esoilБюллетень Почвенного института имени В.В. ДокучаеваDokuchaev Soil Bulletin0136-16942312-4202V.V. Dokuchaev Soil Science Institute10.19047/0136-1694-2023-115-129-159esoil-759Research ArticleСтатьиСпутниковая оценка агрономически важных свойств пахотных почв с учетом состояния их поверхностиSatellite based assessment of agronomically important properties of agricultural soils with consideration of their surface statehttps://orcid.org/0000-0001-7743-8607ПрудниковаЕ. Ю.PrudnikovaE. Yu.

Елена Юрьевна Прудникова

119017, Москва, Пыжевский пер, 7, стр. 2

7 Bld. 2 Pyzhevskiy per., Moscow 119017

kiryan4ik@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8739-5441СавинИ. Ю.SavinI. Yu.

Игорь Юрьевич Савин

119017, Москва, Пыжевский пер, 7, стр. 2; 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

7 Bld. 2 Pyzhevskiy per., Moscow 119017; 8/2 Miklukho-Maklaya Str., Moscow 117198

savin_iyu@esoil.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6325-4604ГрубинаП. Г.GrubinaP. G.

Прасковья Георгиевна Грубина

119017, Москва, Пыжевский пер, 7, стр. 2

7 Bld. 2 Pyzhevskiy per., Moscow 119017

grubina_pg@esoil.ruФИЦ “Почвенный институт им. В.В. Докучаева”РоссияFederal Research Centre “V.V. Dokuchaev Soil Science Institute”Russian FederationФИЦ “Почвенный институт им. В.В. Докучаева”; Российский университет дружбы народовРоссияFederal Research Centre “V.V. Dokuchaev Soil Science Institute”; Peoples' Friendship University of RussiaRussian Federation2023040820230115129159Copyright © Прудникова Е.Ю., Савин И.Ю., Грубина П.Г., 20232023Прудникова Е.Ю., Савин И.Ю., Грубина П.Г.Prudnikova E.Y., Savin I.Y., Grubina P.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://bulletin.esoil.ru/jour/article/view/759

Спутниковые данные достаточно давно используются для оценки различных свойств пахотных почв. В то же время существуют определенные сложности, связанные с тем, что ряд агрономически важных свойств почв не оказывает непосредственного влияния на спектральную отражательную способность их поверхности, что осложняет дистанционную оценку таких свойств. Кроме того, для получения воспроизводимых моделей необходимо учитывать состояние открытой поверхности почв во время съемки. Целью исследования было провести демонстрацию метода детектирования агрономически важных свойств пахотных почв по спутниковым данным Landsat 8-9 OLI с привлечением информации о состоянии их открытой поверхности на примере тестового поля в Серебряно-Прудском районе Московской области. В зависимости от свойства почвы R2cv моделей, построенных по спутниковым данным Landsat 8-9 OLI, варьировал от 0.57 до 0.91. Наилучшие модели R2cv > 0.8 были получены для органического вещества и сильно скоррелированных с ним свойств, таких как содержание обменных катионов кальция и магния, содержание общего азота, рН водной и солевой вытяжек. Привлечение информации о состоянии открытой поверхности пахотных почв для большинства свойств позволило получить модели более высокого качества и предсказательной способности вне зависимости от срока съемки. На основе полученных моделей в рамках демонстрации метода были построены карты пространственного варьирования агрономически важных свойств пахотных почв. Полученные модели могут быть использованы для дистанционного мониторинга анализируемых свойств пахотных почв тестового поля. В то же время для таких свойств, как содержание обменного калия и соединений фосфора необходим поиск подходов, учитывающих их высокую пространственную вариабельность, а также требуется предварительная оценка информативности сроков съемки, в которые открытая поверхность почвы не трансформирована.

