5.1 Vertisole: Hauptmerkmale, Entstehungsprozesse und Verbreitung

Die charakteristischste Besonderheit der Vertisole ist ihre tiefschwarze Farbe und die saisonale starke Rissbildung beim Trocknen und das Aufquellen bei Wasseransammlung (IUSS Working Group WRB, 2014). Vertisole entstehen durch eine Kombination mehrerer Prozesse/Faktoren: ausreichend Regen, der zur Verwitterung primärer gesteinsbildender Minerale führt, ohne dass diese außerhalb des Profils ausgewaschen werden; die Verwitterung führt zur Kristallisation neuer Tonminerale; eine behinderte Entwässerung, die die Auswaschung von Verwitterungsprodukten behindert; und hohe Temperaturen, die den Verwitterungsprozess beschleunigen (Schaetzl und Anderson, 2009). Die Kombination dieser Faktoren führt zur Bildung von Smektit-Tonen in Gegenwart von basischen Kationen (Ca2+, Mg2+). Vertisole zeichnen sich durch einen hohen Tongehalt aus, der hauptsächlich durch die Gruppe der Smektit-Phyllosilikatminerale repräsentiert wird. Das wichtigste Tonmineral ist in der Regel Montmorillonit (Schaetzl und Anderson, 2009). Vertisole entstehen auf unterschiedlichen Ausgangsmaterialien, darunter Eruptivgestein, metamorph-sedimentäres Gestein sowie alluviales und kolluviales Material aus der Verwitterung von Gesteinen, die mit basischen Kationen angereichert sind (Driese et al., 2003; Schaetzl und Anderson, 2009; Pal et al., 2012). Aufgrund ihrer Fähigkeit, eine große Menge Wasser in den Zwischenschichten der Tonminerale zu adsorbieren, können Smektite ihr Volumen erheblich verändern. Vertisole kommen häufig in niedrigen und flachen Reliefs vor, wie z. B. in Niederungen, Tälern, Vorgebirgen, ehemaligen Seeböden, unteren Flussterrassen usw., wo häufig Bedingungen herrschen, die die Ansammlung und Stagnation von Wasser begünstigen. In Trockenperioden entstehen an der Oberfläche breite Risse, die tief in das Solum eindringen. Sie werden durch Erdrutsche, äolischen Eintrag, starke Regenfälle usw. mit Bodenmaterial gefüllt. Tiefer im Bodenprofil, wo dieser Prozess nicht zum Ausdruck kommt, treten infolge der erzeugten Scherspannungen Rutschungen auf (Schaetzl und Anderson, 2009). Slickensides treten in der Regel in einer Tiefe zwischen 25 und 125 cm auf und kommen am besten in Böden zum Ausdruck, die sich im jahreszeitlichen Wechsel zwischen extrem trockenen und extrem feuchten Perioden entwickeln. Als Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den Prozessen der Pedoturbation und des Schwindens/Wellens entsteht an der Oberfläche ein spezifisches Mikrorelief aus Tiefen und Höhen (gilgai).

Eisen (Fe) und Mangan (Mn) gehören zu den redoxempfindlichsten Elementen im Boden (Cornell und Schwertmann, 2003), und ihr Verhalten in Vertisolen wird als wichtiger Faktor bei der Erstellung verschiedener Modelle für die Entstehung und Funktionen von Vertisolen angesehen (Nordt und Driese, 2009). Das Auftreten von Vertisolen in Niederungen mit behinderter Entwässerung bestimmt die Etablierung von reduzierenden Bedingungen im Boden während der nassen Jahreszeiten. Die wichtigsten Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit ein Boden reduziert werden kann, sind: der Boden muss wassergesättigt sein; er muss organisches Gewebe enthalten, das zersetzt werden kann; die mikrobielle Population muss vorhanden sein, um organische Stoffe als atmungsfähiges Medium zu nutzen; und das Wasser sollte stagnieren oder sich nur sehr langsam bewegen (Vepraskas und Faulkner, 2001). Eine atmende mikrobielle Population ist für die Bildung reduzierter Böden von grundlegender Bedeutung. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass Bakterien in vielen Böden weit verbreitet und reichlich vorhanden sind und sich an unterschiedliche Klimabedingungen angepasst haben (Bazylinski, 1996; Konhauser, 1998; Fredrickson et al., 1998; Zachara et al., 2002). Saisonale Veränderungen der Oxidations-Reduktionsbedingungen führen zur Bildung von Fe-Mn-Konkretionen und -Knollen, Gley-Flecken usw., begleitet von reduktiven Prozessen in Eisenoxyhydroxiden (van Breemen, 1988). Der periodische Wechsel von oxidativen und reduzierenden Bedingungen in Böden führt zu einer erhöhten Fe-Mobilität infolge der Übertragung von Elektronen aus der sich zersetzenden organischen Substanz auf Fe3+. Wenn reduzierte Böden mit einer hohen Fe2+-Konzentration oxidiert werden, bilden sich häufig Fe-Oxide mit gemischten Valenzen (Brennan und Lindsay, 1998). Ein weiterer Prozess im Zusammenhang mit der zyklischen Reduktion/Oxidation von Eisen in einem offenen System ist die so genannte Ferrolyse (Brinkman, 1970; van Breemen, 1988). Der Ferrolyseprozess wird als Erklärung für die Bildung von sandigeren, stark sauren Bodenhorizonten an der Oberfläche angeführt, die über tonigeren und weniger sauren Horizonten in den Böden liegen. Es handelt sich dabei um Böden, die in Tieflandgebieten mit saisonalem Oberflächenwasser entstehen. Es wurde nachgewiesen, dass die Ferrolyse unter bestimmten Bedingungen auch in Vertisolen stattfinden kann (Barbiero et al., 2010), wobei sich amorphe Kieselsäure und CaCO3-Konkretionen bilden. Die meisten neueren Studien zeigen jedoch, dass die Ferrolyse als Prozess in Böden, die saisonalem Wasserstau ausgesetzt sind, überschätzt wird (Van Ranst et al., 2011). Stattdessen werden Prozesse der Tonverlagerung (Montagne et al., 2008) oder geogene Prozesse (Barbiero et al., 2010) vorgeschlagen, um die beobachteten gegensätzlichen Bodeneigenschaften zu erklären.

