Variation of Soil Erosion Estimates when Using Different Maps of Arable Land of the Belgorod Region

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Current medium- and small-scale estimates of soil erosion in Russia are very few. At the same time, a favorable situation has now developed for assessing the rates and volumes of soil erosion losses. Erosion models have been developed that are adapted to available digital elevation models, various farmland masks and climate databases have been created. The paper studies the accuracy of erosion estimates using various maps of arable land. Two maps are public (ESA WC, GLCLU), the third is the official Ministry of Agriculture (MA) of the Russian Federation, the fourth map is an author’s reference map of Alekseevsky district. It has been established that the map of the MA gives the most average arable land areas among the first three maps. Public access maps showed maximum and minimum estimates of arable land area. Comparison with the standard showed that the accuracy of the map of the MA does not exceed 90%, the remaining maps – 84 and 83%. The area of arable land in the Belgorod region varies slightly (from 1,445 to 1,586 thousand hectares); so the region is favorable for erosion modelling. Deviations from the average rates of soil erosion calculated using different maps of arable land in the region as a whole amounted to 7%, and in some areas reached 27%. Thus, today assessments of soil erosion at the regional level can be carried out with an error of at least 10–15% only as a result of the uncertainty in mapping the boundaries of arable land. In the Russia as a whole, data on the area of arable land varies significantly, from 80 to 132 million hectares. Consequently, the use of existing maps of arable land can lead to significant uncertainties in soil erosion estimates averaged at the level of districts and above.

