Введение. Площадь современных агроландшафтов засушливой степи Алтайского края составляет почти 1,8 млн га, включает девять муниципальных районов и на 90 % подвержена вредному воздействию дефляционных процессов [1–3]. Количество вносимых удобрений на 1 га в 2,5 раза ниже минимальной величины. Полностью отсутствуют проекты землеустройства территории [4–6]. В сложившихся условиях аграрное землепользование является крайне неустойчивым и нуждается в инновационных подходах по его организации и оптимизации [7–12]. Одним из таких подходов является перестройка структуры агроценозов, т. е. разработка и введение системы севооборотов, которые обеспечивают максимальный выход биологической продукции и сохранение почвенного плодородия при минимальных затратах [13–17].Цель исследования – агроэкологическая оценка существующих севооборотов засушливой степи Алтайского края для их оптимизации и повышения устойчивости агроландшафтов.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: оценить продуктивность агроландшафтов по муниципальным районам засушливой степи в период с 2002 по 2018 г.; рассчитать сбалансированность процессов минерализации и гумификации органического вещества  в существующей системе севооборотов за обозначенный лаг.Объекты и методы. Агроландшафты засушливой степи Алтайского края стали объектом настоящего исследования. Засушливая степь является одной из четырех подзон землепользования Кулундинской степи. В почвенном покрове преобладают черноземы южные и каштановые почвы. Количественные и качественные характеристики территории получены из общедоступных материалов Управления Росреестра по Алтайскому краю. Также использованы материалы, полученные в результате исследований, проведенных авторами статьи. К методологии исследований отнесены общепринятые методы, используемые при изучении сложных многофункциональных систем: системный подход (анализ), используемый для комплексного изучения вероятностных систем, к которым относятся агроландшафты засушливой степи, а также исторический, ретроспективный, абстрактно-логический, эколого-ландшафтный методы, методы информационного анализа и синтеза.Результаты и их обсуждение. При сельскохозяйственном производстве в ландшафте нарушаются его внутренняя структура и функционирование. Изменения структурно-функциональ­ной организации ландшафта оцениваются по характеристикам биотической компоненты, которые отражают процессы создания, использования, разрушения и остаточного накопления биотической продукции. Текущее функционирование автотрофных компонентов агроландшафта оценивают по первичной продукции, которая фактически совпадает с продуктивностью фитоценоза. Продуктивность агроценоза характеризуется количеством органического вещества (фитомассы), образованного за год в наземной и подземной сферах сообщества за вычетом части, затраченной на дыхание.Годовое количество биомасс, образованное в агроценозах под зерновыми культурами, представлено в таблице 1.  Таблица 1Изменчивость продуктивности агроценозов по административным районам, т/га Административный районСтатистическая характеристикаРазмах варьированияxSSxV, %Бурлинский1,1–4,12,20,90,241Хабарский1,6–4,93,21,00,332Немецкий1,2–5,23,20,80,225Суетский1,4–4,93,20,90,228Благовещенский1,2–4,33,10,80,227Родинский1,5–4,83,10,80,224Волчихинский2,0–4,43,10,60,220Егорьевский2,4–4,33,20,60,218Рубцовский1,9–4,02,80,60,220По подзоне1,1–5,23,00,80,227Здесь и далее: x – среднее арифметическое; S – стандартное отклонение; Sx – ошибка выборочной средней, %; V – коэффициент вариации, %.  