Почвоведение, 2022, № 3, стр. 315-325

ВВЕДЕНИЕ

Подготовка почв к изучению, как правило, включает их высушивание до воздушно-сухого состояния. Однако многочисленными исследованиями было показано, что высушивание почвенных проб влияет на результаты определения рН, гидролитической кислотности, удельной поверхности, подвижных соединений азота, фосфора, калия и т. д. [9].

Изменения в свойствах, наблюдающиеся после высушивания или нагревания почвенных образцов, наглядно указывают на существенные перемены, происходящие в твердой фазе почв. Можно предположить, что это связано с изменениями в структуре органического вещества почв, однако понимание природы подобных изменений до настоящего времени отсутствует.

В последние десятилетия представления об органическом веществе почв, которые были приняты ранее [7, 10, 25], заметно изменились [18, 20–22] и распространенной в настоящее время является модель почвенного континиума (soil continuum model – SCM) [18, 22]. Основное отличие этой модели от принятой ранее состоит в отрицании возможности образования гумусовых веществ (ГВ) путем полимеризации. При этом в ней допускается супрамолекулярная природа ГВ [20, 21, 26]. Однако какую бы модель не использовали, она затрагивает только характер связей внутри первичных частиц ГВ. Существование самих первичных частиц, их структура [14, 19, 23, 24], а также характер поверхности [6, 16], определенные физическими методами, новые подходы не отрицают.

В работе [14] выдвинуто предположение о многоуровневой организации гумусовых веществ в почвах. Показано, что первичные частицы ГВ имеют размеры 2–10 нм [19] и представляют собой супрамолекулярные образования [20] из низкомолекулярных химических веществ и полимерных молекул, формирующихся в результате распада в почве растительных остатков. Эти первичные частицы ГВ имеют мозаичную дифильную поверхность [6, 16] и, взаимодействуя между собой, образуют фрактальные кластеры (Ф-кластеры) [19], объединение которых с мелкими минеральными частицами приводит к возникновению почвенных органо-минеральных гелей. Эти гели связывают между собой более крупные почвенные частицы, формируя многоуровневую почвенную структуру.

Из работы [15] следует, что в основе всей иерархии структур лежит взаимодействие между первичными частицами ГВ, которое в водной среде (влажной почве) происходит через гидрофобные участки, а в сухих почвах – через гидрофильные участки. Как следствие, в определенном интервале влажностей почв происходит смена характера взаимодействий между первичными частицами ГВ – структурный переход, меняющий свойства почв.

Целью работы является уточнение представлений о механизме процессов, происходящих при высушивании–увлажнении почв и при температурных обработках влажных почв на основе изучения изменений их свойств.

Исследовано влияние предыстории образцов дерново-подзолистой почвы на ее водоудерживающую способность, водопроницаемость, водоустойчивость агрегатов, гидрофильно-гидрофобные свойства, температуропроводность, аллелотоксичность [2] и электропроводность вытяжек.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Использовали образцы исходной агродерново-глубокоподзолистой легкосуглинистой почвы, отобранные из пахотного горизонта в окрестностях поймы р. Яхрома¹¹, и образцы этой же почвы, которые были предварительно высушены до воздушно-сухого состояния, опять увлажнены и выдержаны в герметично закрытой емкости при температуре 26–28°C не менее 2 нед. (ВУ). Также исследовали образцы почв, которые были получены прогревом материала исходной почвы в течение двух часов при повышенных температурах (80–100°С). Некоторые образцы почвы готовили, прогревая в автоклаве исходную почву при избыточном давлении 4.5 атм (148°С). При изучении изменения аллелотоксичности в ходе различных обработок использовали отмытый речной песок с частицами 0.5–0.8 мм в качестве субстрата сравнения, который не содержит аллелотоксинов.

Зависимость капиллярно-сорбционного давления почвенной влаги от влажности почвы в области высоких влажностей на циклах иссушения и увлажнения определяли капилляриметрическим методом [8, 11]. На керамический фильтр с пористой мембраной помещали образцы почвы с плотностью 1.3 г/см³. Почву увлажняли до полной влагоемкости и выдерживали в таком состоянии 24 ч. Поверхность почвы при этом закрывали пленкой. При каждом изменении давления после установления равновесия в системе отбирали образец для определения влажности термостатно-весовым методом. Давление изменяли от –180 до –20 см водного столба.