About the authors

A. P. Zhidkin

Dokuchaev Soil Science Institute

Author for correspondence.
Email: gidkin@mail.ru
Russian Federation, Moscow

D. I. Rukhovich

Dokuchaev Soil Science Institute

Email: gidkin@mail.ru
Russian Federation, Moscow

K. A. Maltsev

Kazan (Volga Region) Federal University

Email: gidkin@mail.ru
Russian Federation, Kazan

P. V. Koroleva

Dokuchaev Soil Science Institute

Email: gidkin@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. База данных показателей муниципальных образований. https://gks.ru/dbscripts/munst/
  2. Барталев С.А., Егоров В.А., Ефремов В.Ю., Лупян Е.А., Стыценко Ф.В., Флитман Е.В. Оценка площади пожаров на основе комплексирования спутниковых данных различного пространственного разрешения MODIS и Landsat-TM/ETM+ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. T. 9. № 2(9). C. 9–27.
  3. Брызжев А.В., Рухович Д.И., Королева П.В., Калинина Н.В., Вильчевская Е.В., Долинина Е.А., Рухович С.В. Организация ретроспективного мониторинга почвенного покрова и земель Азовского района Ростовской области // Почвоведение. 2013. № 11. С. 1294–1315. http://doi.org/10.7868/S0032180X13110026
  4. Генерализованная Почвенно-эрозионная карта СССР. М-б 1 : 5 млн / Под ред. С.С. Соболева. М.: ГУГК, 1968.
  5. Годовой отчет о выполнении государственного задания на выполнение работ федеральным государственным бюджетным учреждением станцией агрохимической службы “Прикумская” за 2018 год. http://budagrohim.ru/images/pdf/otchet_2019.pdf
  6. Григорьева О.И. Моделирование площади пашни в структуре земельного фонда математическими методами (на примере Белгородской области) // Региональные геосистемы. 2020. Т. 44. № 3. С. 319–332. https://doi.org/10.18413/2712-7443-2020-44-3-319-332
  7. Григорьева О.И., Лихневская Н.В., Зеленская Е.Я. Динамика структуры земельного фонда Белгородской области в период с 1955 г. по 2019 г. Свидетельство о государственной регистрации базы данных, охраняемой авторскими правами. № 2020620329.
  8. Доклад о состоянии и использовании земель Белгородской области / Под ред. Якушева Н.Ф. Белгород, 2005 г. 113 с.
  9. Единая межведомственная информационно-статистическая система (ЕМИСС) // https://rosstat.gov.ru/emiss
  10. Единая федеральная информационная система о землях сельскохозяйственного назначения. http://efis.mcx.ru/
  11. Ермолаев О.П., Мальцев К.А. Оценка эрозионного риска почвенного покрова в лесных и лесостепных ландшафтах Среднего Поволжья средствами ГИС-технологий // Ученые записки Казанского гос. ун-та. 2008. № 4. Т. 150. С. 85–98.
  12. Жидкин А.П., Комиссаров М.А., Шамшурина Е.Н., Мищенко А.В. Эрозия почв на Cреднерусской возвышенности (обзор) // Почвоведение. 2023. № 2. С. 259–272. https://doi.org/10.31857/S0032180X22600901
  13. Жидкин А.П., Смирнова М.А., Геннадиев А.Н., Лукин С.В., Заздравных Е.А., Лозбенев Н.И. Цифровое моделирование строения и степени эродированности почвенного покрова (Прохоровский район Белгородской области) // Почвоведение. 2021. № 1. С. 17–30. https://doi.org/10.31857/S0032180X21010159
  14. Земельные угодья СССР. М-б 1 : 4 000 000 / Отв. ред. Январева Л.Ф. М.: ГУГК, 1991. 4 л.
  15. Иванов А.Л., Савин И.Ю., Столбовой В.С., Аветян С.А., Шишконакова Е.А., Каштанов А.Н. Карта агрогенной эродированности почв России // Доклады РАН. Науки о Земле. 2020. Т. 493. № 2. С. 99–102. https://doi.org/10.31857/S2686739720080095
  16. Карта неиспользуемых сельхозземель, потенциально пригодных для выращивания леса. https://maps.greenpeace.org/maps/aal/
  17. Королёва П.В. Пространственно-временные связи между землепользованием и почвенным покровом пахотных угодий (на примере Арсеньевского и Плавского районов Тульской области в период с 1969 по 2020 гг.). Автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. М., 2022. 25 с.
  18. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993. 200 с.
  19. Лисецкий Ф.Н., Марциневская Л.В. Оценка развития линейной эрозии и эродированности почв по результатам аэрофотосъемки // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2009. № 10(58). С. 39–43.
  20. Литвин Л.Ф. География эрозии почв сельскохозяйственных земель России. М.: ИКЦ Академкнига, 2002. 255 с.
  21. Литвин Л.Ф., Кирюхина З.П., Краснов С.Ф., Добровольская Н.Г. География динамики земледельческой эрозии почв на европейской территории России // Почвоведение. 2017. № 11. С. 1390–1400. https://doi.org/10.7868/S0032180X17110089