Размах варьирования первичной продуктивности агрофитоценозов по подзоне составляет 4,1 т/га. Эта величина включает основную продукцию (зерно), солому и корни растений. По районам размах варьирования годичного количества фитомассы колеблется от 1,9 т/га в Егорьевском районе до 4,0 т/га в Немецком. Увеличение размаха (или интервала) варьирования количества первичной продукции говорит о большой изменчивости продуктивности зерновых по годам. Снижение величины интервала варьирования свидетельствует о меньшем влиянии погодных условий на величину фитомассы, производимой в агроценозах.В естественных фитоценозах засушливой степи количество первичной продукции колеблется от 1,2 до 4,0 т/га при среднеарифметическом значении, равном 2,5 т/га. Величина первичной продукции, создаваемой в природных фитоценозах засушливой степи, определяется видовым составом степных сообществ. Минимальная продуктивность фитоценозов отме­чается в типчаковых степях (1,2–2,0 т/га сухого вещества). Типчаково-тырсовые ассоциации степной растительности дают на 3–5 ц/га продукции больше. Наиболее продуктивными являются разнотравно-типчаково-ковыльные степи, в которых общее количество фитомассы увеличивается до 3–4 т/га.Сравнение среднеарифметических величин фитомассы естественных фитоценозов и агроценозов, занятых зерновыми культурами, показывает, что продуктивность агроценозов на 0,5 т/га выше, и только Бурлинский район обладает меньшей продуктивностью агроценозов на 0,3 т/га, чем природные фитоценозы. Судя по близким значениям продуктивности, фито- и агроценозы засушливой степи должны обеспечивать практически одинаковую устойчивость агроландшафтов. На самом деле часть фитомассы (примерно 30–33 %) в виде урожая зерна изымается из геосистемы, и количество органического вещества, ежегодно поступающего на поверхность почвы и в почву, в среднем сни­жается до 1,5 т/га в Бурлинском районе и до 2,0–2,2 т/га – в других районах подзоны.Урожайность зерновых культур проанализировали за 16 лет. По муниципальным районам она варьировала от 0,3 до 1,7 т/га. Изменчивость урожайности определялась погодными условиями. Так, в сухие годы урожайность зерновых не превышала 0,5 т/га; в засушливые – 0,5–0,8; средние – 0,8–1,1; увлажненные – 1,1–1,4 т/га; во влажные годы урожайность была более 1,4 т/га.Динамика среднеарифметической урожайности зерновых по муниципальным районам засушливой степи показана на рисунке.    Динамика средней урожайности зерновых культур по подзоне  В исследуемый период средняя урожайность зерновых составила всего 1,0 т/га. Восемь лет (или 50 %) из 16 урожайность была ниже среднемноголетней по подзоне, еще восемь лет – выше среднемноголетней (на рисунке среднемноголетняя урожайность показана красной линией). При этом в 2012 и 2014 гг. снижение урожайности произошло на 0,3–0,4 т/га, тогда как в шести годах из восьми (2004–2006, 2008, 2001, 2013) урожайность зерновых была ниже среднемноголетней по подзоне только на 0,05–0,2 т/га. В 2002, 2005, 2017 и 2018 гг. урожайность зерновых  превышала среднемноголетнюю по подзоне на 0,3–0,4 т/га, еще четыре года (2007, 2009, 2010 и 2015) урожайность зерновых была равной среднемноголетней величине или выше на 0,1–0,15 т/га.Изменчивость урожайности за те же годы по административным районам засушливой степи показана в таблице 2.  Таблица 2Статистические характеристики изменчивости урожайности зерновых по районам за 2002–2016 гг., т/га Административный районСтатистическая характеристикаРазмах варьированияхSSxV,%Бурлинский0,4–1,40,760,300,0737Хабарский0,5–1,71,060,340,0932Немецкий0,4–1,81,080,340,0931Суетский0,5–1,71,090,340,0931Благовещенский0,4–1,51,050,330,0831Родинский0,5–1,61,050,330,0831Волчихинский0,7–1,41,040,330,0832Егорьевский0,8–1,51,070,340,0932Рубцовский0,6–1,40,950,320,0834По подзоне0,4–1,81,030,320,0831  Размах варьирования зерновых по административным районам колеблется от 0,64 т/га в Егорьевском районе до 1,34 