5.1 Vertisols: main characteristics, formation processes, and distribution

Najbardziej charakterystyczną osobliwością Vertisols jest ich głęboka czarna barwa oraz sezonowe silne pękanie przy wysychaniu i pęcznienie przy zalewaniu wodą (IUSS Working Group WRB, 2014). Vertisols rozwijają się, gdy ma miejsce kombinacja kilku procesów/czynników – wystarczający deszcz, który prowadzi do wietrzenia pierwotnych minerałów skałotwórczych, ale bez ich wymywania poza profil; wietrzenie prowadzi do krystalizacji nowych minerałów ilastych; utrudniony drenaż, utrudniający wymywanie produktów wietrzenia; oraz wysoka temperatura, która przyspiesza proces wietrzenia (Schaetzl i Anderson, 2009). Połączenie tych czynników prowadzi do powstawania iłów smektytowych w obecności kationów zasadowych (Ca2+, Mg2+). Wertisole charakteryzują się wysoką zawartością iłu, reprezentowanego głównie przez grupę minerałów smektytowo-filokrzemianowych. Głównym minerałem ilastym jest zazwyczaj montmorylonit (Schaetzl i Anderson, 2009). Wertisole rozwijają się na różnych materiałach macierzystych, w tym na skałach iglastych, metamorficznych i osadowych oraz na materiałach aluwialnych i koluwialnych powstałych w wyniku wietrzenia skał wzbogaconych w kationy zasadowe (Driese i in., 2003; Schaetzl i Anderson, 2009; Pal i in., 2012). Ze względu na zdolność do adsorpcji dużej ilości wody w warstwach pośrednich minerałów ilastych, smektyty mogą znacząco zmieniać swoją objętość. Vertisols powszechnie występują w niskich i płaskich formach rzeźby terenu, takich jak niziny, doliny, czoła pasm górskich, dawne dna jezior, dolne terasy rzeczne itp., gdzie często istnieją warunki sprzyjające gromadzeniu się i stagnacji wody. W okresach suchych na powierzchni pojawiają się szerokie spękania, które wnikają głęboko w solum. Wypełniają się one materiałem glebowym na skutek osuwisk, napływu wód eolicznych, ulewnych deszczów itp. Głębiej w profilu glebowym, gdzie proces ten nie jest wyrażony, w wyniku powstających naprężeń ścinających pojawiają się ślizgi (Schaetzl i Anderson, 2009). Slickensides pojawiają się zwykle na głębokości od 25 do 125 cm i są najlepiej widoczne w glebach rozwijających się w warunkach sezonowej wymiany pomiędzy okresami skrajnie suchymi i skrajnie wilgotnymi. W wyniku współdziałania procesów pedoturbacji i kurczenia/spęczania na powierzchni pojawia się specyficzny mikrorelief niskich i wysokich poziomów (gilgai).

Żelazo (Fe) i mangan (Mn) należą do najbardziej wrażliwych na redoks pierwiastków w glebie (Cornell i Schwertmann, 2003), a ich zachowanie w wertisolach jest uważane za główny czynnik w ustalaniu różnych modeli genezy i funkcji wertisoli (Nordt i Driese, 2009). Występowanie wertisoli na terenach nizinnych o utrudnionym odpływie decyduje o tworzeniu się warunków redukcyjnych w glebie w okresach wilgotnych. Główne warunki, które muszą być spełnione, aby gleba uległa redukcji to: nasycenie gleby wodą; obecność tkanek organicznych, które mogą być rozkładane; obecność populacji mikroorganizmów, które wykorzystują substancje organiczne jako pożywkę do oddychania; stagnacja wody lub jej bardzo powolny ruch (Vepraskas i Faulkner, 2001). Oddychająca populacja mikroorganizmów ma zasadnicze znaczenie dla tworzenia się gleb zredukowanych. Ostatnie badania sugerują, że bakterie są szeroko rozpowszechnione i liczne w wielu glebach oraz przystosowane do funkcjonowania w różnych klimatach (Bazyliński, 1996; Konhauser, 1998; Fredrickson et al., 1998; Zachara et al., 2002). Sezonowe zmiany warunków oksydacyjno-redukcyjnych prowadzą do powstawania konkrecji i konkrecji Fe-Mn, gley spots itp., którym towarzyszą procesy redukcyjne w oksyhydroksydach żelaza (van Breemen, 1988). Okresowa przemienność warunków utleniająco-redukcyjnych w glebie powoduje zwiększoną ruchliwość Fe w wyniku przeniesienia elektronów z rozkładającej się materii organicznej na Fe3+. Gdy gleby zredukowane o wysokiej koncentracji Fe2+ ulegają utlenieniu, często tworzą się tlenki Fe o mieszanej wartościowości (Brennan i Lindsay, 1998). Innym procesem związanym z cykliczną redukcją/utlenianiem żelaza w układzie otwartym jest tzw. ferroliza (Brinkman, 1970; van Breemen, 1988). Proces ferrolizy jest przedstawiany jako wyjaśnienie powstawania bardziej piaszczystych, silnie kwaśnych powierzchniowych poziomów glebowych, które leżą nad bardziej gliniastymi i nie tak kwaśnymi poziomami glebowymi. Są to gleby wykształcone na terenach nizinnych z sezonowym zaleganiem wód powierzchniowych. Udowodniono, że w określonych warunkach ferroliza może zachodzić również w Vertisols (Barbiero i in., 2010), w wyniku czego powstają amorficzne konkrecje krzemionki i CaCO3. Najnowsze badania wykazują jednak, że proces ferrolizy w glebach narażonych na sezonowe zaleganie wody jest przeceniany (Van Ranst i in., 2011). Zamiast tego, w celu wyjaśnienia obserwowanych kontrastowych cech gleb, proponuje się procesy translokacji iłu (Montagne i in., 2008) lub procesy geogeniczne (Barbiero i in., 2010).

