BAB IV. NITROGEN

KONTEN MATERI :

4.1. Siklus N2

4.2. Fungsi dan Bentuk N dalam Tanaman4.3. Fiksasi N2 Simbiotik4.4. Fiksasi N2 Nonsimbiotik4.5. Bentuk N Tanah4.6. Transformasi N dalam Tanah4.7. Kehilangan N bentuk gas4.8. Sumber dan pupuk N untuk peningkatan hasil tanaman

4.1. Siklus N Tanaman non legum, sering kekurangan N Sumber organik & anorganik mensuplai N-tersedia bagi tanaman. N2 yang difiksasi tan. legum dapat mencukupi pertumbuhan

tanaman. Memahami kimia dan biologi N tanah adalah penting untuk

memaksimalkan produktifitas , sambil mengurangi dampak input N terhadap lingkungan.

Sumber utama adalah N2 udara sekitar 78% volume udara bumi. Tanaman tingkat tinggi tidak dapat memetabolisis langsung N2

menjadi protein. N2 harus diubah menjadi N-tersedia bagi tanaman oleh :

1. mikroorganisme yang hidup bersimbiosis pada akar legum2. mikroorganisme tanah nonsimbiosis atau yang hidup bebas3. loncatan listrik di udara waktu hujan membentuk N-oksida4. pabrik pembuatan pupuk N.

Tabel 4.1. Perkiraan Distribusi N seluruh sistem tanah - tanaman/hewan - atmosfer

Sumber N Metrik Ton % Total

AtmosferLaut (bermacam-macam)Tanah (tanpa kehidupan)

Tanaman Mikroba dalam tanah

Hewan (Lahan)Manusia

3,9 X 1015

2,4 X 1013

1,5 X 1011

1,5 X 1010

6 X 109

2 X 108

1 X 107

99,3840 0,6116 0,0038 0,00038 0,00015

0,000005 0,00000025

N2ONON2

N2

N2O

NO

NO2

NO3-

NH4+ R-NH2

Ammonifikasi Aminisasi

Bahan organik Tanah

NO3- NO2

-

NO3-/NH4

+

NO3-

Residu tanaman&hewan

Hujan Kilat

1

Fiksasi N2

Fiksasi NH4+

Liat 2:1

Denitrifikasi

Volatilisasi NH3

NH3

6 3

7

2

5Pencucian

Nitrifikasi

4

Mineralisasi

Gambar 4.1. Siklus N

Kacang2an/legum

SimbiosisNon Simbiosis

Diangkut Tanaman

NO3-

1. Fiksasi N2

2. Dekomp./mineralisasi3. Nitrifikasi 4. Diserap tanaman

5. Pencucian NO3-

6. Denitrifikasi N2ON2

7. Volatilisasi NH3

Tabel 4.2. Input, Output (kehilangan) N, dan Daur dalam Sistem Tanah-tanaman-Atmosfer*

Input/penambahan N Output/Kehilangan N Tanpa Penambahan/kehilangan N (Daur)

Fiksasi -Biologi-Industri-Elektrik-PembakaranKotoran hewanSisa-sisa tanaman

Diambil tanamanDenitrifikasiVolatilisasiPencucianFiksasi NH4

+ †

ImmobilisasiMineralisasinitrifikasi

* Sejumlah komponen input, output dan daur N dapat dipengaruhi oleh pengelolaan tetapi umumnya tidak dikelola

† Sejumlah NH4+ yang difiksasi dapat dilepaskan (input)

4.2. Fungsi dan Bentuk N Dalam Tanaman

4.2.1. Bentuk N dalam Tanaman♣ Tanaman mengandung 1-6% dari N berat tanaman, dan diserap dalam bentuk NO3

- dan NH4+.

♣ Dalam keadaan lembab, panas, aerasi tanah baik, larutan NO3

- diserap oleh akar > NH4+, keduanya

diserap akar melalui aliran massa dan diffusi♣ Sebagai senyawa: As.amino, enzim, khlorophyl, gen.♣ Dibutuhkan dlm konst. tinggi pada bag. aktif tum- buh (daun muda/tunas, buah,dan ujung-ujung akar).

4.2.2. Fungsi N dalam Tanaman Sebelum NO3

- dapat digunakan tanaman, harus direduksi → NH4

+ atau NH3. reduksi NO3- melibatkan

reaksi dua 2 enzim katalis, yang terjadi dalam akar dan/daun tergantung spesies tanaman. Kedua reaksi terjadi dalam rangkaian yang juga toksik NO2

- tidak diakumulasi.

