Superficie específica y parámetros multifractales obtenidos a partir de isotermas de adsorción y desorción de suelos de la región serrana del sur de Brasil

Abstract

[Resumen] Las isotermas de adsorción (NAis} y las isotermas de deserción (NDis} de nitrógeno se usan generalmente para evaluar la superficie específica y la microporosidad del suelo (SSA} y de otros materiales. El estudio del escalamiento de la isotermas de N2 puede proporcionar información complementaria acerca de la complejidad de la superficie del suelo. En este trabajo de tesis, se georeferenciaron, muestrearon, describieron morfológicamente y clasificaron once perfiles de suelos, representante de la región serrana del Estado de Santa Catarina, Brasil. Nueve de los perfiles muestreados estaban desarrollados sobre rocas volcánicas, con una amplia gama de composición mineralógica. En cada perfil seleccionado se estudiaron seis horizontes diferentes. Se analizaron las propiedades generales físicas, químicas y mineralógicas de los horizontes muestreados. Además también se tomaron agregados del todos los horizontes de los 11 perfiles estudiados, que se utilizaron para determinar tanto los diagramas de adsorción (NAis) como los correspondientes diagramas de deserción. Los datos primarios de NAis y NDis se elaboraron para evaluar la superficie especifica y examinar las propiedades escalares de loa mismos mediante el análisis multifractal. Se puso de manifiesto que los suelos estudiados eran ricos en materia orgánica, y en general también exhibían contenidos elevados en arcilla. Los valores de superficie específica obtenidos fueron relativamente elevados y al mismo tiempo mostraron una gama de variación entre los perfiles de los suelos estudiados y entre los horizontes sucesivos dentro de un mismo perfil. Los datos de microporosidad también presentaron amplias diferencias entre las muestras estudiadas, y estos resultados demostraron ser muy útiles para comprender el movimiento y retención del agua del suelo. El contenido en arcilla y la capacidad de intercambio catiónico (CEC) presentaron una correlación positiva con la superficie específica (SSA}, y ello a pesar de la amplia variación en cuanto a la mineralogía de la arcilla. Por su parte, el contenido de carbono orgánico mostró una débil correlación negativa con la superficie específica (SSA). Tanto las isotermas de adsorción (NAis) como las de deserción (NDis) de Nitrógeno pusieron de manifiesto que podían describirse mediante la aproximación multifractales, pero los modelos de escalado fueron muy diferentes, de modo que isotermas de adsorción mostraron una heterogeneidad de escala más elevada, al tiempo que se comportaban como medidas con una distribución menos regular. Las diferencias de multifractalidad entre NAis y NDis fueron atribuidas a los diferentes procesos físicos que ocurren durante la adsorción y la desorción. Tanto la superficie especifica (SSA) como diversos parámetros multifractales obtenids a partir de las NAis y NDis permitieron establecer diferencias significativas entre los suelos desarrollados sobre materiales de partida de naturaleza ácida o básica. Mediante análisis de regresión lineal y análisis de componente principales (PCA) se puso en evidencia que el aumento en el contenido de carbono disminuía la heterogeneidad del escalado y la persistencia tanto de NAis como de NDis. Por otro lado, el incremento en el contenido de arcilla tiende a aumentar la heterogeneidad del escalado y la disminuir la persistencia tanto durante la fase de absorción como durante la fase de deserción.

