diagnostic accuracy of nutrient balances reached 88% about cutoff yield of 60 Mg ha-1 using ilrs and a k-nearest neighbors classification, allowing the development of reliable nutritional standards at high fruit yield level. Citrus growers from São Paulo state should adopt the concept of yield-limiting nutrient balances, where groups of nutrients are optimally balanced. Supplying more Ca as lime or gypsum materials, reducing the P and K fertilizer applications and enhancing soil B fertilization could re-establish the [Mg | Ca], [Ca, Mg | K], [P | N, S], [K, Ca, Mg | N, S, P] and [B | N, S, P, K, Ca, Mg] balances in orange orchards yielding less than 60 Mg ha-1. The software “CND-Citros” can assist citrus growers, agronomy engineers and technicians to diagnose the nutrient status of orange crops based on the proposed method, using the results of leaf chemical analysis.