Mapping of surface carbonate soils of arable lands in the south of the Volga upland

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The aim of the work is to create a digital map of surface carbonate soils based on space imagery and field research data; to compare and contrast soil mapping using remote and ground-based methods. The research was carried out on the territory of the experimental station “Oroshaemaya” (Volgograd region), located in the south of the Volga Upland. Soil cover is represented by light-chestnut (Kastanozems) and Solonetz associations used in arable and irrigated lands. The article shows all stages of creating a digital map based on space images and field research from 2020–2023. Field studies included route work to assess the intensity (class) of effervescence of 10% HCl from the soil surface. Based on the relationship between the spectral characteristics of the open soil surface in a high-resolution image from the Pleiades satellite (25.04.2020) and the intensity of soil effervescence, the raster space image was classified into 4 classes separately for 26 fields using algorithm Random Forest. The following were created from the raster: (1) vector layers of field boundaries with calculation of the proportion of effervescent soils of different classes in the field; (2) vector layers of polygons inside fields with different proportions of different classes. To vectorize the polygons of surface carbonate soils, QGIS program and functions were used. Estimates of the proportion of effervescent soils within the field obtained only by ground survey and estimates based on digital map created by vectorization of raster classified by algorithm Random Forest are comparable with each other with a determination coefficient of 0.68–0.83. A digital vector map of polygons, created using a model that links remote sensing data and ground-based sampling data, allows us to determine specific parameters of the soil cover pattern based on the presence of surface carbonate soils and to assess the anthropogenic transformation of the soil cover using the previously proposed indicator.

About the authors

I. N. Gorokhova

Dokuchaev Soil Science Institute; Geoinformation Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: g-irina14@yandex.ru
Moscow, 119017 Russia; Moscow, 119019 Russia

L. A. Tarnopolsky

Geoinformation Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Moscow, 119019 Russia

N. B. Khitrov

Dokuchaev Soil Science Institute

Moscow, 119017 Russia

N. G. Kruglyakova

All-Russian Research Institute of Irrigated Agriculture – branch of the Federal Scientific Center for Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A.N. Kostyakov

