dinamika nitrogen dan belerang dalam tanah

NITROGEN dan
BELERANG
TANAH
smno 2012
PEREDARAN NITROGEN
Nitrogen Atmosfer
Reaksi
khemoelektrik
& Hujan
Fiksasi simbiotik
Fiksasi non-simbiotik
Sisa tumbuhan & binatang
penguapan
Bahan Organik Tanah
amonifikasi
ekskresi
denitrifikasi
Amonia
nitrifikasi
Nitrat & Nitrit
Pencucian
penyerapan
NITROGEN
AMONIUM
AMONIFIKASI:
hidrolisis
R-NH2
+ HOH
R-OH + NH3 + energi
enzimatik
N-NH4
2 NH3 + H2CO3
(NH4)2CO3
2NH4+ + CO3=
Reaksi amonifikasi berlangsung lancar bila tanah berdrainasi dan
aerasi yg baik, mengandung banyak kation basa, pH sekitar netral
Penggunan Senyawa Amonium
1. Digunakan / diserap oleh jasad renik tanah
2. Diserap oleh akar tanaman / tumbuhan
3. Difiksasi oleh mineral liat tertentu, seperti Ilit
4. Dioksidasi secara enzimatis melalui proses nitrifikasi
5. Pd kondisi pH tinggi dpat berubah menjadi NH3 dan menguap
Nitrifikasi mrpk proses oksidasi enzimatik:
NITRIFIKASI
oksidasi
2NH4+ + 3O2
2NO2- + 2H2O + 4H+ +energi
enzimatik
oksidasi
2NO3-
2 NO2- + O2
+ energi
enzimatik
Pd tanah yg bereaksi sngt alkalin, reaksi ke dua agak lambat
Jasad Renik yg terlibat :
1. Jasad renik nitrifikasi: Nitrobacter
Nitrosomonas: amonia menjadi nitrit
Nitrobacter : nitrit menjadi nitrat
2. Mungkin ada jasad renik lain yg mempunyai kemampuan serupa
dengan kedua jasad tsb
LAJU NITRIFIKASI :
1. Pada kondisi tanah, suhu, dan kelengasan yg ideal proses nitrifikasi
berlangsung cepat
2. Laju harian 6 - 22 kg N setiap 2.000.000 kg tanah terjadi bila 100 kg
ammonium diberikan ke tanah.
FAKTOR
TANAH yg
berpengaruh
thd
NITRIFIKASI
Bakteri nitrifikasi sangat peka thd kondisi lingkungan:
Faktor lingkungan tanah yg berpengaruh:
1. Aerasi : ……. Aerasi optimal?
2. Suhu
: ……. Suhu optimal ?
3. Kelengasan
: ……. Kelengasan optimal?
4. Kapur aktif
: ……. Kondisi optimal?
5. Pupuk
: ……. Kondisi optimal ?
6. C/N ratio
: ……. kisaran optimal?
PENGARUH PUPUK :
1. Sedikit pupuk yg mengandung unsur makro dan/atau mikro dapat
membantu nitrifikasi
2. Keseimbangan antara N-P-K sangat menolong nitrifikasi
3. Pemberian pupuk amonium dosis tinggi menghambat nitrifikasi
4. Ternyata amonia dapat bersifat toksik bagi Nitrobacter, tetapi
tidak bagi Nitrosomonas
C/N ratio :
1. Karbohidrat merupakan sumber energi bagi jasad renik tanah
2. Kalau tanah banyak karbohidrat (C/N ratio tinggi), jasad nitrifikasi
tidak mampu bersaing dengan jasad renik lainnya.
Penambahan N ke dalam tanah:
1. Hujan dan debu
2. Fiksasi N non-simbiotik
3. Fiksasi N simbiotik
4. Limbah Pertanian: ternak, tanaman, ikan, manusia
5. Pemupukan
Kehilangan N dari tanah:
1. Volatilisasi, penguapan
2. Denitrifikasi
3. Pencucian, Erosi dan run-off
4. Serapan tanaman.
www.ldd.go.th/18wcss/techprogram...6340.HTM
7
1.
2.
3.
4.
