Impacto da mudança no uso da terra na complexidade da estrutura do solo: Uma análise com grafo de visibilidade horizontal usando tomografia computadorizada de raios-X

Autores

DOI:

https://doi.org/10.33448/rsd-v15i2.50642

Palavras-chave:

Grafo de visibilidade horizontal, Solo, Tomografia computadorizada por raios-X.

Resumo

O impacto das práticas de manejo da cana-de-açúcar na arquitetura tridimensional da morfologia do solo foi avaliado quantitativamente por meio da análise de redes complexas de imagens de solo obtidas por tomografia computadorizada (CT) de raios-X. Este estudo visa examinar o impacto das mudanças no uso da terra sobre a estrutura do solo, aplicando o método Horizontal Visibility Graph (HVG) a imagens de tomografia computadorizada de raios-X em 3D de amostras de solo da Mata Atlântica e de uma plantação de cana-de-açúcar. O método HVG mostrou-se eficaz na caracterização das mudanças estruturais nas amostras de solo. Os índices topológicos, incluindo o Coeficiente de Agrupamento, o Comprimento Médio do Caminho Mais Curto e o Grau Médio das redes HVG, foram calculados e demonstraram correlação com aspectos fenomenológicos do solo. Entre eles, o Comprimento Médio do Caminho Mais Curto destacou-se como o indicador mais adequado para quantificar a degradação das propriedades morfológicas do solo associada à mudança da cobertura vegetal. Especificamente, a transição da Mata Atlântica para a cana-de-açúcar mostrou alterações na morfologia do solo em direção a uma maior homogeneidade. De modo geral, esses resultados demonstram uma relação clara entre a complexidade das redes HVG de imagens 3D do solo e suas propriedades físicas, evidenciando o potencial dessa abordagem para quantificar a degradação das propriedades morfológicas de solo decorrente da mudança no uso da terra.

Referências

Acosta-Tripailao, B., Pastén, D., & Moya, P. S. (2021). Applying the horizontal visibility graph method to study irreversibility of electromagnetic turbulence in non-thermal plasmas. Entropy, 23(4), 470. https://doi.org/10.3390/e23040470.

Aon, M. A., Sarena, D. E., Burgos, J. L., & Cortassa, S. (2001). (Micro) biological, chemical and physical properties of soils subjected to conventional or no-till management: An assessment of their quality status. Soil and Tillage Research, 60(3–4), 173–186. https://doi.org/10.1016/S0167-1987(01)00190-8.

Aguiar, D., Menezes, R. S. C., Antonino, A. C. D., Stosic, T., Tarquis, A. M., & Stosic, B. (2023). Quantifying soil complexity using Fisher Shannon method on 3D X-ray computed tomography scans. Entropy, 25(10), 1465. https://doi.org/10.3390/e25101465.

Azizi, H., & Sulaimany, S. (2024). A review of visibility graph analysis. IEEE Access. https://doi.org/12, 93517-93530. 10.1109/ACCESS.2024.3401485.

Beltramone, G., Frery, A. C., Scavuzzo, M., & Ferral, A. (2025, August). Snow Phase Change Detection In C-Band Sar Time Series Using Horizontal Visibility Graphs. In IGARSS 2025-2025 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, https://doi.org/10.1109/IGARSS55030.2025.11243921.

Bordonal, R. D. O., Carvalho, J. L. N., Lal, R., De Figueiredo, E. B., De Oliveira, B. G., & La Scala, N. (2018). Sustainability of sugar cane production in Brazil. A review. Agronomy for Sustainable Development, 38, 1–23. https://doi.org/10.1007/s13593-018-0490-x.

Braga, A. C., Alves, L. G. A., Costa, L. S., Ribeiro, A. A., De Jesus, M. M. A., Tateishi, A. A., & Ribeiro, H. V. (2016). Characterization of river flow fluctuations via horizontal visibility graphs. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 444, 1003-1011. https://doi.org/10.1016/j.physa.2015.10.102.

