KESUBURAN TANAH "HUBUNGAN TANAH DAN TANAMAN"

A.      HUBUNGAN TANAH DAN TANAMAN

1.         TANAH SEBAGAI MEDIA TANAM 

Soil is the medium wich supports the growth of plants. It provides mechanical supports, the water and oxygen supply to plant roots as well as the plant nutrients.”

“Soil is one of the most important national resources of any country. The soil not only grows a variety of food and fodder crops required for men and animals but also produces raw materials for various agro-industries viz., sugar and starch factories, textile mills, canning and food processing units”

“Soil is a habitat for plant growth bears certain physical, chemical and biological properties, which determined degree of workability, suitability to the specific crop varieties, physical and chemical capacities as well as productivity. The physical capacities of a soil are influenced by the size, proportion, and arrangement on mineral composition of the soil particles. The physical and biological properties of soil need careful studies because soil is a natural medium for the plant growth and gives mechanical support to plant.”

Pertanian –> interaksi : manusia – tanaman – tanah (lingkungan)

Tanaman –> proses: hidup – tumbuh – berkembang

Indonesia negara agraris –> sebagian penduduk menjadi petani atau buruh tani. Kepemilikan lahan sempit.

Iklim tropika –> CH tinggi, kelembaban tingggi, temperatur hangat sepanjang tahun maka perkembangan tanah intensif.

1. Tanah kurang subur : tanah mineral masam, gambut.
2. Tanah dekat volkan tetap subur (ada tambahan material baru).

2.         BENTUK HARA DALAM TANAH

Jika tanah digambarkan selaku sistem, maka dapat dipilahkan adanya komponen masukan dan komponen keluaran. Di dalam tanah unsur hara memiliki berbagai bentuk dan kelincahan untuk bergerak. Hara dapat mengalami alih rupa dan alih tempat.

Sumber hara dalam tanah

1. Perombakan bahan organik tanah.
2. Pelapukan mineral tanah.
3. Pemupukan.
4. Pembenah organik: rabuk, kompos, biosolid.
5. Penambatan N : legum.
6. Batuan: batuan fosfat, greensand.
7. Buangan industri: kapur, gipsum.
8. Pengendapan udara: N, S.
9. Pengendapan air: sedimen, erosi, banjir.

Pangkalan hara (nutrient pool)

Tanpa melihat darimana asalnya, semua hara akan mengelompok dalam pangkalan yang tertentu. Unsur hara berinteraksi dengan sifat fisik, kimia dan biologi tanah, kemudian diserap tanaman atau berpindah antar pangkalan hara dalam tanah. Pangkalan hara dalam tanah adalah:

1. Larutan tanah: bentuk hara terlarut dalam lengas tanah dan sifatnya tersedia segera untuk diserap oleh akar bagi tanaman.
2. Bahan organik:  selalu mengalami proses perombakan dan oleh karena itu akan melepaskan hara.
3. Organisme tanah: hara diambil untuk metabolisme atau menjadi komponen penyusun tubuhnya, sehingga mengalami imobilisasi sementara.
4. Mineral tanah: hara yang  berada dalam pangkalan ini memeiliki sifat antara cukup terlarut sampai sedikit terlarut.
5. Permukaan jerapan: hara dipegang permukaan tanah oleh berbagai mekanisme, berkisar antara cepat tersedia sampai sangat lambat tersedia.
6. Pertukaran kation: tipe yang sangat penting dari jerapan permukaan tanah.

3.         KUALITAS DAN INTENSITAS HARA

Pengertian daya sangga (buffering capacity) adalah:

1. kemampuan tanah untuk mempertahankan kadar hara dalam larutan tanah, atau
2. kapasitas fasa padatan untuk mengisi kembali (replenishment) hara dalam larutan yang diserap oleh akar tanaman.

Kebanyakan uji tanah dirancang untuk mengukur kapasitas (daya sangga) tersebut.

Hubungan kuantitas dan intensitas hara dinyatakan sebagai:

BC = ΔQ/ΔI

ΔQ = faktor kuantitas (kapasitas), meliputi ion yang terjerap dan mineral yang melarutkan secara cepat untuk memasok hara diatas kebutuhan satu musim tanam.