Satellite data have been used for a long time to assess various properties of arable soils. At the same time, there are certain difficulties associated with the fact that a number of agronomically important soil properties do not directly affect spectral reflectance of their surface, which complicates the remote assessment of such properties. In addition, to obtain reproducible models, it is necessary to take into account the state of the open soil surface during the survey. The aim of the study was to demonstrate a method for detecting agronomically important properties of arable soils based on Landsat 8-9 OLI satellite data and including information about the state of their open surface using the example of a test field in the Serebryano-Prudsky district of the Moscow region. Depending on the soil property, R2cv of the models developed based on Landsat 8-9 OLI satellite data varied from 0.57 to 0.91. The best models with R2cv>0.8 were obtained for organic matter and properties higly correlated with it such as the content of exchangeable calcium and magnesium cations, the content of total nitrogen, pH of water and salt extracts. The involvement of information on the state of the open surface of arable soils for most properties made it possible to obtain models of higher quality and predictive ability, regardless of the survey period. Based on the models obtained, maps of the spatial variation of agronomically important properties of arable soils were constructed as part of the demonstration of the method. The resulting models can be used for remote monitoring of the analyzed properties of arable soils of the test field. At the same time, for such properties as the content of exchangeable potassium and phosphorus compounds, it is necessary to search for the approaches that will take into account their high variability, as well as to perform a prior assessment of the informativity of the survey periods in which the open soil surface is not transformed.