Bünemann, E. K., Bongiorno, G., Bai, Z., Creamer, R. E., De Deyn, G., De Goede, R., Fleskens, L., Geissen, V., Kuyper, T. W., Mader, P., Pulleman, M., Sukkel, W., Van Groenigen, J. W., Brussaard, L. (2018). Soil quality–A critical review. Soil Biology and Biochemistry, 120, 105–125. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.01.030.

Cherubin, M. R., Franco, A. L. C., Cerri, C. E. P., da Silva Oliveira, D. M., Davies, C. A., & Cerri, C. C. (2015). Sugar cane expansion in Brazilian tropical soils—Effects of land use change on soil chemical attributes. Agriculture, Ecosystems & Environment, 211, 173–184. https://doi.org/10.1016/j.agee.2015.06.006.

Creamer, R. E., Barel, J. M., Bongiorno, G., & Zwetsloot, M. J. (2022). The life of soils: Integrating the who and how of multifunctionality. Soil Biology and Biochemistry, 166, 108561. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108561.

Das, A., Lyngdoh, D., Ghosh, P. K., Lal, R., Layek, J., & Idapuganti, R. G. (2018). Tillage and cropping sequence effect on physico-chemical and biological properties of soil in Eastern Himalayas, India. Soil and Tillage Research, 180, 182–193. https://doi.org/10.1016/j.still.2018.03.005.

Du, L., Cheng, H., Li, S., Liu, Z., Yang, C., & Du, Y. ( 2026). Horizontal Visibility Graph Analysis for Flow Regime Recognition in a Gas–Solid Fluidized Bed. Industrial & Engineering Chemistry Research, 65, 4, 2274–2287. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5c04796.

Franco, A. L., Bartz, M. L., Cherubin, M. R., Baretta, D., Cerri, C. E., Feigl, B. J., Wall, D. H., Davies, C. A., Cerri, C. C. (2016). Loss of soil (macro) fauna due to the expansion of Brazilian Sugar cane acreage. Science of the Total Environment, 563, 160–168. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.04.116.

Haddad, N. M., Brudvig, L. A., Clobert, J., Davies, K. F., Gonzalez, A., Holt, R. D., Lovejoy, T. E., Sexton, J. O., Austin, M. P., Collins, C.D., Cook, W. M., Damschen, E. I., Ewers, R. M., Foster, B. L., Jenkins, C. N., King, A. J., Laurance, W. F., Levey, D. J., Margules, C.R., ... (2015). Habitat fragmentation and its lasting impact on Earth’s ecosystems. Science Advances, 1, 2, e1500052. https://doi.org/10.1126/sciadv.150005.

Haghighi, F., Gorji, M., & Shorafa, M. (2010). A study of the effects of land use changes on soil physical properties and organic matter. Land Degradation & Development, 21, 5, 496–502. https://doi.org/10.1002/ldr.999.

Helliwell, J. R., Sturrock, C. J., Grayling, K. M., Tracy, S. R., Flavel, R. J., Young, I. M., Whalley, W. R., Mooney, S.J. (2013). Applications of X‐ray computed tomography for examining biophysical interactions and structural development in soil systems: A review. European Journal of Soil Science, 64(3), 279–297. https://doi.org/10.1111/ejss.12028.

IBGE, Coordenação de Recursos Naturais e Estudos Ambientais, Coordenação de Contas Nacionais. (2020). Contas de ecossistemas: o uso da terra nos biomas brasileiros: 2000-2018. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Rio de Janeiro, 73(1), 106.

Jiang, Y., Hu, J., Chen, X., & Mo, W. (2025). Predicting gas flow rates of wellhead chokes based on a cascade forwards neural network with a historically limited penetrable visibility graph. Applied Intelligence, 55, 6, 1-17. https://doi.org/10.1007/s10489-025-06365-w.

Li, W., & Zhao, X. (2018). Multiscale horizontal-visibility-graph correlation analysis of stock time series. Europhysics Letters, 122, 4, 40007. 10.1209/0295-5075/122/40007.