ΔI  = faktor intensitas, perubahan konsentrasi hara dalam larutan.

Penyerapan oleh tanaman –> ΔI (menurunkan konsentrasi dalam larutan).

ΔQ yang tinggi menjaga konsentrasi hara dalam larutan,  ΔI neto menjadi kecil.

ΔQ rendah tidak mampu menjaga konsentrasi hara dalam larutan,  ΔI neto menjadi besar.

4.       GERAKAN HARA DALAM TANAH

Ion di dalam tanah tanah akan bergerak menuju permukaan akar dengan mekanisme berikut: root interception, mass flow atau diffusion.

Pemasokan dan pengangkutan hara:

1. intersepsi akar semata-mata berkaitan dengan pemasokan hara (solely a supply mechanism).
2. aliran massa dan difusi merupakan pemasokan dan pengangkutan hara (mechanisms of supply and transport).
3. memahami bagaimana hara bergerak, sangat penting untuk memahami dampaknya bagi lingkungan, juga dalam penyerapan hara.

Intersepsi akar

Akar tumbuh menembus tanah, bersinggungan dengan permukaan partikel tanah, permukaan akar bersinggungan dengan ion hara yang terjerap, kemudian terjadi pertukaran secara langsung (contact exchange). Meskipun angkanya kecil, tetapi sumbangannya penting agar hara mencapai akar. Hal ini nampak jelas terutama bagi hara dengan kadar tinggi dalam tanah misalnya Ca dan Mg, atau hara yang dibutuhkan dalam jumlah kecil bagi tanaman seperti Zn dan Mn dan hara mikro lainnya.

Intersepsi dipengaruhi oleh semua yang mempengaruhi pertumbuhan akar: tanah yang kering, tanah mampat, pH tanah yang rendah, keracunan Al dan Mn, kekahatan hara, kegaraman, aerasi buruk, penyakit akar, serangga, nematoda, temperatur sangat tinggi atau sangat rendah. Pertumbuhan tanaman berpengaruh paling besar terhadap proses intersepsi, meskipun juga berpengaruh terhadap dua mekanisme lainnya.

Hara yang masuk melalui intersepsi  tergantung pada kadar hara dalam tanah,  volume tanah yang dijelajahi akar, akar menempati 1 – 2% volume tanah, pada permukaan tanah akar lebih rapat.

Proses intersepsi atau pertukaran langsung dapat digambarkan sebagai berikut:

• [rambut akar] H⁺ dengan K⁺ [lempung/BO]
• pertukaran => => =>
• [rambut akar] K⁺ dengan H⁺ [lempung/BO]

Hal ini terjadi karena akar juga memiliki KPK yang berumber dari gugus karboksil (seperti dalam bahan organik): COOH <–> COO^- + H⁺.  Besarnya kpk akar pada monokotil 10 – 30 meq/100 g dengan sifat kation monovalen lebih cepat diserap, sedangkan akar dikotil memiliki KPK 40 – 100 meq/100 g dengan sifat kation divalen lebih cepat diserap.

Aliran masa (mass flow)

Hara terlarut terbawa bersama aliran air menuju akar tanaman, aliran air dipengaruhi oleh transpirasi, evaporasi dan perkolasi. Jumlahnya proporsional dengan laju aliran (volume air yang ditranspirasikan) dan kadar hara dalam larutan tanah.

Aliran masa memasok hampir seluruh hara mobil yang diperlukan tanaman yaitu: NO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, and H₃BO_3. Seringkali memasok hara Ca dan Mg yang berlebihan. Dengan demikian dapat memenuhi kebutuhan Cu, Mn, and Mo, serta memenuhi sebagian kebutuhan Fe and Zn.

Faktor yang mempengaruhi aliran masa adalah :

1. kadar lengas tanah:  tanah yang kering tidak ada gerakan hara,
2. temperatur: temperatur yang rendah mengurangi transpirasi dan evaporasi,
3. ukuran sistem perakaran: mempengaruhi serapan air.