Изучение водоудерживающей способности почвенных образцов в области сорбционной влаги проводили, удаляя из них влагу в эксикаторе над насыщенным раствором KCl (Р/Р_о = 0.86) в течение месяца. Опыты проводили в пятикратной повторности.

Коэффициент фильтрации образцов почв определяли методом трубок с постоянным напором по скорости фильтрации воды через слой почв плотностью 1.25 г/см³ [8, 11]. Использовали трубки диаметром 4 и высотой 12 см. Высота почвы в трубке составляла 10 см.

Оценку водоустойчивости агрегатов почвенных образцов проводили с использованием модифицированного метода Андрианова. Для его модификации была изготовлена кассета со 106 ячейками диаметром 7 мм. Проволока диаметром 2 мм делила каждую ячейку на две части. В ячейки помещались агрегаты размером 4.5–5 мм. В связи с тем, что было необходимо устранить трудноуправляемое воздействие защемленного воздуха, изучение водоустойчивости агрегатов проводили в вакууме. Для этого вакуумировали агрегаты, находящиеся в кассете, в течение 15 мин при 15 кПа. После чего кассету, находящуюся в вакууме и расположенную на неодимовых магнитах, перемещали так, чтобы фитили, спускающиеся с проволочек, делящих ячейки кассеты пополам, приходили в контакт с водой, обеспечивая капиллярное увлажнение агрегатов в течение следующих 15 мин. Затем кассету с агрегатами, находящуюся в вакууме, опускали в сосуд с водой, чтобы над агрегатами был слой воды 1–2 см. Так как в качестве механического воздействия на агрегаты использовали ударные воздействия на них подложки, создаваемые за счет вибрации, сосуд ставили на вибростенд (Omec VIBR-X-34 с частотой вибрации 50 Гц) и определяли зависимость количества распавшихся агрегатов от изменения амплитуды вибрации стенда. Время работы в рамках одной амплитуды составляло 20 мин, так как предварительные эксперименты показали, что за данный промежуток времени количество оставшихся агрегатов перестает изменяться. Подсчет агрегатов вели при помощи фотографирования кассеты. Таким образом, разработанный метод имеет ряд преимуществ: неконтролируемое механическое влияние защемленного воздуха заменено на управляемое ударное воздействие сит, создаваемое за счет вибрации, а распад агрегатов четко фиксируется при освобождении ими ячеек кассеты.

Гидрофильно-гидрофобные свойства почв оценивали “методом пятна”, основанном на определении среднего размера пятна [15], остающегося на поверхности образца почвы, после помещения на него капли воды массой 35 мг. Почву предварительно просеивали через сито с диаметром отверстий 2 мм. Однородность образцов обеспечивали за счет виброуплотнения при частоте вибрации 50 Гц. Для удобства определения размера пятен в воду был добавлен флуоресцеин натрия, раствор которого светится под воздействием УФ-излучения, что позволяет визуализировать пятна, очень слабо отличающиеся по цвету от почвы. Полученные пятна фотографировали, изображения переносили на бумагу и измеряли площадь пятен методом взвешивания копий изображения.

Для определения гидрофильно-гидрофобных свойств почв “методом пятна” использовали воздушно-сухую почву, просеянную через сито с диаметром отверстий 2 мм, которую насыпали в чашку Петри, выравнивали поверхность почвенного образца, убирая излишки почвы. Для уплотнения и равномерного распределения почвы внутри образца использовали вибрацию. Для предотвращения процесса самосортировки почвенных частиц и агрегатов при вибровоздействии на поверхность образца перед включением вибростола помещали груз цилиндрической формы массой 900 г, имеющий диаметр равный внутреннему диаметру (70 мм) чашки Петри. После уплотнения с помощью распылителя к образцу добавляли количество воды необходимое для достижения конкретной влажности почвы. Для равномерного распределения воды образец почвы герметично закрывали и оставляли на трое суток, и только после этого проводили измерения. Использовали вибростол Renfert Vibrax. Уплотнение производили в течение 10 с при частоте вибрации 50 Гц с использованием длинноволнового диапазона на втором уровне интенсивности.