Volgograd, 400002 Russia

References

  1. Абатуров Б.Д. Зоогенные формы почвенных неоднородностей // Масштабные эффекты при исследовании почв. М.: Изд-во МГУ, 2001. С. 61–75.
  2. Андронников В.Л. Аэрокосмические методы изучения почв. М.: Колос, 1979. 280 с.
  3. Антипов-Каратаев И.Н., Саввинов Н.И., Филиппова В.Н., Кочерина Е.И., Пиуновский Б.А., Сердобольский И.П., Соловьев В.А. Работы Малоузенского солонцового стационара в 1935 г. // Тр. комиссии по ирригации. Вып. 9. Солонцовые комплексы Заволжья и мелиорация солонцов. М.: Изд-во АН СССР, 1937. С. 11–256.
  4. Балабко П.Н., Басевич В.Ф., Витязев В.Г., Макаров И.Б. Изменение морфологического строения каштановой почвы в результате планировки // Агрохимический вестник. 2018. № 2. С. 9–12.
  5. Барановская В.А, Азовцев В.И. Влияние орошения на миграцию карбонатов в почвах Поволжья // Почвоведение. 1981. № 10. С. 17–27.
  6. Большаков А.Ф. Опыт мелиорации солончаковых солонцов северо-западной части Прикаспийской низменности // Тр. Комплексной научной экспедиции по вопросам полезащитного лесоразведения. 1952. Т. 2. Вып. 3. С. 64–100.
  7. Васенев И.И. Глава 6. Почвенные сукцессии – механизмы эволюции почв и почвенного покрова // Эволюция почв и почвенного покрова. Теория, разнообразие природной эволюции и антропогенных трансформаций почв. М.: ГЕОС, 2015. С. 177–204.
  8. Горохова И.Н., Тарнопольский Л.А. Определение и картографирование поверхностно-карбонатных почв в сухостепной зоне Волгоградской области // Аридные экосистемы. 2024. T. 31. № 4. C. 39–47. https://doi.org/10.24412/1993-3916-2024-4-39-47
  9. Горохова И.Н., Хитров Н.Б., Тарнопольский Л.А. Выделение поверхностно-карбонатных почв и диагностика почв на пестрых подстилающих породах юга Приволжской возвышенности с помощью обработки космического снимка // Почвоведение. 2024. № 8. С. 1047–1060. https://doi.org/10.31857/S0032180X24080016
  10. Горохова И.Н., Хитров Н.Б., Прокопьева К.О., Харланов В.А. Почвенный покров Светлоярской оросительной системы через полвека мелиоративных воздействий // Почвоведение. 2018. № 8. С. 1033–1044. https://doi.org/10.1134/S0032180X18080130
  11. Горохова И.Н., Чурсин И.Н., Хитров Н.Б., Круглякова Н.К. Выделение карбонатных почв на Волго-Донской оросительной системе (Волгоградская область) с использованием космической информации // Экосистемы: экология и динамика. 2023. Т. 7. № 1. С. 66–91. https://doi.org/10.24412/2542-2006-2023-1-66-91
  12. Дегтярева Е.Т., Жулидова А.Н. Почвы Волгоградской области. Волгоград: Нижне-Волжское книжное изд-во, 1970. 319 с.
  13. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: Либроком, 2009. 326 с.
  14. Жоголев А.В., Савин И.Ю. Автоматизированное обновление среднемасштабных почвенных карт // Почвоведение. 2016. № 11. С. 1319–1327. https://doi.org/10.7868/S0032180X16110125
  15. Залибекова М.З., Асгерова Д.Б., Бийболатова З.Д. О картографии динамических свойств почв Терско-Кумской низменности с применением дистанционных методов // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. № 1. С. 1330–1333.
  16. Зволинский В.П., Ларешин В.Г. Почвы солонцовых комплексов Северного Прикаспия: Почвенно-мелиоративные условия развития земледелия в Нижнем Заволжье. М.: Изд-во РУДН, 1996. 429 с.
  17. Зимовец Б.А. Экология и мелиорация почв сухостепной зоны. М.: Почв. Ин-т им. В.В. Докучаева, 1991. 248 с.
  18. Зинченко Е.В., Горохова И.Н., Круглякова Н.Г., Хитров Н.Б. Современное состояние орошаемых почв юга Приволжской возвышенности // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2020. Вып. 104. С. 68–109. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-104-68-109
  19. Корнблюм Э.А., Мясников В.В. Способ классификационной оценки разнообразия солонцовых почв, нарушенных строительными планировками // Новые методы исследования почв солонцовых комплексов. М.: Почв. Ин-т им. В.В. Докучаева, 1982. С. 136–146.
  20. Красильников П.В., Вебстер Р., Рожкай К. Геостатистика и география почв. М.: Наука, 2007. 175 с.
  21. Круглякова Н.Г., Хитров Н.Б., Горохова И.Н., Кравченко Е.И. Ретроспективный анализ использования сельскохозяйственных угодий опытной станции “Орошаемая” в течение полувека // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2024. Вып. 121. С. 241–280. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2024-121-241-280