  22. Лукин С.В., Верютина О.С., Корнейко Н.И., Малыгин А.В. Влияние водной эрозии на основные свойства пахотных почв Белгородской области // Достижения науки и техники АПК. 2008. № 10. С. 7–8.
  23. Мальцев К.А., Ермолаев О.П. Потенциальные эрозионные потери почвы на пахотных землях европейской части России // Почвоведение. 2019. № 12. С. 1502–1512. https://doi.org/10.1134/S0032180X19120104
  24. О работе федеральной государственной информационно-аналитической системы с применением ГИС-технологий по осуществлению контрольно-надзорных полномочий Россельхознадзора ГИС “Деметра”. Россельхознадзор. https://fsvps.gov.ru/fsvps/print/news/8646.html
  25. Почвенная карта РСФСР. М-б 1 : 2500000 / Под ред. Фридланда В.М. М.: ГУГК, 1988. 16 л.
  26. Рухович Д.И., Симакова М.С., Куляница А.Л., Брызжев А.В., Королева П.В., Калинина Н.В., Вильчевская Е.В., Долинина Е.А., Рухович С.В. Влияние лесополос на фрагментацию овражно-балочной сети и образование мочаров // Почвоведение. 2014. № 11. С. 1293–1307. https://doi.org/10.7868/S0032180X14110094
  27. Рухович Д.И., Симакова М.С., Куляница А.Л., Брызжев А.В., Королева П.В., Калинина Н.В., Вильчевская Е.В., Долинина Е.А., Рухович С.В. Анализ применения почвенных карт в системе ретроспективного мониторинга состояния земель и почвенного покрова // Почвоведение. 2015. № 5. C. 605–625. https://doi.org/10.7868/S0032180X15050081
  28. Рухович Д.И., Симакова М.С., Куляница А.Л., Брызжев А.В., Королева П.В., Калинина Н.В., Вильчевская Е.В., Долинина Е.А., Рухович С.В. Ретроспективный анализ изменчивости землепользования на слитых почвах замкнутых западин Приазовья // Почвоведение. 2015. № 10. С. 1168–1194. https://doi.org/10.7868/S0032180X15100093
  29. Рухович Д.И., Симакова М.С., Куляница А.Л., Брызжев А.В., Королева П.В., Калинина Н.В., Черноусенко Г.И., Вильчевская Е.В., Долинина Е.А., Рухович С.В. Влияние засоленных почв на изменчивость типов землепользования в Азовском районе Ростовской области // Почвоведение. 2017. № 3. С. 289–310. https://doi.org/10.7868/S0032180X17010130
  30. Рухович Д.И., Шаповалов Д.А., Куляница А.Л., Королева П.В. Продовольственная безопасность России и государственная статистика – к чему ведут выдуманные цифры // Международный сельскохозяйственный журнал. 2017. № 6. С. 64–69. https://doi.org/10.24411/2587-6740-2017-16016
  31. Шашко Д.И. Агроклиматическое районирование СССР. М-б 1 : 4000000. М.: ГУГК-СОПС, 1969. 4 л.
  32. Сидорчук А.Ю. Эрозионно-аккумулятивные процессы на Русской равнине и проблемы заиления малых рек // Тр. Академии водохозяйственных наук. Сер. Водохозяйственные проблемы русловедения. 1995. Т. 1. С. 74–83.
  33. Федеральная служба регистрации, кадастра и картографии // https://rosreestr.gov.ru/
  34. Физико-химические свойства почв сельскохозяйственных угодий и баланс гумуса на пашне Российской Федерации / Под ред. Крылатова А.К. М.: Русслит, 1996. 392 с.
  35. Borrelli P., Ballabio C., Yang J., Robinson D., Panagos P. GloSEM: High-resolution global estimates of present and future soil displacement by water erosion // Scientific Data. 2022. V. 9. P. 406. https://doi.org/10.1038/s41597-022-01489-x
  36. Breiman L., Friedman J.H., Olshen R.A., Stone C.J. Classification and Regression Trees. The Wadsworth Statistics/Probability. Belmont: International Group, 1984. 358 p.
  37. Buchhorn M., Bertels L., Smets B., De Roo B., Lesiv M., Tsendbazar N.E., Masiliunas D., Li L. Copernicus Global Land Service: Land Cover 100m: Version 3 Globe 2015-2019: algorithm theoretical basis document. Geneva: Zenodo, 2020. 152 p. https://doi.org/10.5281/zenodo.3938968
  38. Buryak Zh.A., Narozhnyaya A.G., Gusarov A.V., Beylich A.A. Solutions for the spatial organization of cropland with increased erosion risk at the regional level: a case study of Belgorod oblast, European Russia // Land. 2022. V. 11. P. 1492. https://doi.org/10.3390/land11091492
  39. Franko U., Oelschlaegel B., Schenk S. Simulation of temperature-, water- and nitrоgen dynamics using the Model CANDY // Ecological Modelling. 1995. V. 81. P. 213–222.
  40. Friedl M., Sulla-Menashe D. Boston University and MODAPS SIPS, NASA: MCD12Q1 MODIS. Terra+ Aqua Land Cover Type Yearly L3 Global 0.05 Deg CMG. NASA LP DAAC. 2015. https://doi.org/10.5067/MODIS/MCD12C1,6