Pengaruh kerapatan akar terhadap pasokan hara oleh aliran masa lebih ringan dibanding terhadap intersepsi akar dan difusi.

Difusi (diffusion)

Ion bergerak dari wilayah yang memiliki kadar hara tinggi ke wilayah yang lebih rendah kadar haranya. Akar menyerap hara dari larutan tanah. Kadar hara di permukaan akar lebih rendah dibandingkan kadar hara tersebut  larutan tanah di sekitar akar. Ion bergerak menuju permukaan akar. Mekanisme ini sangat penting bagi hara yang berinteraksi kuat dengan tanah. Terutama untuk memasok hara P dan K, juga hara mikro Fe dan Zn.

Laju difusi proporsional dengan gradien konsentrasi, koefisien difusi dan wilayah yang tersedia untuk terjadinya difusi. Persamaan difusi “Hukum Fick”:

dC/dt = De. A.dC/dX

dC/dt = laju difusi (perubahan konsentrasi antar waktu)

De = koefisien disfusi efektif

A  = luas penampang difusi

dC/dX = gradien konsentrasi (perubahan konsentrasi antar jarak)

Koefisien difusi efektif (effective diffusion coefficient)

De=Dw.Θ(1/T).(1/b)

Dw= koefisien difusi dalam air

Θ  = kadar air tanah volumetric

T = faktor kelikuan (tortuosity)

b = daya sangga tanah (soil buffering capacity)

Koefisien difusi dalam air dipengaruhi temperatur, jika dingin difusi lebih lambat. Kadar air tanah, jika kering difusi lebih lambat, kurang air, wilayah yang dilewati difusi lebih sempit. Kelikuan (tortuosity), jalur dalam tanah tidak lurus, tetapi melalui sekeliling partikel tanah yaitu lapisan air yang sangat tipis. Hal ini dipengaruhi oleh tekstur tanah dan kadar airnya. Jika lebih banyak lempung maka jalur difusi lebih panjang.  Lapisan air lebih tipis, jalur difusi lebih panjang. Daya sangga tanah (buffering capacity): hara dapat diambil melalui jerapan tanah selama bergerak tersebut, hal ini akan menurunkan laju difusi.

Jarak difusi hara sangatlah pendek yaitu:  K ~ 0,2 cm, sedangkan P ~ 0,02 cm. Ukuran dan kerapatan akar sangat mempengaruhi pasokan hara oleh mekanisme difusi. Hal ini harus menjadi pertimbangan dalam penempatan pupuk.

5.       MEKANISME PENYERAPAN HARA

Kebanyakan unsur diserap akar tanaman dalam bentuk an organik. Setelah mencapai akar, ion hara diangkut sampai ke bagian daun melalui serangkaian tahapan, yaitu penyerapan pasif (passive root uptake), penyerapan aktif (active root uptake), alih tempat (translocation).

Struktur akar

Ion harus bergerak melewati atau mengelilingi sejumlah lapisan jaringan akar.

• epidermis = lapisan terluar dari sel
• korteks = sel besar ukuran tidak beraturan dengan ruang antara sel diantara mereka
• endodermis = lapisan sel dengan suberin band, casparian strip, menjadi penghalang gerakan ion masuk ke stele.
• stele = mengandung pembuluh xylem yang mengangkut air dan ion menuju batang.

Gerakan pasif

• Difusi dan pertukaran ion
• epidermis –> menembus kortek –> ke endodermis
• Apoplast (apparent free space)
• ruang di antara sel (extracellular within and between cell walls)
• KPK akar ada pada dinding sel

Gerakan aktif

• Harus menembus membran sel
• Symplast: Intracellular interconnected cytoplasmic pathway between cells
• pengangkutan aktif melewati membran
• pengambilan unsur hara secara selektif

Pengambilan ion secara aktif

• diperlukan energi untuk melewati membran sel
• konsentrasi di dalam sel lebih besar dibanding di luar sel
• gerakan untuk mengatasi gradien elektrokimia
• energi berasal dari metabolisme sel