Die meisten Vertisole werden als junge Böden betrachtet, die während des Quartärs entstanden sind, da ihr Ausgangsmaterial häufig aus quartären Schwemmlandablagerungen besteht (Singh et al., 1998; Pal et al., 2006). Neuere Studien, die verschiedene Datierungstechniken verwenden (z. B. die Isotopen-Datierung von 14C aus pedogenen und nicht-pedogenen Karbonaten), zeigen, dass sich ein Vertisol innerhalb von 500 Jahren bilden kann und dass die meisten Vertisole aus tropischen, subtropischen und eher trockenen Gebieten aus dem Holozän stammen (Kovda et al., 2006; Pal et al., 2012). Alte, paläo-Vertisole, die im Pliozän gebildet wurden, sind jedoch ebenfalls häufig (Nordt et al., 2004; Achyuthan et al., 2010).

Vertisole entwickeln sich in verschiedenen Klimazonen – sie sind häufig in tropischen und subtropischen Regionen mit hohen Niederschlägen sowie in subariden Gebieten zu finden (Pal et al., 2012; IUSS Working Group WRB, 2014). Vertisole in ariden und semiariden Gebieten sind durch das Vorhandensein eines Karbonathorizonts gekennzeichnet, der Primär- und/oder Sekundärkarbonate in Form von diffusen Massen, Konkretionen und Kristallen enthält (Kovda et al., 2006; Nordt und Driese, 2009; Pal et al., 2012). Es wurde nachgewiesen (Nordt und Driese, 2010a), dass bei einem mittleren Jahresniederschlag (MAP) von <900 mm der größte Teil des CaO in Form von CaCO3 vorliegt, während bei einem MAP von >900 mm das Calcium in Form von austauschbaren Kationen (Ca2+) vorliegt und die Vertisole entkalkt sind. Die Ausfällung von pedogenen Karbonaten führt zu einem Anstieg des pH-Werts und des relativen Gehalts an Na2+ im Boden und in der Bodenlösung. Diese Natriumkationen wiederum bewirken eine Dispersion der Smektitpartikel, die sich in der Tiefe bewegen können. Dies ist der Grund, warum trotz der Anwesenheit von Karbonaten die Tonpartikel in Vertisolen verflüssigt sind (Pal et al., 2012).

Vertisole und Böden mit vertikalen Eigenschaften werden in vielen Ländern identifiziert und beschrieben, aber der größte Anteil an Vertisolen weltweit konzentriert sich auf Indien (25 %), Australien (22 %), die Vereinigten Staaten (6 %), Afrika (5 %) und China (4 %) (Soil Survey Staff, 2003). Die weltweite Verteilung von Vertisolen ist in Abb. 5.1.1 dargestellt (FAO, 2001). In Europa sind Vertisole charakteristisch für die Mittelmeer- und Balkanländer (Italien, Zypern, Bulgarien, Ungarn, Rumänien, Spanien) (Tóth et al., 2008).

Abbildung 5.1.1. Räumliche Verteilung von Vertisolen weltweit (FAO, 2001). Lecture notes on the major soils of the world). http://www.fao.org/docrep/003/y1899e/y1899e00.htm#toc.

In Bulgarien sind Vertisole im Tiefland und in den Talebenen in Zentral- und Südbulgarien weit verbreitet (Koinov et al., 1998; Shishkov und Kolev, 2014). Ähnlich wie in anderen Regionen ist der lokale Name für Vertisole ein Hinweis auf die Bodenfarbe – „Smolnitza“ („Teerschwarz“). Bulgarien gehört zu den europäischen Ländern, in denen Vertisole als dominierender Bodentyp vorkommen (Tóth et al., 2008). Die Verbreitung von Vertisolen in Bulgarien hängt mit den ehemaligen pliozänen Hochebenen und alten quartären Terrassen zusammen (Koinov et al., 1998). Während des späten Miozäns trockneten die pliozänen Seen aus und es herrschten Sumpfbedingungen vor (Koinov et al., 1998; Shishkov und Kolev, 2014). Dies begünstigte die Entwicklung von Gleyböden, die sich weiter in Vertisole verwandelten (Ninov, 2002). Später wurden die Vertisole nicht vergraben, um Paläoböden zu bilden, sondern blieben während des Quartärs an der Oberfläche. Das Alter der Vertisole, die in den verschiedenen Gebieten Bulgariens gefunden wurden, ist ungewiss (Shishkov und Kolev, 2014). In der Regel wird angenommen, dass das Alter des Bodens durch das Alter des gesteinsbildenden Ausgangsmaterials bestimmt wird. In Bulgarien gibt es mehrere Arten von Vertisolen – kohlige, typische, ausgelaugte und degradierte (Shishkov und Kolev, 2014). Am weitesten verbreitet ist die ausgelaugte Variante.