  41. Golosov V.N., Collins A.L., Dobrovolskaya N.G., Bazhenova O.I., Ryzhov Yu V., Sidorchuk A.Yu. Soil loss on the arable lands of the forest-steppe and steppe zones of European Russia and Siberia during the period of intensive agriculture // Geoderma. 2021. V. 381. P. 114678. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114678
  42. Grigoreva O.I., Marinina O.A., Zelenskaya E.Ya. Spatial and temporal changes in the land resources of the Belgorod region from 1954 to 2017 under the influence of anthropogenic factors // Biosciences, Biotechnology Res. Commun. 2020. V 13(1). P. 60-67. https://doi.org/10.21786/bbrc/13.1/10
  43. Hansen M.C., Potapov P.V., Pickens A.H., Tyukavina A., Hernandez-Serna A., Zalles V., Turubanova S., et al. Global land use extent and dispersion within natural land cover using Landsat data // Environ. Res. Lett. 2022. V. 17(3). P. 034050. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac46
  44. IPCC, 2001: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, 2001. 881 p.
  45. Jenkinson D.S., Rayner J.H. The turnover of soil organic matter in some of the Rothamsted classical experiments // Soil Sci. 1977. V. 123. P. 298-305.
  46. Maltsev K.A., Yermolaev O.P. Assessment of soil loss by water erosion in small river basins in Russia // Catena. 2020. V. 195. P. 104726. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104726
  47. McCool D.K., Foster G.R., Mutchler C.K., Meyer L.D. Revised slope length factor for the Universal Soil Loss Equation // Transactions of the ASAE. 1989. V. 32(5). P. 1571–1576. https://doi.org/10.13031/2013.31192
  48. Panagos P., Borrelli P., Meusburger K., Yu B., Klik A., Lim K.J., Yang J.E., et al. Global rainfall erosivity assessment based on high-temporal resolution rainfall records // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04282-8
  49. Poesen J. Soil erosion in the Anthropocene: Research needs // Earth Surface Processes and Landforms. 2018. V. 43. P. 64–84. https://doi.org/10.1002/esp.4250
  50. Prokhorenkova L., Gusev G., Vorobev A., Dorogush A.V., Gulin A. CatBoost: unbiased boosting with categorical features // Advances in Neural Information Processing Systems 31. Annual Conference on Neural Information Processing Systems. Montreal, 2018. P. 6638–6648.
  51. Smith J., Smith P., Wattenbach M., et. al. Projected changes in the organic carbon stocks of cropland mineral soils of European Russia and the Ukraine, 1990–2070 // Global Change Biology. 2007. V. 13(2). P. 342–356. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2006.01297.x
  52. Zanaga D., Van De Kerchove R., De Keersmaecker W., Souverijns N., Brockmann C., Quast R., Wevers J. et al. ESA WorldCover 10 m 2020 v100. Data set. Geneva: Zenodo, 2021. https://doi.org/10.5281/zenodo.5571936
  53. Zhidkin A., Fomicheva D., Ivanova N., Dostál T., Yurova A., Komissarov M., Krasa J. A detailed reconstruction of changes in the factors and parameters of soil erosion over the past 250 years in the forest zone of European Russia (Moscow region) // Int. Soil Water Conserv. Res. 2022. V. 10(1). P. 149–160. https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2021.06.003
  54. Zhidkin A., Gennadiev A., Fomicheva D., Shamshurina E., Golosov V. Soil erosion models verification in a small catchment for different time windows with changing cropland boundary // Geoderma. 2023. V. 430. P. 116322. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116322

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Map fragment location (a). Fragments of maps of agricultural field boundaries (b, c) and calculated rates of erosion and accumulation processes obtained using ESA WC land use models (d); EFIS WCA (e); GLCLU (f); RMPZP (g)

Download (568KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Graph of the relationship between the deviation from the average arable land area and the share of ploughed land from the area of districts of Belgorod Oblast

Download (84KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Deviations from average estimated soil erosion rates estimated by district using different cropland maps

Download (436KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences