De koolstofkringloop

In figuur 2.2 is de koolstofkringloop geschematiseerd weergegeven. In deze kringloop neemt koolstofdioxide (CO₂) een centrale rol in.

Planten zetten koolstofdioxide uit de lucht onder invloed van zonlicht om in zuurstof en organische verbindingen (biomassa). Dit proces wordt fotosynthese of assimilatie genoemd en is het belangrijkste proces dat leidt tot vastlegging van koolstofdioxide in organisch materiaal. Groeiende bossen zijn in staat om koolstofdioxide lang-durig vast te leggen. Het vastgelegde koolstofdioxide komt uiteindelijk weer vrij door dissimilatie (ademhaling) van planten en (zowel aerobe als anaerobe) afbraak van de gevormde organische verbindingen door bodemorganismen. Deze afbraak van organisch materiaal vindt plaats via een aaneenschakeling van oxidatie- en reductiestappen oftewel transformatieprocessen. Niet al het organisch materiaal wordt even snel afgebroken. De moeilijk afbreekbare bestanddelen gaan deel uitmaken van het organisch stof gehalte van de bodem. Als de omstandigheden voor afbraak ongunstig zijn, hoopt dood organisch materiaal zich op. Er is dan sprake van onvolledige recycling. Dit leidt dan tot bijvoorbeeld veenvorming en op de zeer lange termijn tot de vorming van steenkool, olie en/of gas. Veel koolstof is dus langdurig vastgelegd in fossiele brandstoffen. Het grootste koolstofreservoir in de bodem wordt echter gevormd door carbonaathoudende gesteenten.

De verbranding van fossiele brandstoffen leidt weer tot het vrijkomen van koolstofdioxide. Doordat er tegenwoordig meer koolstofdioxide wordt gevormd dan vastgelegd vindt er in de atmosfeer ophoping van koolstofdioxide plaats. Deze ophoping zorgt er (mede) voor dat de aarde opwarmt, het zogenaamde broeikaseffect.

De stikstofkringloop

In figuur 2.3 is de stikstofkringloop geschematiseerd weergegeven.

Nagenoeg alle in de bodem aanwezige stikstof is afkomstig uit de lucht. De lucht bestaat voor 79% uit stikstofgas (N₂) en vormt daarmee het grootste stikstofreservoir. Stikstof komt in de bodem terecht door biologische binding van stikstof. Dit is een proces waarbij stikstof uit de lucht door specifieke organismen (stikstofbinders) wordt gereduceerd tot ammonium (NH₄). Naast vrijlevende stikstofbinders zijn er ook stikstofbinders die in symbiose leven met een plant. Bekende voorbeelden daarvan zijn bomen als de Els en vlinderbloemigen als Erwten, Bonen en Lupine. Een andere belangrijke bron van stikstof wordt gevormd door natte en droge atmosferische depositie van stikstofoxiden en ammoniak (voornamelijk afkomstig van dierlijke mest). Deze depositie leidt tot het bekende milieuthema van vermesting.

Het merendeel van de stikstof in de grond is aanwezig in een organische vorm die door planten niet direct kan worden opgenomen. Door mineralisatie komt stikstof, dat in organisch materiaal is vastgelegd in eiwitten en andere stikstofhoudende verbindingen, uiteindelijk vrij als ammoniak (NH₃). Dit proces staat bekend als ammonificatie. Onder zure of neutrale omstandigheden komt ammoniak als ammonium (NH₄) in de bodem voor, onder basische omstandigheden als ammoniak. De restanten van het organisch materiaal die moeilijk verteren gaan deel uitmaken van het bodemorganische stof (humus); ongeveer 4% hiervan bestaat uit stikstof.

Ammonium wordt in de bodem onder aerobe omstandigheden vrij snel omgezet in nitraat. Zowel ammonium als nitraat kunnen weer door planten worden opgenomen via de wortels en huidmondjes. Het vermogen om ammonium, via nitriet, om te zetten in nitraat is beperkt tot een gespecialiseerde groep bacteriën, de nitrificeerders. Het nitrificatieproces verloopt optimaal bij een zuurgraad (pH) tussen 6 en 8. Verzuring van de bodem, door bijvoorbeeld atmosferische depositie van verzurende stoffen (zure regen), heeft in slecht gebufferde bodems remming van het nitrificatieproces tot gevolg, vooral als de zuurgraad tot beneden 5,5 daalt.

Onder anaerobe (en in mindere mate aerobe) omstandigheden kan nitraat (NO₃) via nitriet (NO₂) worden omgezet in het vluchtige stikstofgas (denitrificatie) of ammonium (ammonificatie). Denitrificatie kan leiden tot een aanzienlijke emissie, en daarmee verlies van stikstof uit de bodem. Ook kan er vervluchtiging van ammoniak (NH₃) plaatsvinden. Dit speelt met name in kalkrijke (basische) bodems.

De zwavelkringloop

In figuur 2.4 is de zwavelkringloop geschematiseerd weergegeven. Zwavel is belangrijk voor bodemorganismen omdat het onder andere een onmisbaar bestanddeel is voor verschillende aminozuren, de bouwstenen van de eiwitten.

De grootste zwavelreserve komt in de bodem vooral voor als sulfaat (SO₄^2-), maar ook als elementair zwavel (S) of sulfide (bijvoorbeeld als ijzersulfide (FeS en FeS₂). Ook fossiele brandstoffen bevatten zwavel. Zwavel komt als zwaveldioxide (SO₂) ook voor in de atmosfeer. Industriële emissies (verbranding fossiele brandstoffen) en vulkaanuitbarstingen vullen het atmosferische zwavelgehalte geregeld aan. Zwaveldioxide in de atmosfeer kan door sommige planten direct via de bladeren worden opgenomen. Het kan ook met water reageren tot zwavelzuur (H₂SO₄) en via neerslag in de bodem terechtkomen. Dit staat bekend als zure regen en verzuring kan leiden tot een achteruitgang van de bodembiodiversiteit. Zo is de achteruitgang van een aantal bospaddenstoelen en de eikvaren in de jaren zeventig en tachtig van de vorige eeuw toe te schrijven aan deze verzuring. Het terugdringen van de zwaveluitstoot heeft geleid tot een toename van bospaddenstoelen.

Zwavelverbindingen in de bodem kunnen vervolgens als sulfaten (SO₄^2-) via de wortels van planten worden opgenomen en komen zo in de voedselketen terecht. Ook kan sulfaat rechtstreeks door bacteriën worden opgenomen, gereduceerd en vervolgens ingebouwd in organische verbindingen.