т/га в Немецком районе. Судя по величинам интервала варьирования, стандартного отклонения и коэффициента вариации наиболее устойчивой урожайностью зерновых отличаются Волчихинский, Егорьевский и Рубцовский районы. В других районах устойчивость урожайности зерновых снижается, о чем свидетельствуют более широкие интервалы варьирования и коэффициенты вариации. Отметим, что среднемноголетняя урожайность зерновых по семи административным районам выше среднемноголетней урожайности зерновых по подзоне. При этом все семь районов не имеют статистически доказанных различий по среднемноголетней урожайности зерновых.В Бурлинском и Рубцовском районах среднемноголетняя урожайность ниже, чем для подзоны в целом. Отличие Бурлинского района от всех прочих районов (кроме Рубцовского) по среднемноголетней урожайности зерновых доказывается величиной НСР при 5 % уровне значимости. Достоверность отличия Рубцовского района от других районов засушливой степи статистически не доказывается.Изменчивость урожайности зерновых культур по годам представлена в таблице 3.  Таблица 3Динамика урожайности зерновых культур, т/га ГодСтатистическая характеристикаРазмах варьированияхSSxV, %20020,9–1,81,360,250,081920030,7–1,31,020,260,092620040,6–1,00,910,120,041320050,4–1,00,810,190,062320060,6–1,30,870,220,072520070,7–1,41,060,240,082320080,8–1,10,960,110,041120091,0–1,61,370,180,061320100,6–1,21,000,180,061820110,7–1,20,940,190,062120120,4–0,90,580,190,063220130,6–1,10,880,160,051920140,4–1,00,730,210,072920151,0–1,41,160,130,041120170,9–1,61,370,230,081720180,7–1,71,450,300,1021По подзоне0,4–1,81,030,200,0719 В пределах конкретного года урожайность зерновых изменяется в более узком интервале. Размах варьирования урожайности зерновых по подзоне в 2008 г. составил 0,29 т/га с минимальным значением 0,80 т/га и максимальным – 1,09 т/га. В 2018 г. размах варьирования по районам достигал 0,94 т/га при минимальной урожайности 0,73 т/га в Бурлинском районе и максимальной 1,67 т/га – в Хабарском.Вероятность лет с различным уровнем урожайности зерновых культур по административным районам исследуемой территории, обусловленной погодными условиями за 16 лет, приведена в таблице 4.  Таблица 4Вероятность лет с различным уровнем урожайности зерновых культур по районам за 2002–2018 гг. Административный районУровень урожайности, т/га< 0,50,5–0,80,8–1,11,1–1,4˃ 1,4Бурлинский2611–Хабарский–3322Немецкий11431Суетский11611Благовещенский1351–Родинский1153–Волчихинский––73–Егорьевский––451Рубцовский–271–По подзоне12421  Сухие годы в засушливой степи повторяются всего один раз в 10 лет и отличаются урожайностью в 0,35–0,48 т/га. Средние годы с урожайностью зерновых от 0,8 до 1,09 т/га встречаются 4 года из 10. На засушливые и увлажненные годы с урожайностью соответственно 0,54–0,80 и 1,15–1,39 т/га приходится по 2 года в 10 лет. Влажные годы с урожайностью выше 1,4 т/га наблюдаются очень редко – всего 1 раз в 10 лет.Несмотря на однородность гидротермических условий, позволяющих выделить физико-географическую подзону засушливой степи, административные районы, входящие в состав подзоны, довольно существенно различаются по соотношению лет с различным уровнем влагообеспеченности и, следовательно, урожайности зерновых культур.