Kontribusinya sebesar 4 - 8 kg N/ha/tahun
Aktivitas elektris selama thunderstorms
Debu, asap, partikulat dalam udara mengandung N
Nitrogen ini dapat berupa senyawa organik atau
anorganik yang terikat pada partikulat
ossperc.wordpress.com/2009/02/04...ndhills/
9
1. Tempat terjadinga: Tajuk tanaman, seresah/litter, tanah,
rhizosfer
2. Pd helai daun: oleh Azotobacter dan Beijerinckia spp.
3. Kontribusi tahunan sebesar 0 - 8 kg N/ha/thn, di daerah
rainforest hingga 40 kg N/ha.
4. Fiksasi dlm tanah (sawah) oleh Blue green algae
5. Fiksasi dlm rhizosfer tebu, padi, rumput : Azotobacter,
Beijerinckia, dan Derxia.
6. Kontribusi No. 5 sekitar < 10 kg N/ha/thn.
1. Kontribusinya tgt pada jumlah spesies legume
2. Kontribusi single legume stand 16 - >500 kg N/ha/th
3. Kendala fiksasi : rendahnya P-tersedia , tingginya Aldd,
kekeringan, kurangnya inokulum spesifik
4. Kontribusinya pd lahan pertanian 4 - 50 kg N/ha
5. Kontribusinya pd lahan hutan tropis 46 - 147 kg N/ha
6.
www.tutorvista.com/topic/nitrogen-cycle
12
1. Dekomposisi N-organik menjadi N-anorganik ada tiga tahap:
1. Aminisasi: Protein menjadi amine
2. Amonifikasi: amine menjadi ammonium (NH4+)
3. Nitrifikasi: Ammonium menjadi nitrit dan nitrat
2. Kecepatannya tgt pada suhu, C/N rasio, pH tnh, mineralogi
liat dan kandungan air tanah
3. Pada tanah masam, mineralisasi karbon lebih cepat dp
nitrogen, shg menurunkan C/N-rasio
4. Mineralisasi N lebih cepat kalah nilai C/N rasio rendah
5. Pada Andepts, mineralisasi N berbanding terbalik dg
kandungan alofan
6. Mineralisasi N masih dapat berlangsung pd tegangan air > 15
bar; alternate wetting & drying mempercepat mineralisasi N
Pola fluktuasi musiman Nitrat tanah terdiri atas:
1. Akumulasi nitrat secara lambat dlm topsoil pd musim kering
2. Peningkatan cepat dlm waktu singkat pd awal musim hujan
3. Penurunan cepat selama musim hujan sisanya.
Periode Kering singkat pd musim hujan mengakibatkan “Birch
Effect atau FLUSHES”: Peningkatan N-anorganik cepat dan
diikuti penurunanya secara bertahap.
ohioline.osu.edu/aex-fact/0463.html
15
NASIB
N-NITRAT
TANAH
N-nitrat tanah
1. Digunakan oleh jasad renik tanah (IMOBILISASI)
2. Diserap oleh akar tanaman/ tumbuhan (ABSORPSI)
3. Hilang bersama air drainase (pencucian, leaching)
4. Hilang ke atmosfer dalam bentuk gas (denitrifikasi)
DIGUNAKAN JASAD RENIK & TANAMAN :
1. N-Nitrat dapat diserap oleh jasad renik tanah dan akar tanaman.
Kapan persaingan kedua jenis jasad ini sangat intensif?
LEACHING & VOLATILIZATION :
1. Bila tanah ditumbuhi tanaman, biasanya kehilangan nitrat dalam air
drainase tidak terlalu banyak
2. Rata-rata kehilangan per tahun melalui pencucian di daerah humid
berkisar antara 5 dan 6 kg setiap hektar
3. Pada kondisi drainse dan aerasi tanah yg jelek, N-nitrat direduksi
melalui proses denitrifikasi menjadi gas N2.