  22. Кузнецов М.С., Григорьев В.Я., Хан К.Ю. Ирригационная эрозия почв и ее предупреждение при поливах дождеванием. М.: Наука, 1990. 120 с.
  23. Любимова И.Н. Антропогенная эволюция сухих степей // Эволюция почв и почвенного покрова. Теория, разнообразие природной эволюции и антропогенных трансформаций почв. М.: ГЕОС, 2015. С. 557–569.
  24. Любимова И.Н. Постмелиоративная трансформация карбонатного и гипсового профилей солонцовых почв сухостепной зоны // Почвоведение. 2018. № 11. С. 1199–1208. https://doi.org/10.1134/S0032180X18110060
  25. Любимова И.Н., Дегтярева Е.Т. Изменение карбонатного профиля почв солонцовых комплексов при агрогенном воздействии // Почвоведение. 2000. № 7. С. 855–860.
  26. Любимова И.Н., Мотузов В.Я. Постмелиоративная эволюция почв солонцовых комплексов сухостепной зоны // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2005. Вып. 57. С. 3–9.
  27. Любимова И.Н., Мотузов В.Я., Дегтярева Е.Т., Седов С.Н., Скрипникова М.И., Хохлова О.С. Послемелиоративное изменение карбонатных новообразований в почвах солонцовых комплексов сухостепной зоны //: Проблемы эволюции. Владивосток: Дальнаука, 2003. Т. 5. С. 254–259.
  28. Любимова И.Н., Новикова А.Ф. Влияние различных антропогенных воздействий на изменение почв солонцовых комплексов сухостепной зоны // Почвоведение. 2016. № 5. С. 633–643. https://doi.org/10.7868/S0032180X16050129
  29. Панкова Е.И., Андронников В.Л., Симакова М.С., Королюк Т.И. Аэрокосмические методы – основа картографии почв // География и картография почв. М.: Наука, 1993. 302 с.
  30. Самсонова В.П., Кондрашкина М.И., Кротов Д.Г. Пространственное многообразие агрохимических свойств пахотных почв (на примере Трубчевского района Брянской области) // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2019. № 2. C. 28–35.
  31. Сахабиев И.А. Цифровое картографирование пространственной неоднородности свойств почв территорий сельскохозяйственного использования (на примере двух государственных сортоиспытательных участков Республики Татарстан). Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2022. 24 с.
  32. Симакова М.С., Рухович Д.И., Вильчевская Е.В., Калинина Н.В., Колесникова Л.Г., Королева П.В. Дополнение содержания государственной почвенной карты информацией о генезисе почвообразующих пород и гранулометрическом составе почв // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева, 2010. № 66. C. 3–16.
  33. Трегубов П.С., Аверьянов О.А. Ирригационная эрозия почв и меры ее предотвращения: Обзорная информация. М.: ВНИИТЭИагропром, 1987. 56 с.
  34. Фридланд В.М. Структура почвенного покрова. М.: Мысль, 1972. 422 c.
  35. Хитров Н.Б., Горохова И.Н., Круглякова Н.Г., Кравченко Е.И. Карбонатный профиль почв каштановых солонцовых комплексов и его антропогенная трансформация в пашне // Почвоведение. 2025. № 8. В печати.
  36. Хитров Н.Б., Горохова И.Н., Панкова Е.И. Дистанционная диагностика содержания карбонатов в орошаемых почвах сухостепной зоны Волгоградской области // Почвоведение. 2021. № 6. C. 657–674. https://doi.org/10.31857/S0032180X21060071
  37. Хитров Н.Б., Кравченко Е.И., Рухович Д.И., Королева П.В. Эрозионно-аккумулятивная структура почвенного покрова сухостепного агроландшафта, Ростовская область // Почвоведение. 2024. № 9. С. 1147–1173. https://doi.org/10.31857/S0032180X24090018
  38. Хохлова О.С. Карбонатное состояние степных почв как индикатор и память их пространственно-временной изменчивости. Автореф. дис. … д. г. н. М., 2008. 48 с.
  39. Цифровая почвенная картография: теоретическое и экспериментальные исследования. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2012. 350 с.
  40. Шевченко В.А., Бородычев В.В., Лытов М.Н. Варианты реконструкции гидромелиоративных систем на бывших мелиорированных длительно не используемых сельскохозяйственных землях // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2020. № 4. С. 4–31. https://doi.org/10.32786/2071-9485-2020-04-31
  41. Щедрин В.Н., Колганов А.В., Васильев С.М., Чураев А.А. Оросительные системы России: от поколения к поколению. Новочеркасск: Геликон, 2013. Ч. I. 283 с.
