Use of Fe3+ ion probe to study intensively weathered soils utilizing electron paramagnetic resonance and optical spectroscopy

Analises por espectroscopias de ressonância paramagnetica eletronica (EPR) e de ultravioleta-visivel por refletância difusa (DRUV-VIS) de solos intensamente intemperizados contendo altos niveis de oxidos- hidroxidos de ferro, a partir de um projeto-piloto de agricultura de precisao, incluindo 13 fazendas no sudoeste do estado do Parana, Brasil, foram realizadas, visando definir parâmetros de fertilidade dos solos. Os resultados dos estudos espectroscopicos no laboratorio foram comparados com aqueles obtidos atraves da utilizacao de um espectrorradiometro portatil, em condicoes de campo. Os solos estudados apresentaram como constituintes inorgânicos, principalmente minerais de argila 1:1, oxidos e hidroxidos de ferro (principalmente goetita e hematita) e de aluminio (principalmente gibbsita), caracteristicas de solos altamente intemperizados, como por exemplo, Latossolos. Os espectros de EPR, tipicos de agregados de ions Fe 3+ com interacao magnetica, apresentaram aumento na largura da linha do sinal em g ca. 2 quando obtidos em temperatura de nitrogenio liquido, em comparacao com os obtidos a temperatura ambiente. Este fenomeno pode ter sido causado por mudancas no ambiente do campo cristalino dos ions Fe 3+ ou pelo mecanismo de relaxacao spin-spin, o que provoca aumento da largura de linha quando a temperatura diminui. As curvas espectrais eletronicas obtidas com o espectrorradiometro portatil apresentaram-se menos detalhadas, porem mais especificas de cada amostra de solo analisada. Os resultados indicam que o uso do espectrorradiometro portatil juntamente com ferramentas matematicas, como a segunda derivada da funcao Kubelka-Munk, e uma boa alternativa para analisar solos argilosos ricos em oxidos-hidroxidos metalicos. Foram feitas atribuicoes das absorcoes espectrais, principalmente para as transicoes eletronicas d-d entre niveis de energia de pares de ions Fe3+-Fe3+. Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy and optical analyses of intensively weathered soils containing high levels of oxide-hydroxide of iron from a pilot project on precision agriculture, including 13 farms in the southwest of Parana state, Brazil, were carried out, aiming at defining parameters of soil fertility. The results of the optical studies in the laboratory were compared with those obtained by the use of a portable spectroradiometer in field conditions. The studied soils were mainly composed of 1:1 clay minerals, oxides and oxide hydroxides of iron (mainly goethite and hematite) and aluminum (mainly gibbsite), characteristics of highly weathered soils, as for example Ferralsols. The EPR spectra, typical of mutual magnetic interaction of aggregated Fe 3+ ions, showed a signal linewidth increase at g ca. 2 upon cooling. This phenomenon can be caused by changing the crystal field environment of Fe 3+ ions or by the spin-spin relaxation mechanism, which causes an increase of linewith when the temperature decreases. The optical spectral curves obtained from the portable spectroradiometer presented less detailed but more specific features for each soil sample analyzed. The results indicate that use of the portable spectroradiometer along with mathematical tools such as the second derivative mode of the Kubelka-Munk function is a good alternative to analyze clay soils rich in metallic oxide and oxide hydroxides. A full attribution of the spectra features was made, mainly for the electronic transitions between energy levels into Fe 3+ -Fe 3+ couples.