1. Akumulasi nitrat pd topsoil terjadi karena nitrifikasi pd
kondisi tegangan air tanah 15 - 80 bar
2. Pergerakan air tanah dari subsoil ke topsoil mendukung
mineralisasi N
3. Hasil mineralisasi N pd subsoil terbawa naik bersama air
kapiler dan terakumulasi pd tanah lapisan atas setebal 5 cm
4. Selama musim hujan, nitrat akan terangkut kembali ke
subsoil
Musim Horison
Pola tanam: kg N/ha sbg NO3Fallow
Jagung
Pasture
Hujan
A
(190 mm/bl) B
18
13
9
10
8
7
Kering
(38 mm/bl)
35
17
22
10
10
9
A
B
Sumber: Hardy (1946)
1. Bbrp hari setelah hujan lebat pertama, terjadi peningkatan Nanorganik dlm tanah
2. Kontribusinya 23 - 121 kg N/ha dalam jangka 10 hari
3. Puncak akumulasi N ini berbanding langsung dg durasi dan intensitas
periode kering sebelumnya
4. Bberapa alasan terjadinya N-flushes ini :
1. Populasi mikroba aktif meningkat cepat
2. Banyak tersedia substrat yg mudah didekomposisi
3. Musim kering menurunkan C/N rasio humus,
krn mineralisasi C lebih cepat selama periode kering
4. C/N rasio rendah mempercepat mineralisasi N
5. Bangkai jasad renik menjadi substrat tambahan
1. Serapan tanaman, Pencucian dan Denitrifikasi
2. Kecepatan pencucian nitrat: 0.5 mm/ mm hujan;
untuk tanah berpasir 1 - 5 mm/mm hujan
3. Kehilangan akibat denitrifikasi sulit
dikuantifikasikan
4.
Pupuk nitrogen yang lazim digunakan:
1.
2.
3.
4.
4.
Urea
ZA (Ammonium sulfat)
Ammonium nitrat
Anhydrous ammonia
Ammonium Fosfat
1. Pd tanah yg lembab, urea mengalami hidrolisis ensimatis:
CO(NH2)2 + H2O
Urease
(NH4)2CO3
NH4+ +
CO3=
2. Sebelum terhidrolisis, urea bersifat mobil dan dapat tercuci
3. Proses hidrolisis urea pd tanah lembab 1 - 4 hari
4. Laju hidrolisis urea pada tanah tergenang hampir sama dg
tanah tidak tergenang
5.
1. Pd tanah yg pH nya > 7.0 : mis. VERTISOLS
NH4+
NH3 (menguap bila tnh mengering)
2. Kehilangan penguapan dpt mencapai 4% kalau urea
disebar permukaan tanah (pasir berlempung pH 7.1) dg
dosis 28 kg N/ha , kalau dosisnya 277 kg N/ha kehilangan
penguapan mencapai 44%.
3. Penguapan dapat dikurangi dengan membenamkan urea
pd kedalaman > 5 cm
4. Deep placement sangat penting untuk lahan kering
berkapur.
DOSIS UREA: 222 kg N/ha
Kedalaman
pupuk (cm)
Kehilangan (% dosis pupuk)
Aplikasi sebelum Irigasi
Setelah Irigasi
Permukaan tanah
1.2
2.5
5.0
7.5
8.1
1.2
0.6
0.05
0.0
Sumber: Shankaracharya dan Meta (1971)
40.2
33.4
18.1
0.5
0.0
1. ZA yg disebar di permukaan tanah tdk mengalami kehilangan
penguapan sebanyak Urea
2. Pd tnh lempung-liat nitrifikasi ammonium berlangsung cepat
pada musim hujan; sebagian besar N-pupuk ditemukan sebagai
nitrat pd kedalaman tanah 60-120 cm.
3. Pd tanah berpasir, akumulasi NH4+ pada kedalaman 15-30 cm
setelah 3 hari sejak aplikasinya
4. Setelah 21 hari sejak aplikasi ZA, terjadi akumulasi nitrat pd
lapisan permukaan 8 cm.
Persen recovery ZA yg disebar permukaan tanah Laterit
berpasir dg dosis 80 kg N/ha
Kedalaman
(cm)
Setelah 3 hari (%)
N - NH4+ N - NO3-
Setelah 21 hari (%)
N - NH4+ N - NO3-
0-8
8 - 15
15-30
30-45
23.7
15.5
51.0
12.1
2.6
3.1
5.6
1.2
26.5
0.6
0.4
0.7
56.3
5.4
8.0
1.7
Total
102.3
12.5
28.2
71.4
Sumber: Wetselaar (1962).
