Использование статистики каппа для оценки многолетних изменений внутрипольной неоднородности содержания доступных форм фосфора и калия
Анализ многолетней изменчивости свойств почв и продуктивности посевов — важнейшая задача длительных почвенных исследований, вместе с тем методические подходы к их проведению остаются еще в недостаточной степени проработанными. Актуальной задачей современной агрохимии является изучение направленности изменений внутрипольной пространственной неоднородности пахотных угодий по содержанию доступных форм питательных элементов при длительном и интенсивном использовании земель. Особенно важным проведение данных исследований становится в последние десятилетия в связи с широким внедрением в сельскохозяйственное производство информационных технологий цифрового земледелия и использования роботизированной техники для дифференцированного внесения минеральных удобрений.
Технологии точного (прецизионного) земледелия строятся на оценке пространственной и временной неоднородности пахотных угодий и ориентированы, в отличие от традиционных технологий, на адаптацию самой системы земледелия к внутрипольной неоднородности отдельных почвенных свойств, включая агрохимические свойства. Очевидно, что стратегия применения технологий точного земледелия в будущем, в том числе систем дифференцированного внесения удобрений, делает необходимым разработку новых методов изучения и количественного описания как пространственной, так временной неоднородности сельскохозяйственных угодий, а также методов оценки направленности изменения показателей состояния почвенного покрова.
В данном аспекте становится особенно важной оценка изменчивости пространственной структуры внутрипольной неоднородности агрохимических показателей почв на длительную перспективу во временные промежутки, измеряемые как минимум десятилетиями. Однако решение этой задачи имеет определенные трудности, в том числе связанные с использованием в разные годы разных методов оценки обеспеченности пашни доступными элементами питания, что делает затруднительным сопоставление имеющихся многолетних агрохимических данных.
Для решения настоящей задачи могут быть весьма полезны статистические подходы, направленные на оценку согласованности (несогласованности) данных, полученных разными методами, различными оценщиками, или проведенные в разное время. Такие, например, как статистика каппа Коэна или метод Бланда — Альтмана. Известно, что указанные методы дают более надежную оценку согласованности (несогласованности) оценок, чем традиционные подходы, основанные на оценке коэффициента корреляции или построения регрессионных моделей.
В последнее время методы оценки согласованности данных находят достаточно широкое применение и в почвоведении. Обычно для сравнения почвенных и тематических почвенных карт, полученных экспертным и цифровым картографированием, разными методами цифрового картографирования, а также группами, проводившими работы в разное время. К достоинствам статистики каппа можно отнести то, что при достаточной простоте расчетов при оценке согласованности учитывается вероятность случайных совпадений, что существенно повышает надежность оценок.
Цель работы — на примере полей государственного сортоиспытательного участка (ГСУ) изучить возможности использования статистики каппа для оценки направленности многолетних изменений внутрипольной пространственной неоднородности содержания доступных форм фосфора и калия, определенных с применением различных методов.
Материалы и методы исследования
Для выполнения работы были использованы данные агрохимического обследования почв Арского ГСУ, проводившегося сотрудниками кафедры почвоведения Казанского университета с 1965 по 2021 г. Арский ГСУ расположен на территории Западного Предкамья Республики Татарстан (N: 56°06’46.6″, Е: 49°46’31.4″). Рельеф исследованного участка представлен слабопологим склоном, постепенно снижающимся к южной части участка.
На территории Арского ГСУ распространены различные вариации светло-серых лесных почв тяжелосуглинистого гранулометрического состава, сформированных на карбонатных глинах и делювиальных суглинках, а также дерново-слабоподзолистые тяжелосуглинистые почвы на делювиальных суглинках (рис. 1). Выбор для проведения исследований полей ГСУ был связан прежде всего с тем, что поля сортоиспытательных участков можно отнести к угодьям интенсивного использования, а также на них традиционно строго соблюдали научно обоснованные технологии выращивания сельскохозяйственных культур, вносили расчетные дозы минеральных и органических удобрений и регулярно проводили мероприятия по комплексному агрохимическому окультуриванию полей.
При проведении первого обследования в 1965 г. территория ГСУ была поделена на прямоугольные элементарные участки (1–1,5 га). Объединенные образцы составляли из 20–40 индивидуальных проб, отобранных по маршруту вдоль длинной стороны элементарных участков тростевым буром на всю глубину пахотного слоя. При проведении агрохимических обследований в последующие годы схема отбора проб сохранялась. Всего отобрали и проанализировали по 48 смешанных образцов.
Для изучения многолетней динамики содержания подвижного фосфора и обменного калия использовали данные агрохимических обследований, проведенных в 1965 г., 1987 г. и 2021 г. Определение содержания доступного P2O5 проводили в 1965 г. по методу Труога, в 1987 г. и 2021 г. — по методу Кирсанова, K2O в 1965 г. и 1987 г. — по методу Масловой, в 2021 г. — по методу Кирсанова.