дистанционные методыпахотные почвыагрономически важные свойстваLandsat 8-9 OLIсостояние открытой поверхности почвremote methodsarable soilsagronomically important propertiesLandsat 8-9 OLIstate of open soil surfaceReferencesВиндекер Г.В., Прудникова Е.Ю., Савин И.Ю. Трансформация открытой поверхности почв под воздействием осадков в модельном эксперименте // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 95. С. 23–40. DOI: 10.19047/0136-1694-2018-95-23-40.Vindeker G.V., Prudnikova E.Yu., Savin I.Yu., Transformation of open soil surface under the impact of rainfall in model experiment, Dokuchaev Soil Bulletin, 2018, Vol. 95, pp. 23–40, DOI: 10.19047/0136-1694-2018-95-23-40.ГОСТ 26423-85. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки.State Standard, GOST 26423-85, Soils. Methods for determination of specific electric conductivity, рН and solid residue of water extract.ГОСТ 26483-85. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО.State Standard, GOST 26483-85, Soils. Preparation of salt extract and determination of its рН by CINAO method.ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества.State Standard, GOST 26213-91, Soils. Methods for determination of organic matter.ГОСТ Р 54650-2011. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.State Standard, GOST R 54650-2011, Soils. Determination of mobile phosphorus and potassium compounds by Kirsanov method modified by ClNAO.ГОСТ 26210-91. Почвы. Определение обменного калия по методу Масловой.State Standard, GOST 26210-91, Soils. Determination of exchangeable potassium by Maslova method.ГОСТ 26107-84. Почвы. Методы определения общего азота.State Standard, GOST 26107-84, Soils. Methods for determination of total nitrogen.Орлов Д.С., Суханова Н.И., Розанова М.С. Спектральная отражательная способность почв и их компонентов. М.: МГУ, 2001. 176 с.Orlov D.S., Suhanova N.I., Rozanova M.S., Spektral'naya otrazhatel'naya sposobnost' pochv i ih komponentov (Spectral reflective capacity of soils and their components), Moscow: Moscow State University, 2001, 176 p.Почвенная карта совхоза им. Карла Маркса Серебряно-Прудского района Московской области (масштаб 1 : 10 000). М.: Мосгипроводхоз, 1991 г.Pochvennaja karta sovhoza im. Karla Marksa Serebrjano-Prudskogo rajona Moskovskoj oblasti (masshtab 1 : 10 000) (Soil map of the state farm of Karl Marx Serebryano-Prudsky district of the Moscow region (scale 1 : 10 000)), Moscow, Mosgiprovodhoz, 1991.Прудникова Е.Ю., Варламов Е.Б., Чурилин Н.А., Чурилина А.Е. Дифференциация и баланс минералов при трансформации открытой поверхности пахотных почв под воздействием атмосферных осадков // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2019. Вып. 98. С. 105–131. DOI: 10.19047/0136-1694-2019-98-105-131.Prudnikova E.Yu., Varlamov E.B., Churilin N.A., Churilina A.E., Differentiation and balance of minerals during transformation of the open surface of arable soils under the impact of rain, Dokuchaev Soil Bulletin, 2019, Vol. 98, pp. 105–131, DOI: 10.19047/0136-1694-2019-98-105-131.Савин И.Ю. Влияние ливневого дождя на интегральную отражательную способность поверхности черноземных почв // Почвоведение. 1995. №. 8. С. 976–980.Savin I.Yu., Vliyanie livnevogo dozhdya na integral'nuyu otrazhatel'nuyu sposobnost' poverkhnosti chernozemnykh pochv (The influence of heavy rainfall on the integral surface reflectance of chernozem soil), Pochvovedenie, 1995, No. 8, pp. 976–980.Савин И.Ю., Столбовой В.С., Иванов А.Л., Прудникова Е.Ю., Жоголев А.В., Воронин А.Я. Технологии составления и обновления почвенных карт. М.: Перо, 2019. 328 с.Savin I.Yu., Stolbovoi V.S., Ivanov A.L., Prudnikova E.Yu., Zhogolev A.V., Voronin A.Ya., Tekhnologii sostavleniya i obnovleniya pochvennykh kart (Technologies for compiling and updating soil maps), Moscow: Pero, 2019, 328 p.Bellinaso H., Demattê J.A.M., Romeiro S.A. Soil spectral library and its use in soil classification // Revista Brasileira de Ciência do Solo. 2010. Vol. 34. P. 861–870. DOI: 10.1590/S0100-06832010000300027.Bellinaso H., Demattê J.A.M., Romeiro S.A., Soil spectral library and its use in soil classification, Revista Brasileira de Ciência do Solo, 2010, Vol. 34, pp. 861–870, DOI: 10.1590/S0100-06832010000300027.Ben-Dor E., Banin A. Near-infrared analysis as a rapid method to simultaneously evaluate several soil properties // Soil Sci. Soc. Am. J. 1995. Vol. 59 (2). P. 364–372. DOI: 10.2136/sssaj1995.03615995005900020014x.Ben-Dor E., Banin A., Near-infrared analysis as a rapid method to simultaneously evaluate several soil properties, Soil Sci. Soc. Am. J., 1995, Vol. 59 (2), pp. 364–372, DOI: 10.2136/sssaj1995.03615995005900020014x.Ben-Dor E., Goldlshleger N., Benyamini Y., Agassi M.R., Blumberg D.G. The spectral reflectance properties of soil structural crusts in the 1.2‐to 2.5‐μm spectral region // Soil Science Society of America Journal. 