1. Pemupukan lebih efisien dibanding dg disebar
2. ZA atau Urea 80 kg N/ha dibenamkan 15 cm pd saat tanam,
nitrifikasi dalam beberapa hari lebih dari 80%.
3. Nitrat yg dihasilkan tercuci ke luar zone akar, sebelum tanaman
menumbuhkan akarnya
4. Pada dosis pupuk yg tinggi bakteri nitrifikasi tdk tahan terhadap
tekanan osmotik yg tinggi dan pH > 8.0
5. Dg waktu konsentrasi NH4+ di sekitar lokasi pupuk berkurang, pH
menjadi sekitar 7-8, nitrifikasi menghasilkan nitrit (akumulasi nitrit
toksik). Kalau pH menurun < 7.0 akibat dari peningkatan CO2,
terbentuklah nitrat.
6. Pertumbuhan akar di sekitar lokasi urea ditangguhkan selama 4
minggu sampai nitrit berubah menjadi nitrat
Pembentukan nitrit dan nitrat setelah pembenaman
pupuk N (1000 ppm N) pd tanah berkapur
Pupuk
2
Minggu inkubasi
4
6
12
Urea
ppm Nitrit
ppm Nitrat
pH tanah
170
15
7.4
345
55
7.2
125
330
6.0
0
365
4.7
ZA
ppm Nitrit
ppm Nitrat
pH tanah
0
25
6.2
0
85
6.4
0
130
5.6
0
140
4.8
Sumber: Wetselaar et al. (1972).
KEBUTUHAN N TANAMAN TROPIKA
Nutrient Removal by Tropical Crops
Tanaman
Bagian
Hasil (t/ha)
kg N/ha
Jagung
Biji
Jerami
Biji
Jerami
Biji
Jerami
Biji
Jerami
Umbi
Umbi
Unhulled nuts
1.0
1.5
7.0
7.0
1.5
1.5
8.0
8.0
30.0
40.0
1.0
25
15
128
72
35
7
106
35
120
172
49
Padi
Ubikayu
Kentang
Kac tanah
Sumber: Sanchez, 1976.
Nitrogen used by corn (kg/ha)
400
Total
300
Biji
200
100
0
Jeram
i
2
4
6
8
10
12
Hasil jagung, t/ha
Sumber: Bartholomew (1972).
1. Tiga parameter unt estimasi dosis pupuk:
1. Serapan N tnm unt menghasilkan tingkat hasil ttt.
2. Suplai N oleh tanah
3. Persen recovery pupuk N
2. Kebutuhan internal N: Jumlah (kadar) minimum N dlm
tajuk tanaman yg berhubungan dg hasil maksimum:
1. Tebu
: 0.2 % N
2. Jagung
: 1.2% N
3. Padi
: 0.8% N
3. Suplai N dari tanah dpt diestimasi dari rataan hasil tanpa
pemupukan N; atau serapan N tanaman tanpa pemupukan
N
1. Efisiensi
PUPUK dpt dihitung berdasarkan recovery pupuk dari
percobaan lapangan.
Serapan N dg dosis N - Serapan N tanpa pupuk
% Recovery = ------------------------------------------------------------ x 100%
Dosis N
2. Recovery pupuk N berkisar 20 - 70%; nilai yang tinggi biasanya oleh
tanaman yg berakarannya ekstensif; nilai rendah terjadi pada tanahtanah yg mengalami pembasahan & pengeringan.
3. Dosis pupuk optimum ditentukan:
Serapan N pd tingkat hasil ttt - Serapan N tanpa pupuk
Dosis N = ------------------------------------------------------------------------% Recovery
1. Respon jagung thd Pupuk N biasanya positif, dosis pupuk
menentukan tingkat hasil biji
2. Populasi (jarak tanam ) dan varietas menentukan respon
pupuk dan produktivitas tanaman
3. Varietas unggul mempunyai respon N yg lebih tinggi
4. Rekomendasi di daerah tropis :
Amerika latin : 60 - 150 kg N/ha
Meksiko
: 80 - 175 kg N/ha
Indonesia
: …………….