Температуропроводность образцов почв определяли лабораторным методом с использованием теории регулярного режима Кондратьева [11]. Для этого образцы почв, просеянные через сито с диаметром отверстий 3 мм, помещали в алюминиевые цилиндры диаметром 4 см, высотой 10 см и толщиной стенки 1.5 мм. Высота почвы в трубках составляла 9.5 см. Наполнение трубок производили почвой одинаковой влажности. Для уплотнения почвы в цилиндрах использовали вибростол Renfert Vibrax (Германия).

Электропроводность почвенных вытяжек, полученных при соотношении массы почвы и воды, равном 1 : 2.5, и перемешивании в течение 10 мин, определяли при помощи кондуктометра Hanna HI 98312.

Содержание микроорганизмов в образцах почв оценивали по их дыханию – выделению углекислоты. Навески почв помещали в герметичные емкости, в которых через трое суток при помощи прибора Testo 535 (Германия) определяли изменение концентрации углекислоты [4].

Влияние аллелотоксичности почв изучали на основе изменения суммарной длины проростков 7.5 г семян яровой пшеницы сорт “Лиза” (~200 шт.) при их прорастании в различных образцах почв по сравнению с песком [2].

Суммарную длину проростков определяли, используя экспресс-метод, основанный на существовании линейной зависимости между насыпным объемом проросших семян в воде и длиной их проростков [12]. Эксперименты проводили в шестикратной повторности. Ошибка опыта не превышала 7% при 95%-ной доверительной вероятности.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные данные по зависимости капиллярно-сорбционного давления почвенной влаги от влажности исходной дерново-подзолистой почвы и почвы, увлажненной после высушивания, представлены на рис. 1.

Рис. 1.

Зависимость капиллярного давления воды от влажности образцов исходной (1) и ВУ (2) дерново-подзолистой почв.

Результаты по влагоудерживающей способности этих почвенных образцов в области сорбционной влаги и их фильтрационной способности приведены в табл. 1, 2.

Данные определения водоустойчивости почвенных агрегатов исходной и высушенной–увлажненной почв представлены на рис. 2.

Рис. 2.

Изменение количества нераспавшихся агрегатов при изменении амплитуды вибрации вибростенда.

Результаты проведенных экспериментов по определению ОГХ в капиллярной и сорбционной областях, фильтрационной способности образцов исходной и ВУ почв и водоустойчивости агрегатов из этих образцов для удобства сведены в отдельную таблицу (табл. 3). Вполне очевидно, что изменение поведения почвенных образцов связано с тем, что с твердой фазой образцов происходят изменения. Можно предположить 2 варианта изменений: уменьшение дисперсности образцов при высушивании за счет коагуляции почвенных коллоидных частиц или гидрофобизация ВУ образцов за счет структурного перехода [15].

Потеря дисперсности образцов при высушивании должна приводить к ухудшению удерживания образцами капиллярной и сорбционной влаги, а также к улучшению фильтрации воды через образец. Скорость фильтрации снижается, а капиллярная влага удерживается лучше в ВУ образцах по сравнению с исходным. Таким образом, объяснить полученные результаты с позиций уменьшения дисперсности не удается.

При этом полученные данные хорошо объясняются с позиций уже существующей концепции структурного перехода в органо-минеральной матрице почвенных гелей [15]. В соответствии с ней во влажных почвах взаимодействие амфифильных первичных частиц гумусовых веществ происходит через гидрофобные участки, а в сухих – через гидрофильные участки. Поэтому в определенном интервале влажностей почв происходит смена характера взаимодействий между первичными частицами ГВ – структурный переход, меняющий свойства почв.

При увлажнении ранее высушенных до воздушно-сухого состояния почв структурный переход в них происходит не полностью [15], что способствует увеличению степени гидрофобности поверхности почвенных частиц и, следовательно, капилляров в ВУ почвах. В результате движение воды по этим капиллярам замедлено, что объясняет меньшую скорость фильтрации через ВУ почву, поэтому в экспериментах определяется более высокое содержание капиллярной влаги в ВУ образцах почвы по сравнению с исходной почвой при давлении почвенной влаги от –20 до –180 см водного столба.