  42. Boloorani A.D., Bakhtiari M., Samany N.N., Papi R., Soleimani M., Mirzaei S., Bahrami H.A. Land degradability mapping using remote sensing data and soil chemical properties // Remote Sensing Applications: Society and Environment. 2023. V. 32. 101027. https://doi.org/10.1016/j.rsase.2023.101027
  43. Bower C.A., Ogata G., Tucker J.M. Sodium hazard of irrigation waters as influenced by leaching fraction and by precipitation or solution of calcium carbonate // Soil Sci. 1968. V. 106. P. 29–34.
  44. Calcareous soils. FAO Soils Bulletin 21. Rome, 1972. 253 p.
  45. De Soto I. S., Virto I., Barré P., Enrique A. Effect of irrigation on carbonate dynamics in a calcareous soil using isotopic determinations // Span. J. Soil Sci. 2019. V. 9. P. 142–147. https://doi.org/10.3232/SJSS. 2019.V9.N2.06
  46. de Soto I.S., Virto I., Barré P., Fernández-Ugalde O., Antón R., Martínez I., Chaduteau C., Enrique A., Bescansa P. A model for field-based evidence of the impact of irrigation on carbonates in the tilled layer of semi-arid Mediterranean soils // Geoderma. 2017. V. 297. P. 48–60. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.03.005
  47. Dixon J. C. Chapter 5. Aridic soils, patterned ground, and desert pavements // Geomorphology of Desert Environments. 2009. P. 101–122. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-5719-9 5
  48. Entry J.A., Sojka R.E., Shewmaker G.E. Irrigation increase inorganic carbon in agricultural soils // Environ. Manag. 2004. V. 33. P. S309–S317. http://dx.doi.org/10.1007/s00267-003-9140-3
  49. Hannam K.D., Kehila D., Millard P., Midwood A.J., Neilsen D., Neilsen G.H., Forge T.A., Nichol C., Jones M.D. Bicarbonates in irrigation water contribute to carbonate formation and CO2 production in orchard soils under drip irrigation // Geoderma. 2016. V. 266. P. 120–126. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.12.015
  50. Kadry L.T. Distribution of calcareous soils in the Near East Region, their reclamation and land use measures and achievements. FAO/UNDP Regional Seminar on Reclamation and Management of Calcareous Soils. 1972. https://www.fao.org/4/x5868e/x5868e03.htm.
  51. Levy R. Precipitation of carbonates in soils in contact with under saturated or oversaturated in respect to calcite // J. Soil Sci. 1980. V. 31. P. 41–51.
  52. Manning D.A.C., Renforth P., Lopez-Capel E., Robertson S., Ghazireh N. Carbonate precipitation in artificial soils produced from basaltic quarry fines and composts: An opportunity for passive carbon // Int. J. Greenhouse Gas Control. 2013. V. 17. P. 309–317.
  53. Metwaly M.M., Metwalli M.R., Abd-Elwahed M.S., Zakarya Y.M. Digital mapping of soil quality and salt-affected soil indicators for sustainable agriculture in the Nile Delta region // Remote Sensing Applications: Society and Environment. 2024. V. 36. P. 101318. https://doi.org/10.1016/j.rsase.2024.101318
  54. Shirazi F.R.A., Shahbazi F., Rezaei H., Biswas A. Multi-property digital soil mapping at 30-m spatial resolution down to 1 m using extreme gradient boosting tree model and environmental covariates // Remote Sensing Applications: Society and Environment. 2024. V. 33. 101123. https://doi.org/10.1016/j.rsase.2023.101123
  55. Soil Survey investigations for irrigation. 1979. FAO Soils Bulletin 42. Rome, 188 p.
  56. Surface carbonate // Soil and land facts sheet no. 10. Water and Natural Resources. 2016. Last updated June 2016. https://data.environment.sa.gov.au/Content/Publications/SoilAttrib_FactSheet10_SurfaceCarbonate.pdf
  57. Vaudour E., Gomez C., Fouad Y., Lagacherie P. Sentinel-2 image capacities to predict common topsoil properties of temperate and Mediterranean agroecosystems // Remote Sensing of Environment. 2019. V. 223. P. 21–33. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.01.006
  58. Wilford J., de Caritat P., Bui E. Modelling the abundance of soil calcium carbonate across Australia using geochemical survey data and environmental predictors // Geoderma. 2015. V. 259–260. P. 81–92. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.05.003
  59. Zamanian K., Pustovoytov K., Kuzyakov Y. Pedogenic carbonates: Forms and formation processes // Earth-Science Reviews. 2016. V. 157. P. 1–17. http://dx.doi.org/10.1016/j.earscirev.2016.03.003

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».