PATTERNS OF CHANGES IN THE SPATIAL STRUCTURE OF AGROCHEMICAL PROPERTIES OF ARABLE LIGHT GRAY FOREST SOIL DURING LONG-TERM OBSERVATIONS
DOI 10.12737/2073-0462-2025-41-49 УДК 631.4
Keywords:
agrochemical properties of soils, spatiotemporal heterogeneity, variogram analysis, geostatistical analysis, long-term data, soil fertility.Abstract
The studies were conducted to assess changes in the spatial structure of mobile forms of nitrogen, phosphorus and potassium in the arable layer of light gray forest soil in the Republic of Tatarstan from 1965 to 2021. Long-term data from agrochemical surveys were processed using the method of geostatistical variogram analysis, reflecting changes in the variance of indicators with distance. Over the course of almost 60 years, there has been a noticeable change not only in the content of mobile forms of nutrients, but also in their spatial structure. The autocorrelation ranges (the distance of maximum similarity of the indicator in space) of mobile phosphorus in 1965 and 1975 were 185 and 205 m, respectively. By 1980, the value of this indicator increased to 459 m, and in 2011 it reached a maximum (778 m). The autocorrelation range of mobile potassium increased from 213 m (1965) to 439 m (2021), hydrolyzable nitrogen - from 266 m (1975) to 550 m (2021). Variagrams of hydrolyzable nitrogen in 1987 and 2011 indicate a regular change in space (spatial trend). The ratio of variogram elements (nugget/sill), which is used to estimate the spatial dependence of the indicator (the mutual influence of the indicator based on its location in space), made it possible to conduct a comparative analysis of the spatial structure of the studied properties over time. For hydrolyzable nitrogen, the spatial dependence was moderate from 1975 to 1980 (nugget/sill within 25...75%), and strong from 1987 to 2011 (nugget/sill<25%). For mobile phosphorus, it was predominantly strong, with the exception of 1975 (moderate), and for mobile potassium - weak in 1975 (>75%), and moderate in 1965, 1980 and 1987. Compared to hydrolyzable nitrogen, mobile forms of phosphorus and potassium are characterized by a more stable spatial structure, but a tendency to increase the autocorrelation range is noted.
References
1. Самсонова В. П., Кротов Д. Г., Лавринова Е. Ю. Пространственная изменчивость агрохимических свойств сельскохозяйственных угодий Брянской области // Агрохимия. 2017. № 7. С. 11–18.
2. Белоусова Е. Н., Белоусов А. А., Ульянова О. А. Оценка пространственной изменчивости агрохимических свойств агросерой почвы при планировании полевого опыта с минеральными удобрениями // Вестник НГАУ (Новосибирский государственный аграрный университет). 2024. №3. С. 5–12.
3. Мудрых Н. М., Самофалова И. А. Моделирование пространственной изменчивости агрохимических показателей почв в агроландшафтах Нечерноземья // Агрохимический вестник. 2019. № 5. С.17–24.
4. Беленков А. И., Мазиров М. А., Воронов М. А. Результаты научного и практического освоения точного земледелия в полевом опыте // Плодородие. 2025. №1. С. 31–41.
5. Клебанович Н. В., Киндеев А. Л., Сазонов А. А. Геостатистический анализ при картографировании пространственной неоднородности влажности и кислотности почв // Геосферные исследования. 2021. № 3. С. 80–91.
6. Кузякова И. Ф, Романенков В. А., Кузяков Я. В. Метод геостатистики в почвенно-агрохимических исследованиях // Почвоведение. 2001. № 9. С. 1132–1139.
7. Выбор метода геостатистической интерполяции свойств почв государственных сортоиспытательных участков при использовании параметров цифровой модели рельефа / И. А. Сахабиев, С. С. Рязанов, Т. Г. Кольцова и др. // Почвоведение.2018. №3. С. 259–273.
8. Identifying hidden factors influencing soil Olsen-P in an alkaline calcareous soil using machine learning and geostatistical techniques / M. Bouray, M. Bayad, A. Beniaich, et al. // Heliyon. 2024. Vol. 10. No. 21. P. e40128.URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844024161592 (дата обращения: 02.05.2025).
9. Heuvelink G. B., Webster R., Spatial statistics and soil mapping: a blossoming partnership under pressure // Spatial statistics. 2022. Vol. 50. P. 100639. URL:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211675322000264 (дата обращения: 02.05.2025).
10. Сахабиев И.А. Рязанов С.С. Исследование пространственной изменчивости свойств почв с использованием геостатистического подхода // Российский журнал прикладной экологии. 2015. № 2. С. 32–37.
11. Киндеев А. Л. Перспективные направления геостатистического анализа и стохастического моделирования с учетом экономических издержек при точном земледелии // Вестн. Моск. ун-та. Cер. 17. Почвоведение. 2022. № 2. C. 59–70.