Из сорбционной части ОГХ следует, что исходная почва лучше удерживает воду, удаляемую в виде паров. При этом гидрофобные участки капилляров не мешают движению по ним паров воды. Кинетические затруднения для удаления паров воды из почв в этой части ОГХ отсутствуют, и эксперименты показывают, что исходная почва, имеющая больше гидрофильных участков, лучше удерживает воду.

Увеличение водоустойчивости почвенной структуры основано, согласно предложенному Шеиным механизму [16], на том, что гидрофильные участки первичных частиц ГВ взаимодействуют с глинистыми минералами, а гидрофобные участки – друг с другом, обеспечивая водоустойчивость почвенной структуры. Увеличение количества гидрофобных участков, согласно этой концепции, приводит к повышению водоустойчивости. Именно это наблюдается в проведенных нами экспериментах (рис. 2).

Необходимо заметить, что из полученных при изучении водоустойчивости почвенных агрегатов данных следует, что определение водоустойчивости на воздушно-сухих агрегатах дает завышенные значения. Поэтому исследования по водоустойчивости следует проводить на образцах почв, не подвергавшихся высушиванию.

Полученные данные хорошо объясняются с позиций гидрофобизации почвенных гелей при структурном переходе в нем при высушивании–увлажнении почв [15]. Согласно этой концепции, в воздушно-сухих почвах гидрофильные участки первичных частиц ГВ контактируют друг с другом и с водой, а гидрофобные участки контактируют с воздухом, обеспечивая гидрофобизацию поверхности этих частиц.

Мы предположили, что гидрофобизация почвенных образцов при их высушивании и последующем увлажнении связана с тем, что обратный структурный переход в высушенных почвах при их последующем увлажнении не проходит до конца из-за недостатка энергии в системе, которая позволяла бы преодолеть энергию активации перехода. Поэтому решили провести термообработку почвы во влажном состоянии (что обеспечивает необходимую подвижность частиц), контролируя завершенность обратного структурного перехода по изменению доступности для растений почвенных аллелотоксинов, которые закрепляются на гидрофобных участках поверхности частиц²² [2].

При высушивании гидрофобные участки первичных частиц ГВ частично переходят от ориентации друг на друга через слой воды к ориентации к воздуху, а вода (раствор), находящиеся между гидрофобными участками переходит вместе с аллелотоксинами в почвенный раствор, оказывая негативное влияние на растения. При вторичном увлажнении высушенных почв обратная переориентация гидрофобных участков с последующим закреплением аллелотоксинов происходит, по-видимому, только частично, и часть этих соединений остается в доступном для растений состоянии. Поэтому аллелотоксичность ВУ почв заметно больше. Как следствие, по уровню аллелотоксичности можно оценить степень завершенности структурного перехода.

Проведенные эксперименты свидетельствуют, что при температурах термообработки 100°C и ниже наблюдается уменьшение аллелотоксичности почв практически до нуля, но к состоянию стимуляции, которым обладали образцы исходной почвы, возврата не происходило.

При проведении экспериментов при высоких температурах (автоклавирование при 148°С, давлении 4.5 атм.) было обнаружено, что аллелотоксичность образцов почвы резко возрастала (табл. 4), а не убывала. При этом из используемой модели структурного перехода [15] следовало, что количество гидрофобных контактов между частицами, возникающих под влиянием энтропийного фактора в этих условиях, должно возрастать, а концентрация аллелотоксинов – убывать.

