5.1 Vertisoler: huvudsakliga egenskaper, bildningsprocesser och utbredning

Den mest karakteristiska egenskapen hos vertisolerna är deras djupsvarta färg och säsongsmässiga kraftiga sprickbildning vid torkning och svällning vid vattensugning (IUSS Working Group WRB, 2014). Vertisoler utvecklas när en kombination av flera processer/faktorer äger rum – tillräckligt med regn som leder till vittring av primära bergartsbildande mineraler, men utan att de sköljs ut utanför profilen; vittringen leder till kristallisering av nya lermineraler; hindrad dränering, vilket försvårar urlakningen av vittringsprodukter; och höga temperaturer, som påskyndar vittringsprocessen (Schaetzl och Anderson, 2009). Kombinationen av dessa faktorer leder till att det bildas smektitlera i närvaro av basiska katjoner (Ca2+, Mg2+). Vertisoler kännetecknas av ett högt lerinnehåll, som huvudsakligen representeras av gruppen smektitfyllosilikatmineraler. Det viktigaste lermineralet är vanligen montmorillonit (Schaetzl och Anderson, 2009). Vertisoler utvecklas på olika modermaterial, inklusive magmatiska bergarter, metamorfa-sedimentära bergarter samt alluviala och colluviala material från vittring av bergarter som är berikade på basiska katjoner (Driese et al., 2003; Schaetzl och Anderson, 2009; Pal et al., 2012). På grund av deras förmåga att adsorbera en stor mängd vatten i lermineralernas mellanskikt kan smektiter ändra sin volym avsevärt. Vertisoler förekommer vanligen i låga och flacka reliefformer, som lågland, dalar, bergskedjors framsida, tidigare sjöbottnar, lägre flodterrasser etc., där det ofta finns förhållanden som gynnar ackumulering och stagnation av vatten. Under torra perioder uppstår breda sprickor på ytan och tränger djupt in i solum. Dessa sprickor fylls med jordmaterial på grund av jordskred, luftinflöde, kraftiga regn osv. Djupare ner i markprofilen, där denna process inte kommer till uttryck, uppkommer slickstensrännor som ett resultat av de skjuvspänningar som uppstår (Schaetzl och Anderson, 2009). Slickensider uppträder vanligtvis på 25-125 cm djup och är bäst uttryckta i jordar som utvecklas under säsongsmässiga växlingar mellan extremt torra och extremt våta perioder. Som ett resultat av samspelet mellan processerna pedoturbation och krympning/svällning uppträder ett specifikt mikrorelief av låg- och högpunkter (gilgai) på ytan.

Iron (Fe) och mangan (Mn) är bland de mest redoxkänsliga grundämnena i marken (Cornell och Schwertmann, 2003), och deras beteende i vertisoler anses vara en viktig faktor när det gäller att etablera olika modeller för vertisolernas uppkomst och funktioner (Nordt och Driese, 2009). Förekomsten av vertisoler i lågländer med hindrad dränering avgör etableringen av reducerande förhållanden i marken under våta säsonger. De viktigaste villkoren som krävs för att en jord ska bli reducerande är att jorden ska vara vattenmättad, att den ska innehålla organiska vävnader som kan brytas ned, att den mikrobiella populationen ska vara närvarande för att kunna använda organiska ämnen som ett andningsbart medium och att vattnet ska vara stillastående eller röra sig mycket långsamt (Vepraskas och Faulkner, 2001). En mikrobiell population som andas är grundläggande för bildandet av reducerade jordar. Nya studier tyder på att bakterier är utbredda och rikliga i många jordar och anpassade för att fungera i olika klimat (Bazylinski, 1996; Konhauser, 1998; Fredrickson et al., 1998; Zachara et al., 2002). Säsongsmässiga förändringar i oxidations-reduktionsförhållandena leder till bildandet av Fe-Mn-konkretioner och -knölar, gleyfläckar etc., tillsammans med reducerande processer i järnoxihydroxider (van Breemen, 1988). Periodisk växling av oxidativa och reducerande förhållanden i jordar åberopar ökad Fe-mobilitet som ett resultat av överföring av elektroner från nedbrytande organiskt material till Fe3+. När reducerade jordar med hög Fe2+-koncentration blir oxiderade bildas ofta Fe-oxider med blandad valens (Brennan och Lindsay, 1998). En annan process som är relaterad till den cykliska reduktionen/oxidationen av järn i ett öppet system är så kallad ferrolys (Brinkman, 1970; van Breemen, 1988). Ferrolysprocessen framförs för att förklara bildandet av mer sandiga, starkt sura ytjordshorisonter, som ligger ovanför mer leriga och inte så sura horisonter i jordarna. Det rör sig om jordar som utvecklats i låglandsområden med säsongsmässig ytvattensutjämning. Det har visat sig att ferrolys under vissa förhållanden även kan äga rum i vertisoler (Barbiero et al., 2010), där amorft kiseldioxid och CaCO3-konkretioner bildas som ett resultat. De senaste studierna visar dock att ferrolys som process i jordar som utsätts för säsongsmässig vattenmättnad överskattas (Van Ranst et al., 2011). I stället föreslås processer av lertranslokation (Montagne et al., 2008) eller geogena processer (Barbiero et al., 2010) för att förklara de kontrasterande markegenskaper som observerats.