2003. Vol. 67 (1). P. 289–299. DOI: 10.2136/sssaj2003.2890.Ben-Dor E., Goldlshleger N., Benyamini Y., Agassi M.R., Blumberg D.G., The spectral reflectance properties of soil structural crusts in the 1.2‐to 2.5‐μm spectral region, Soil Science Society of America Journal, 2003, Vol. 67 (1), pp. 289–299, DOI: 10.2136/sssaj2003.2890.Chen J., Yuan Zhang M., Wang L., Shimazaki H., Tamura M. A new index for mapping lichen-dominated biological soil crusts in desert areas // Remote Sensing of Environment. 2005. Vol. 96. P. 165–175. DOI: 10.1016/j.rse.2005.02.011.Chen J., Yuan Zhang M., Wang L., Shimazaki H., Tamura M., A new index for mapping lichen-dominated biological soil crusts in desert areas, Remote Sensing of Environment, 2005, Vol. 96, pp. 165–175, DOI: 10.1016/j.rse.2005.02.011.Deering D.W. Rangeland reflectance characteristics measured by aircraft and spacecraft sensors: Ph.D. Thesis. Texas A&M University. College Station, TX, USA. 1978.Deering D.W., Rangeland reflectance characteristics measured by aircraft and spacecraft sensors: Ph.D. Thesis. Texas A&M University. College Station, TX, USA. 1978.Demattê J.A., Ramirez-Lopez L., Marques K.P.P., Rodella A.A. Chemometric soil analysis on the determination of specific bands for the detection of magnesium and potassium by spectroscopy // Geoderma. 2017. Vol. 288. P. 8–22. DOI: 10.1016/j.geoderma.2016.11.013.Demattê J.A., Ramirez-Lopez L., Marques K.P.P., Rodella A.A., Chemometric soil analysis on the determination of specific bands for the detection of magnesium and potassium by spectroscopy, Geoderma, 2017, Vol. 288, pp. 8–22, DOI: 10.1016/j.geoderma.2016.11.013.Fang Q., Hong H., Zhao L., Kukolich S., Yin K., Wang C. Visible and nearinfrared reflectance spectroscopy for investigating soil mineralogy: A review // Journal of Spectroscopy. 2018. Vol. 2018. DOI: 10.1155/2018/3168974.Fang Q., Hong H., Zhao L., Kukolich S., Yin K., Wang C. Visible and near-infrared reflectance spectroscopy for investigating soil mineralogy: A review, Journal of Spectroscopy, 2018, Vol. 2018, DOI: 10.1155/2018/3168974.Huete A.R. A soil-adjusted vegetation index (SAVI) // Remote sensing of environment. 1988. Vol. 25. P. 295–309. DOI: 10.1016/0034-4257(88)90106X.Huete A.R., A soil-adjusted vegetation index (SAVI), Remote sensing of environment, 1988, Vol. 25, pp. 295–309, DOI: 10.1016/00344257(88)90106-X.Jiang Z., Huete A., Didan K., Miura T. Development of a two-band enhanced vegetation index without a blue band // Remote Sensing of Environment. 2008. Vol. 112. P. 3833–3845. DOI: 10.1016/j.rse.2008.06.006.Jiang Z., Huete A., Didan K., Miura T., Development of a two-band enhanced vegetation index without a blue band, Remote Sensing of Environment, 2008, Vol. 112, pp. 3833–3845, DOI: 10.1016/j.rse.2008.06.006.Karnieli A. Development and implementation of spectral crust index over dune sands // International Journal of Remote Sensing. 1997. Vol. 18. P. 1207–1220. DOI: 10.1080/014311697218368.Karnieli A. Development and implementation of spectral crust index over dune sands, International Journal of Remote Sensing, 1997, Vol. 18, pp. 1207–1220, DOI: 10.1080/014311697218368.Kuang B., Mahmood H.S., Quraishi M.Z., Hoogmoed W.B., Mouazen A.M., Henten E.J.V. Sensing soil properties in the laboratory, in situ, and on-line: a review // Adv. Agr. 2012. Vol. 114. P. 155–223. DOI: 10.1016/B978-0-12-394275-3.00003-1.Kuang B., Mahmood H.S., Quraishi M.Z., Hoogmoed W.B., Mouazen A.M., Henten E.J.V., Sensing soil properties in the laboratory, in situ, and online: a review, Adv. Agr., 2012, Vol. 114, pp. 155–223, DOI: 10.1016/B978-012-394275-3.00003-1.Lesaignoux A., Fabre S., Briotter X., Olioso A. Influence of surface soil moisture on spectral reflectance of bare soil in the 0.4–15 μM domain // 6. EARSeL; Imaging spectroscopy: innivative tool for scientific and commercial environmental applications. 2009. 