DINAMIKA Eh, pH, Mn DAN Fe PADA TANAH

TINJAUAN PUSTAKA
Penggenangan Tanah
Penggenangan lahan kering dalam rangka pengembangan tanah sawah
akan menyebabkan serangkaian perubahan kimia dan elektrokimia yang
mempengaruhi kapasitas tanah dalam menyediakan hara untuk padi sawah.
Perubahan kimia dan elektrokimia utama yang mempengaruhi kesuburan tanah
yang digenangi terdiri atas, (1) penurunan potensial redoks (Eh), (2) perubahan
pH tanah dan pH air genangan, (3) perubahan DHL, (4) denitrifikasi, (5)
akumulasi NH4+, (6) fiksasi N, (7) reduksi Mn (IV), Fe(III) dan SO42-, (8)
perubahan ketersediaan N, P, K, S, B, Cu, Fe, Mn, Mo dan Zn, dan (9)
terbentuknya CO2, asam-asam organik dan H2S (Situmorang dan Sudadi 2001).
Kemampuan tanah untuk menyediakan hara ke zona perakaran yang
dibutuhkan untuk pertumbuhan optimum bagi tanaman tertentu tergantung pada,
(a) kemampuan tanah menyediakan hara dalam jumlah yang cukup serta dalam
bentuk yang dapat diserap tanaman, (b) kemampuan tanah untuk mempertahankan
tingkat penyediaan hara tersebut ke permukaan perakaran melalui aliran massa
dan difusi sesuai kebutuhan tanaman, (c) adanya komposisi ionik yang sesuai, dan
(d) ketiadaan bahan yang dapat meracuni atau mengganggu penyerapan hara oleh
tanaman. Faktor-faktor ini sangat dipengaruhi oleh perubahan kimia dan
elektrokimia yang akan terjadi akibat penggenangan (Ponnamperuma 1972).
Pengaruh Penggenangan terhadap Potensial Reduksi-Oksidasi
Potensial redoks merupakan parameter yang menunjukkan intensitas
reduksi pada tanah untuk mengidentifikasi reaksi utama yang terjadi. Intensitas
proses reduksi tergantung pada jumlah bahan organik yang mudah terurai,
semakin tinggi kandungan bahan organik, semakin besar intensitas reduksinya
(Sanchez 1976).
Laju reduksi sangat bergantung pada suhu dan ketersediaan bahan organik
untuk respirasi mikroba dan kebutuhan secara kimia dari bahan-bahan oksida
anorganik, seperti ion Fe3+, Mn4+, NO3-, SO42-, CO2 dan H+, yang digunakan oleh
4
mikroorganisme anaerob. Selanjutnya ion-ion tadi akan tereduksi menjadi N2,
Mn2+, Fe2+, H2S, CH4 dan H2 (Patrick dan Reddy 1978). Dalam keadaan reduktif,
ketersediaan fosfat akan meningkat karena terjadi hidrolisis FePO4 dan AlPO4.
Perubahan SO42- menjadi S2- serta perubahan Fe3+ menjadi Fe2+ pada keadaan
reduktif dapat membentuk FeS. Pada tanah dengan kadar besi sangat rendah ,
dapat terbentuk H2S yang dapat meracuni tanaman.
Penggenangan akan menurunkan potensial redoks yang mengakibatkan
turunnya konsentrasi NO3-, S dan Zn, dan meningkatkan ketersediaan Fe dan P.
Nilai Eh menjadi negatif akibat penggenangan mencirikan keadaan sistem dalam
keadaan tereduksi sedangkan nilai positif mencirikan keadaan sistem yang
oksidatif (Ponnamperuma 1972).
Menurut Wang dan Hagan (1981), laju reduksi dipengaruhi oleh sifat dan
kandungan akseptor elektron dan oleh pH. Pada kebanyakan tanah, konsentrasi
bahan tereduksi mencapai puncak 2-4 minggu setelah penggenangan dan menurun
secara bertahap pada minggu-minggu berikutnya menuju keseimbangan
(Ponnamperuma 1972).
