The experience of large-scale modelling of soil erosion over the entire period of agricultural use of a small catchment in the Tula region

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

For a small catchment area in Tula region, a quantitative assessment of soil layers and volumes of soil erosion over the entire period of agricultural use was conducted. The assessment was based on the distribution of leached Chernozems (Luvic Chernic Phaeozems) and Podzols (Luvic Greyzemic Chernic Phaeozems). The total soil loss was determined by comparing the thickness of humified soil horizons on plowed slopes with those on nearby flat watersheds. The washout layer was calculated using the SERSAL model, developed at the Department of Soil Erosion and Riverbed Processes, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University, based on the adapted and modified USLE natural setting of Central Russia. Based on archival and literary data, we have reconstructed changes in the spatial position of arable land boundaries, farming systems, crop composition, and other erosion factors over the course of three and a half centuries of agricultural development in the watershed. The obtained values were used as input parameters for the model. A comparison of the simulated results and actual soil losses on plowed slopes showed good agreement. When calculating with the Cell variant of the SERSAL model, using an indelible soil standard of 85 cm to determine total soil losses at well points, the simulated volume of washout was 1.2% lower than the actual losses. This confirms the importance of quantifying the contribution of mechanical erosion to total soil loss on arable slopes.. It has been revealed that it is important to take into account changes in the micro-relief of arable land during the study period due to erosion-accumulation processes and mechanical erosion.

About the authors

N. N. Ivanova

Lomonosov Moscow State University

Email: nadine_iv@mail.ru
Moscow, 119991 Russia

S. F. Krasnov

Lomonosov Moscow State University

Email: nadine_iv@mail.ru
Moscow, 119991 Russia

M. M. Ivanov

Lomonosov Moscow State University; Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nadine_iv@mail.ru
Moscow, 119991 Russia; Moscow, 119017 Russia