1. Pembentukan sintesis/ protein: 2. Bagian dari molekul khlorophyl 3. Komponen vitamin 4. Merangsang pertumbuhan vegetatif

Reaksi reduksi Enzim Tempat reaksi

Tahap 1Tahap 2

NO3- → NO2

-

NO2- → NH3

reduktase Nitratreduktase Nitrit

CytoplasmaChloroplast

Tabel 4.3. Pengaruh N Terhadap Kelembaban dan Hasil Biji Jagung

N (Lb/a) Hasil (bu/a) Kelembaban Biji (%)

060

120180240300

66101135158167168

36,130,027,926,928,227,2

Sumber : Ohio State Univ., 1979, 17th Annu. Agron. Demonstration, Farm Sci. Rev.

4.2.3. Gejala Defisiensi

Tanaman kekurangan N: daun tampak kuning. Kehilangan N protein dari khloroplast pada daun tua menyebabkan kekuningan, atau khlorosis, menunjukkkan kekurangan N.

Khlorosis pertama nampak pada daun terbawah, daun bagian atas tetap hijau; kekurangan N yang hebat, pada gilirannya daun terbawah berwarna coklat dan mati. Nekrosis dimulai pada ujung daun dan maju memanjang ke antar tulang daun sampai seluruh daun dan akhirnya mati.

4.3. Fiksasi N2 Simbiotik4.3.1. Fiksasi N2 Biologi Tabel 4.4. Pentingnya Mikroorganisme yang Terlibat Fiksasi N2 Biologi

Secara Ekonomi

Organisme Sifat Umum Kepentingan Untuk Pertanian

Azotobacter Aerobik; fiksasi bebas; hidup dalam tanah, air, rhizospher (daerah sekeliling akar), permukaan daun

Keuntungan tambahan pada pertanian; ditemukan dalam jaringan vascular tebu, dengan sukrosa berlebih mungkin sebagai sumber energi untuk fiksasi N2

Azospirillum Mikroaerobik; fiksasi bebas; di-Temukan hubungannya dengan akar dari rumput2an

Keuntung inokulasi beberapa tanaman nonlegum, menunjukkan peningkatan perkembangan rambut akar

Lanjutan Tabel 4.4.

Organisme Sifat Umum Kepentingan Untuk Pertanian

Rhizobium Fiksasi N simbiosis legum-Rhizobium

Tanaman legum diuntungkan oleh inokulan dengan strain yang tepat

Aktinomycetes, Frankia

Fiksasi N Simbiosis dengan pohon kayu-kayuan dan legum. Myrica, Kasuarina

Berpotensi penting pada daerah hutan dan tanaman kayu-kayuan

BGA, Anabaena Mengandung klorofil seperti pada tanaman tingkat tinggi; aquatik dan teresterial

Untuk tanaman padi sawah ; Azolla (dalam air) – Anabaena- Azolla simbiosis; digunakan sebagai pupuk hijau

Gambar. 4.2 Hubungan terbalik antara pupuk N yang digunakan dan produksi biji legum di A.S

Peng

guna

an p

upuk

N (t

on x

106 ) Penggunaan pupuk N

Hasil biji legum

Hasil

biji

legu

m (l

b x

106 )

Tahun

Tabel 4.5. Perkiraan Persentase Penambahan N Total Dikebun Sayuran Dengan Berbagai Sumber di A.S

Sumber N Jumlah Total (juta ton) Persentase Total

N Komersil 8,55 57

Legum, Sisa Tanaman 3,74 25

Pupuk Kandang 2,14 14

Sumber Lain 0,52 4

Sumber : USDA, 1992. In Havlin,J.L et all; 2005. Soil Fertility and Fertilizer

4.3.2. Fiksasi N oleh Legum

Akar Legum

Gambar. 4.2 .Perubahan N2 menjadi NH4+ oleh Rhizobia dibagian dalam

nodul akar legum

nitrogenN2 + 16 ATP + 2H+ 2NH4

+ + 16 ADP + H2

4.3.3. Jumlah N2 yang difiksasi

o Fiksasi via nodula bakteri 25-80% dari N total legum.

o N2 yang difiksasi oleh sebagian besar tanaman legum tahunan berkisar 100–200 lbs/a/tahun, meskipun pada kondisi di bawah optimum fiksasi N2 nilainya dapat mencapai 2-3 kali.

o Tanaman legum semusim memfiksasi antara 50 dan 100 lbs N/a/tahun.

4.3.4. Faktor yang Mempegaruhi Fiksasi N2

1. pH Tanah2. Status Hara3. Fotosintesis dan Iklim4. Pengelolaan Tanaman Legum5. Fiksasi oleh Pohon Legum dan Semak

pH Tanah1. Kemasaman tanah dapat membatasi kelangsungan hidup dan

pertumbuhan Rhizobia dalam tanah.

2. Sangat mempengaruhi nodulasi dan proses fiksasi N2. Umumnya pada pH < 5,5 – 6,0, keracunan Al+3,Mn+2, H+ disertai rendahnya Ca+2 dan H2PO4

-,

3. Dapat mengurangi infeksi rhizobia yang kuat, pertumbuhan akar, dan produktivitas legum.

4. Nyata berbeda dalam sensitifitas antara Rhizobia dengan adanya kemasaman tanah.

5. pH tanah < 6,0 secara drastis menurunkan populasi Rhizobium meliloti, derajat nodulasi dan hasil alfalfa, dimana pH tanah 5,0-7,0 sedikit berpengaruh terhadap Rhizobium dihubungkan dengan red clover.