Większość wertisoli uważa się za gleby młode, powstałe w czwartorzędzie, ponieważ ich materiałem macierzystym są często czwartorzędowe osady aluwialne (Singh i in., 1998; Pal i in., 2006). Najnowsze badania z wykorzystaniem różnych technik datowania (np. datowanie izotopowe 14C z pedogenicznych i niepedogenicznych węglanów) wskazują, że wertisol może uformować się w ciągu 500 lat, a większość wertisoli z obszarów tropikalnych, subtropikalnych i bardziej suchych jest w wieku holoceńskim (Kovda i in., 2006; Pal i in., 2012). Częste są jednak również stare, paleo-wertisole, powstałe w pliocenie (Nordt i in., 2004; Achyuthan i in., 2010).

Wertisole rozwijają się w różnych klimatach – często występują w regionach tropikalnych i subtropikalnych o dużej ilości opadów, a także na obszarach subaridalnych (Pal i in., 2012; IUSS Working Group WRB, 2014). Wertisole wykształcone na obszarach suchych i półsuchych charakteryzują się obecnością horyzontu węglanowego zawierającego węglany pierwotne i/lub wtórne w postaci rozproszonych mas, konkrecji i kryształów (Kovda i in., 2006; Nordt i Driese, 2009; Pal i in., 2012). Wykazano (Nordt i Driese, 2010a), że gdy średnie roczne opady (MAP) wynoszą <900 mm, główna część CaO występuje w postaci CaCO3, natomiast przy MAP >900 mm wapń występuje w postaci kationów wymiennych (Ca2+), a wertisole ulegają odwapnieniu. Wytrącanie się węglanów pedogenicznych prowadzi do wzrostu zarówno pH, jak i względnej zawartości Na2+ w glebie i w roztworze glebowym. Te kationy sodu powodują z kolei dyspersję cząstek smektytu, które mogą przemieszczać się w głąb. Z tego powodu, pomimo obecności węglanów, cząstki ilaste w Vertisols są iluminowane (Pal i in., 2012).

Vertisols i gleby o właściwościach wertisolowych są identyfikowane i opisywane w wielu krajach, ale największy udział Vertisols na świecie jest skoncentrowany w Indiach (25%), Australii (22%), Stanach Zjednoczonych (6%), Afryce (5%) i Chinach (4%) (Soil Survey Staff, 2003). Światowe rozmieszczenie wertisoli pokazano na Rys. 5.1.1 (FAO, 2001). W Europie wertisole są charakterystyczne dla krajów śródziemnomorskich i bałkańskich (Włochy, Cypr, Bułgaria, Węgry, Rumunia, Hiszpania) (Tóth i in., 2008).

Rys. 5.1.1. Przestrzenne rozmieszczenie wertisoli na świecie (FAO, 2001). Notatki z wykładów na temat głównych gleb świata). http://www.fao.org/docrep/003/y1899e/y1899e00.htm#toc.

W Bułgarii Vertisols są szeroko rozpowszechnione na nizinach i równinach dolinnych w środkowej i południowej Bułgarii (Koinov i in., 1998; Shishkov i Kolev, 2014). Podobnie jak w innych regionach, lokalna nazwa Vertisols wskazuje na kolor gleby – „Smolnitza” („smolista czerń”). Bułgaria należy do krajów europejskich, w których wertisole występują jako dominujący typ gleby (Tóth i in., 2008). Rozmieszczenie wertisoli w Bułgarii związane jest z dawnymi płaskowyżami plioceńskimi i starymi tarasami czwartorzędowymi (Koinov i in., 1998). W późnym miocenie plioceńskie jeziora wyschły, a warunki bagienne stały się dominujące (Koinov i in., 1998; Shishkov i Kolev, 2014). Sprzyjało to rozwojowi gleb glejowych, które następnie przekształciły się w wertisole (Ninov, 2002). W późniejszym okresie wertisole nie zostały zasypane, aby utworzyć paleosol, lecz pozostały na powierzchni w czwartorzędzie. Wiek wertisoli występujących na różnych obszarach Bułgarii jest niepewny (Shishkov i Kolev, 2014). Zwykle przyjmuje się, że wiek gleby jest określany przez wiek materiału macierzystego tworzącego skałę. W Bułgarii wyróżnia się kilka odmian wertisoli – węglanową, typową, wyługowaną i zdegradowaną (Shishkov i Kolev, 2014). Najbardziej rozpowszechniona jest odmiana wyługowana.