В таблице 1 представлены статистические параметры пространственного варьирования агрохимических показателей на обследованной территории в разные годы, полученных с использованием разных методов анализа.
Для оценки обеспеченности почв доступными формами фосфора и калия, определенных различными методами, использовали градации (табл. 2).
Для нахождения коэффициента согласия каппа Коэна (κ) использовали методику расчетов, описанную в работе Предварительно строили таблицы сопряженности, в которых представлялись результаты оценки обеспеченности почв элементом питания на одних и тех же элементарных участках отбора смешанных проб, полученных при использовании разных методов анализа или анализов, проведенных одним методом в разные годы.
Теоретическая таблица сопряженности оценок обеспеченности почв элементом питания представлена в таблице 3. При составлении таблицы сопряженности по ее диагонали (выделено серым цветом) представляется для каждого класса обеспеченности число образцов с совпадающими оценками, вне диагонали — несогласующиеся оценки обеспеченности.
По таблице 3 рассчитывается общая точность (ϴ1) по формуле:
где: Xii — совпадающие (расположенные по диагонали) значения оценок по каждому классу обеспеченности, получаемые при использовании разных методов; r — число градаций обеспеченности; n — общий объем выборки.
Затем рассчитывается гипотетическая вероятность случайного согласия (ϴ2) по формуле:
где: Xi+ — сумма совпадающих и несовпадающих значений оценок по каждому классу обеспеченности при использовании метода А (или одного года обследования); X+i — сумма совпадающих и несовпадающих значений оценок по каждому классу обеспеченности при использовании метода Б (или другого года обследования); r — число градаций обеспеченности; n — общий объем выборки.
Значение коэффициента каппа рассчитывается по формуле:
Интерпретировали полученные значения коэффициента каппа, придерживаясь следующей градации согласованности:
< 0 — меньше, чем чисто случайное совпадение;
0,01–0,20 — слабое совпадение;
0,21–0,40 — удовлетворительное совпадение;
0,41–0,60 — умеренное совпадение;
0,61–0,80 — существенное совпадение;
0,80–0,99 — почти полное совпадение.
Результаты и обсуждение
В таблице 4 представлены показатели согласованности оценок обеспеченности почв подвижным фосфором, определенных в 1965 г. по методу Труога и в 1987 г. по методу Кирсанова. В таблице 5 — показатели согласованности оценок обеспеченности почв подвижным фосфором, определенных в 1987 г. и 2021 г. по методу Кирсанова.
В таблице 6 указаны показатели согласованности оценок обеспеченности почв подвижным калием, определенных в 1965 г. и в 1987 г. по методу Масловой, в таблице 7 — определенных в 1987 г. по методу Масловой и в 2021 г. по методу Кирсанова.
Из таблиц 4–7 сопряженности были рассчитаны показатели согласия — общая точность оценок (ϴ1), гипотетическая вероятность случайного согласия (ϴ2), значение коэффициента согласия каппа Коэна (κ) оценок обеспеченности пахотных угодий подвижным фосфором и подвижным калием, полученных в разные годы с применением разных методов (табл. 8). В таблице 8 для сопоставления приведены данные расчета коэффициента корреляции Пирсона (r) между показателями содержания подвижного фосфора и обменного калия, полученными в разные годы с применением разных методов.
Из анализа данных таблицы 8 можно сделать вывод, что обеспеченность фосфором по коэффициенту каппа показывает между обследованиями 1965 г. и 1987 г. умеренное совпадение (κ = 0,45), между обследованиями 1987 г. и 2021 г. существенное совпадение (κ = 0,62), хотя по коэффициенту корреляции Пирсона практически не наблюдается разницы по согласованности данных, значения коэффициента очень близки и составляют r = 0,51 и r = 0,52 соответственно.
Высокую согласованность можно объяснить тем, что содержание доступного фосфора в почвах является достаточно постоянным во времени, и даже за десятилетия интенсивного использования полей структура внутрипольной пространственной вариабельности сильно не меняется. Совсем иные закономерности наблюдаются по подвижному калию. Обеспеченность подвижным калием по коэффициенту каппа между данными 1965 г. и 1987 г. показывает очень слабое совпадение (κ = 0,10), но между данными 1987 г. и 2021 г. согласованность может оцениваться уже как удовлетворительная (κ = 0,25), в то время как корреляция между данными статистически незначима.
Можно сделать вывод, что структура внутрипольной пространственной неоднородности пахотных угодий по содержанию обменного калия, как более лабильного агрохимического показателя, при длительном интенсивном их использовании в земледелии сохраняется в достаточно слабой степени.