Sensitif pH rendah

Toleransi pH rendahSk

or n

odul

asi

Has

il (g

bah

an k

erin

g/po

t)

Gambar. 4.3. Hasil tanaman makanan ternak (a) dan skor nodulasi (b) alfalfa yang diinokulasi dengan toleransi pH rendah dan sentitif pH rendah oleh strain Rhizobium meliloti. Barley adalah non legum sebagai kontrol (Rice, 1989, Can. J. Plant Sci. 62:943.)

Sensitif pH rendah

Toleransi pH rendah

Non legum sebagai kontrol

pH tanah

pH tanah

Status Hara

1.Tanah masam, kekurangan Ca+2 dan H2PO4-

dapat membatasi pertumbuhan Rhizobia dan mengurangi produktivitas tanaman inang

(Gambar 4.4.).2. Fiksasi N2 membutuhkan Mo yang lebih

banyak dibandingkan dg tanaman inang, karena Mo sbg komponen nitrogenase.

Has

il bi

ji (k

g/ha

x 1

,000

)Tidak diinokulasi

Dosis P (kg/ha)

Diinokulasi2.5

1.5

0.5

0

1

2

13

Gambar 4.4 Pengaruh Pupuk P dan Inokulasi terhadap Hasil Kedelai.( Singleton et al., 1990, Applied BNF Technology; A Practical Guide for Extention Specialists, NifTAL, Paia, HI.). In Havlin J. L.et al.,2005

Fotosintesis dan Iklim

1. Tingginya laju fotosintat berhubungan kuat dengan kenaikan fiksasi N2 oleh Rhizobia.

2. Faktor berkurangnya laju fotosintesis akan menurunkan fiksasi N2, seperti intensitas cahaya berkurang, cekaman air, suhu rendah.

Pengelolaan Legum1. Berkurangnya tegakan legum per satuan luas akan

mengurangi jumlah N2 yang difiksasi oleh legum, seperti halnya cekaman air dan hara; kecuali menekan tumbuhan penggangu dan hama, serta perbaikan pengelolaan panen.

2. Praktek panen untuk setiap lokasi bervariasi besar, tetapi kecepatan frekuansi pemotongan, panen awal, atau terlambat panen, keculai karena rebah, dapat mengurangi tegakan legum dan jumlah N2 yang difiksasi.

Fiksasi Pohon Legum dan Semak1. Fiksasi N2 oleh pohon legum penting dalam membentuk ekologi

hutan subtropik dan tropik, dan sistem agroforestri dalam dalam pengembangan daerah.

2. Banyak spesies pohon legum atau semak yang memfikasi N2, seperti mimosa, akasia, dan lain-lain.

3. Pohon legum yang dijadikan pupuk hijau, seperti Gliricidia sepium, Leucaena leucosepala, dan Sesbania biospinosa dlm sistem penanaman berbasis padi.

4. Tumbuhan non legum, seperti Betulaceae, Elaegnaceae, Myricaceae, Coriariaceae, Rhamnaceae, dan Casurinaceae dapat berfungsi serupa dengan legum dan simbiosis dengan mikroorganisme pada nodule akar.

4.3.5. Ketersediaan N Legum Terhadap Tanaman Non Legum

Hasil tanaman non legum meningkat apabila bersamaan ditanam dengan tanaman legum. Contoh jika jagung ditanam bersamaan dengan tanaman kedelai, N yang dibutuhkan kurang untuk hasil yang optimum dibandingkan jika tanaman jagung ditanam setelah tanaman kedelai (Gambar 4.5).

Gambar. 4.5

Jagung-Jagung

Jagung-kacang

Rata-Rata N (lb/a)(a)

Hasil

biji

(bu/

a)

Rata-Rata N (lb/a)(a)

Jagung-Jagung

Hasil

biji

(bu/

a)

Jagung tahun pertama

Jagung tahun ketingaJagung tahun kedua

Tabel 4.6. Hasil dan Serapan N dari Tanaman Barley Setelah Ditanami Legum

Hasil Barley (bu/a) Serapan N Barley (lb/acre)Non

LegumAlfalfa* Red

Clover*Non

LegumAlfalfa* Red

Clover*1970 66 41 70 59 44 681971 27 51 51 26 64 221972 26 50 40 26 55 421973 32 52 48 26 46 331974 27 35 37 21 29 241975 22 31 26 - - -Total 200 260 272 158 238 189

Rata-Rata 33 43 45 32 48 38

Ditanam Tahun 1968 dan 1969Sumber : Leitch, 1976, Alfalfa Production in The Peace River Region, in In Havlin,J.L et all; 2005. Soil Fertility and Fertilizer

Gambar 4.6. pengaruh panen sebelumnya dan pupuk N terhadap hasil biji jagung ( Heichel, 1987, Role of Legume in Conservation Tillage Systems, Soil Cons. Serv. Am.,p.33.) Havlin,J.L et all; 2005.