Так, в Бурлинском районе чаще, чем в других районах, встречаются сухие (2 раза в 10 лет) и в особенности засушливые годы, на которые приходится 6 лет из 10. Несколько реже повторяются засушливые годы (3–4 из 10) в Хабарском и Благовещенском районах. Средние годы по увлажнению и урожайности зерновых культур наиболее часто (5–7 раз из 10) отмечаются в Суетском, Благовещенском, Родинском, Волчихинском и Рубцовском районах. В Немецком и Егорьевском районах средними по урожайности являются 4 года из 10. Наибольшая вероятность лет (4–5 из 10) с урожайностью зерновых в интервале 1,1–1,4 т/га наблюдается в Родинском и Егорьевском районах. Три года из 10 урожаи того же уровня отмечаются в Немецком и Егорьевском районах. В Бурлинском, Хабарском, Суетском, Благовещенском и Рубцовском районах урожаи такой же величины встречаются только 1–2 раза в 10 лет. В 5 районах из 9 урожайность зерновых более 1,4 т/га вообще не бывает, в остальных районах такая урожайность возможна в 10 % случаев, то есть 1 раз в 10 лет.Как говорилось выше, другим критерием оценки устойчивости агроценозов является сбалансированность процессов минерализации и гумификации органического вещества. Принцип сбалансированности процессов гумификации и дегумификации органического вещества обозначает, что при функционировании агроценоза в нем должен поддерживаться режим, при котором обеспечивается баланс между разнонаправленными процессами преобразования биопродукции, создаваемой автотрофами (сельскохозяйственными культурами).Оценка баланса органического вещества проведена по методическим указаниям [18], разработанным коллективом авторов под руководством известного ученого Л.М. Бурлаковой (1985). При оценке баланса органического вещества использовали систему севооборотов, предложенную коллективом авторов [19] во главе с Н.В. Яшутиным (2005), для засушливой степи Алтайского края.На приводораздельных пространствах с углами наклона до 1º рекомендуется размещать 5-6-польные полевые зернопаровые севообороты и 7–8-польные полевые зернопаротравяные севообороты. Зернопаровые севообороты включают: 1) пар чистый или кулисный; 2) яровая пшеница; 3) горох; 4) яровая пшеница; 5) овес или ячмень на зерно. В шестипольных зернопаровых севооборотах после чистого пара возможна озимая рожь, а затем идут культуры, которые включены в пятипольные севообороты. Семипольные зернопаротравяные севообороты имеют следующее чередование агроценозов: 1) пар чистый (или кулисный); 2) яровая пшеница; 3) овес, ячмень с подсевом многолетних трав; 4-5) эспарцет; 6) яровая пшеница; 7) зернофуражные (овес, ячмень). В восьмипольных зернопаротравяных севооборотах после чистого пара идут две яровые пшеницы (возможны озимая рожь и пшеница), затем зернофуражные культуры (с подсевом донника), донник. За донником следует яровая пшеница, горох, снова яровая пшеница. На плоских участках размещаются специальные (овощные, свекловичные) севообороты, включающие четыре агроценоза: 1) чистый пар; 2) овощи, свекла, картофель; 3) яровая пшеница; 4) однолетние травы на монокорм.На слабодефлированных почвах предлагаются зернопаровые севообороты с короткой ротацией культур – от двух до пяти. Все севообороты начинаются с чистого пара. В двух- и трехпольных севооборотах по пару идет один или два года яровая пшеница. В четырехпольных севооборотах после пара чистого идут два года яровая пшеница, возможно озимая рожь и яровая пшеница, один год зернофуражные (овес или ячмень) и завершают севооборот зернофуражные и гречиха, которые занимают по половине поля. Шестипольные зернопаровые севообороты начинаются с чистого пара с последующим чередованием основной культуры (яровой пшеницы) с зернофуражными культурами. Зернопаропропашные севообороты с более длинной ротацией (7–8 лет) культур включают: 1) чистый пар; 2) яровая пшеница с подсевом донника; 3-4) донник; 5) озимая рожь; 6) однолетние травы; 7) подсолнечник или гречиха.На склонах 1–3º Н.В. Яшутин и соавторы (2005) предлагают пятипольные зернопаровые и шестипольные зернопаротравяные севообороты, отличие которых от описанных выше заключается в том, что в начале ротации стоит пар занятый. Затем в пятипольном севообороте последовательно идут яровая пшеница, горох, яровая пшеница и овес с подсевом донника. В шестипольном севообороте соответственно – яровая пшеница с подсевом многолетних трав, эспарцет два года, яровая пшеница и, наконец, зернофуражные.