Suscetibilidade magnética na predição espacial de metais potencialmente tóxicos em solos originados de basalto e arenito no estado de São Paulo

Abstract

RESUMO – A poluição por metais potencialmente tóxicos tornou-se uma séria ameaça ao meio ambiente e à segurança alimentar. A avaliação dos teores de metais potencialmente tóxicos são baseados na ação do poder oxidante e dissolutor de ácidos que agem na amostra de solo, fazendo com que esses estudos sejam considerados complexos, necessitado assim o surgimento de métodos alternativos para esses fins. Assim, a suscetibilidade magnética (χ) do solo é uma abordagem promissora na variabilidade espacial de metais potencialmente tóxicos. O estudo avaliou a eficiência da χ na predição espacial de Zn, Mn e Cu em solos com variação de minerais ferromagnéticos no Planalto Ocidental Paulista (≅ 13 milhões de hectares). Em 253 amostras de solo foram mensuradas χ e determinado o conteúdo de metais potencialmente tóxicos por fluorescência de raio-x (FRX). As predições foram obtidas por aprendizagem de máquinas — Random Forest — usando a χ como variável preditora. Os resultados foram avaliados por análises estatísticas descritivas e geoestatística. O conhecimento do contexto litológico é necessário para interpretação significativa da concentração de metais pesado no solo. A χ do solo é influenciada pelo caráter litológico. A variabilidade espacial da χ e dos minerais ferrimagnéticos indica que o material de origem determina o conteúdo e o padrão espacial de Zn, Mn, Cu no solo. O padrão espacial semelhante para χ e metais potencialmente tóxicos confirma a aplicabilidade da χ como um método aproximado para avaliação de Zn, Mn, Cu do solo em grandes áreas e sobre transição litológica. As métricas da qualidade preditiva Zn (R2 = 0,70; RMSE = 20,31; ME = - 0,19), Mn (R2 = 0,88; RMSE = 136,44; ME = - 3,43) e Cu (R2 = 0,63; RMSE = 42,02; ME = -0,89) entre as medidas de FRX e preditas por χ indicam o sinal magnético um pedomarcador útil na predição espacial de Cu, Mn e Zn em solo sob complexos litológicos e dissecação da paisagem em escala regional.

ABSTRACT - Pollution by potentially toxic metals has become a serious threat to the environment and food security. The assessment of potentially toxic metal contents is based on the action of the oxidizing and dissolving power of acids that act in the soil sample, making these studies considered complex, thus necessitating the emergence of alternative methods for these purposes. Thus, the soil's magnetic susceptibility (χ) is a promising approach in the spatial variability of potentially toxic metals. Thus, the study evaluated the efficiency of χ in the spatial prediction of Zn, Mn and Cu in soils with variation of ferromagnetic minerals in the São Paulo State Plateau (≅ 13 million hectares). In 253 soil samples, the χ was measured and the content of potentially toxic metals was determined by X-ray fluorescence (FRX). The predictions were obtained by machine learning - Random Forest - using χ as a predictor variable. The results were evaluated by descriptive and geostatistical analysis. Knowledge of the lithological context is necessary for meaningful interpretation of the concentration of heavy metals in the soil. The χ of the soil is influenced by the lithological character. The spatial variability of χ and ferrimagnetic minerals indicates that the source material determines the content and spatial pattern of Zn, Mn, Cu in the soil. The similar spatial pattern for χ and potentially toxic metals confirms the applicability of χ as an approximate method for assessing soil Zn, Mn, Cu in large areas and on lithological transition. The metrics of the predictive quality Zn (R2 = 0.70; RMSE = 20.31; ME = - 0.19), Mn (R2 = 0.88; RMSE = 136.44; ME = - 3.43) and Cu (R2 = 0.63; RMSE = 42.02; ME = -0.89) between the measurements of FRX and predicted by χ indicate the magnetic signal a useful pedomarker in spatial prediction of Cu, Mn and Zn in soil under lithological complexes and dissecting the landscape on a regional scale.