12. Лукин С. В. Многолетняя динамика плодородия пахотных почв Белгородской области // Агрохимический вестник. 2013. № 4. С. 54–56.
13. Суринов А. В. Динамика плодородия пахотных черноземов лесостепной зоны ЦентральноЧерноземных областей России // Вестник Казанского ГАУ. 2021. № 1 (61). С. 57–61.
14. Oliver M.A., Webster R. Basic Steps in Geostatistics: The Variogram and Kriging. Springer. 2015. 100 p.
15. Field-Scale Variability of Soil Properties in Central Iowa Soils / C. Cambardella, T. Moorman, J. Novak, et al. // Soil Sci. Soc. Am. J. 1994. Vol. 58. P. 1501–1511.
16. Гинзбург К. Е. Методы определения фосфора в почве // Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука. 1975. С. 106–187.
17. Overmars K. P., de Koning G. H. J., Veldkamp A. Spatial autocorrelation in multi-scale land use models // Ecological Modelling. 2003. Vol. 164. P. 257–270.
18. Assessment of spatial variability of soil properties using geospatial techniques for farm level nutrient management / D. Vasu, S. Singh, N. Sahu, et al. // Soil Till. Res. 2017. Vol. 169. P. 25–34.
19. Tillage ManagementImpacts on Soil PhosphorusVariability under Maize–Soybean Rotation in Eastern Canada / J. D. Nze Memiaghe, A. N. Cambouris., N. Ziadi, et al. // Soil Syst. 2022. Vol. 6 (2). P. 2–20.
20. Sun B., Zhou S., Zhao Q. Evaluation of spatial and temporal changes of soil quality based on geostatistical analysis in the hill region of subtropical China // Geoderma. 2003. Vol. 115. No. 1–2, P. 85–99.
21. Лукманов А. А. Оценка вклада факторов в почвенный фонд фосфора в лесостепных черноземах Республики Татарстан // Агрохимический вестник. 2019. № 5. С. 3–7.
22. Лукманов А. А., Нуриев С. Ш., Давлятшин И. Д. Состояние плодородия пахотных почв Республики Татарстан и урожайность сельскохозяйственных культур // Плодородие. 2010. № 2. С. 6–8.
23. Агрохимические факторы интенсификации земледелия и калийный режим почв Предволжья Республики Татарстан / А. А. Лукманов, М. Ю. Гилязов, Р. М. Гайнуллин и др. // Агрохимический вестник. 2025. №1. С. 44–49.
24. Динамика плодородия почв Республики Татарстан/ П. А. Чекмарев, А. А. Лукманов, С. Ш. Нуриев и др. // Достижения науки и техники АПК. 2014. № 4. С. 6–9.
25. Гилязов М. Ю., Лукманов А. А., Зарипов Д. Ф. Уровень применения агрохимикатов и фосфатный режим пахотных почв Предволжья Республики Татарстан // Агробиотехнологии и цифровое земледелие. 2024. Т. 3. № 4. С. 18–24.
26. Известкование кислых почв в Республике Татарстан / А. А. Лукманов, К. В. Владимиров, А. А. Валиев и др. // Достижения науки и техники АПК. 2021. №9. С. 15–18.
27. Effects of long-term cultivation on spatial-temporal variation of soil nitrogen and phosphorus: a case study in Shaanxi Province, China / J. Cao, Y. Chen, H. Wang, et al. // Environ Monit Assess. 2023. Vol. 195. No. 1439. P. 1–13. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s10661-023-12038-3 (дата обращения: 02.05.2025).
1. Samsonova VP, Krotov DG, Lavrinova EYu. [Spatial variability of agrochemical properties of agricultural lands in Bryansk region]. Agrokhimiya. 2017; 7. 11-18 p.
2. Belousova EN, Belousov AA, Ulyanova OA. [Assessment of spatial variability of agrochemical properties of agrogray soil when planning a field experiment with mineral fertilizers]. Vestnik NGAU (Novosibirskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet). 2024; 3. 5-12 p.
3. Mudrykh NM, Samofalova IA. [Modeling of spatial variability of agrochemical parameters of soils in agrolandscapes of the Non-Black earth region]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2019; 5. 17-24 p.
4. Belenkov AI, Mazirov MA, Voronov MA. [Results of scientific and practical development of precision farming in a field experiment]. Plodorodie. 2025; 1. 31-41 p.
5. Klebanovich NV, Kindeev AL, Sazonov AA. [Geostatistical analysis in mapping the spatial heterogeneity of soil moisture and acidity]. Geosfernye issledovaniya. 2021; 3. 80-91 p.