В кормовых севооборотах при орошении рекомендуются: двухпольные – 1) кукуруза на силос, 2) горох + овес и поукосно рапс; трехпольные – 1) кукуруза, корнеплоды, картофель, 2) кукуруза, 3) однолетние травы; и пятипольные – 3) люцерна, 4) однолетние травы, 5) зернофуражные и люцерна под покров. Результаты оценки баланса гумуса в рекомендованных севооборотах приведены в таблице 5. Таблица 5Баланс гумуса по севооборотам засушливой степи СевооборотыСтатья балансаБаланс (+/–), т/гаРасходПриходс пожнивными остаткамизапахиваниесоломысидератаОвощные–4,34+0,62+0,66––3,06Зернопаропропашные–3,30+0,94+0,99––1,37Зернопаровые–3,02+0,97+1,26+0,23–0,56Кормовые–3,1+3,03+0,26+0,20+0,39Зернопаротравяные–3,33+3,02+1,79+0,69+2,17По подзоне в целом–3,20+1,89+1,11+0,30+0,10  Из таблицы 5 следует, что положительный баланс гумуса обеспечивают кормовые севообороты, в которых многолетние травы занимают 50–60 % площади севооборота. При этом в семипольных севооборотах с паром чистым прирост гумуса составляет 0,5 т/га, тогда как в севооборотах без пара такая прибавка наиболее высокая и достигает 4 т/га. В двухпольных севооборотах, включающих кукурузу на силос и однолетние травы (горох + овес) на сенаж, наблюдаются потери гумуса почти на 0,9 т/га. В трехпольных севооборотах, насыщенных пропашными культурами (кукуруза, картофель, кормовая свекла), потери достигают 3 т/га. В среднем кормовые севообороты обладают положительным балансом гумуса (+0,39 т/га).Зернопаровые севообороты не обеспечи­вают положительный баланс гумуса. Расход гумуса превышает приход на 0,4–1,7 т/га. Исключением является только пятипольный севооборот с паром, занятым донником, второй укос которого в объеме 40 ц/га зеленой массы используется в качестве сидерального удобрения. За счет этого по севообороту в целом достигается положительный баланс, с приходной частью баланса гумуса равной 1,4 т/га. В целом все территории, занятые зернопаровыми севооборотами, испытывают постоянный дефицит органического вещества, поступающего в почву, что неуклонно ведет к снижению плодородия почв и устойчивости агроландшафта. Все это становится причиной снижения биопродуктивности агроценозов.Все зернопаротравяные севообороты с занятым паром и многолетними травами, площадь которых составляет 20–30 % площади севооборота, отличаются положительным балансом гумуса с дополнительным образованием гумуса от 1,4 до 3,5 т/га. Только зернопаротравяной шестипольный севооборот с паром чистым и одним полем донника обладает отрицательным балансом гумуса. Потери составляют 1,5 т/га. Такой же севооборот с паром чистым, но в котором 30 % площади севооборота занято многолетними травами (эспарцет), обеспечивает положительный баланс гумуса. В целом территории засушливой степи, находящиеся под зернопаротравянными севооборотами, постоянно улучшаются, что работает на поддержание устойчивости агроландшафта.Овощные и зернопаропропашные севообороты отличаются отрицательным балансом гумуса. Большие потери гумуса обусловлены необходимостью включения в севооборот чистых паров и пропашных культур. Постоянный процесс минерализации гумуса необходимо компенсировать путем внесения органических удобрений (навоза, компостов и др.). Для простого воспроизводства плодородия почв в зернопаропропашной севооборот необходимо вносить 50–55 т навоза, а в овощной севооборот требуется 120 т/га или 30 т/га ежегодно.