Hasil

biji

(bu/

a)

Jagung Panen Tanaman

Dosis N (lb/a)

Alfalfa pemangkasan 3 xGandumKedelai

Alfalfa pemangkasan 1 x

4.3.5. Rotasi Legum

1. Alasan utama legum dalam rotasi tanaman adalah untuk mensuplai N, tetapi dengan perkembangan dan ketersediaan pupuk N relatif murah, produksi pertanian tidak selalu memerlukan N legum (Gambar 4.3).

2. Dalam sistem pertanian peternakan, tujuan utama dari legum untuk mensuplai jumlah besar dari kualitas makanan ternak tinggi, apakah jerami atau rumput.

3. Legum umumnya mempunyai kualitas superior, dengan konsentrasi mineral dan protein lebih tinggi dibandingkan dengan rumput dipupuk N.

4. Sistem tanam dengan legum esensil untuk mensuplei beberapa tanaman non legum terhadap kebutuhan N

4.4. Fiksasi N2 Nonsimbiotik

4.4.1. Mikroorganisme Tanah a. Fiksasi N nonsimbiotik dalam tanah terjadi jika

terdapat beberapa strain bakteri dan BGA (Tabel 4.5).

b. BGA, bersifat autotroph, membutuhkan cahaya, air, N2, CO2 dan hara esensil.

c. Algae biasa hidup dalam keadaan tergenang dibanding dengan drainase baik.

4.4.2. N AtmosferSenyawa N dari atmosfer berasal dari

hujan dan salju sebagai NH4+, NO3

-, NO2- dan

N organik. Jumlah NO2- sedikit di atmosfer,

NO3- dan NO2

-

4.4.3. Fiksasi N2 Industri

Industri Fiksasi N2 sangat penting sebagai sumber N untuk tanaman. Fiksasi N2 ini berdasarkan pada proses Haber-Bosch :

Catalis3H2 + N2 2 NH3

1.200OC, 500 atm

4.5. Bentuk N Tanah

Total N tanah < 0,02% (top soil), dalam sub soil sampai 2,5% pada tanah organik. N tanah sebagai N anorganik dan organik, kira-kira 95 % dari N-total dalam permukaan tanah dalam bentuk N organik.

4.5.1. Senyawa N –Anorganika. Termasuk NH4

+, NO2-, NO3

-, N2O, NO dan unsur N (N2), digunakan oleh rhizobia dan mikroorganisme yang memfiksasi N.

b. Untuk tanaman NH4+, NO2

-, NO3- penting dan dihasilkan dari

dekomposisi secara aerobik bahan organik tanah atau dari penambahan pupuk N. Jumlahnya 2-5% dari total N tanah. Sedangkan N2O dan NO merupakan bentuk yang hilang melalui denitrifikasi.

4.5.2. Senyawa N –organika. Sebagai protein, asam amino, gula amino dan senyawa N

komplek lain. Bagian dari N total tanah dalam fraksi tersebut beragam : ikatan asam amino 20-40%, gula amino seperti heksosamin 5-10%, derivat purin dan pirimidin < 1 %.

b. Secara alami jumlahnya sangat sedikit dalam bentuk kimia hanya 50% atau N organik tidak ditemukan dalam fraksi tersebut.

c. Bentuk protein ditemukan dalam kombinasi dengan liat, lignin, dan bahan-bahan lain yang resisten terhadap dekomposisi.

d. Oksidasi biologi, asam amino sangat penting sebagai sumber NH4

+. Jumlah asam amino bebas dalam tanah rendah.

4.6. Transformasi Bentuk N Dalam Tanah

4.6.1. Mineralisasi N Tahap 1 : Aminisasi

Protein R-C-COOH + R-NH2 + C=O + CO2 + Energi

NH2

H

NH2

NH2

Asam amino Amida Urea

H2O

Bakteri dan fungi

Tahap 2 : Amonifikasi R-NH2 + H2O NH3 + R-OH + Energi

NH4+ dihasilkan melalui amonifikasi pada beberapa keadaan (Gambar 4.1), NH4

+ dapat menjadi

1. Diubah menjadi NO2- (nitrifikasi)

2. Diserap langsung oleh tanaman tingkat tinggi (N diserap)3. Digunakan oleh bakteri heterotop menjadi residu (immobilisasi) 4. Difiksasi secara biologi menjadi N tidak tersedia dalam kisi beberapa mineral

liat (NH4+ difiksasi), atau

5. Dikonversi menjadi NH3 dan dilepas lambat kembali ke atmosfer

(volatilisasi)

