5.1 Vertisols: main characteristics, formation processes, and distribution

De meest kenmerkende bijzonderheid van de Vertisols is hun diepzwarte kleur en hun seizoensgebonden ernstige scheurvorming bij droging en zwelling bij waterverzadiging (IUSS Working Group WRB, 2014). Vertisols ontstaan wanneer een combinatie van verschillende processen/factoren plaatsvindt: voldoende regen die leidt tot de verwering van primaire gesteentevormende mineralen, maar zonder dat deze buiten het profiel terechtkomen; verwering die leidt tot de kristallisatie van nieuwe kleimineralen; belemmerde drainage, waardoor de uitloging van verweringsproducten wordt bemoeilijkt; en hoge temperaturen, waardoor het verweringsproces wordt versneld (Schaetzl en Anderson, 2009). De combinatie van deze factoren leidt tot de vorming van smectietklei in aanwezigheid van basische kationen (Ca2+, Mg2+). Vertisols worden gekenmerkt door een hoog kleigehalte, hoofdzakelijk vertegenwoordigd door de groep van smectiet-fyllosilicaatmineralen. Het belangrijkste kleimineraal is meestal montmorilloniet (Schaetzl en Anderson, 2009). Vertisols ontwikkelen zich op verschillende moedermaterialen, waaronder stollingsgesteenten, metamorf-sedimentaire gesteenten, en alluviale en colluviale materialen als gevolg van de verwering van gesteenten die verrijkt zijn met basische kationen (Driese et al., 2003; Schaetzl en Anderson, 2009; Pal et al., 2012). Door hun vermogen om een grote hoeveelheid water te adsorberen in de tussenlagen van de kleimineralen, kunnen smectieten hun volume aanzienlijk veranderen. Vertisols komen vaak voor in lage en vlakke reliëfvormen, zoals laaglanden, valleien, uitlopers van bergketens, voormalige meerbodems, lagere rivierterrassen, enz., waar vaak omstandigheden heersen die de accumulatie en stagnatie van water bevorderen. Tijdens droge perioden ontstaan er brede scheuren aan de oppervlakte die diep in het solum doordringen. Zij raken gevuld met bodemmateriaal als gevolg van aardverschuivingen, eolische inbreng, zware regenval, enz. Dieper in het bodemprofiel, waar dit proces niet tot uiting komt, ontstaan slickensides ten gevolge van de optredende afschuifspanningen (Schaetzl en Anderson, 2009). Slickensides verschijnen meestal tussen 25 en 125 cm diepte en komen het best tot uiting in bodems die zich ontwikkelen onder seizoenswisselingen tussen extreem droge en extreem natte periodes. Als gevolg van de interactie tussen de processen van pedoturbatie en krimp/opwoeling verschijnt aan de oppervlakte een specifiek microreliëf van laagten en hoogten (gilgai).

Iron (Fe) en mangaan (Mn) behoren tot de meest redoxgevoelige elementen in de bodem (Cornell en Schwertmann, 2003), en hun gedrag in Vertisols wordt beschouwd als een belangrijke factor bij het vaststellen van verschillende modellen voor het ontstaan en de functies van Vertisols (Nordt en Driese, 2009). Het voorkomen van vertisols in laaglanden met een belemmerde afwatering is bepalend voor de totstandkoming van reducerende omstandigheden in de bodem tijdens natte seizoenen. De belangrijkste voorwaarden waaraan een bodem moet voldoen om reducerend te worden, zijn dat de bodem verzadigd moet zijn met water; dat de bodem organisch weefsel moet bevatten dat kan worden afgebroken; dat de microbiële populatie aanwezig moet zijn om organisch materiaal te gebruiken als een respirabel medium; en dat het water stil moet staan of zeer langzaam moet bewegen (Vepraskas en Faulkner, 2001). Een responderende microbiële populatie is van fundamenteel belang voor de vorming van gereduceerde bodems. Recente studies suggereren dat bacteriën wijdverspreid en overvloedig aanwezig zijn in vele bodems en aangepast zijn om in verschillende klimaten te functioneren (Bazylinski, 1996; Konhauser, 1998; Fredrickson et al., 1998; Zachara et al., 2002). Seizoensveranderingen in de oxidatie-reductie omstandigheden leiden tot de vorming van Fe-Mn concreties en nodules, gley vlekken, etc., vergezeld van reductieve processen in ijzer oxyhydroxiden (van Breemen, 1988). De periodieke afwisseling van oxidatieve en reducerende omstandigheden in bodems leidt tot een verhoogde mobiliteit van Fe als gevolg van de overdracht van elektronen van afbrekend organisch materiaal naar Fe3+. Wanneer gereduceerde bodems met een hoge Fe2+ concentratie geoxideerd worden, vormen zich vaak gemengd-falency Fe-oxiden (Brennan en Lindsay, 1998). Een ander proces dat verband houdt met de cyclische reductie/oxidatie van ijzer in een open systeem is de zogenaamde ferrolyse (Brinkman, 1970; van Breemen, 1988). Het ferrolyseproces wordt naar voren geschoven om de vorming te verklaren van meer zandige, sterk zure oppervlaktehorizonten, die liggen boven meer kleiige en niet zo zure horizonten in bodems. Dergelijke bodems ontstaan in laaglanden met seizoensgebonden overstromingen van het oppervlaktewater. Het is bewezen dat, onder bepaalde omstandigheden, ferrolyse ook kan plaatsvinden in vertisols (Barbiero et al., 2010), waarbij amorfe silica en CaCO3 concreties worden gevormd. De meeste recente studies tonen echter aan dat ferrolyse als proces in bodems die onderhevig zijn aan seizoensgebonden wateroverlast overschat wordt (Van Ranst et al., 2011). In plaats daarvan worden processen van kleitranslocatie (Montagne et al., 2008) of geogene processen (Barbiero et al., 2010) voorgesteld om de waargenomen contrasterende bodemkenmerken te verklaren.

