Microtomografia de raios X na análise do volume elementar representativo e de mudanças na rede de poros em função do manejo e ciclos de umedecimento e secamento
| dc.contributor.advisor1 | Pires, Luiz Fernando | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/8442535263392473 | |
| dc.contributor.author | Andrade, Everton de | |
| dc.contributor.instituicao-banca1 | Universidade Federal do Paraná (UFPR) | |
| dc.contributor.instituicao-banca2 | Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) | |
| dc.contributor.instituicao-banca3 | Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) | |
| dc.contributor.instituicao-banca4 | Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) | |
| dc.contributor.referee1 | Auler, André Carlos | |
| dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5535110579074213 | |
| dc.contributor.referee2 | Facin, Paulo César | |
| dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/4434320516535621 | |
| dc.contributor.referee3 | Wolf, Fabiano Gilberto | |
| dc.contributor.referee3Lattes | http://lattes.cnpq.br/3676333382140971 | |
| dc.contributor.referee4 | Bordonal, Ricardo de Oliveira | |
| dc.contributor.referee4Lattes | http://lattes.cnpq.br/0343737275048674 | |
| dc.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/6506379810306123 | |
| dc.date.accessioned | 2026-04-08T19:42:13Z | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-01T12:04:36Z | |
| dc.date.issued | 2025-11-14 | |
| dc.description.abstract | This thesis work is basically based on two axes, the first involving the definition of repre- sentative elementary volumes (REV) and the second, after the definition of the REV, the characterization of the pore network of a red latosol under different management systems and the analysis of the effects of wetting and drying cycles (W-D) on its porous system. REV measurements are fundamental in soil physics to ensure that the evaluated properties do not vary due to statistical fluctuations caused by the measurement scale, reflecting the intrinsic heterogeneity of the soil microstructure. One technique that can be successfully employed in REV analysis is micro-X-ray computed tomography (μCT). However, some questions arise in REV analysis, and some of them motivated this thesis work: 1) Is REV influenced by soil management for the same soil type?; 2) Do processes such as wetting and drying cycles affect REV?; 3) Does the analyzed pore size scale influence REV?; 4) Once REV is defined, are intra-aggregate pores affected by processes such as W-D cycles, regardless of the type of management to which the soil is subjected? The choice of intra-aggregate pore analysis in this study was due to its importance in protecting organic matter, water retention, microbial activi- ty, and aggregate stability. The management practices studied were conventional tillage (CT), no-tillage (NT), and minimum tillage (MT). The soil studied was a dystrophic Red Latosol widely used in agriculture in Brazil. The W-D cycles were performed using the capillary rise process for moistening and a tension table for drying. For the REV study, two different sub- volume selection schemes named cube and parallelepiped were used, as well as the CT, MT, and NT systems. In the study that evaluated the influence of resolution, three-dimensional (3D) images with the following voxel sizes were used: 1.64 μm, 5.25 μm, and 35 μm. The systems analyzed in this study were CT and MT. In the study on changes in the pore architec- ture of small aggregates (2-4 mm) as a function of W-D cycles, samples were analyzed under NT, CT, and secondary forest (F). In general, the physical properties evaluated included im- age-based porosity (P), fractal dimension (FD), degree of anisotropy (DA), connectivity (C), number of pores (NP/V), surface area (SA/V) per volume, and tortuosity (τ). The REV was defined by the stabilization of the coefficient of variation in progressively larger subvolumes. The results show that the REV depends mainly on soil management for P and C (both selec- tion schemes). The parallelepiped method presented a lower REV due to the larger volume analyzed in relation to the cube method. The REV obtained by the cube method was more sensitive to changes in the analysis scale, showing an increasing trend with the W-D cycles applied for P and FD. The REV showed dependence on resolution, with greater variability in the properties measured for 1.64 μm. Soil management influenced the REV, with CT general- ly presenting lower REVs, indicating greater homogeneity of the pore network. Artifacts in the images or a small amount of information generated anomalous values for some physical parameters (anisotropy, tortuosity, and fractal dimension) at a resolution of 1.64 μm, high- lighting the limitations of analysis algorithms in reduced subvolumes. Based on the results obtained, REV cannot be considered static, as it is influenced by soil management and pro- cesses that occur in it. Interestingly, even for very small sample sizes, REV can still be deter- mined, and the values of the physical parameters obtained are representative within the analy- sis scale. Regarding the analysis of changes in the intra-aggregate pore network as a function of different management practices and W-D cycles, it was found that the cycles did not signif- icantly affect (p > 0.05) the following physical properties: P, NP/V, FD, τ, and C. The effect of cycles on soil permeability (k) and hydraulic conductivity (K) was also studied, based on the most voluminous pore (MVP). No differences were observed in PMVP, FAMVP, ENMVP, τMVP, hydraulic radius, k, and K between 0 and 12 W-D cycles for MVP. Comparing soil management types after 12 W-D, for example, F samples became more porous than CT and NT samples. In contrast, the NT pore system had a smaller fractal dimension and was more tortuous than that of the CT and F samples. These results show that, for highly weathered soils, such as the latosol studied, the intra-aggregate pore network proved resilient to changes with W-D cycles, regardless of the type of management adopted. The results of this study provide basic information on the definition of representative elementary volumes and the de- pendencies of these volumes as a function of anthropogenic processes The results of this study provide basic information on the definition of representative elementary volumes and the dependencies of these volumes on anthropogenic or natural processes occurring in the soil. This type of result is fundamental because it helps define the minimum volumes of inter- est that should be adopted for X-ray tomography analysis. However, these volumes must be determined for each measured property and soil type, depending on the textural class, which was not investigated in this study. The results obtained also show that pores contained in small soil aggregates are not very sensitive to changes due to processes such as wetting and drying cycles, regardless of the type of management adopted. This type of information is in- teresting given the importance of intra-aggregate pores in the processes that occur in the soil. | |
| dc.description.resumo | Este trabalho de tese está basicamente fundamentado em dois eixos, o primeiro envolvendo a definição de volumes elementares representativos (VER) e o segundo, após a definição do VER, a caracterização da rede de poros de um latossolo vermelho sob diferentes sistemas de manejo e a análise dos efeitos de ciclos de umedecimento e secamento (U-S) em seu sistema poroso. Medidas do VER são fundamentais em física do solo, a fim de garantir que as propri- edades avaliadas não apresentem variações em função das flutuações estatísticas devido à escala de medição, refletindo a heterogeneidade intrínseca da microestrutura do solo. Uma técnica que pode ser empregada com sucesso na análise do VER é a microtomografia de raios X (μTC). Porém, algumas perguntas surgem na análise do VER e algumas delas motivaram esse trabalho de tese: 1) o VER sofre influência do manejo do solo para um mesmo tipo de solo?; 2) processos como ciclos de umedecimento e secamento afetam o VER?; 3) a escala de tamanhos de poros analisada influencia o VER?; 4) uma vez definido o VER, poros intra- agregados são afetados por processos como ciclos de U-S, independentemente do tipo de ma- nejo a que o solo está submetido? A escolha da análise de poros intra-agregados nesse estudo foi devido a sua importância na proteção da matéria orgânica, retenção de água, atividade microbiana e estabilidade dos agregados. Os manejos estudados foram plantio convencional (PC), plantio direto (PD) e plantio cultivo mínimo (PM). O solo estudado foi um Latossolo Vermelho distrófico bastante empregado na agricultura no país. Os ciclos de U-S foram reali- zados utilizando o processo de ascenção capilar no umedecimento e mesa de tensão no seca- mento. Para o estudo do VER foram utilizados dois esquemas diferentes de seleção de subvo- lumes nomeados cubo e paralelepípedo e os sistemas PC, PM e PD. No estudo que avaliou a influência da resolução, foram utilizadas imagens tridimensionais (3D) com os seguintes ta- manhos de voxels, 1,64 μm, 5,25 μm e 35 μm. Os sistemas analisados nesse estudo foram o PC e PM. No estudo referente às mudanças na arquitetura dos poros de pequenos agregados (2-4 mm) em função dos ciclos de U-S foram