Расчет баланса гумуса по всей системе севооборотов, рекомендованных земледельцами для засушливой степи (табл. 6), показывает, что в среднем структура севооборотов обеспечи­вает положительный баланс гумуса, хотя и с небольшой прибавкой, равной 0,1 т/га. За 50 лет XX столетия черноземы южные потеряли 0,8–1,0 % гумуса по сравнению с исходным его содержанием, который наблюдался до освоения целинных и залежных земель. За период после освоения целины в черноземах южных запасы гумуса в слое 0–50 см уменьшились на 50–60 т/га. При тех темпах воспроизводства запасов гумуса, которые мы установили, потребуется более 500 лет, чтобы вернуться к исходным запасам гумуса, составлявшим 270–300 т/га.  Таблица 6 Ежегодные потери гумуса в севооборотах засушливой степис отрицательным балансом гумуса НомергруппыГруппы севооборотовЕжегодные потери, т/гаОценка потерь12341Зернопаровой 6-польный: пар чистый, пшеница яровая 2 года, овес, пшеница яровая, ячмень< 0,2Очень низкиеЗернопаровой 8-польный: пар чистый, пшеница яровая 2 года, овес с подсевом донника, донник, пшеница яровая, горох, пшеница яроваяЗернопаровой 6-польный: пар чистый, рожь озимая(поукосно рапс), пшеница яровая 2 года, ячменьОкончание табл. 612342Зернопаровой 5-польный: пар чистый, пшеница яровая, горох, пшеница яровая, овес (ячмень)0,2–0,4НизкиеЗернопаропропашной 4-польный: пар чистый, пшеница яровая 2 года, ½ овес + ½ подсолнечникЗерно-паро-травяной 6-польный: пар чистый, пшеница яровая с подсевом донника, донник, рожь озимая, однолетние травы, гречиха3Кормовой 3-польный: кукуруза, горох, овес0,4–0,6СредниеЗернопаровой 3-польный: пар чистый, пшеница яровая, овес (ячмень)4Специальный 4-польный: овощи + картофель + корнеплоды, пшеница яровая 2 года, пар чистый0,6–0,8Высокие5Кормовой 3-польный: кукуруза + свекла кормовая + картофель, кукуруза, однолетние травы˃ 0,8Очень высокиеЗернопаровой 2-польный: пар чистый, пшеница яровая  Из 18 севооборотов, рекомендованных для засушливой степи, 12 имеют отрицательный баланс гумуса. Ежегодные потери гумуса в этих севооборотах колеблются от 0,063 до 0,987 т/га. Все севообороты с отрицательным балансом разделены на пять групп, которые различаются степенью потерь гумуса за счет минерализации. Группы выделены в таблице с шагом 0,2 т/га в год.Заключение. Резюмируя вышеизложенное, следует отметить, что в пределах года урожайность зерновых в подзоне более устойчива, чем за продолжительный лаг. Это подтверждается более узким размахом варьирования урожайности зерновых, меньшими величинами стандартного отклонения и коэффициента вариации. В каждом из исследуемых районов засушливой степи урожайность зерновых по годам (или во времени) изменяется в более широком интервале, что говорит о меньшей устойчивости урожайности. На это указывает более широкий размах варьирования, а также более высокие значения стандартного отклонения и коэффициента вариации. При этом средняя урожайность зерновых по районам изменяется в более узком интервале, чем среднемноголетняя урожайность по годам, которая сильно зависит от гидротермических условий длительного периода времени.При анализе существующих севооборотов выяснилось, что очень высокими потерями гумуса отличаются кормовой 3-польный и зернопаровой 2-польный севообороты, высокими потерями (0,6–0,8 т/га в год) характеризуются специальные севообороты. Все севообороты с чистым паром и пропашными культурами (овощи, картофель, корнеплоды и пр.) плохо сбалансированы, оказывая негативное влияние на территории, где размещены упомянутые выше севообороты. Эти участки агроландшафта испытывают максимальное антропогенное воздействие, снижающее устойчивость агропочв и сельскохозяйственное производство. Очень низкие потери органического вещества характерны для зернопаровых севооборотов с длинной (6–8-летней) ротацией культур. Потери гумуса в этих севооборотах легко компенсируются введением в севооборот сидеральных культур.