По-видимому, механизм структурного перехода [15] с переориентацией гидрофобных участков частиц, принятый нами для объяснения, который корректен для описания поведения дифильных молекул, требует уточнения для коллоидных частиц, к которым относятся первичные частицы ГВ размером 2–10 нм. Связано это с тем, что наряду с фиксацией в ближнем минимуме агрегации³³ для коллоидных частиц (первичных частиц ГВ) возможна фиксация в дальнем минимуме агрегации [3]. При этом надо учитывать, что прямые взаимодействия гидрофобных участков первичных частиц ГВ при их фиксации в дальнем минимуме агрегации должны отсутствовать (рис. 3). В подобных условиях аллелотоксины, являясь дифильными молекулами [6], должны закрепляться на границе контакта гидрофобных участков частиц ГВ и воды, уменьшая избыточную поверхностную энергию на этой границе. Переход первичных частиц ГВ от фиксации в дальнем минимуме агрегации к фиксации в ближнем минимуме должен приводить к выделению аллелотоксинов и других веществ из межчастичного пространства, что подтверждается данными по электропроводности водных вытяжек из почв с различной предысторией (табл. 5). Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что электропроводность вытяжек сильно увеличивается в автоклавированных образцах, когда происходит переход от фиксации первичных частиц ГВ в дальнем минимуме агрегации к фиксации в ближнем минимуме. Наряду с аллелотоксинами в почвенный раствор из пространства между участками первичных частиц ГВ вытесняются и ионы, обусловливающие электропроводность почвенных вытяжек. Эксперименты в целом это подтверждают. Однако необходимо учитывать, что выделение в почвенный раствор ионов происходит двумя путями: выходом их при гибели микроорганизмов из клеток и из пространства между гидрофобными участками первичных частиц ГВ из-за их фиксации в ближнем минимуме агрегации. Восстановление численности микроорганизмов, которое происходит по прошествии времени в автоклавированной почве⁴⁴, не может полностью объяснить заметное увеличение электропроводности почвенных вытяжек из этой почвы. Наблюдается заметное повышение электропроводности водных вытяжек из почв за счет выхода электролитов в почвенный раствор из пространства между первичными частицами ГВ.

Рис. 3.

Схема взаимодействия двух частиц ГВ с фиксацией в дальнем минимуме агрегации, который возникает за счет баланса сил притяжения между частицами и отталкивания между ионными атмосферами гидрофильных участков частиц.

На основе наблюдаемого увеличения аллелотоксичности в ВУ и автоклавированных образцах почв, можно предположить, что при автоклавировании гидрофобизация поверхности почвенных частиц, на которых происходит закрепление аллелотоксинов, так же увеличивается, как и при процессах ВУ.

Для проверки данного предположения использован метод определения гидрофильно-гидрофобных свойств исходных и автоклавированных образцов почв. Данные свойства почв определяли методом “площади пятна”, остающегося от попавшей на поверхность почвы капли воды [15]. Этот метод по своей сути является аналогом хорошо известного в литературе метода времени впитывания капли воды в почву [5]. Отличие заключается в фиксации результата: вместо времени впитывания капли воды мы определяем средний размер пятна после ее поглощения почвой. Это является его преимуществом, так как позволяет оценивать гидрофобность почв высокой влажности, на которых впитывание капли происходит практически мгновенно, что делает невозможным использование исходного метода.

Из полученных данных (рис. 4) хорошо видно, что размер пятен и, следовательно, гидрофильность автоклавированной почвы заметно ниже, чем у исходной почвы в изученном интервале влажностей.

Рис. 4.

Размер пятен, остающихся на поверхности образцов почв, после попадания на них капель воды весом 35 мг. Обозначения: 1 – исходная почва, 2 – автоклавированная почва.

Для дополнительной проверки увеличения гидрофобизации поверхности почвенных образцов проведено определение температуропроводности автоклавированных образцов почв для сравнения с температуропроводностью образцов исходной почвы.

На полученных при изучении температуропроводности образцов почв графиках (рис. 5) можно выделить 3 участка, на которых температуропроводность: 1 – исходной почвы больше, чем автоклавированной; 2 – исходной почвы меньше, чем автоклавированной; 3 – исходной почвы больше, чем автоклавированной.

Рис. 5.

Зависимость температуропроводности исходной и автоклавированной почв от влажности. Цифрами (1, 2, 3) обозначены участки с доминированием температуропроводности в разных образцах.