5. Bentuk Kurva respon dipengaruhi oleh populasi tanaman
6. Respon padi juga dipengaruhi oleh tipe tanaman, radiasi,
jarak tanam, dan lama pertumbuhan
7.
INTERAKSI RESPON N DAN POPULASI JAGUNG
Hasil tongkol (t/ha)
5
120
N
4
3
80 N
2
40 N
1
0N
20
30
40
Populasi tanaman (1000/ha)
50
60
PENGARUH REZIM AIR TANAH THD RESPON N
Hasil biji jagung (t/ha)
5
Air tnh
optimu
m
4
3
Excess
moisture
2
1
Drought
0
40
80
Pupuk N (kg/ha)
Sumber: Sanchez, 1976.
120
1. 30-50% dari Pupuk N diambil tanaman, sisanya
tinggal dlm tanah dan hilang tercuci dan denitrifikasi
2. Perilaku residu N tgt kondisi tanah & iklim
3. Oxisols & Ultisols mengandung > 300 kg N/ha Nanorganik di dlm profilnya stl mengalami pemupukan
terus menerus (Fox et al. 1974)
4. Umumnya kehilangan pencucian & denitrifikasi lebih
dominan, shg efek residue N dlm tanah jarang
diketahui
5.
PERUBAHAN SIFAT & CIRI TANAH
1. ZA dan Urea mempunyai efek residu kemasaman:
(NH4)2SO4 + 4O2 ------ 2NO3- + 2H2O +4H+ + SO4=
CO(NH2)2 + 2 H2O ----- (NH4)2CO3 + 4O2
2NO3- + 3H2O + 2H+ + CO2
2. Aplikasi ZA dosis tinggi terus-menerus menurunkan
pH dan kejenuhan basa tanah lapisan bawah. Kedua
hal ini dapat diperbaiki dg pengapuran.
EFEK PUPUK N thd pH TANAH
pH (0-20 cm)
NaNO3
7
6
5
Urea
4
ZA
3
50
100
150
200 kg N/ha
Dosis pupuk selama 5 tahun terus
EFEK PENCUCIAN N-PUPUK thd KB SUBSOIL
% Kejenuhan Basa
70
0-15 cm
60
Tanah Liat
50
40
30
15-30 cm
20
440
880
Dosis pupuk ZA
1760 kg N/ha
Pengelolaan
N-Tanah
Dua Tujuan Pokok:
1. Memelihara ketersediaan N yg cukup dalam tanah
2. Pengaturan ketersediaan N sedemikian rupa shg
selalu tersedia dlm jumlah yg diperlukan tanaman.
NERACA NITROGEN
Fiksasi-N
Simbiotik
Sisa tnm
+ Rabuk
Pupuk buatan
Non-simbiotik
N-tersedia
N-atmosfer
BOT
Diserap
tanaman
Pencucian
Erosi - run off
SUMBER
BELERANG
ALAMI
Mineral Tanah:
Sulfida besi, nikel dan tembaga biasanya dijumpai pada tanahtanah yg drainasenya jelek
Pirits juga sering dijumpai pd tanah-tanah rawa pasang-surut
Gips (Gipsum) terakumulasi pd horison bawah Mollisol &
Aridisol
BELERANG ATMOSFER
1. Tanaman dpt menyerap langsung belerang atmosfer, sekitar
25 - 35% dari total kebutuhannya
2. Tanah juga dapat menyerap langsung belerang atmosfer
3. Air hujan menganjung sejumlah belerang, 1 - 100 kg setiap
hektar
BELERANG ORGANIK
1. Asam amino tertentu
2. Senyawa lain yang mempunyai mikatan C-S
3. Sulfat organik
PEREDARAN BELERANG
Gas H2S
Sisa-sisa Biomasa
tanaman
Volatilisasi
Belerang
organik
Mineral
tanah
reduksi
Dekomposisi
Serapan
Oksidasi
Sulfida
(S=)
reduksi
reduksi
Mineral
tanah
Sulfat
(SO4=)
Oksidasi
Oksidasi
Oksidasi
Sulfur (S)
Pencucian
www.omafra.gov.on.ca/english/cro...06a2.htm
43
Perilaku
Belerang dlm
Tanah
MINERALISASI - IMOBILISASI:
Reaksi mineralisasi:
S-Organik
Hasil dekomposisi
(Protein & senyawa
Organik lain)
(Senyawa sulfida)
Reaksi Imobilisasi:
Ion Sulfat
Jasad renik
OKSIDASI - REDUKSI:
H2S + 2O2
2S + 3 O3 + 2H2O
Sulfat
S-organik
reaksi-reaksi biokimia
2H+ + SO4=
2H+ + SO3=
H2SO4
2H2SO3
