studi kualitas tanah pada lahan pertanian

II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Logam Berat
Trace element didefinisikan sebagai unsur yang keberadaannya di alam
sangat sedikit, yang bila terdapat dalam konsentrasi yang lebih tinggi dari
konsentrasi normal memiliki potensi mengganggu atau beracun pada makhluk
hidup (Adriano, 1986 dalam Notodarmojo, 2005). Contoh dari trace element yang
mempunyai potensi toksik bagi tumbuhan atau makhluk hidup lainnya adalah
logam berat seperti Cd, Ni, Pb, Zn, dan Cu.
Istilah logam berat menunjuk pada unsur logam yang mempunyai berat jenis
lebih besar dari 5 g/cm3 (Pierzynski et al., 2005). Namun pada kenyataannya
dalam pengertian logam berat ini, dimasukkan pula unsur-unsur metaloid yang
mempunyai sifat berbahaya seperti logam berat sehingga jumlah seluruhnya
mencapai lebih kurang 40 jenis. Logam berat menjadi perhatian karena sifat racun
(toksisitas) yang dimilikinya (Notodarmojo, 2005).
Secara alamiah
logam berat dikandung oleh berbagai mineral dalam
berbagai batuan penyusun kerak bumi. Mineral tersebut umumnya adalah mineral
kelam yang banyak ditemukan pada batuan basa atau ultra basa. Berbagai mineral
yang mengandung logam berat tersebut disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Beberapa mineral yang mengandung logam berat
Nama Mineral
Unsur Utama
Unsur Minor
Olivin
Hornblende
Mg, Fe, Si
Mg, Fe, Ca, Al, Si
Ni, Co, Mn, Li, Zn, Cu, Mo
Ni, Co, Mn, Sc, Li, V, Zn, Cu, Ga
Augit
Ca, Mg, Al, Si
Ni, Co, Mn, Sc, Li, V, Zn, Pb, Cu, Ga
Biotit
Anorthit
Andesin
Oligoklas
Garnet
Ortoklas
Ilmenit
Magnetit
K, Mg, Fe, Al, Si
Ca, Al, Si
Ca, Na, Al, Si
Na, Ca, Al, Si
Ca, Mg, Fe, Al, Si
K, Al, Si
Fe, Ti
Fe
Rb, Ba, Ni, Co, Sc, Li, Mn, V, Zn, Cu, Ga
Sr, Cu, Ga, Mn
Sr, Cu, Ga, Mn
Cu, Ga
Mn, Cr, Ga
Rb, Ba, Sr, Cu, Ga
Co, Ni, Cr, V
Zn, Co, Ni, Cr, V
Sumber : Mitchell (1964)
2.2. Karakteristik Tembaga (Cu)
Tembaga merupakan salah satu logam berat yang banyak pemanfaatannya.
Hal ini berkaitan dengan sifat tembaga yang siap pakai, tahan karat, konduktor
listrik yang bagus dan tidak magnetik. Tembaga banyak terdapat sebagai sulfida,
oksida atau karbonat, seperti bijih tembaga pirit, kalkopirit (CuFeS), kuprit
(Cu 2 O) dan malasit (Cu 2 CO 3 (OH) 2 ).
Tembaga merupakan unsur logam esensial untuk tanaman dan hewan.
Unsur ini diperlukan pada berbagai sistem enzim. Oleh karena itu harus selalu ada
pada makanan. Namun, tetap harus diperhatikan agar Cu yang masuk dalam
jaringan kadarnya tidak kurang dan juga tidak berlebih (Saeni, 1997). Kadar
normal Cu dalam jaringan tanaman berkisar 5-20 ppm (Sitorus, 2008).
Tembaga banyak dipergunakan pada industri metalurgi, tekstil, elektronika,
dan sebagai cat anti karat (Effendi, 2000). Dalam bidang pertanian, garam
tembaga (tembaga sulfat/CuSO 4 ) digunakan sebagai pembasmi jamur dan siput
(Darmono, 1995).