H2ONH4

+ OH-+

Contoh perhitungan :Jika tanah mengandung bahan organik (BO) 4 % dan BO mengandung 5 % N, 2 % BO tsb dimineralisasi, maka perhitungan jumlah N yang dimineralisasi adalah :4 % b.o. ( 2 x 106 kg/ha) x 5 % N x (2 % N dimineralisasi) = 80 kg N/ha

4.6.2. N Immobilisasia. N immobilisasi adalah konversi N anorganik (NH4

+ dan NO3) menjadi N organik dan merupakan reaksi bolak balik dari mineralisasi N (Gambar 4.1).

b. Jika dekomposisi b.o. mengandung N rendah, mikroorganisme NH4

+ dan NO3- diimmobilisasi dalam larutan

tanah.

c. Mikroba memerlukan N pada C:N rasio 8:1. N anorganik dalam tanah digunakan dengan cepat untuk populasi pertumbuhannya.

d. Immobilisasi N selama residu tanaman didekomposisi dapat mengurangi NH4

+ dan NO3- sampai ketingkat sangat rendah.

e. Mikroorganisme efektif bersaing dengan tanaman akan NH4+

dan NO3- selama immobilisasi dan tanaman dapat mengalami

kekurangan N.

4.6.3. Pengaruh C:N Rasio terhadap Immobilisasi dan Mineralisasi

a. Rasio C:N adalah bandingan jumlah 2 unsur C dan N dari residu tanaman, b.o. segar lainnya, b.o. tanah, dan mikroorganisme tanah (Tabel 4.7).

b. Kandungan N humus atau b.o. tanah stabil rata-rata 5,0 – 5,5 %, dimana rata-rata C 50-58 %, memberikan rasio C berbanding N rata-rata antara 9 dan 12.

c. Mineralisasi atau immobilisasi N tergantung pada rasio C:N b.o. yang didekomposisi oleh mikroorganisme tanah. Contoh, suatu tanah dimineralisasi 0,294 mg N, kemudian diukur oleh serapan tanaman (Tabel 4.8). Jika rasio residu C:N berubah-ubah ditambahkan ke tanah mineralisasi atau immobilisasi N ditunjukkan jika tanaman mengambil > atau < 0,294 mg N berturut-turut.

d. Rasio C:N = 20:1 batas pembagi antara immobilisasi dan mineralisasi. C:N >20:1 terjadi immobilisasi dan C:N < 20:1 terjadi mineralisasi.

Tabel 4.7. Rasio C:N B.O. Terpilih

Substansi Organik Rasio C;N Substansi Organik Rasio C:N

Mikroorganik tanahBahan organik tanahSweet clover (muda)Pupuk Kandang(Matang)Residu penutup tanahGreen ryeJagung/residu sorghumJerami biji-bijianTimothy

8:110:112:120:123:136:160:180:180:1

Bitumens dan asphaltsBatubara cair dan pelumasOakCemaraMinyak mentahSerbuk gergaji (secara umum)Sejenis pohon cemaraPohon cemaran

95:1125:1200:1300:1100:1400:1

1.000:11.200:1

Havlin,J.L et all; 2005. Soil Fertility and Fertilizer

Tabel 4.8. Mineralisasi N dari Berbagai Residu yang Diukur Dengan Serapan Tanaman

Residu tanaman* Rasio C:N N uptake (mg)

Pemeriksaan tanahBatang TomatAkar jagungBatang JagungDaun jagungAkar tomatCollard rootsBatang buncis.Daun tomatBatang buncisCollard stemCollard leaves

8:145:148:1

33:L132:127:120:117:116:112:111:110:1

0,2940,0510,0070,38

0,0200,0290,3110,8230,8351,2092,2541,781

* Residu di atas garis batas mempunyai rasio C:N > 20:1 Residu di bawah garis batas mempunyai rasio C:N < 20:1. Havlin,J.L et all

Gambar.4.7 Deskripsi umum Mineralisasi dan Immobilisasi N mengikuti penambahan residu pada tanah (Havlin, J.L et al., 2005).

Ras

io C

/NTingkat NO3

- baru

Jum

lah

Tingkat NO3-

Hasil bersih mineralisasi

Evolusi CO2

Tingkat CO2

Waktu

Hasil bersih mineralisasi

4-8 minggu

• Contoh perhitungan dekomposisi residu C : N yang ditambahkan ke tanah, residu N dan N anorganik digunakan oleh mikrooragnisme selama didekomposisi. Jml N-tanah anorganik diimmobilisasi mikrobe dapat dihitung.

• Diketahui : residu sebanyak 3.000 kg/ha, C/N= 60 dengan kandungan C sebanyak 40 %. Aktivitas mikrobe membutuhkan 35 % residu C (terjadi peningkatan biomassa mikrobe), sisanya 65 % direspirasi sebagai CO2 .