Ion carriers

• pengangkutan melewati membran dijembatani oleh karier
• karier berada di dalam membran
• mengikat ion di bagian luar dari batas –> bergerak melewati membran –> melepas ion ke dalam sitoplasma
• karier bersifat selektif, masing-masing ion punya karier tersendiri

Pengangkutan aktif (active transport)

Memungkinkan tanaman memilih hara yang masuk ke akar, menjaga netralitas muatan di dalam sel akar, akar melepas H⁺ and OH^- . Pengambilan kation: melepas H⁺, pengambilan anion: melepas OH^- . Pengambilan kation umumnya >> dibanding pengambilan anion sehingga pH risosfer turun.

Memungkinkan tanaman menimbun hara esensial, tanaman memiliki kemampuan yang berbeda dalam menimbun hara pada tanah yang memilik kadar hara yang rendah. Sifat genetik mempengaruhi pengambilan hara, alih tempat, pertumbuhan akar, metabolisme akar, lingkungan risosofer.

Rhizosphere (rhizo = akar)

Wilayah tanah yang bersinggungan langsung dengan akar, jaraknya 1-4 mm. Tempat kegiatan mikrobia: eksudat organik dari akar merupakan cadangan makanan. Suasana pH risosfer dan aktivitas mikrobia mempengaruhi ketersediaan hara melalui proses pelarutan dan khelasi, pH lebih rendah dan adanya asam organik meningkatkan kelarutan. Akar dan mikrobia di risosfer dapat menghasilkan khelat, akar dan aktivitas mikrobia juga mampu menurunkan redoks potensial sehingga meningkatkan ketersediaan hara.

Akar tanaman tidak terlihat karena tersembunyi dalam tanah dan sukar untuk diteliti, sehingga sering diabaikan. Sifatnya tidaklah pasif, tetapi aktif mengangkut hara dan mengambil secara selektif dengan mengubah suasana tanah di sekitarnya sehingga meningkatkan ketersediaan hara tersebut.

6.       FAKTOR PENENTU PERTUMBUHAN

Setiap syarat tumbuh dapat membatasi hasil. Aturan minimum dari Liebig berlaku unsur hara, tetapi dapat pula diterapkan bagi syarat tumbuh yang lainnya. Pertumbuhan tanaman dibatasi oleh keberadaan hara yang paling terbatas jumlahnya, tanpa memperhatikan besarnya sediaan hara yang lainnya. Tugas petani adalah mengidentifikasi semua faktor pembatas hasil, dan menghilangkan atau meminimalkannya sehingga usahanya menguntungkan.

Faktor penentu pertumbuhan tanaman dapat dipilahkan menjadi 2 bagian yaitu:  Genetik (dakhili=internal) dan Lingkungan (khariji=eksternal).

Faktor Genetik

Perbaikan genetik dengan munculnya hibrida, varitas atau galur telah menunjukkan adanya peningkatan hasil panen pada tanaman jagung, gandum atau komoditas lainnya.

Tabel. Hasil panen jagung di USA pada tahun 1971-1973

Hibrida tahun	Panen buruk (kg/ha)	Panen baik (kg/ha)
1930	3.709	6.538
1940	4.464	7.544
1950	4.778	7.670
1960	4.902	8.550
1970	5.972	8.990

Tabel. Hasil panen gandum berbagai varitas

Varitas	Panen (kg/ha)
1926 (Marquis)	2.028
1935 (Thatcher)	2.230
1958 (Lee)	2.425
1967 (Chris)	2.735
1971 (Era)	3.623

Tanaman dengan hasil panen tinggi (high yielding) mengambil hara lebih banyak dibandingkan tanaman biasa. Tanaman demikian bersifat menguras hara. Jika ditanam pada tanah yang memiliki ketersediaan hara terbatas, maka hasil panen akan lebih rendah dibandingkan tanaman biasa.

Pada masa lampau dilakukan pemilihan varitas tanaman untuk berbagai tingkat kesuburan tanah yang berbeda. Sekarang hal tersebut tidak dikerjakan lagi, karena pada tanah yang  tidak subur dapat ditambahkan pupuk. Meski demikian tetap dilakukan upaya pemilihan tanaman misalnya: tahan terhadap pH rendah atau keracunan Al, atau terhadap kondisi garaman, atau tahan terhadap kekeringan.