Logam Cu merupakan logam yang juga terlibat dalam proses metabolisme
tubuh manusia. Logam ini memegang peranan dalam oksidasi enzim, seperti
katalase, peroksidase, cytochrome oksidasi. Kekurangan logam tembaga pada
tubuh manusia dapat mengakibatkan hypochromic, mycrocitie
serta gejala
kekurangan darah. Logam ini dalam konsentrasi rendah tidak membahayakan,
bahkan diperlukan tubuh. Tetapi dalam konsentrasi tinggi dapat mengakibatkan
kerusakan pada ginjal (Levander dan Cheng, 1980 dalam Indrawati, 1994).
2.3. Karakteristik Seng (Zn)
Seng (Zn) adalah unsur hara mikro esensial bagi manusia, hewan, dan
tumbuhan tingkat tinggi. Seng terdapat secara luas, namun sumber utamanya
adalah sphalerite, (ZnFe)S yang biasanya terdapat bersama dengan galena (PbS)
(Cotton dan Wilkinson, 1989).
Zn dalam tanah dikelompokkan dalam bentuk-bentuk kelompok mudah
tersedia sampai tidak tersedia bagi tanaman, yaitu bentuk terlarut dalam air, dapat
dipertukarkan (terikat pada koloid-koloid bermuatan listrik), terikat oleh senyawa
organik menjadi khelat atau senyawa kompleks (ikatan logam pada ligand
organik), liat mineral sekunder dan oksida metalik tidak larut, serta dalam bentuk
mineral primer (Alloway, 1995). Endapan Zn dapat terbentuk dengan senyawasenyawa hidroksida, karbonat, fosfat, sulfida, molibdat, dan asam-asam organik
yang terdiri dari humat, fulvat, dan ligand organik. Adsorpsi Zn++ yang kuat
dalam tanah dapat terjadi dengan adanya bahan organik dan mineral liat, dan hal
ini berhubungan dengan kapasitas tukar kation tanah dan keasaman tanah
(Warneke dan Barber, 1973).
Seng sering digunakan dalam pelapisan logam seperti baja dan besi yang
merupakan produk antikarat, pembuatan zat warna untuk cat, lampu, gelas, bahan
keramik, pestisida dan sebagainya (Darmono, 1995).
Untuk pertumbuhan tanaman, pada umumnya tanaman membutuhkan unsur
Zn hanya dalam jumlah sedikit. Kadar normal Zn dalam tanaman berkisar 25-150
ppm (Sitorus, 2008). Seng diserap tanaman dalam bentuk Zn2+ tetapi dapat juga
diserap dalam bentuk molekuler garam kompleks organik seperti EDTA.
Kekurangan atau kelebihan unsur Zn pada lahan pertanian diperlihatkan pada
kandungannya pada jaringan tanaman, khususnya pada tanaman semusim.
Kelebihan logam Zn dalam tubuh manusia akan mengakibatkan timbulnya rasa
nyeri pada dada, pneumonitis dan paru-paru (Levander dan Cheng, 1980 dalam
Sule, 1994). Pengaruh yang ditimbulkan logam ini dapat bersifat permanen.
2.4. Karakteristik Timbal (Pb)
Timbal (Pb) adalah sejenis logam yang lunak dan berwarna coklat
kehitaman, serta mudah dimurnikan. Dalam pertambangan, logam ini berbentuk
sulfida logam (PbS) yang sering disebut galena (Darmono, 1995).
Menurut Soepardi (1983), Pb dalam tanah sebagian besar tidak tersedia bagi
tanaman, dan seperti halnya dengan kation logam beracun lain Pb sangat tidak
larut dalam tanah terutama bila tanah tidak terlalu masam. Sebagian besar Pb
ditemukan pada lapisan permukaan, suatu petunjuk bahwa hampir tidak ada
pergerakan ke bawah. Pengapuran akan mengurangi ketersediaan unsur ini dan
penyerapannya oleh tanaman.
Kandungan Pb total pada tanah pertanian berkisar 2–200 ppm. Sumber
unsur ini berasal dari berbagai jenis batuan. Pada batuan ultrabasik (gabbro)
terkandung 1,9 mg Pb/kg, pada andesit 8,3 mg/kg dan pada granit (batuan asam)
22,7 mg/kg batuan. Ada kecenderungan bahwa kandungan Pb meningkat dengan
meningkatnya kandungan silika batuan (Nriagu, 1978 dalam Lahuddin, 2007).