6. Kuzyakova IF, Romanenkov VA, Kuzyakov YaV. [The geostatistics method in soil-agrochemical studies]. Pochvovedenie. 2001; 9. 1132-1139 p.
7. Sakhabiev IA, Ryazanov SS, Koltsova TG. [Selecting a method for geostatistical interpolation of soil properties in state variety testing sites using digital elevation model parameters]. Pochvovedenie. 2018; 3. 259-273 p.
8. Bouray M, Bayad M, Beniaich A. Identifying hidden factors influencing soil Olsen-P in an alkaline calcareous soil using machine learning and geostatistical techniques. [Internet]. Heliyon. 2024; Vol.10. No.21. e40128 p. [cited 2025, May 02]. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844024161592.
9. Heuvelink GB, Webster R. Spatial statistics and soil mapping: a blossoming partnership under pressure. [Internet]. Spatial statistics. 2022; Vol.50. 100639 p. [cited 2025, May 02]. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211675322000264.
10. Sakhabiev IA, Ryazanov SS. [Study of spatial variability of soil properties using a geostatistical approach]. Rossiyskiy zhurnal prikladnoy ekologii. 2015; 2. 32-37 p.
11. Kindeev AL. [Promising directions of geostatistical analysis and stochastic modeling taking into account economic costs in precision farming]. Vestn. Mosk. un-ta. Cer. 17. Pochvovedenie. 2022; 2. 59-70 p.
12. Lukin SV. [Long-term dynamics of arable soil fertility in Belgorod region]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2013; 4. 54-56 p.
13. Surinov AV. [Dynamics of fertility of arable chernozems in the forest-steppe zone of the Central Black Earth regions of Russia]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2021; 1 (61). 57-61 p.
14. Oliver MA, Webster R. Basic steps in geostatistics: the variogram and kriging. Springer. 2015; 100 p.
15. Cambardella C, Moorman T, Novak J. Field-scale variability of soil properties in central Iowa soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 1994; Vol.58. 1501-1511 p.
16. Ginzburg KE. [Methods for determining phosphorus in soils]. Agrokhimicheskie metody issledovaniya pochv. Moscow: Nauka. 1975; 106-187 p.
17. Overmars KP, de Koning GHJ, Veldkamp A. Spatial autocorrelation in multi-scale land use models. Ecological Modelling. 2003; Vol.164. 257-270 p.
18. Vasu D, Singh S, Sahu N. Assessment of spatial variability of soil properties using geospatial techniques for farm level nutrient management. Soil Till. Res. 2017; Vol.169. 25-34 p.
19. Nze Memiaghe JD, Cambouris AN, Ziadi N. Tillage management impacts on soil phosphorus variability under maize-soybean rotation in Eastern Canada. Soil Syst. 2022; Vol.6 (2). 2-20 p.
20. Sun B, Zhou S, Zhao Q. Evaluation of spatial and temporal changes of soil quality based on geostatistical analysis in the hill region of subtropical China. Geoderma. 2003; Vol.115. No.1-2. 85-99 p.
21. Lukmanov AA. [Assessment of the contribution of factors to the soil phosphorus fund in forest-steppe chernozems of the Republic of Tatarstan]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2019; 5. 3-7 p.
22. Lukmanov AA, Nuriev SSh, Davlyatshin ID. [The state of arable soils fertility of the Republic of Tatarstan and the yield of agricultural crops]. Plodorodie. 2010; 2. 6-8 p.
23. Lukmanov AA, Gilyazov MYu, Gaynullin RM. [Agrochemical factors of agriculture intensification and potassium regime of soils in Volga region of the Republic of Tatarstan]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2025; 1. 44-49 p.
24. Chekmarev PA, Lukmanov AA, Nuriev SSh. [Dynamics of soil fertility in the Republic of Tatarstan]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2014; 4. 6-9 p.
25. Gilyazov MYu, Lukmanov AA, Zaripov DF. [Agrochemicals application level and phosphate regime of arable soils in Volga region of the Republic of Tatarstan]. Agrobiotekhnologii i tsifrovoe zemledelie. 2024; Vol.3. 4. 18-24 p.
26. Lukmanov AA, Vladimirov KV, Valiev AA. [Liming of acidic soils in the Republic of Tatarstan]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2021; 9. 15-18 p.
27. Cao J, Chen Y, Wang H. Effects of long-term cultivation on spatial-temporal variation of soil nitrogen and phosphorus: a case study in Shaanxi Province, China. [Internet]. Environ Monit Assess. 2023; Vol.195. No.1439. 1-13 p. [cited 2025, May 02]. Available from: https://link.springer.com/article/10.1007/s10661-023-12038-3.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
Categories
License
Copyright (c) 2026 Vestnik of Kazan state agrarian university
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