analisadas amostras sob PD, PC e floresta se- cundária (F). No geral, as propriedades físicas avaliadas incluíram porosidade baseada em imagem (P), dimensão fractal (DF), grau de anisotropia (GA), conectividade (C), número de poros (NP/V), área de superfície (AS/V) pelo volume e tortuosidade (τ). O VER foi definido pela estabilização do coeficiente de variação em subvolumes progressivamente maiores. Os resultados mostram que o VER depende principalmente dos manejos do solo para P e C (am- bos os esquemas de seleção). O método do paralelepípedo apresentou menor VER devido ao maior volume analisado em relação ao método do cubo. O VER obtido pelo método do cubo foi mais sensível a mudanças na escala de análise, apresentando uma tendência crescente com os ciclos de U-S aplicados para P e DF. O VER apresentou dependência da resolução com maior variabilidade nas propriedades medidas para 1,64 μm. O manejo do solo influenciou o VER, com PC geralmente apresentando VERs menores, indicando maior homogeneidade da rede de poros. Artefatos nas imagens ou pequena quantidade de informação geraram valores anômalos de alguns parâmetros físicos (anisotropia, tortuosidade e dimensão fractal) na reso- lução de 1,64 μm, destacando as limitações dos algoritmos de análise em subvolumes reduzi- dos. Com base nos resultados obtidos o VER não pode ser considerado estático, visto que é influenciado pelo manejo do solo e processos que nele ocorrem. Algo interessante é que mesmo para tamanhos muito pequenos de amostras, o VER ainda pode ser determinado e os valores dos parâmetros físicos obtidos são representativos dentro da escala de análise. Com relação à análise das mudanças na rede dos poros intra-agregados em função dos diferentes manejos e ciclos de U-S, verificou-se que os ciclos não afetaram significativamente (p > 0,05) as seguintes propriedades físicas: P, NP/V, DF, τ e C. Também foi estudado o efeito dos ci- clos na permeabilidade (k) e a condutividade hidráulica (K) do solo, com base no poro mais volumoso (PMV). Não foram observadas diferenças em PPMV, FAPMV, ENPMV, τPMV, raio hi- dráulico, k e K entre 0 e 12 ciclos de U-S para o PMV. Comparando os tipos de manejo do solo após 12 U-S, por exemplo, as amostras F tornaram-se mais porosas do que as amostras PC e PD. Em contraste, o sistema de poros do PD teve uma dimensão fractal menor e foi mais tortuoso do que o das amostras PC e F. Esses resultados mostram que, para solos altamente intemperizados, como o latossolo estudado, a rede de poros intra-agregados se mostrou resili- ente a mudanças com os ciclos de U-S, independentemente do tipo de manejo adotado. Os resultados desse estudo trazem informações básicas sobre a definição de volumes elementares representativos e qual são as dependências desses volumes em função de processos antrópicos ou processos naturais que ocorrem no solo. Esse tipo de resultado é fundamental por auxiliar na definição de volumes mínimos de interesse que devem ser adotados para análises por to- mografia de raios X. No entanto, esses volumes devem ser determinados para cada proprieda- de medida e tipo de solo, dependendo da classe textural, não investigada neste estudo. Os re- sultados obtidos também mostram que poros contidos em pequenos agregados do solo são pouco sensíveis a mudancas devido a processos como ciclos de umedecimento e secamento, independentemente do tipo de manejo adotado. Esse tipo de informação é interessante tendo em vista a importância dos poros intra-agregados nos processos que ocorrem no solo. | |
| dc.identifier.citation | ANDRADE, Everton de. Microtomografia de raios X na análise do volume elementar representativo e de mudanças na rede de poros em função do manejo e ciclos de umedecimento e secamento. 2025. Tese (Doutorado em Ciências) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2025. | |
| dc.identifier.uri | https://ri.uepg.br/handle/123456789/4120 | |
| dc.language.iso | pt | |
| dc.publisher | Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG) | |
| dc.rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/ | |
| dc.subject | Tomografia computadorizada de raios-X | |
| dc.subject | Arquitetura dos poros | |
| dc.subject | Permeabilidade | |
| dc.subject | Condutividade hidraúlica | |
| dc.subject | Radiação síncrotron | |
| dc.subject | Medidas elementares representativas | |
| dc.subject | Manejo do solo | |
| dc.subject | Imagens tridimensionais | |
| dc.title | Microtomografia de raios X na análise do volume elementar representativo e de mudanças na rede de poros em função do manejo e ciclos de umedecimento e secamento | |
| dc.type | doctor thesis |
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