• Ditanyakan:• 1. Berapa kg C residu yang digunakan mikrobe ?• 2. Jika populasi mikrobe meningkat berapa N yang dibutuhkan untuk

pertumbuhan mikrobe tsb bila C/N = 8/1 ?• 3. Berapa N yang dibutuhkan mikrobe selama dekomposisi residu ?• 4. Jika kandungan N-residu 0,67 % . Berapa kg N residu/ha ?• 5. Berapa jumlah N yang diimmobilisasi ?

Jawaban:1. C-residu tanah = 3.000kg/ha x 40 % = 1.200 kg/ha C dlm residu. Aktivitas mikrobe hanya menggunakan 35 % residu = 35/100 x 1.200 kg

= 420 kg/ha 2. N yang dibutuhkan untuk pertumbuhan mikrobe tsb bila C/N = 8/1: =

420 kg C : kg N = 8 : 1 y = 1/8 x 420 kg = 52,50 kg N/ha.3. N yang dibutuhkan mikrobe selama dekomposisi residu (420 kg C atau

1.200 kg residu) = 1200 kg C : ykg N = 60 ; 1 y = 1/60 x 1.200 kg = 20 kg N/ha residu.

4. Jika kandungan N-residu 0,67 % . Maka N residu/ha = 0,67/100 x 3.000 kg residu/ha = 20 kg N/ha.

5. Jumlah N yang diimmobilisasi = 52,5o kg N – 20 kg N = 32,50 kg N/ha.

BENTUK TRANSFORMASI NITROGEN DI DALAM TANAH

46

A. Bentuk-bentuk Nitrogen Tanaman mengabsorpsi nitrogen dalam bentuk

amonium dan nitratNO3

- > NH4+

Bentuk NO3-, NH4

+ pada tanaman ditentukan oleh :- Umur- Tipe tanaman- Lingkungan- Faktor lainnya

FIKSASI N

47

Fiksasi secara biologik : rhizobium dan bakteri-bakteri simbiotik yang lain pada akar-akar tanaman kacang-kacangan dan bukan kacang-kacangan, maupun oleh organisme-organisme lain yang terdapat dalam tanah, air, maupun pada permukaan daun.

Fiksasi karena loncatan muatan listrik di udara yang menghasilkan salah satu bentuk oksida nitrogen.

Fiksasi oleh salah satu proses dalam industri pupuk nitrogen, baik dalam bentuk NH4

+, dan NO3- ataupun

CN2-.

Bentuk N dalam Tanah

1. Bentuk organik : bagian terbesar ada dalam tanah. Senyawa N-organik dalam tanah umumnya terdapat dalam bentuk asam-asam amino, protein, gula-gula amino dan senyawa kompleks yang sukar ditentukan (a.l. reaksi NH4

+ - lignin, polimerisasi dari quinone dan senyawa nitrogen, serta kondensasi dari gula + amino.

2. Bentuk anorganik : NH4+, NO2

-, NO3-, N2O, NO dan gas

N2 yang hanya dimanfaatkan oleh Rhizobium. Bentuk NH4

+, NO3- dan NO2

- sangat penting dalam hubungan dengan kesuburan tanah. Bentuk N2O dan N2 merupakan bentuk-bentuk yang hilang dari tanah dalam bentuk gas sebagai akibat proses denitrifikasi.

Tranformasi Nitrogen Di Dalam Tanah

o Tanaman mengambil nitrogen terutama dalam bentuk NH4

+ dan NO3-. Yang berasal dari pupuk & bahan

organik tanah. Jumlah yang diserap tergantung dari : - jumlah pupuk yang diberikan. - kecepatan perombakan dari bahan-bahan organik.

o Jumlah yang dibebaskan dari bahan organik (dan juga sedikit yang berasal dari sisa pupuk) ditentukan oleh kesetimbangan antara faktor-faktor yang mempengaruhi mineralisasi, immobilisasi unsur N serta kehilangannya dari lapisan tanah.

o Mineralisasi bahan organik tanah terjadi melalui 3 tahap reaksi utama; (1) aminisasi, (2) amonifikasi, dan (3) nitrifikasi.

Tahap aminisasi dan amonifikasi berlangsung di bawah aktivitas mikroorganisme yang heterotrop; tahap nitrifikasi dipengaruhi oleh bakteri-bakteri autotrop. Mikroorganisme heterotrop membutuhkan senyawa C organik sebagai sumber enersi sedangkan autotrop memperoleh enersi dari oksidasi garam-garam anorganik dan memperoleh karbon dari CO2 dalam udara di sekitarnya.