Luque, B., Lacasa, L., Ballesteros, F., & Luque, J. (2009). Horizontal visibility graphs: Exact results for random time series. Physical Review E, 80, 4, 046103. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.80.046103.

Ojeda-Magaña, B., Quintanilla-Domínguez, J., Ruelas, R., Tarquis, A. M., Gómez-Barba, L., & Andina, D. (2014). Identification of pore spaces in 3D CT soil images using PFCM partitional clustering. Geoderma, 217, 90–101. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.11.005.

Ozores-Hampton, M., Stansly, P. A., & Salame, T. P. (2011). Soil chemical, physical, and biological properties of a sandy soil subjected to long-term organic amendments. Journal of Sustainable Agriculture, 35(3), 243–259. https://doi.org/10.1080/10440046.2011.554289.

Pereira, A. S. et al. (2018). Metodologia da pesquisa científica. [free ebook]. Santa Maria: Editora da UFSM.

Rabot, E., Wiesmeier, M., Schlüter, S., & Vogel, H. J. (2018). Soil structure as an indicator of soil functions: A review. Geoderma, 314, 122–137. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.11.009.

Risemberg, R. I. C., Wakin, M., & Shitsuka, R. (2026). A importância da metodologia científica no desenvolvimento de artigos científicos. E-Acadêmica, 7, 1, e0171675. https://eacademica.org/eacademica/article/view/675.

Schlüter, S., Großmann, C., Diel, J., Wu, G. M., Tischer, S., Deubel, A., & Rücknagel, J. (2018). Long-term effects of conventional and reduced tillage on soil structure, soil ecological and soil hydraulic properties. Geoderma, 332, 10–19. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.07.001.

Soto-Gomez, D., Perez-Rodriguez, P., Juiz, L. V., Paradelo, M., & Lopez-Periago, J. E. (2020). 3D multifractal characterization of computed tomography images of soils under different tillage management: Linking multifractal parameters to physical properties. Geoderma, 363, 114129. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114129.

Usharani, K. V., Roopashree, K. M., & Naik, D. (2019). Role of soil physical, chemical and biological properties for soil health improvement and sustainable agriculture. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry, 8(5), 1256–1267. https://doi.org/10.22271/phyto.

Vamvakaris, M. D., Pantelous, A. A., & Zuev, K. M. (2018). Time series analysis of S&P 500 index: A horizontal visibility graph approach. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 497, 41-51. https://doi.org/10.1016/j.physa.2018.01.010.

Wang, L., Long, X., Arends, J. B., & Aarts, R. M. (2017). EEG analysis of seizure patterns using visibility graphs for detection of generalized seizures. Journal of neuroscience methods, 290, 85-94. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2017.07.013.

Wei, N., & Xie, W. J. (2025). Identifying states of global oil and gas markets based on visibility graph embedding algorithms. Fluctuation and Noise Letters, 24, 03, 2550027. https://doi.org/10.1142/S0219477525500270.

Williams, H., Colombi, T., & Keller, T. (2020). The influence of soil management on soil health: An on-farm study in southern Sweden. Geoderma, 360, 114010. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114010.

Zhang, L., Zhou, M., Liu, Y., Xiong, K., Zhang, L., Wu, C., & Lang, H. (2024). Structural Characterization of Horizontal Visibility Network Based on Time Series of Emergency Disease Visits. Research Square, 1, 1-15. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-4436890/v1.

Downloads

Publicado

2026-02-13

Edição

Seção

Ciências Agrárias e Biológicas

Como Citar

Impacto da mudança no uso da terra na complexidade da estrutura do solo: Uma análise com grafo de visibilidade horizontal usando tomografia computadorizada de raios-X. Research, Society and Development, [S. l.], v. 15, n. 2, p. e4615250642, 2026. DOI: 10.33448/rsd-v15i2.50642. Disponível em: https://rsdjournal.org/rsd/article/view/50642. Acesso em: 1 mar. 2026.