References

  1. Бассейн Дона. Водосбор Красивой Мечи: Исслед. Лесоводств. отд. 1894 г.: С 2 карт. водосбора Красивой Мечи. М.: Типо-лит. т-ва И.Н. Кушнерев и К°, 1902. 131 с. 2 л. карт. (Труды экспедиции для исследования источников главнейших рек Европейской России).
  2. Белоцерковский М.Ю., Ларионов Г.А. Отчуждение мелкозема с урожаем картофеля и корнеплодов – составная часть потерь почвы // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, география. 1988. № 4. С. 49–54.
  3. Болотов А.Т. О разделении полей // Тр. Вольного экономического общества. 1771. Ч. XVII. С. 48–168.
  4. Былинская Л.Н., Дайнеко Е.К. Исследование плоскостного смыва методом анализа почвенных профилей (Курская область) // Геоморфология. 1985. № 2. С. 52-59.
  5. Военно-топографическая карта Тульской губернии. 1861. РГВИА, фонд 846. Опись 16. Дело № 215005.
  6. Генерального плана Чернского уезда часть IIя (масштаб 2 версты в дюйме, 1 : 84000), 1798 г. http://etomesto.ru/
  7. Геннадиев А.Н., Герасимова М.И., Пацукевич З.В. Скорость почвообразования и допустимые нормы эрозии почв // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, география. 1987. № 3. С. 31–36.
  8. Геннадиев А.Н., Чернянский С.С., Ковач Р.Г. Сферические магнитные частицы как микрокомпоненты почв и трассеры массопереноса // Почвоведение. 2004. № 5. С. 566–580.
  9. Главнейшие данные поземельной статистики по обследованию 1887 г. (Статистика Российской империи). Вып. 44. Тульская губерния. СПб, 1899. 42 с.
  10. Голеусов П.В., Лисецкий Ф.Н. Воспроизводство почв в антропогенных ландшафтах лесостепи. Белгород, 2005. 232 с.
  11. Жидкин А.П., Фомичева Д.В., Заздравных Е.А Эрозия и самовосстановление почв на Среднерусской возвышенности // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2024. Т. 79. № 3. С. 49–58.
  12. Жидкин А.П., Фомичева Д.В., Иванова Н.Н., Шамшурина Е.Н. Варьирование баланса наносов и структуры эродированных почв за счет изменения конфигурации пашни малого водосбора Тульской области // Эволюция почв и развитие научных представлений в почвоведении. Барнаул, 2022. С. 335–340.
  13. Иванов И.В., Табанакова Е.Д. Мощность гумусового горизонта – фундаментальная характеристика черноземов; причины и скорости ее изменений во времени // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям. М., 2002. С. 239.
  14. Иванова Н.Н., Голосов В.Н., Маркелов М.В. Сопоставление методов оценки интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов на обрабатываемых склонах // Почвоведение. 2000. № 7. С. 898–906.
  15. Иванова Н.Н. Фомичева Д.В., Рухович Д.И., Шамшурина Е.Н. Ретроспективный анализ истории земледельческого освоения и оценка темпов эрозии почв в бассейне р. Локна, Тульская область // Почвоведение. 2023. № 7. С. 1–15.
  16. Кирюхина З.П., Ларионов Г.А., Литвин Л.Ф., Пацукевич З.В. Смытые почвы: современное состояние и прогноз изменений // Почвоведение. 1991. № 5. С. 100–108.
  17. Кирюхина З.П., Серкова Ю.В. Вариабельность морфометрических показателей подзолистых почв и диагностика эродированности // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 12. М.: Изд-во МГУ, 2000. С. 63–70.
  18. Климентьев А. И. Эрозионная деградация черноземов заволжско-уральского региона // Степи Северной Евразии. Матер. шестого междунар. Симп. и восьмой Междунар. школы-семинара Молодых ученых “Геоэкологические проблемы Степных регионов”. Оренбург, 2012. С. 391–396.
  19. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв. М.: Изд-во МГУ, 1993. 200 с.
  20. Литвин Л.Ф. География эрозии почв сельскохозяйственных земель России. М.: ИКЦ “Академкнига”, 2000. 255 с.
  21. Перепелицын А.В., Фурсов В.Н. Особенности земельных отношений крестьян Центрального Черноземья в 60-90-е годы XIX века // Научные ведомости БелГУ. Сер. История. Политология. Экономика. Информатика. 2008. № 10. Вып. 8. С. 95–100.
  22. Планы дач генерального межевания. РГАДА. Опись 546. Ч. 2. Тульская губерния. Чернский уезд.
  23. Межевая книга Соловского и Чернского уездов. РГАДА. Фонд 1209. Оп. 1. Кн. 528. Листы 1223–1229.
  24. Россия. Полное географическое описание нашего отечества: настольная и дорожная книга для русских людей / Под ред. Семенова В.П. Т. 2. Среднерусская Черноземная область (Курская, Орловская, Тульская, Рязанская, Тамбовская, Воронежская и Пензенская губернии). СПб.: Тип. А.Ф. Девриен, 1902. 717 с.
  25. Рянский Л.М., Рянский Р.Л. О соотношении размеров барской запашки и крестьянского надела в Черноземном центре перед отменой крепостного права // Научные ведомости БелГУ. Сер. История. Политология. Экономика. Информатика. 2011. № 7. Вып. 18. С. 134–140.
  26. Светличный А.А., Пяткова А.В., Плотницкий С.В., Голосов В.Н., Жилкин А.В. Проблема верификации пространственно-распределенных математических моделей водной эрозии почв // Вісник Одеського національного університету. Сер. Географічні та геологічні науки. 2013. Т. 18. Вип. 3. С. 38–49.