1. Aminisasi : Protein R-NH2 + CO2 + enersi + lain-lain2. Amonifikasi : Amina-amina dan asam-asam amino yang

dibebaskan akan dimanfaatkan oleh golongan bakteri heterotrop yang lain dan dibebaskan menjadi senyawa amonium, yang kemudian dapat : (a) dikonversi ke nitrit dan nitrat; (b) diambil langsung oleh tanaman; (c) dipakai langsung oleh bakteri dalam melanjutkan proses dekomposisi; dan (d) fiksasi oleh mineral liat tertentu dari tipe 2 : 1.

3. Nitrifikasi : ada dua tahap yaitu perubahan amonium menjadi nitrit dan nitrit menjadi nitrat. 2NH4

+ + 3O2 2NO2- + 4H+ + H2O + energi (bakteri

Nitrosomonas/bakteri obligat autotrop). 2NO2

- + O2 2NO3- (Nitrobakteri/bakteri obligat

autotrop).

Tiga hal penting dalam proses nitrifikasi :1. Reaksi ini membutuhkan oksigen, proses oksidasi

berlangsung di tanah-tanah yang aerasinya baik.2. Reaksi ini membebaskan H+, menyebabkan tanah

masam bila dipupuk dengan pupuk NH4+ atau N

organik buatan seperti Urea.3. karena bakteri memegang peranan dalam proses ini

maka perubahan berlangsung dipengaruhi oleh keadaan lingkungan.

Akumulasi nitrat karena nitrifikasi:Tanah dengan aerasi baik dan reaksi tanah sampai agak masam, kecepatan oksidasi dari NO2

- ke NO3- > oksidasi

NH4+ ke NO2

-. Kecepatan oksidasi NO2- =/> kecepatan

pembentukan NH4+. Akibatnya bentuk NO3

- cenderung diakumulasi dalam tanah-tanah tersebut. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses nitrifikasi : (1). jumlah NH4

+ di dalam tanah, (2) populasi bakteri nitrifikasi, (3) reaksi tanah,(4) aerasi,(5) kelembaban tanah, dan (6) suhu.

4.7. KEHILANGAN N DALAM BENTUK GAS

Kehilangan utama N dalam bentuk gas disebabkan:

1. DENITRIFIKASI

dan

2. VOLATILISASI NH3

DENITRIFIKASI

NO3- = > NO2

- = > NO = > N2O = > N2 Terjadi dalam keadaan anaerobik (reduksi).

Jika tanah tergenang, O2 tidak ada, terjadi kondisi anaerobik. Beberapa organisme an- aerobik memperoleh O2 dari NO2

- dan NO3

- , dan melepaskan gas N2 dan N2O.Proses perubahan biokimia denitrifikasi nitrat: NO3

- NO2- NO N2O N2

Populasi mikroorganisme yang hidup banyak, seperti : bakteri Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus, dan beberapa bakteri autotroph (Thiobaccilus denitrificans dan T. tioparus).

Potensial denitrifikasi tinggi pada sebagian besar tanah, disebabkan perubahan keadaan aerobik ke anaerobik, sehingga terjadi perubahan dari respirasi aerobik ke metabolisme denitrifikasi yang melibatkan NO3

- sebagai aseptor elektron dengan tidak adanya O2. Tingginya kehilangan N dlm bentuk gas N2O dan N2

beragam karena fluktuasi kondisi lingkungan antara musim dan tahun.

Kehilangan N2 lebih menonjol, kadang2 jumlahnya kira2 90% dari total, sedangkan kehilangan N2O lebih besar pada kondisi reduksi kurang.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Denitrifikasi :

1. Dekomposisi bahan organik, 2. Kandungan air tanah, 3. Aerasi, kandungan nitrat atau nitrit tergantung pada suplai O2.4. pH tanah, 5. Suhu, 6. Kandungan NO3

- tanah, 7. Tanaman/tumbuhan pemasok C-organik, dan pemakai O2 untuk menstimulasi aktivitas akar dan mikroorganisme di daerah perakaran. Tanaman juga dapat membatasi denitrifikasi, karena 1. serapan NH4

+ dan NO3+, 2. mengurangi kandungan air

tanah dengan meningkatnya resultante suplai O2, 3. tanaman tertentu dapat mensuplai O2 ke daerah perakaran (contoh padi). 8. Akumulasi NO2

- di dalam tanah.9. Budidaya pertanian dan lingkungan yang mengubah perubahan NO2

- di dalam tanah

1. Dekomposisi Bahan OrganiK

Dekomposisi BO tanah atau C mempertinggi potensial denitrifikasi dalam tanah. Reaksi dengan C tersedia dibutuhkan untuk reduksi mikrobial dari NO3

- menjadi N2O atau N2 :

4(CH2O) + 4NO3- + 4H+ 4CO2 + 2N2O + 6H2O

5(CH2O) + 4NO3- + 4H+ 5CO2 + 2N2 + 7H2O

Dalam kondisi lapang, penambahan residu tanaman segar dapat merangsang denitrifikasi. Eksudat karbonat dari akar aktif mensuport pertumbuhan bakteri denitrifikasi di daerah perakaran.