Pengaruh Penggenangan terhadap Reaksi Tanah
Reaksi tanah (pH tanah) menunjukkan sifat kemasaman dan alkalinitas
tanah yang dinyatakan dengan nilai pH. Nilai pH menunjukkan konsentrasi ion
hidrogen (H+) dalam tanah. Semakin banyak H+ dalam tanah, maka semakin
masam tanah tersebut. Di dalam tanah, selain H+ dan ion-ion lain, ditemukan pula
ion hidroksida (OH-), yang jumlahnya berbanding terbalik dengan H+. Bila
kandungan H+ sama dengan OH- maka tanah bereaksi netral yaitu mempunyai
nilai pH 7.
Penggenangan akan meningkatkan pH pada tanah masam dan
menurunkan pH pada tanah alkalin, Pada awal penggenangan pH akan menurun
drastis selama beberapa hari pertama, kemudian mencapai titik minimum dan
dalam beberapa hari kemudian pH meningkat secara asimtot hingga mencapai
nilai pH yang stabil yaitu 6.7-7.2. Pada nilai pH ini akan terjadi perubahan
keseimbangan ion-ion hidroksida, karbonat, sulfida dan silikat. Keseimbangan itu
akan mengatur pengendapan dan pelarutan padatan, erapan dan jerapan ion, dan
5
konsentrasi ion-ion seperti Al, Fe, gas H2S, CO2, serta asam-asam organik yang
tidak terdisosiasi (Ponnamperuma 1972).
Penurunan nilai pH pada tanah masam setelah penggenangan terjadi
karena dalam kondisi anaerob Fe3+ (ion ferri) digunakan sebagai akseptor elektron
untuk oksidasi bahan organik. Selama proses ini nilai pH tanah mendekati netral.
Reaksinya adalah sebagai berikut:
Fe2O3 + 1/2CH2O + 4H+
2Fe2+ + 5/2H2O + 1/2CO2
Pada reaksi redoks diatas, ferri bertindak sebagai akseptor elektron dan bahan
organik sebagai donor elektron. Reaksi tersebut menyebabkan peningkatan pH
pada tanah masam.
Penurunan pH pada tanah alkalin akibat penggenangan merupakan hasil
dari akumulasi karbon dioksida. Karbon dioksida yang dihasilkan tertahan pada
lapisan tipis di permukaan, sehingga terjadi akumulasi CO2 dalam jumlah yang
besar yang kemudian membentuk asam lemah yang membantu menurunkan pH
pada tanah alkalin. Reaksinya adalah sebagai berikut:
CO2(gas)
CO2 (aq)
CO2 + H2O
H2CO3
H2CO3
H+ + HCO3-
Nilai pH tanah sangat menentukan mudah-tidaknya serapan hara oleh
tanaman. Pada umumnya, hara mudah diserap akar pada pH sekitar netral karena
pada pH tersebut, hara mudah larut dalam air. Pada tanah masam ditemukan
unsur-unsur beracun. Hal ini disebabkan oleh terjadinya peningkatan kelarutan
unsur mikro (Fe, Mn, Zn, Cu dan Co) pada jumlah yang besar sehingga bersifat
toksik bagi tanaman, sedangkan Mo akan bersifat racun pada pH yang terlalu
alkalin. Selain itu, pH tanah juga menentukan perkembangan dan populasi mikrob
tanah.
Penggenangan menyebabkan perubahan pH tanah yang cenderung
mendekati nilai stabil, yaitu sekitar 6.7-7.2 (Ponamperuma 1972). Nilai tersebut
merupakan nilai pH tanah yang mantap tetapi sifat-sifat tanah dan suhu
mempengaruhi perubahan-perubahan tersebut. Tanah dengan kandungan bahan
6
organik dan besi yang tinggi akan mencapai nilai pH sekitar 6.5 dalam beberapa
minggu setelah penggenangan sedangkan tanah mineral masam dengan bahan
organik dan besi yang rendah akan mencapai nilai pH yang kurang dari 6.5.