6 p.Lesaignoux A., Fabre S., Briotter X., Olioso A., Influence of surface soil moisture on spectral reflectance of bare soil in the 0.4–15 μM domain, In: 6. EARSeL; Imaging spectroscopy: innivative tool for scientific and commercial environmental applications, 2009, 6 p.McFeeters K., Stuart K. The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features // International journal of remote sensing. 1996. Vol. 17.7. P. 1425–1432. DOI: 10.1080/01431169608948714.McFeeters K., Stuart K., The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features, International journal of remote sensing, 1996, Vol. 17 (7), pp. 1425–1432, DOI: 10.1080/01431169608948714.Mathieu R., Pouget M., Cervelle B., Escadafal R. Relationships between satellite-based radiometric indices simulated using laboratory reflectance data and typic soil color of an arid environment // Remote sensing of environment. 1998. Vol. 66. P. 17–28. DOI: 10.1016/S0034-4257(98)00030-3.Mathieu R., Pouget M., Cervelle B., Escadafal R., Relationships between satellite-based radiometric indices simulated using laboratory reflectance data and typic soil color of an arid environment, Remote sensing of environment, 1998, Vol. 66, pp. 17–28, DOI: 10.1016/S0034-4257(98)00030-3.Mouazen A.M., Kuang B. On-line visible and near infrared spectroscopy for in-field phosphorous management // Soil Till. Res. 2016. Vol. 155. P. 471– 477. DOI: 10.1016/j.still.2015.04.003.Mouazen A.M., Kuang B., On-line visible and near infrared spectroscopy for in-field phosphorous management, Soil Till. Res., 2016, Vol. 155, pp. 471– 477, DOI: 10.1016/j.still.2015.04.003.Prudnikova E., Savin I., Vindeker G., Grubina P., Shishkonakova E., Sharychev D. Influence of soil background on spectral reflectance of winter wheat crop canopy // Remote Sensing. 2019. Vol. 11 (16). P. 1932. DOI: 10.3390/rs11161932.Prudnikova E., Savin I., Vindeker G., Grubina P., Shishkonakova E., Sharychev D., Influence of soil background on spectral reflectance of winter wheat crop canopy, Remote Sensing, 2019, Vol. 11 (16), pp. 1932, DOI: 10.3390/rs11161932.Prudnikova E., Savin I. Some peculiarities of arable soil organic matter detection using optical remote sensing data // Remote Sensing. 2021. Vol. 13. No. 12. P. 2313. DOI: 10.3390/rs13122313.Prudnikova E., Savin I. Some peculiarities of arable soil organic matter detection using optical remote sensing data, Remote Sensing, 2021, Vol. 13, No. 12, pp. 2313, DOI: 10.3390/rs13122313.Rikimaru A., Roy P. S., Miyatake S. Tropical Forest cover density mapping // Tropical ecology. 2002. Vol. 43 (1). P. 39–47.Rikimaru A., Roy P. S., Miyatake S., Tropical Forest cover density mapping, Tropical ecology, 2002, Vol. 43 (1), pp. 39–47.Savin I.Y., Vindeker G.V. Some specifics in using optical properties of soil surface for moisture detection // Eurasian Soil Science. 2021. Vol. 54. No. 7. P. 1019–1027. DOI: 10.1364/JOT.83.000642.Savin I.Y., Vindeker G.V., Some specifics in using optical properties of soil surface for moisture detection, Eurasian Soil Science, 2021, Vol. 54, No. 7, pp. 1019–1027, DOI: 10.1364/JOT.83.000642.Stenberg B., Viscarra Rossel R.A., Mouazen A.M., Wetterlind J. Visible and near-infrared spectroscopy in soil science // Adv. Agr. 2010. Vol. 107. P. 163–215. DOI: 10.1016/S0065-2113(10)07005-7.Stenberg B., Viscarra Rossel R.A., Mouazen A.M., Wetterlind J., Visible and near-infrared spectroscopy in soil science, Adv. Agr., 2010, Vol. 107, pp. 163–215, DOI: 10.1016/S0065-2113(10)07005-7.Viscarra Rossel R.A., Walvoort D.J.J., McBratney A.B., Janik L.J., Skjemstad J.O. Visible, near infrared, mid infrared or combined diffuse reflectance spectroscopy for simultaneous assessment of various soil properties // Geoderma. 2006. Vol. 131. P. 59–75. DOI: 10.1016/j.geoderma.2005.03.007.Viscarra Rossel R.A., Walvoort D.J.J., McBratney A.B., Janik L.J., Skjemstad J.O., Visible, near infrared, mid infrared or combined diffuse reflectance spectroscopy for simultaneous assessment of various soil properties, Geoderma, 2006, Vol. 131, pp. 59–75, DOI: 10.1016/j.geoderma.2005.03.007.Xiao J., Shen, Y., Tateishi R., Bayaer W. Development of topsoil grain size index for monitoring desertification in arid land using remote sensing // International Journal of Remote Sensing. 2006. Vol. 27. P. 2411–2422. DOI: 10.1080/01431160600554363.Xiao J., Shen, Y., Tateishi R., Bayaer W., Development of topsoil grain size index for monitoring desertification in arid land using remote sensing, International Journal of Remote Sensing, 2006, Vol. 27, pp. 2411–2422, DOI: 10.1080/01431160600554363.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.