2. Kandungan Air Tanah• Penggenangan tanah akan menyebabkan nitrifikasi dengan

tidak tersedia lagi difusi oksigen melalui tanah. Besarnya kandungan air tanah meningkatkan kehilangan N melalui denitrifikasi. Perubahan cepat dari NO3

- ke N2O atau N2 terjadi bila hujan menjenuhi tanah agak panas (a warm soil) karena musim panas atau karena radiasi matahari.

• Kehilangan N-denitrifikasi karena penjenuhan berkisar 10 – 30 lbs/acre = 10 – 30 kg/ha. Penggenangan tanaman padi sawah, pemupukan NO3

- tidaklah efektif karena didenitrifikasi. NO3

- pada tanah sawah selalu ada karena perubahan NH4

+ di daerah perakaran dikonversi ke NO3- .

Bila difusi NO3- ke dalam bagian tanah anaerobik, terjadi

denitrifikasi yang cepat.

3. Aerasi

• Formasi NO3- dan NO2

- tergantung pada ketiadaan O2.• Proses denitrifikasi hanya terjadi apabila suplai O2 yang

dibutuhkan mikroorganisme sangat rendah.• Denitreifikasi bisa terjadi pada tanah beraerasi baik,

karena terjadi anaerobik microsite (tempat kecil tertentu) di mana permintaan O2 untuk proses biokimia mikrobial melampaui suplai O2.

• Denitrifikasi juga terjadi bila laju difusi O2 ke dalam tanah dan permintaan respirasi mikrobialnya tinggi.

• Denitrifikasi karena kandungan O2 kurang dari 10 – 15% udara tanah.

4. pH tanah

• Bakteri denitrifikasi sensitif pada pH rendah, jadi mikrobial denitrifikasi tidak terdapat pada pH<5,0 tetapi meningkat pada pH>5,0. Pada pH<6,0 sampai 6,5 menunjukkan lebih dari setengahnya N hilang ke udara. Pembentuk NO terjadi pada pH<5,5. NO2 mungkin gas yang pertama ditemukan dalam tanah sedikit masam atau netral, tetapi ini direduksi oleh mikroba menjadi N2 pada pH>6.

5.Suhu Denitrifikasi meningkat cepat pada jarak 2 sampai

5oC .

5. TEMPERATUR

• Denitrifikasi meningkat cepat pada kisaran 2 sampai 50C. Denitrifikasi berjalan pada kecepatan kecepatan sedikit lebih tinggi jika temperatur dari 25o sampai 60oC, tetapi terhambat pada temperatur >60oC. Peningkatan denitrifikasi pada kenaikan suhu tanah menyebabkan mikroorganisme thermophilic peran utama dalam denitrifikasi

6. Kandungan NO3-

• NO3- harus ada untuk terjadi denitrifikasi dan

NO3- tinggi meningkatkan potensial denitrifikasi.

7. Keberadaan Tanaman Keadaan lapangan, denitrifikasi meningkat karena

dari pelepasan dari C-tersedia mudah larut dalam eksudat akar mempengaruhi aktivitas mikrobia daerah perakaran.

A. Bentuk Gas N2 dan N2O :1. DENITRIFIKASI NO3

- : NO3- = > NO2

- = > NO = > N2O = > N2 2. NITRIFIKASI NH4

+ : NH4+ => NH2OH => H2N2O2 => NO2

- = > NO3-

H2N2O2 => H2O + N2O Reaksi NO2

- dg NH4+ : NH4

+ + NO2- => N2 + 2H2O

NO2- dg as. amino : NO2

- + NH2R => N2 + ROH + OH- NO2

- dg lignin : NO2- + lignin => N2 + N2O + CH3ONO

Dekomposisi Nitrit (NO2- ):

H+ : 3NO2- + 4H+ => NO + NO3

- + 2H2O Fe+2 : Fe+2 + NO2

- + 2H+ => Fe+3 + NO + H2O Mn+2 : Mn+2 + NO2

- + 2H+ => Mn+3 + NO + H2O

B. Bentuk NH3 :Pupuk anhidrous NH3 : NH3 (cair) => NH3 (gas) urea : (NH2)2CO + H2O => 2NH3 + CO2

Garam NH4+ : NH4

+ + OH- => NH3 + H2O (pH > 7) Dekomposisi Sisa BO: N-Organik => NH4 + NH3

Sumber: Modified from Kurts, 1980, ASA Spec. Publ.38, p.5

Volatilisasi NH3

• Kehilangan N dalam bentuk gas NH3 yang berasal dari pupuk N dan pupuk organik.

• NH4+ < == > NH3 + H+ (pK0 9,3); dipengaruhi

faktor2:• pH tanah,• Penempatan pupuk N,• Kapasitas penyangga tanah,• Kondisi lingkungan,• Sisa panen,• Kondisi lingkungan dan manajemen pertanian