Alkohol-organik + Sulfat
Asam organik + H2O + S=
Bakteri belerang
Fe++ + S=
Sulfat
Sulfit
Tiosulfat
S-elementer
FeS
direduksi oleh bakteri
Sulfida
www.lifesci.dundee.ac.uk/people/...esearch/
45
OKSIDASI BELERANG & KEMASAMAN:
Perilaku
Belerang dlm
Tanah
Oksidasi belerang pd akhirnya menghasilkan ion H+ yg dpt
menurunkan pH tanah
Didaerah pasang-surut, tanahnya disebut TANAH SULFAT
MASAM, mengandung “cat-clay”. Kalau tanah ini tetap
tergenang dapat ditanami padi; kalau tanah ini dikeringkan
akan terjadi oksidasi belerang dan sulfida menjadi sulfat yg
mampu mengasamkan tanah secara ekstrim
RETENSI SULFAT
Retensi sulfat dalam tanah rendah, baik jumlah & kekuatannya.
Tanah bagian bawah biasanya mempunyai retensi sulfat lebih tinggi
daripada topsoil
Retensi sulfat berhubungan dg hidroksida Fe dan Al, dan Kaolinit
K
H
O
-Al
SO4
Al- + KHSO4
O
H
-Al
AlO
H
+ H2O
filebox.vt.edu/users/chagedor/bi...uct.html
47
SIKLUS NITROGEN
Nitrat esential bagi pertumbuhan tanaman
Protein
tanaman
1.
2.
3.
Aliran Masa
Difusi
Pertukaran ion
Ion larut dalam air tanah
(larutan tanah)
Serapan
akar
Nitrat tanah
NO3-
Nitrat di-daur-ulang oleh mikroba tanah
Protein
Hewan
N organik tanah
Ammonifikasi
Protein
tanaman
Serapan
akar
Ammonium NH4+
Bakteri nitrit
Nitrifikasi
Nitrit NO2-
Bakteri nitrat
Nitrifikasi
Nitrat
tanah NO3-
Amonifikasi
• Nitrogen memasuki sistem tanah melalui
dekomposisi protein yang ada pada bahan
organik :
Asam amino + 11/2O2  CO2 + H2O + NH3
+ 736kJ
• Proses ini membebaskan banyak energi
yang dapat digunakan oleh mikroba
saprotrofik
Nitrifikasi
• Nitrifikasi melibatkan dua tahap proses oksidasi
• Ammonia yang dihasilkan oleh proses ammonifikasi menjadi
substrat yang kaya energi bagi bakteri Nitrosomas
Bakteri ini mengoksidasi amonia menjadi nitrit:
NH3 + 11/2O2  NO2- + H2O
+ 276kJ
Nitrit ini menjadi substrat bagi bakteri Nitrobacter yang
mengoksidasi nitrit menjadi nitrat :
NO3- + 1/2O2  NO3-
+ 73 kJ
• Energi ini menjadi satu-satunya sumber energi bagi jasad
prokaryote tersebut
• Jasad itu bersifat chemoautotroph
•
Nitrogen dari atmosfir
Out
gassing
Fixation di
atmosfir
Nitrogen di atmosfir
4 000 000 000 Gt
Protein
tanaman
Fiksasi
biologis
Simbiosis &
Nonsimbiosis
N organik
dalam tanah
Serapan akar
Dekomposisi
Bahan Organik
Nitrat tanah NO3-
Fiksasi nitrogen di atmosfir
• Aliran listrik
• Kilat cahaya menyediakan cukup energi
untuk memecah ikatan atom nitrogen dalam
gas N2 di atmosfir,
• Reaksi-reaksinya menghasilkan NOx dan
NO2
Polusi Atmosfir
• Reaksi-reaksi nitrogen juga terjadi dalam pembakaran
internal dalam mesin mobil
• Gas emisi yang dikeluarkan oleh mobil menyumbang
banyak polutan udara dalam bentuk NOx
• Senyawa-senyawa ini membentuk photochemical smogs
• Substansi ini merupakan “Gas Rumah Kaca”
• NOx dapat larut dalam air hujan menjadi “Hujan Asam”
dalam bentuk asam nitrat
• Air hujan jatuh di permukaan tanah dan mengalir ke
sungai
• Aenyawa nitrogen tersebut juga dapat menyebabkan
“eutrophication” perairan.