Температуропроводность почв характеризует скорость изменения их температуры и в наших опытах пропорциональна отношению теплопроводности к теплоемкости. При одинаковой влажности теплоемкость исходной и автоклавированной почвы не должна отличаться, поэтому различия образцов почв в температуропроводности определяются доминирующими механизмами переноса тепла.

При низких значениях влажности передача тепла в изученных почвах определяется кондуктивным механизмом. Он основан на контакте стыковых манжет, выступающих “тепловыми мостами” (или “мостами теплопроводности”), по которым, по сравнению с остальными участками почв, происходит более интенсивный перенос тепла [11]. Гидрофобизация поверхности почвенных частиц должна оказывать влияние на этот механизм теплопередачи. Стыковые манжеты образуются на гидрофильных поверхностях, поэтому степень гидрофобизации почвенных частиц влияет на их количество и расположение. В автоклавированных почвах количество гидрофобных участков больше по сравнению с исходными, о чем свидетельствуют приведенные данные. Как следствие, мест для образования стыковых манжет в автоклавированной почве меньше, чем у исходной, поэтому ее температуропроводность на первом участке ниже.

С увеличением влажности происходит увеличение количества стыковых манжет за счет свободных гидрофильных участков поверхности частиц. Одновременно с этим на гидрофильных участках почвенных капилляров происходит образование пленок из молекул воды, причем энергия связи этих молекул убывает с каждым новым слоем закрепленной воды⁵⁵, достигая своего минимума, который определяется энергией связи молекул свободной воды между собой. Введение в систему дополнительной энергии при нагреве приводит к тому, что слабосвязанные молекулы испаряются и, двигаясь по капиллярам, выделяют тепло при конденсации. Процесс испарения молекул воды с одной пленки влаги с последующей их конденсацией на другой, сопровождающийся переносом тепла, носит название пародиффузионного переноса [11]. Таким образом, с ростом влажности почвы увеличивается интенсивность пародиффузионного переноса тепла и возрастает его роль в повышении температуропроводности почв. Причем при одинаковой влажности в автоклавированных почвах из-за меньшего количества гидрофильных участков в капиллярах по сравнению с исходными почвами толщина пленок воды на этих участках больше и, как следствие, меньше энергия связи молекул воды с пленками влаги. В результате пародиффузионный перенос в автоклавированных почвах начинается при меньшей влажности по сравнению с исходными почвами, что объясняет более высокую температуропроводность автоклавированной почвы на втором участке.

При дальнейшем увеличении влажности почв интенсивность пародиффузионного переноса тепла в них уменьшается за счет образования водяных пробок. Высокая гидрофобизация поверхности частиц, образующих капилляры в автоклавированных почвах, приводит к тому, что водяные пробки в них образуются при меньших значениях влажности в сравнении с исходными почвами. В то время как в образцах исходных почв все еще продолжается пародиффузионный перенос тепла, сопровождающийся увеличением их температуропроводности, в автоклавированных почвах его интенсивность уменьшается. Следовательно, большая гидрофобизация автоклавированных образцов почв хорошо объясняет изменение их температуропроводности по сравнению с образцами исходной почвы.

Результаты изучения температуропроводности образцов почв подтверждают большую гидрофобизацию капилляров образцов автоклавированных почв.

Анализ полученных в работе результатов позволяет сделать вывод, что гидрофобизация почвенных частиц и капилляров происходит при высушивании и автоклавировании влажных образцов почв, и при обоих этих процессах происходит переход аллелотоксинов из недоступного в доступное для растений состояние. Причем при повышенных температурах (автоклавирование при 148°C, давление 4.5 атм.) процесс, судя по данным по изменению аллелотоксичности образцов почв, заходит гораздо дальше. Таким образом, прослеживается наличие корреляции между гидрофобизацией почвенных частиц и ростом аллелотоксичности почв.

Следует отметить, что используемая для объяснения получаемых экспериментальных данных концепция гидрофобизации-гидрофилизации почв не является новой для почвоведения. В последнее время появилось много работ, в которых изучают влияние процессов почвообразования и предыстории почв на их водоотталкивающую способность (степень гидрофобизации) [5, 17, 27].