Pengaruh Penggenangan terhadap Ketersediaan Mn
Mangan adalah unsur litofil seperti besi dan terbentuk pada meteorit
maupun batuan beku terutama pada mineral silikat (Krauskopf 1972). Kandungan
Mn dalam litosfer kira-kira 900 ppm dan tanah biasanya mengandung 20-3000
ppm dengan rata-rata 600 ppm (Lindsay 1979).
Menurut Lindsay (1979), kelarutan Mn dipengaruhi oleh beberapa faktor
terutama oleh pH dan Eh. Tingkat oksidasi Mn secara tidak langsung
berhubungan dengan pH tanah. Kelarutan Mn menurun 100 kali jika pH naik 1
unit. Kenaikan pH meningkatkan kompleksasi pada permukaan bahan organik.
Reaksi redoks terpenting dari Mn (Lindsay 1979) adalah :
MnO2 + 4 H+ + 4 e- ↔ Mn2+ + 2 H2O
Lindsay (1979) dan Krauskopf (1979) menyatakan bahwa fraksi Mn yang
paling stabil dalam kondisi tereduksi adalah Mn2+. Reduksi Mn4+ menjadi Mn2+
mencapai puncak sekitar satu bulan setelah penggenangan, selanjutnya menurun
secara gradual. Penurunan tersebut akibat terbentuknya MnCO3. Intensitas
pembentukan Mn2+ sangat ditentukan oleh kandungan Mn dapat direduksi. Pada
tanah masam yang kaya dengan Mn dan bahan organik, konsentrasi Mn2+ dapat
mencapai lebih dari 90 ppm dalam larutan dan setelah stabil dapat menurun
menjadi 10 ppm.
Pengaruh Penggenangan Tanah Terhadap Fe
Besi menyusun 5% dari kerak bumi dan merupakan unsur keempat
terbanyak setelah oksigen, silikat dan alumunium (Tisdale dan Nelson 1975).
Mineral-mineral Fe antara lain Fe-Mg silikat, pirit (FeS2), siderit (FeCO3), hematit
(Fe2O3), gutit (FeOOH), limonit (FeO(OH).nH2O+Fe2O3.nH2O) dan magnetit
(Fe3O4) (Tisdale dan Nelson 1975). Rata-rata kandungan Fe dalam tanah
diperkirakan 3.8%. Unsur Fe merupakan penyusun mineral-mineral primer
7
ferromagnesium. Selama proses pelapukan mineral-mineral tersebut, Fe
dilepaskan dan dipresipitasikan sebagai oksida dan hidroksida besi. Kelarutan Fe
dalam tanah dikendalikan oleh oksida Fe (III) ketika terjadi reaksi hidrolisis,
kompleksasi dan redoks. Kelarutan Fe berkaitan dengan keberadaan oksida-oksida
Fe, ketersediaan P, pengkhelatan Fe dan pembentukan Fe-sulfida (Lindsay 1979).
Fe dan Mn adalah logam yang dalam keadaan tereduksi berbentuk Fe2+
dan Mn2+ yang lebih mudah larut dalam air. Bila teroksidasi, besi dan mangan
menjadi sukar larut sehingga sukar diserap oleh tanaman (Hardjowigeno 1985).
Lebih dari 60-80% total Fe tanah berada dalam bentuk amorf pada pH <
6.5 dan berada dalam bentuk kristalin Fe oksida pada pH > 6.5 (Zhang et al.
1997). Serapan hara mikro pada berbagai tanah dipengaruhi oleh keragaman
jumlah bentuk-bentuk Fe dan Mn, pH tanah, bahan organik dan sifat-sifat tanah
yang lainnya (Sloan et al. 1995).