Logam ini tidak terdapat secara murni, tetapi berkombinasi dengan unsur lain
sebagai garam. Pada umumnya logam ini berasosiasi dengan logam-logam seperti
seng, besi, kadmium, dan perak dan logam ini umumnya berasal dari berbagai
limbah industri, diantaranya baterai, pewarna cat, lampu, dan aditif bahan bakar
petrolium.
Pb tersedia bagi tanaman melalui tanah dan sumber-sumber aerosol (udara).
Serapannya oleh tanaman sangat rendah, kecuali pada tanah dengan kapasitas
tukar kation, pH, kadar bahan organik dan kadar P rendah (Lepp, 1981). Serapan
Pb oleh tanaman jarang pula sampai menimbulkan gejala toksisitas pada tanaman,
kecuali bila kandungan Pb dalam media perakaran sangat tinggi, karena sebagian
besar Pb yang diserap diakumulasikan pada akar secara cepat.
Timbal banyak digunakan dalam industri baterai (Eckenfelder, 1989).
Elektroda dari aki (baterai) biasanya mengandung 93% Pb dan 7 % Sb (antimoni).
Pb sangat baik untuk merangsang arus listrik sebagai katoda PbO 2 dan Pb logam
(Darmono, 1995). Logam Pb juga digunakan dalam pembuatan tinta, sekering,
amunisi, dan kabel.
Pb murni biasanya digunakan untuk melapisi logam lain agar tidak mudah
berkarat, misalnya pipa-pipa air atau kabel-kabel listrik bawah tanah. Senyawa Pb
juga digunakan untuk campuran pembuatan cat sebagai bahan pewarna, seperti Pb
putih atau Pb(OH) 2 2PbCO 3 dan Pb merah atau Pb 3 O 4 (Darmono, 1995).
Penambahan timbal pada bahan bakar sebagai anti knocking agent (anti letupan)
juga memberikan kontribusi yang berarti bagi keberadaan timbal di dalam udara,
tanah, dan air.
Tingkat toksisitas timbal lebih rendah daripada kadmium (Cd), merkuri
(Hg) dan tembaga (Cu), akan tetapi lebih toksik daripada kromium (Cr), mangan
(Mn), barium (Ba), zinc (Zn) dan besi (Fe). Keracunan timbal (plumbism) dalam
dosis rendah namun berlangsung terus-menerus dapat menyebabkan neurotoksik
(racun saraf) dan tingkah laku (Darmono, 1995).
2.5. Karakteristik Kadmium (Cd)
Kadmium merupakan logam lunak berbentuk kristal dan berwarna putih
keperakan. Kadmium (Cd) bersama-sama dengan Hg, Pb dan V adalah logam
yang hingga saat ini belum diketahui dengan jelas perannya bagi tumbuhan dan
makhluk hidup lainnya. Kadmium bersifat tidak larut dalam air. Pada kerak bumi
kadar kadmium sekitar 0,2 mg/kg (Moore, 1991). Kadmium karbonat dan
kadmium hidroksida memiliki sifat kelarutan yang terbatas. Garam-garam
kadmium (klorida, nitrat, dan sulfat) dapat berupa senyawa kompleks organik dan
inorganik atau terserap ke dalam bahan-bahan tersuspensi dan sedimen dasar.
Pada pH yang tinggi kadmium mengalami presipitasi/pengendapan.
Kadmium biasanya selalu bercampur dengan logam lain, terutama dalam
pertambangan seng (Zn) dan timah hitam yang selalu ditemukan kadmium dengan
kadar 0,2-0,4% (Darmono, 1995). Kadmium bersifat tahan panas sehingga sangat
baik untuk campuran pembuatan bahan-bahan keramik, enamel dan plastik.
Kadmium juga sangat tahan terhadap korosi sehingga sangat bagus untuk melapisi
pelat besi dan baja. Kadmium banyak dipakai pada industri metalurgi, pelapisan
logam, pigmen, baterai, peralatan elektronik, pelumas, peralatan fotografi, gelas,
keramik, tekstil dan plastik (Eckenfelder, 1989).
Toksisitas kadmium dipengaruhi oleh pH dan kesadahan. Keberadaan seng
dan timbal dapat meningkatkan toksisitas kadmium. Sumber alami kadmium
adalah greenockite (CdS), hawleyite, sphalerite dan otavite (Moore, 1991).