Для объяснения увеличения гидрофобизации поверхности, наблюдаемой на микроуровне⁶⁶ при высушивании почвенных образцов, можно предложить два механизма: 1 – гидрофобизацию поверхности первичных частиц ГВ; 2 – гидрофобизацию поверхности Ф-кластеров, состоящих из первичных частиц ГВ.

Рассмотрим возможность осуществления данных сценариев с точки зрения термодинамики. Реализация первого механизма представляется маловероятной, так как первичные частицы ГВ, будучи супрамолекулярными объектами [14], состоят из низкомолекулярных соединений и образованы за счет множества слабых взаимодействий. Для увеличения степени гидрофобизации поверхности должен происходить разрыв большого числа связей внутри первичных частиц ГВ из-за их полной перестройки с выходом на поверхность частиц гидрофобных участков молекул, что требует большой энергии активации.

При рассмотрении возможности гидрофобизации поверхности Ф-кластеров (на более высоком уровне структурной организации) ситуация меняется. Удаление из системы воды в процессе высушивания приводит к увеличению количества воздуха, контактирующего с поверхностью Ф-кластеров. В этом случае становится термодинамически выгодной перестройка Ф-кластеров с выходом на поверхность более гидрофобных первичных частиц ГВ. Наряду с этим, уплотнение Ф-кластеров за счет удаления воды будет сопровождаться уменьшением радиусов ионных атмосфер первичных частиц ГВ. Это должно способствовать преодолению энергетического барьера для их фиксации в ближнем минимуме агрегации, которое из-за стремления гидрофобных участков первичных частиц ГВ контактировать с воздухом будет проходить преимущественно за счет гидрофильных участков их поверхности. Из-за этого соотношение между гидрофильными и гидрофобными участками поверхности в Ф-кластере должно меняться в пользу последних, то есть произойдет гидрофобизация всего Ф-кластера.

В последующем часть гидрофобных участков, образовавшихся при фиксации первичных частиц ГВ в ближнем минимуме агрегации через гидрофильные участки, сохраняется и при увлажнении почв из-за заторможенности процессов обратного структурного перехода – от фиксации в ближнем минимуме агрегации к фиксации в дальнем минимуме агрегации. При таком подходе становится понятным появление гидрофобных областей, размером в единицы и десятки микрон в капиллярах образцов ВУ почв.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что при нагреве влажных почв происходит гидрофобизация поверхности капилляров и увеличение выхода аллелотоксинов, что отмечено и при высушивании почвенных образцов. Это позволяет предположить, что в процессе нагрева влажной почвы (ее автоклавировании) “закачиваемая” в систему энергия позволяет переходить первичным частицам ГВ от фиксации в дальних минимумах агрегации к фиксации в ближних минимумах агрегации без удаления воды из системы⁷⁷ (без уменьшения размеров ионных атмосфер вокруг гидрофильных участков первичных частиц ГВ). В результате доля гидрофобных участков поверхности первичных частиц ГВ в кластере возрастает. Это должно приводить к перестройке Ф-кластеров, по-видимому, в том же направлении, что и при высушивании почв, так как контакт с воздухом почвенных частиц в этих образцах присутствует.

Приведенная схема изменения наноструктурной организации почвенных гелей позволяет объяснить полученные результаты.

ВЫВОДЫ

1. При высушивании образцов исходной почвы с их последующим увлажнением происходит гидрофобизация почвенных капилляров, которая проявляется в сорбционной, капиллярной областях ОГХ почвенных образцов, фильтрации воды через почвенные образцы и водоустойчивости почвенных агрегатов.

2. Автоклавирование влажных почв приводит к гидрофобизации почвенных капилляров, которая влияет на температуропроводность почвенных образцов и взаимодействие почв с каплями воды.

3. При высушивании почв с их последующим увлажнением и автоклавировании влажных почв увеличивается количество аллелотоксинов в почве, находящихся в доступной для растений форме.

4. Показано, что полученные данные можно объяснить с позиций изменения в процессе высушивания или нагрева гелевых структур почв, в основе образования которых лежат первичные частицы гумусовых веществ, имеющие размеры 2–10 нм и мозаичную дифильную поверхность и объединенные во фрактальные кластеры.