Perubahan kimia yang penting akibat penggenangan adalah tereduksinya
Fe3+ menjadi Fe2+ dan Mn
4+
menjadi Mn2+ (De Datta 1981). Reduksi besi
dianggap sebagai reaksi terpenting karena meningkatkan ketersediaan fosfor dan
melepaskan kation ke kompleks dapat dipertukarkan (Sanchez 1976).
Oksisol
Oksisol merupakan tanah yang telah mengalami pelapukan lanjut dan
banyak terdapat pada daerah tropis atau sub tropis. Ciri pengenal yang penting
adalah adanya horizon oksik, yaitu horizon yang umumnya mengandung fraksi
yang berukuran liat (mengandung mineral liat 1:1, seperti kaolinit yang banyak
didominasi oleh oksida-oksida besi, alumunium dan silikat). Hancuran dan
pencucian yang cukup hebat telah menghilangkan sebagian besar silikat dalam
horizon tersebut, meninggalkan perbandingan besi dan alumunium oksida
terhadap silikat yang tinggi. Sejumlah kuarsa dan liat tipe 1:1 tetap tertinggal
tetapi hidroksidanya tetap dominan. Kadar liat tanah ini sangat tinggi tetapi liat itu
bersifat tidak melekat. Kedalaman hancuran (horizon A, B, C) yang terjadi pada
oksisol lebih dalam dibandingkan dengan hampir semua tanah dengan kedalaman
15 m atau lebih (Soepardi 1983).
8
Menurut Rachim dan Suwardi (1999), tanah ini umumnya mempunyai
solum yang dangkal, kurang dari satu meter, susunan horizon A, B dan C dengan
horizon B spesifik berwarna merah kuning sampai kuning coklat. Tanah ini
memiliki tekstur halus dari liat dan mengandung konkresi Fe/Mn. Umumnya
tingkat kesuburannya rendah sehingga diperlukan perhatian dalam pengelolaan
terutama bila akan dijadikan sawah. Penyebaran tanah ini antara lain di Jawa,
Sumatera, Kalimantan dan Sulawesi.
Masalah oksisol yang paling dominan adalah kandungan hara yang relatif
rendah karena rendahnya kesuburan alami, alumunium dan besi yang tinggi serta
strukturnya yang padat dan keras. Oksisol mempunyai kejenuhan basa (KB) yang
rendah, kandungan sesquioksida (Fe, Al, dan Si-oksida) yang tinggi serta
kapasitas tukar kation (KTK) yang rendah disebabkan rendahnya kandungan
bahan organik.
Bahan Organik
Bahan organik dapat dibedakan menjadi bahan terhumifikasi dan bahan
belum terhumifikasi. Bahan-bahan belum terhumifikasi adalah senyawa organik
dalam tanaman dan organisme lain, misalnya karbohidrat, asam amino, protein,
lipid, asam nukleat, lignin dan asam-asam organik. Bahan terhumifikasi dikenal
sebagai humus atau senyawa humat. Karakteristik khusus dari humus adalah
kemampuannya untuk berinteraksi dengan ion logam, oksida, hidroksida dan
mineral termasuk pencemar beracun, untuk membentuk senyawa kompleks, baik
yang larut dalam air maupun yang tidak larut (Schnitzer dan Huang 1997; Tan
1998). Stevenson (1982) menyatakan bahwa peranan bahan organik dalam tanah
adalah sebagai sumber hara N, P dan S, merangsang aktifitas mikrob dan
memperbaiki struktur tanah.
Bahan organik yang ada pada tanah tergenang akan dioksidasi oleh mikrob
tanah. Proses oksidasi tersebut selalu bersamaan dengan proses reduksi sehingga
tanah menjadi reduktif. Oksigen, nitrat, mangan, besi sulfat dan karbon dioksida
adalah akseptor (penerima) elektron, sedangkan bahan organik adalah sebagai
donor (pemberi) elektron (Ponnamperuma 1972).