Kadmium bersifat kumulatif dan sangat toksik bagi manusia karena dapat
mengakibatkan gangguan fungsi ginjal dan paru-paru, meningkatkan tekanan
darah, dan mengakibatkan mandul pada pria dewasa. Selain itu keracunan Cd
juga dapat mengakibatkan kehilangan sel darah merah dan kerapuhan tulang.
Kasus keracunan kadmium yang terkenal adalah timbulnya penyakit ‘Itai-itai’ di
Jepang dengan gejala sakit pada tulang dan keroposnya tulang.
2.6. Perilaku Logam Berat dalam Tanah
Keberadaan logam berat berkaitan erat dengan pH, kadar bahan organik dan
keadaan oksidasi reduksi tanah (Soepardi, 1983). Reaksi tanah merupakan faktor
pengontrol penting perilaku kimia logam-logam dan berbagai proses penting
lainnya di dalam tanah. Soepardi (1983) menyatakan bahwa pH tanah
mempengaruhi serapan unsur hara dan pertumbuhan tanaman melalui pengaruh
langsungnya terhadap tersedianya unsur hara dan adanya unsur-unsur beracun.
Dalam keadaan masam kation logam sangat larut dan tersedia bagi tanaman.
Kation logam berat lebih mudah bergerak dalam kondisi masam (Alloway, 1995).
Bahan organik dapat mengurangi pengaruh buruk yang mungkin
ditimbulkan oleh logam berat dan mempertahankan tanaman dalam keadaan
normal. Bahan organik dapat membentuk senyawa komplek dengan logam berat
yang disebut komplek organik logam. Pembentukan komplek organik logam dapat
menurunkan kelarutan logam-logam berat (Stevenson, 1994).
Adanya bahan organik akan menyebabkan terjadinya kelat dengan kationkation logam. Senyawa-senyawa humat efektif dalam mengikat unsur logam (Fe,
Cu, Zn dan Mn). Dalam tanah masam, unsur logam tersebut terdapat dalam
konsentrasi yang tinggi dan menyebabkan masalah keracunan pada tanaman.
Pemberian humus pada tanah masam akan membuat sebagian unsur logam
terambil dari larutan melalui pembentukan kompleks dengan senyawa-senyawa
humat.
Logam berat dalam tanah dapat berada dalam bentuk ion atau berikatan
dengan mineral maupun bahan organik tanah. Dalam larutan tanah, kebanyakan
logam berat (kecuali As, Sb, Sn, Mo dan V) merupakan kation-kation sehingga
dijerap oleh muatan negatif permukaan koloid tanah (Alloway, 1995).
Peningkatan muatan negatif liat akan mampu meningkatkan kapasitas
jerapan kation dalam jumlah yang lebih banyak. Proses pengendapan ion-ion
logam dalam larutan tanah menjadi bentuk tak tersedia akan mengurangi pengaruh
logam berat terhadap pertumbuhan tanaman. Mobilitas dan ketersediaan logam
berat tergantung pada cara dan kekuatan fiksasi logam berat oleh komponen tanah
khususnya oleh fraksi liat (Czurda et al., 1996 dalam Rahmawati, 2006).
2.7. Pencemaran Logam Berat di Tanah
Pencemaran logam berat pada tanah daratan sangat erat hubungannya
dengan pencemaran udara dan air. Partikel logam berat yang beterbangan di udara
akan terbawa oleh air hujan yang membasahi tanah sehingga timbul pencemaran
tanah. Terlepas dari mana sumbernya, unsur beracun ini dapat mencapai tanah,
sehingga menjadi bagian dari lingkar hidup tanah – tumbuhan – hewan – manusia
(Gambar 2).