De flesta vertisoler anses vara unga jordar som bildats under kvartär, eftersom deras modermaterial ofta är kvartära alluviala avlagringar (Singh et al., 1998; Pal et al., 2006). Nya studier med hjälp av olika dateringstekniker (dvs. isotopdatering av 14C från pedogena och icke-pedogena karbonater) visar att en vertisol kan bildas inom 500 år och att de flesta vertisoler från tropiska, subtropiska och mer torra områden är av holocen ålder (Kovda et al., 2006; Pal et al., 2012). Gamla, paleo Vertisoler, som bildades under Pliocen, är dock också frekventa (Nordt et al., 2004; Achyuthan et al., 2010).

Vertisoler utvecklas i olika klimat – de återfinns ofta i tropiska och subtropiska områden med hög nederbörd, samt i subarida områden (Pal et al., 2012; IUSS Working Group WRB, 2014). Vertisoler som utvecklas i torra och semiarida områden kännetecknas av förekomsten av en karbonathorisont som innehåller primära och/eller sekundära karbonater i form av diffusa massor, konkretioner och kristaller (Kovda et al., 2006; Nordt och Driese, 2009; Pal et al., 2012). Det har visats (Nordt och Driese, 2010a) att när den genomsnittliga årliga nederbörden (MAP) är <900 mm är huvuddelen av CaO i form av CaCO3, medan vid MAP >900 mm är kalciumet i form av utbytbara katjoner (Ca2+) och vertisolerna är avkalkade. Utfällningen av pedogena karbonater leder till en ökning av både pH-värdet och det relativa innehållet av Na2+ i marken och i marklösningen. Dessa natriumkatjoner orsakar i sin tur en spridning av smektitpartiklar, som kan förflytta sig längs djupet. Detta är anledningen till att lerpartiklar i vertisoler, trots förekomsten av karbonater, är illuderade (Pal et al., 2012).

Vertisoler och jordar med vertikala egenskaper identifieras och beskrivs i många länder, men den största andelen vertisoler i världen är koncentrerad till Indien (25 %), Australien (22 %), USA (6 %), Afrika (5 %) och Kina (4 %) (Soil Survey Staff, 2003). Den globala fördelningen av vertisoler visas i figur 5.1.1 (FAO, 2001). I Europa är vertisoler karakteristiska för Medelhavs- och Balkanländerna (Italien, Cypern, Bulgarien, Ungern, Rumänien, Spanien) (Tóth et al., 2008).

Figur 5.1.1. Rumslig fördelning av vertisoler i hela världen (FAO, 2001). Föreläsningsanteckningar om de viktigaste jordarna i världen). http://www.fao.org/docrep/003/y1899e/y1899e00.htm#toc.

I Bulgarien är vertisoler utbredda i låglandet och på dalslätterna i centrala och södra Bulgarien (Koinov et al., 1998; Shishkov och Kolev, 2014). I likhet med andra regioner är det lokala namnet för vertisoler en indikation på jordfärgen – ”Smolnitza” (”tjärsvart”). Bulgarien är ett av de europeiska länder där vertisoler finns som en dominerande jordart (Tóth et al., 2008). Vertisolutbredningen i Bulgarien är relaterad till de tidigare pliocena platåerna och gamla kvartära terrasser (Koinov et al., 1998). Under slutet av miocen torkade pliocena sjöar ut och sumpförhållanden blev dominerande (Koinov et al., 1998; Shishkov och Kolev, 2014). Detta gynnade utvecklingen av gleyjordar, som vidare omvandlades till vertisoler (Ninov, 2002). Senare begravdes inte vertisolerna för att bilda paleosol, utan stannade kvar på ytan under kvartärtiden. Åldern på de vertisoler som finns i olika områden i Bulgarien är osäker (Shishkov och Kolev, 2014). Det brukar accepteras att jordens ålder bestäms av åldern på det bergsbildande modermaterialet. Flera varianter av vertisoler erkänns i Bulgarien – karbonatjordar, typiska, urlakade och nedbrutna (Shishkov och Kolev, 2014). Den mest utbredda är den urlakade sorten.