De meeste Vertisols worden beschouwd als jonge bodems die tijdens het Kwartair zijn gevormd, omdat hun moedermaterialen vaak Kwartaire alluviale afzettingen zijn (Singh et al., 1998; Pal et al., 2006). Recente studies die gebruik maken van verschillende dateringstechnieken (d.w.z. de isotopische datering van 14C uit pedogene en nonpedogene carbonaten), tonen aan dat een Vertisol binnen 500 jaar kan ontstaan en dat de meeste Vertisols uit tropische, subtropische en meer aride gebieden van Holocene ouderdom zijn (Kovda et al., 2006; Pal et al., 2012). Oude, paleo Vertisols, gevormd tijdens het Plioceen, komen echter ook veelvuldig voor (Nordt et al., 2004; Achyuthan et al., 2010).

Vertisols ontwikkelen zich in verschillende klimaten – ze worden vaak aangetroffen in tropische en subtropische gebieden met veel neerslag, evenals in subaride gebieden (Pal et al., 2012; IUSS Working Group WRB, 2014). Vertisols ontwikkeld in de aride en semiaride gebieden worden gekenmerkt door de aanwezigheid van een carbonaathorizont die primaire en/of secundaire carbonaten bevat in de vorm van diffuse massa’s, concreties en kristallen (Kovda et al., 2006; Nordt en Driese, 2009; Pal et al., 2012). Er is aangetoond (Nordt en Driese, 2010a) dat wanneer de gemiddelde jaarlijkse neerslag (MAP) <900 mm bedraagt, het grootste deel van het CaO zich in de vorm van CaCO3 bevindt, terwijl bij MAP >900 mm het calcium zich in de vorm van uitwisselbare kationen (Ca2+) bevindt en de vertisols ontkalkt zijn. De precipitatie van pedogene carbonaten leidt tot een verhoging van zowel de pH als het relatieve gehalte aan Na2+ in de bodem en in de bodemoplossing. Deze natriumkationen veroorzaken op hun beurt een dispersie van smectietdeeltjes, die zich over de diepte kunnen verplaatsen. Dit is de reden waarom, ondanks de aanwezigheid van carbonaten, kleideeltjes in Vertisols illuviated zijn (Pal et al., 2012).

Vertisols en bodems met verticale eigenschappen worden in veel landen geïdentificeerd en beschreven, maar het grootste aandeel Vertisols wereldwijd is geconcentreerd in India (25%), Australië (22%), de Verenigde Staten (6%), Afrika (5%), en China (4%) (Soil Survey Staff, 2003). De wereldwijde verspreiding van vertisols is weergegeven in Fig. 5.1.1 (FAO, 2001). In Europa zijn vertisolen kenmerkend voor de landen rond de Middellandse Zee en de Balkan (Italië, Cyprus, Bulgarije, Hongarije, Roemenië, Spanje) (Tóth et al., 2008).

Figuur 5.1.1. Ruimtelijke spreiding van Vertisols wereldwijd (FAO, 2001). Lecture notes on the major soils of the world). http://www.fao.org/docrep/003/y1899e/y1899e00.htm#toc.

In Bulgarije zijn Vertisols wijdverspreid in het laagland en de dalvlaktes in centraal en zuidelijk Bulgarije (Koinov et al., 1998; Shishkov and Kolev, 2014). Net als in andere regio’s is de lokale naam voor Vertisols een verwijzing naar de bodemkleur: “Smolnitza” (“teerzwart”). Bulgarije behoort tot de Europese landen waar Vertisols als dominant bodemtype worden aangetroffen (Tóth et al., 2008). De verspreiding van vertisol in Bulgarije houdt verband met de voormalige Plioceen-plateaus en oude Kwartair-terrassen (Koinov et al., 1998). Tijdens het late Mioceen droogden de Plioceen meren uit en werden moerasomstandigheden dominant (Koinov et al., 1998; Shishkov en Kolev, 2014). Dit bevorderde de ontwikkeling van gleygronden, die verder transformeerden in Vertisols (Ninov, 2002). Later werden Vertisols niet begraven om paleosol te vormen, maar bleven ze aan de oppervlakte gedurende het Kwartair. De ouderdom van de Vertisols die in de verschillende gebieden in Bulgarije zijn aangetroffen, is onzeker (Shishkov en Kolev, 2014). Meestal wordt aangenomen dat de ouderdom van de bodem wordt bepaald door de ouderdom van het gesteentevormende moedermateriaal. In Bulgarije worden verschillende variëteiten van Vertisols erkend – koolstofhoudend, typisch, uitgeloogd en aangetast (Shishkov en Kolev, 2014). De meest voorkomende is de uitgeloogde variëteit.