[Abstract] Nitrogen adsorption isotherms (NAI's) and Nitrogen desorption isotherms (NDI's) are commonly used to evaluate specific surface area (SSA) and microporosity of soils and other materials. Scaling analysis of N2 isotherms may yield cemplementary infermatien abeut the complexity ef the soil surface. Eleven soil profiles, representative of the mountain region of Santa Catarina State, 8razil, were georeferenced, sampled, morphologically described, and classified. Nine of the sampled soil pretiles were develeped over velcanic recks with a wide range ef mineralegical compesitien. Six different horizons were sampled for each ef the studied pretiles. General soil physical chemical and mineralogical properties were analyzed. Aggregate soil samples ef the aggregate 11 profiles also were cellected and this aggregates were used to determine both NAis and associated NDis isotherms. Data gathered frem NAis and NDis were used te asses the specific surface area (SSA) and to examined the scaling properties using multifractal analysis. The studied seils were rich in organic matter and in general also exhibited high clay contents. The specific surface area values were relatively high, but showed a range of variation among the studied soil profiles and between successive horizons of the same profile. The microporosity also showed wide differences, which were important for understanding the mevement and retention of water in them. Clay content and cation exchange capacity (CEC) showed a positive correlation to SSA, which was attributed to variable clay mineralogy. Organic carbon content showed a weak negative correlation to SSA. 8oth NAis and NDis exhibited multifractal behavior, but its scaling properties were different so that adsorption isotherms showed higher scating heterogeneity and were tess evenly distributed measures than desorption isotherm. Differences in multifractality between NAI's and NDI's were attributed to centrasting physical processes during adsorption and desorption. 8oth, SSA and various multifractal parameters estimated from NAI's and NDI's differentiated between soits developed over either acid or basic parent material. Linear regression and principal component analysis (PCA) showed increasing carbon content decreased scaling heterogeneity and increased persistence of both, NAI's and NDI's. On the other hand, increasing clay content showed a trend to increase scaling heterogeneity and to decrease persistence during the absorption and desorption phases.

[Resumo]As isotermas de absorción (NAis} e as isotermas de deserción (NDis} de nitróxeno ,úsanse xeralmente para para avaliar a superficie específica e a microporosidade do solo(SSA) e doutros materiais. O estudo das propiedades escalares das isotermas de N2 pode proporcionar información complementaria para avaliar a complexidade da superficie do solo. Neste traballo de tese, xeoreferenciaronse, recolléronse mostras, describiuse a morfolóxica e clasificáronse once perfiles de solos, representativos da rexión serrana do Estado de Santa Catarina, Brasil. Nove dos perfís estudados estaban desenvolvidos sobre rocas volcánicas cunha ampla gama de composición mineralóxica. En cada perfil recollído estudáronse seis horizontes diferentes. Analizáronse as ,propiedades xerais físicas, químicas e mineralóxicas dos horizontes seleccionados. Ademais tamén se tomaron mostras de agregados do todos os horizontes dos 11 perfís seleccionados, que se utilizaron para determinar tanto os diagramas de absorción (NAis) como os correspondentes diagramas de deserción (NDis}. Os datos primarios de NAis e NDis elaboráronse para avaliar a superficie específica e examinar as propiedades escalares dos mesmos mediante a análise multifractal. Púxose en evidencia que os solos estudados eran ricos en materia orgánica e en xeral tamén exhibían contidos elevados en arxila. Os valores de superficie específica obtidos foron relativamente elevados e ao mesmo tempo mostraron unha gama de variación entre os perfís dos solos estudados e entre os horizontes sucesivos dentro dun mesmo perfil. Os datos de microporosidade tamén presentaron amplas diferenzas entre as mostras estudadas e estes resultados demostraron ser moi útiles para comprender o movemento e retención da auga do solo. O contido en arxila e a capacidade de intercambio catiónico (CIC} presentaron unha correlación positiva coa superficie específica (SSA)e iso a pesar da ampla variación en canto á mineraloxia da arxila. Pala súa banda, o contido de carbono orgánico mostrou unha débil correlación negativa coa superficie específica (SSA). Tanto as isotermas de absorción (NAis) como as de deserción (NDis) de Nitróxeno puxeron de manifesto que podían describirse mediante a aproximación multifractal, pero os seus modelos de escalados foron moi diferentes, de modo que as isotermas de absorción mostraron unha heteroxeneidade de escala máis etevada, á vez que se comportaban como medidas cunha distribución menos regular. As diferenzas de multifractalidade entre NAis e NDis foron atribuídas aos diferentes procesos físicos que acorren durante a absorción e a desorción. Tanto a superficie específica (SSA) como diversos parámetros multifractais obtidos a partir das NAis e NDis permitiron establecer diferenzas significativas entre os solos desenvolvidos sobre materiais de partida de natureza aceda ou básica. Mediante análise de regresión lineal e análise de compoñentes principais (PCA) púxose en evidencia que o aumento no contido de carbono diminuía a heteroxeneidade do escalado e a persistencia tanto das NAis como das NDis. Doutra banda, o incremento no contido de arxila tende a aumentar a heteroxeneidade do escalado e a diminuír a persistencia tanto durante a fase de absorción como durante a fase de deserción.