• Produk industri
• Pembakaran
bahan bakar
• Pupuk
• Pestisida
Burung
Udara
Tanaman
Tanah
Air
Ternak
Manusia
Ikan
Batuan
Sumber: Soepardi (1983)
Gambar 2. Sumber dari logam berat dan perputarannya dalam ekosistem
Pada umumnya kandungan logam berat secara alamiah sangat rendah di
dalam tanah, kecuali tanah tersebut merupakan daerah pertambangan atau tanah
tersebut sudah tercemar (Darmono, 1995). Kandungan logam berat dalam tanah
secara alamiah dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Kandungan logam berat dalam tanah secara alamiah
Logam
Kisaran
Rataan
-------------------------µg/g------------------------As
5 - 3000
100
Co
1 - 40
8
Cu
2 - 300
20
Pb
2 - 200
10
Zn
10 - 300
50
Cd
0,05 - 0,7
0,06
Hg
0,01 - 0,3
0,03
Sumber: Peterson dan Alloway (1979) dalam Darmono (1995)
Aktivitas manusia (anthropogenic) merupakan kontributor yang besar bagi
keberadaan logam berat dalam tanah. Penggunaan logam berat seperti Cd, Ni, Pb,
Zn, dan Cu oleh masyarakat modern berturut-turut 0,5, 20, 240, 250, dan 310 juta
ton dengan kecenderungan terus meningkat (Nriagu, 1984 dalam Notodarmojo,
2005). Unsur-unsur tersebut masuk ke dalam tanah melalui pupuk, pestisida,
emisi kendaraan bermotor, dan industri.
Adapun bentuk logam berat dalam tanah dapat bermacam-macam. Menurut
Verloo (1993) keseluruhan logam berat yang ada dalam tanah dapat dipilahkan
menjadi berbagai fraksi atau bentuk, yaitu:
(1) larut air, berada dalam larutan tanah;
(2) tertukarkan, terikat pada tapak-tapak jerapan (adsorption sites) pada koloid
tanah dan dapat dibebaskan oleh reaksi pertukaran ion;
(3) terikat secara organik, berasosiasi dengan senyawa humus yang tidak
terlarutkan;
(4) terjerat (occluded) di dalam oksida besi dan mangan;
(5) senyawa-senyawa tertentu, seperti karbonat, fosfat, dan sulfida;
(6) terjerat secara struktural di dalam mineral silikat atau mineral primer.
Beberapa penelitian mengenai pencemaran logam berat dalam tanah
pertanian telah dilakukan. Rahmawati (2006) menyatakan bahwa kadar total
logam berat dalam tanah pertanian di sekitar kawasan industri Cikarang
Kabupaten Bekasi berada di atas kisaran kadar normal (Pb sebesar 28,84-150
mg/kg, Zn sebesar 645,69-1293,65 mg/kg, Cd sebesar 1,05-31,70 mg/kg, Cu
sebesar 17,44-90,61 mg/kg, Co sebesar 4,27-61,77 mg/kg dan Ni sebesar 4,7023,40 mg/kg).
Hal yang sama juga terjadi pada lahan sawah di sepanjang sub-DAS Serang,
Kudus yang mendapatkan pengairan dari sungai yang tercemar limbah pabrik
kertas (Sutrisno dan Mulyadi, 2008). Hasil analisis contoh tanahnya mengandung
logam berat Cu, Pb dan Cd berturut-turut sebesar 46-94 mg/kg, 17-24 mg/kg dan
0,2-0,4 mg/kg, sedangkan pada gabahnya mengandung Cu 2,25-5 mg/kg, Pb 00,59 mg/kg dan Cd 0,01-0,11 mg/kg.
Menurut Istikasari (2004), telah terjadi pencemaran logam berat Pb, Cu, Fe
dan Hg dalam tanah dan beras akibat kegiatan pertambangan emas di daerah
pengolahan emas tanpa izin Kecamatan Nanggung, Kabupaten Bogor. Kisaran
kadar logam dalam tanah adalah Pb 0,33-12,94 ppm, Cu 5,42-29,76 ppm, Fe
262,82-804,89 ppm dan Hg 5,52-99,08 ppm. Sedangkan dalam beras terdeteksi
logam Pb sebesar 0,44-3,69 ppm, Cu 0,01-1,19 ppm, Fe 2,51-43,56 ppm dan Hg
13,70-251,30 ppb.
Sumber cemaran Cd pada tanah pertanian diketahui berasal dari penggunaan
pupuk kandang dan pupuk P secara terus-menerus dengan dosis yang cenderung
berlebih. Seperti pada tanah pada lahan budidaya sawi putih di sentra produksi
hortikultura Lembang, Jawa Barat mengandung logam berat Cd dengan rataan
konsentrasi Cd sebesar 2,01 mg/kg (pada lahan dengan produktivitas tinggi), 2,26
mg/kg (pada lahan dengan produktivitas sedang) dan 1,43 mg/kg (pada lahan
dengan produktivitas rendah) (Andayasari, 2009).