Faktor lingkungan

“Environment is defined as the aggregate of all the external conditions and  influences affecting the life and development of the organism.”

Yang termasuk dalam faktor lingkungan adalah : Temperatur, Lengas, Sinar matahari, Susunan udara, Struktur tanah, Reaksi tanah, Biotik, Penyediaan hara dan Senyawa penghambat pertumbuhan.

1. Temperatur: Temperatur merupakan ukuran intentitas panas.  Kisaran temperatur secara umum untuk makluk hidup: -35 ⁰C  –  +75 ⁰C; Tanaman pertanian : 25 – 40 ⁰C. Temperatur ini mempengaruhi: fotosintesis, respirasi, permeabilitas dinding sel, penyerapan air dan hara, transpirasi, aktivitas ensim dan koagulasi protein.
2. Lengas tanah : kadarnya dalam tanah sangat bervariasi: Jenuh air (saturated)– kapasitas lapangan (field capacity) – layu permanen (wilting point). Fungsi lengas antara lain sebagai : pelarut, media transportasi, bahan dasar H₂O.
3. Sinar matahari: aspek yang terkait dengan pertumbuhan adalah: proses fotosintesis, lama penyinaran dan periode tumbuh.
4. Udara: diperlukan untuk respirasi dan sebagai bahan dasar CO₂ dalam proses  fotosintesis_.
5. Struktur tanah : mempengaruhi ruang tumbuh akar dan imbangan udara-lengas.
6. Reaksi tanah: berkaitan dengan ketersediaan hara, unsur meracun dan kehidupan mikrobia.
7. Biotik: antagonisme atau sinergisme, jasad pengganggu: hama,  penyakit, gulma
8. Penyediaan hara: mineral, tekstur, struktur, pH, bahan organik tanah, pemupukan, pengolahan tanah.  Perakaran tanaman dapat  dangkal, dalam, atau menyebar.
9. Senyawa penghambat pertumbuhan: adanya limbah atau bahan beracun.

7.    KURVA PERTUMBUHAN TANAMAN

1. Growth Response Curves Liebig (c. 1860, German) (linear)

Y = mX + b,   where:  Y = yield; m = slope – i.e. rate of yield increase, a function of the environment and nutrient; X = amount of nutrient added; b = minimum yield, one would get this yield with no nutrient additions.

2. Mitscherlich (c. 1910, German) (Law of Diminishing Returns)

(1) dy/dx = (A-Y)C.  if integrate equation (1), then get (2) log (A-Y) = log(A) – cX, where:

A = maximum possible yield (theoretical); Y = actual yield.

dy/dx = slope – i.e. rate of yield increase, a function of the environment, the nutrient, and amount of nutrient already present. This value gets smaller as nutrient amount increases.

x = amount of nutrient added; c = constant.

3. Bray (c. 1920, U. Illinois) (soil interactions)

Started with Mitscherlich’s basic equation, developed: log (A-Y) = log(A) – c1B – cX, where:  A = maximum possible yield (theoretical); Y = actual yield.

dy/dx = slope – i.e. rate of yield increase. It is a function of the environment, the nutrient, and amount of nutrient already present. This value gets smaller as nutrient amount increases.

10.   X = amount of nutrient added; c1 = constant that is for B; c = constant.

11.   B = value explaining behavior of ‘immobile’ nutrients (e.g. K, P, Ca, Mg). The c1B term takes into account the reality that nutrients interact with soil and not all nutrients behave identically.

4. Baule (c. 1920, German mathematician, worked with Mitscherlich) (nutrient interactions)

Baule developed idea of “half-way points.” Using the identical relationship as Mitscherlich,

Baule concluded that: Y = A – A(1/2) # Baule Units, where:

A = maximum possible yield (theoretical); Y = actual yield.

Baule Unit= the amount of nutrient that when added results in moving Y (yield) one-half  way closer to A (maximum possible yield).