Данные оценки как среднего содержания (табл. 1), так и увеличения обеспеченности P2O5 и K2O отдельных элементарных участков отбора проб (табл. 8) показывают, что с 1965 по 1987 г. происходило увеличение обеспеченности пашни доступными формами фосфора и калия. По данным исследований, проведенных сотрудниками кафедры почвоведения Казанского университета с 1965 по 1977 г., в целом по ГСУ Татарской АССР наблюдался положительный баланс содержания доступных элементов питания, который для Арского ГСУ составил +38 мг/кг для подвижного P2O5 и +42 кг/га для обменного K2O, что подтверждалось статистическими данными, в которых показывалось увеличение доз, вносимых на поля ГСУ в данный период времени минеральных и органических удобрений.
С 1987 по 2021 г., наоборот, наблюдали снижение обеспеченности полей доступными формами фосфора и калия как по средним показателям их содержания на обследованной территории, так и по уменьшению обеспеченности отдельных элементарных участков (табл. 8), что можно считать вполне ожидаемым. Хотя Республика Татарстан является одним из лидеров среди субъектов Российской Федерации по объемам применения удобрений, в среднем за последние десятилетия степень восполнения выноса NPK c урожаем составила лишь 80–88%, в том числе по фосфору — 60–63%, по калию — лишь 40–43%.
С начала 2000-х годов содержание Р2О5 на пахотных землях устойчиво снижается со среднегодовыми темпами 0,72–0,75 мг/кг, а среднереспубликанские показатели ежегодного снижения содержания для К2О достигают 0,08 мг/кг. Во многом данные негативные тенденции определяются снижением внесения органических удобрений. Если под урожай 1992 г. в республике их было внесено 17,7 млн т (или 5,8 т/га), то в 2022-м — только 3,52 млн т (или 1,31 т/га).
Однако, несмотря на разнонаправленные тенденции изменения обеспеченности обследованных полей доступными формами элементов питания, сохраняется одна закономерность: как при увеличении обеспеченности, так и при снижении обеспеченности внутрипольная вариабельность содержания P2O5 и K2O только увеличивалась. Если в 1965 г. коэффициент вариации содержания P2O5 составил 19,4%, K2O — 16,3%, то в 1987 г. для P2O5 значение коэффициента вариации составило 25,5%, для K2O — 22,1%, а в 2021 году вариабельность P2O5 составляла уже 32,1%, K2O — 26,5%.
Иными словами, несмотря на различные тенденции изменения обеспеченности полей за 56 лет наблюдений, внутрипольная неоднородность содержания доступных форм фосфора и калия обследованной территории увеличилась от средней вариабельности до высокой (по фосфору близкой к очень высокой). Если данная тенденция сохранится в будущем, необходимость выравнивания полей по обеспеченности доступными элементами питания с применением технологий дифференцированного внесения минеральных удобрений, видимо, может стать безальтернативной.
Выводы
Анализ обеспеченности полей Арского ГСУ подвижным фосфором, проведенный с использованием коэффициента каппа, выявил умеренное совпадение данных между обследованиями в 1965 г. и 1987 г. (по методикам Труога и Кирсанова). В то же время между обследованиями в 1987 г. и 2021 г. (по методике Кирсанова) наблюдалось существенное совпадение. Однако при оценке согласованности данных с помощью коэффициента корреляции Пирсона значимых различий не выявлено: значения коэффициента составили r = 0,51 для 1965–1987 гг. и r = 0,52 для 1987–2021 гг.
Что касается обеспеченности полей калием, анализ по коэффициенту каппа показал очень слабое совпадение данных между 1965 г. и 1987 г. (по методике Масловой). При этом между данными 1987 г. и 2021 г. (по методикам Масловой и Кирсанова) согласованность может быть оценена как удовлетворительная. Однако статистически значимая корреляция между данными отсутствует, что указывает на необходимость учета дополнительных факторов при интерпретации результатов.
Таким образом, результаты анализа демонстрируют различную степень согласованности данных в зависимости от используемых методик и временных периодов, что подчеркивает важность комплексного подхода при оценке динамики изменения обеспеченности почв питательными элементами.
Об авторах
Ильназ Алимович Сахабиев, кандидат биологических наук, доцент
IlnASahabiev@kpfu.ru http://orcid.org/0000-0003-4339-9704
Камиль Гашикович Гиниятуллин, кандидат биологических наук, доцент
ginijatullin@mail.ru http://orcid.org/0000-0003-4102-2209
Елена Васильевна Смирнова, кандидат биологических наук, доцент, заведующая кафедрой
elenavsmirnova@mail.ru http://orcid.org/0000-0002-3081-7615
Казанский (Приволжский) федеральный университет, ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008, Россия
УДК 631.41:631.811+519.2
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-395-06-101-108