[Resumo]As isotermas de absorçáo (NAis) e as isotermas de desorçáo (NOis) de nitro xénio usam-se geralmente para para avaliar a superficie específica e a microporosidade do solo(SSA) e de outros materiais. O estudo das propriedades escalares das isotermas de N2 pode proporcionar informaçáo complementar para avaliar a complexidade da superficie do solo. Neste trabalho de tese, xeoreferenciaronse, recolheram-se amostras, descreveu-se a morfológica e classificaram-se onze perfis de solos, representativos da regiáo serrana do Estado de Santa Catarina, Brasil. Nove dos perfis estudados estavam desenvolvidos sobre rachas vulcanicas com urna ampla variaçáo de composi9áo mineralógica. Em cada perfil recolhido estudaram-se seis horizontes diferentes. Analisaram-se as propriedades gerais físicas, químicas e mineralóxicas dos horizontes selecionadas. Ademais também se tomaram amostras de agregados do todos os horizontes dos 11 perfis estudados, que se utilizaram para determinar tanto os diagramas de absorçáo (NAis) como os correspondentes diagramas de desorçáo (NDis. Os dados primários das NAis e das NDis elaboraram-se para avaliar a superficie específica e examinar as propriedades escalares dos mesmos mediante a análise multifractal. Pós·se em evidéncia que os solos estudados eram ricos em matéria organica e em geral também exibiam conteúdos elevados em argila. Os valores de superficie específica obtidos foram relativamente elevados e ao mesmo tempo mostraram urna grande variaçao entre os perfis dos solos estudados e entre os horizontes sucessivos dentro de um mesmo perfil. Os dados de microporosidade também apresentaram amplas diferenças entre as amostras estudadas, e estes resultados demonstraram ser muito úteis para compreender o movimento e reten(fáo da água do solo. O conteúdo em argila e a capacidade de troca catiónica (CTC) apresentaram urna correlayáo positiva com a superficie específica (SSA)e isso apesar da ampla variaçáo no que diz respeito a mineralogía da argila. Por sua parte, o conteúdo de carbono organico mostrou urna débil correla9áo negativa com a superficie específica (SSA. Tanto as isotermas de absoryáo (NAis) como as de desorçáo (NDis) de Nitrogénio puseram de manifesto que se podiam descrever mediante a aproximacao multifractal, mas os seus modelos de escalados foram muito diferentes, de modo que as isotermas de abson;áo mostraram urna heterogeneidade de escala mais elevada, a vez que se comportavam como medidas com urna distribui<;ao menos regular. As diferen<;as de multifractalídade entre NAis e NDis foram atribuidas aos diferentes processos físicos que ocorrem durante a absorçáo e a desorçáo. Tanto a superficie específica (SSA) como diversos parametros multifractais obtidos a partir das NAis e NDis permitiram estabelecer diferenças significativas entre os solos desenvolvidos sobre materiais de partida de natureza aceda ou básica. Mediante análise de regressáo lineal e análise de componentes principais (PCA) pos-se em evidencia que o aumento no contido de carbono diminuía a heterogeneidade do escalado e a persistencia tanto das NAis como das NDis. Por outra parte, o incremento no contido de argila tende a aumentar a heterogeneidade do escalado e a diminuir a persistencia tanto na fase de absor<;ao como durante na fase de desorçao.