  27. Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов на территории европейской части СССР и борьба с ними. М.: Изд-во АН СССР, 1948. Т. I. 308 с.
  28. Флёсс А.Д. Миграция радиоцезия чернобыльского выброса с продуктами эрозии почв. 2. Изучение влияния почвенных свойств на содержание Cs-137 в почвах и продуктах эрозии // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, Почвоведение. 1998. Т. 3. С. 28–31.
  29. Чаянов А.В. Южная граница преобладания трехпольной системы полевого хозяйства на крестьянских землях России к началу XX века // Крестьяноведение. 2019. Т. 4. № 2. С. 62–82. https://doi.org/10.22394/2500-1809-2019-4-2-62-82
  30. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. Киев: Вища школа, 1981, 210 с.
  31. Щепкина Е.Н. Тульский уезд в XVII веке: его вид и население по писцовым и переписным книгам. М.: Университет. тип., 1892. № 4. С. XXXII.
  32. Яковлев А.И. Засечная черта Московского государства в XVII веке: очерк из истории обороны южной окраины Московского государства. М.: Тип. Г. Лисснера и Д. Совко, 1916. 321 с.
  33. Alatorre L.C., Beguería S., Lana-Renault N., Navas A., García-Ruiz J. M. Soil erosion and sediment delivery in a mountain catchment under scenarios of land use change using a spatially distributed numerical model // Hydrology and Earth System Sci. 2012. V. 16. P. 1321–1334.
  34. Bakker M., Govers G., Kosmas C., Vanacker V., Van Oost K., Rounsevell M. Soil erosion as a driver of land-use change // Agriculture, Ecosystems and Environment. 2005. V. 105. P. 467–481.
  35. Batista P.V.G., Evans D.L., Cândido B.M., Fiener P. Does soil thinning change soil erodibility? An exploration of long-term erosion feedback systems // Soil. 2023. V. 9. P. 71–88. https://doi.org/10.5194/soil-9-71-2023
  36. Batista P.V., Davies J., Silva M. L., Quinton J. N. On the evaluation of soil erosion models: Are we doing enough? // Earth-Sci. Rev. 2019. V. 197. P. 102–898. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2019.102898
  37. Baude M., Meyer B.C., Schindewolf M. Land use change in an agricultural landscape causing degradation of soil based ecosystem services // Sci. Total Environ. 2019. V. 659. P. 1526–1536.
  38. Bircher P., Liniger H., Prasuhn V. Comparison of long-term field-measured and RUSLE-based modelled soil loss in Switzerland // Geoderma Regional. 2022. V. 31. P. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2022.e00595
  39. Borrelli P., Meusburger K., Bballabio C., Ppanagos P., Alewell C. Object-oriented soil erosion modelling: a possible paradigm shift from potential to actual risk assessments in agricultural environments // Land Degradation Development. 2018. V. 29. P. 1270–1281.
  40. Borrelli P., Aalewell C., Alvarez P., Anache J.A.A., Baartman J., Ballabio C., et al. Soil erosion modelling: a global review and statistical analysis // Sci. Total Environ. 2021. V. 780. P. 146–494. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146494
  41. Chartin C., Evrard O., Salvador-Blanes S., Hinschberger F., van Oost K., Lefèvre I., Daroussin J., Macaire J.-J. Quantifying and modelling the impact of land consolidation and field borders on soil redistribution in agricultural landscapes (1954–2009) // Catena. 2013. V. 110. P. 184–195.
  42. Devátý J., Dostál T., Hösl R., Krása J., Strauss P. Effects of historical landuse and land pattern changes on soil erosion – case studies from Lower Austria and Central Bohemia // Land Use Policy. 2019. V. 82. P. 674–685. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2018.11.058
  43. Foucher A., Le Gall M., Salvador-Blanes S., Evrard O., Cerdan O., Laceby J.-P., Vandromme R., et al. Accroissement de la contribution des sources d’érosion aux rivières et plans d’eau (1950–2010): le cas du Louroux (Indre-et-Loire, France) // La Houille Blanche. 2017. V. 6. P. 11–18.
  44. Gianinetto M., Aiello M., Polinelli F., Frassy F., Rulli M., Ravazzani G., Bocchiola D., Chiarelli D., Soncini A., Vezzoli R. D-RUSLE: a dynamic model to estimate potential soil erosion with satellite time series in the Italian Alps // Eur. J. Remote Sensing. 2019. V. 52. P. 34–53. https://doi.org/10.1080/22797254.2019.1669491
  45. Gobin A., Jones R., Kirkby M., Campling P., Govers G., Kosmas C., Gentile A.R. Indicators for pan-European assessment and monitoring of soil erosion by water // Environ. Sci. Policy. 2004. V. 7. P. 25–38.
  46. Golosov V.N., Shamshurina E.N., Kolos G.I., Petel’ko A.I., Zhidkin A.P. Spatiotemporal Changes in the Erosion and Deposition Processes in a Small Catchment in the North of the Central Russian Upland // Eurasian Soil Sci. 2024. V. 57. P. 838–852. https://doi.org/10.1134/S1064229323603682
  47. Govers G., Vandaele K., Poesen J., Bunte K., Desmet P.J.J. The role of tillage in soil redistribution on hillslopes // Eur. J. Soil Sci. 2006. V. 45. P. 469–78. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1994.tb00532.x
  48. Govers G. Ch. 7. Misapplications and misconceptions of erosion models // Handbook of Erosion Modelling. Wiley Online Library. 2010. P. 117–134.
  49. Ivanov M.M., Ivanova N.N., Krasnov S.F. The Role of Lynchets in the Redistribution of Products of Anthropogenic Soil Erosion // Moscow Univ. Soil Sci. Bull. 2024. V. 79. P. 298–305. https://doi.org/10.3103/S0147687424700212
  50. Kearneya S.P., Fonteb S.J., Garcíac E., Smuklera S.M. Improving the utility of erosion pins: absolute value of pin height change as an indicator of relative erosion // Catena. 2018. V. 163. P. 427–432.
  51. Kijowska-Strugała M., Bucała-Hrabia A., Demczuk P. Long-term impact of land use changes on soil erosion in an agricultural catchment (in the Western Polish Carpathians) // Land Degradation and Development. 2018. V. 29. P. 1871–1884.
  52. Kim S.M., Jang T.I., Kang M.S., Im S. J., Park S.W. GIS-based lake sediment budget estimation taking into consideration land use change in an urbanizing catchment area // Environ. Earth Sci. 2014. V. 71. P. 2155–2165. https://doi.org/10.1007/s12665-013-2621-7
  53. Latocha A., Szymanowski M., Jeziorska J., Ste M., Roszczewska M. Effects of land abandonment and climate change on soil erosion – An example from depopulated agricultural lands in the Sudetes Mts., SW Poland // Catena. 2016. V. 145. P. 128–141.
  54. Lobb D., Kachanoski G., Miller M. Tillage translocation and tillage erosion in the complex upland landscapes of southwestern Ontario, Canada // Soil Till. Res. 1999. V. 51. P. 189–209.
  55. Meijer A., Heitman J., White J., Austin R. Measuring erosion in long-term tillage plots using ground-based lidar // Soil Till. Res. 2013. V. 126. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.still.2012.07.002
  56. Nearing M.A. Evaluating soil erosion models using measured plot data: accounting for variability in the data // Earth Surface Processes and Landforms: J. British Geomorphological Res. Group. 2000. V. 25. P. 1035–1043.
  57. Nearing M.A. Why soil erosion models over-predict small soil losses and under-predict large soil losses // Catena. 1998. V. 32. P. 15–22.
  58. Panagos P., Ballabio C., Poesen J., Lugato E., Scarpa S., Montanarella L., Borrelli P. A soil erosion indicator for supporting agricultural, environmental and climate policies in the European union // Remote Sensing. 2020. V. 12. P. 1–21. https://doi.org/10.3390/RS12091365
  59. Panagos P., Borrelli P., Poesen J. Soil loss due to crop harvesting in the European Union: A first estimation of an underrated geomorphic process // Sci. Total Environ. 2019. V. 664. P. 487–498.
  60. Panin A.V., Walling D.E., Golosov V.N. The role of soil erosion and fluvial processes in the post-fallout redistribution of Chernobyl-derived caesium-137: a case study of the Lapki catchment, Central Russia // Geomorph. 2001. V. 40. P. 185–204.
  61. Ranzi R., Le T. H., Rull M.C. A RUSLE approach to model suspended sediment load in the Lo river (Vietnam): Effects of reservoirs and land use changes // J. Hydrology. 2012. V. 422–423. P. 17–29.
  62. Steinhoff-Knopp B., Burkhard B. Mapping Control of Erosion Rates: Comparing Model and Monitoring Data for Croplands in Northern Germany. 2018. One Ecosystem 3. P. e26382.
  63. Świtoniak M. Use of soil profile truncation to estimate influence of accelerated erosion on soil cover transformation in young morainic landscapes, North-Eastern Poland // Catena. 2014. V. 116. P. 173–184. http://dx.doi.org/10.1016/j.catena.2013.12.015
  64. Wakatsuki T., Rasyidin A. Rates of weathering and soil formation // Geoderma. 1992. V. 52. P. 251–263.
  65. van Oost K., Cerdan O., Quine T. A. Accelerated sediment fluxes by water and tillage erosion on European agricultural land // Earth Surface Processes and Landforms. 2009. V. 34. P. 1625–1634.
  66. Van Loo M., Dusar B., Verstraeten G., Renssen H., Notebaert B., D’Haen K., Bakker J. Human induced soil erosion and the implications on crop yield in a small mountainous Mediterranean catchment (SWTurkey) // Catena. 2017. V. 149. P. 491–504. https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.08.023
  67. Wischmeier W.H., Smith D.D. Predicting rainfall erosion losses // Agric. Handbook. Washington. 1978. V. 537. 65 p.
  68. Wischmeier W. H., Smith D.D. Predicting rainfall erosion losses from Cropland East of the Rocky Mountains // Agric. Handbook. Washington, 1965. V. 282. 48 p.
  69. Zapata F. (Ed.). Handbook for the assessment of soil erosion and sedimentation using environmental radionuclides. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2002. 219 p.
  70. Zhidkin A., Fomicheva D., Ivanova N., Dostal T., Yurova A., 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 Conservation Res. 2022. V. 10. P. 149–160. https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2021.06.003
  71. 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.

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».