Fiksasi nitrogen secara biologis
Perlakuan
Hasil / g
Oats
Tanpa nitrat & tanah steril
Tambah Nitrat & tanah steril
Tanpa nitrat & tanah non-steril
Tambah Nitrat & tanah non-steril
© 2008 Paul Billiet ODWS
Peas
0.6
0.8
12.0
12.9
0.7
16.4
11.6
15.3
Bintil Akar
Alafalfa (Medicago sativa)
USDA - ARS
University of Sydney
Hanya jasad prokaryotik yang memfiksasi nitrogen
• Organisme ini mempunyai kompleks gen nif yang mengendalikan
sintesis protein, seperti ensim nitrogenase, yang digunakan dlaam
fiksasi nitrogen
• Nitrogenase merupakan senyawa metallo-protein, subunit protein yang
berikatan dnegan besi, sulfur dan molybdenum
• Reaksi-reaksi melibatkan pemecahan molekul gas N2 dan penambahan
hidrogen membentuk ammonia
N2  2N
2N + 8H+  NH3 + H2
- 669 kJ
+ 54 kJ
• Reaksi ini memerlukan banyak energi, sebanyak 16 molekul ATP untuk
setiap molekul nitrogen yang difiksasi
• Mikroba yang dapat memfiksasi nitrogen memerlukan suplai energi
yang cukup banyak
Pemfiksasi Nitrogen
• Cyanobacteria merupakan pemfiksasi nitrogen,
juga mampu memfiksasi karbon (melalui proses
fotosintesis)
• Bakteri Rhizobium bersifat mutualistik dengan
spesies tanaman tertentu , misalnya Legumes
• Bakteri itu tumbuh berkembang dalam bintil akar
• Azotobacter adalah bakteri yang berhubungan
dengan zone perakaran (rhizosir) tumbuhan
© 2008 Paul Billiet ODWS
Dampak Kegiatan Manusia
Nitrogen di atmosfir
Fiksasi N di
Atmosfir
Out
gassing
Fiksasi N secara
Industri
Protein
tumbuhan
Biological
fixation
N-organik dalam
tanah
Ammonium
NH4+
Nitrat NO3© 2008 Paul Billiet ODWS
Industri Fiksasi N
• Proses Haber-Bosch
N2 + 3H2  2NH3 - 92kJ
• Proses Haber menggunakan katalisator besi
• Suhu tinggi (500°C)
• Tekanan tinggi (250 atmospheres)
• Memerlukan energi yang berasal dari pembakaran bahan bakar
fosil (batubara, gas atau minyak)
• Hidrogen dihasilkan dari gas alam (methane) atau hidrokarbon
lainnya
Sumber-sumber fiksasi nitrogen
Sumber fiksasi nitrogen
Produksi / M ton a-1
Biologis
175
Industri
50
Pembakaran Internal
20
Atmosfir
10
© 2008 Paul Billiet ODWS
Eutrofikasi
• Pengayaan hara pada tubuh perairan
• Nitrat dan ammonia mudah larut dalam air
• Keduanya mudah tercuci dari tanah-tanah yang drainasenya
bagus
• Tanah-tanah seperti ini cenderung defisien nitrogen
• Kalau pupuk ditambahkan ke tanah-tanah ini , juga akan
mengalami pencucian dan memasuki tubuh perairan
• Ada jenis-jenis algae yang dapat memanfaatkan ekstra
nitrogen ini
• Hal ini dapat mengakibatkan pencemaran perairan yang serius
Eutrofikasi
Pupuk mengalami pencucian dan hara memasuki
perairan sungai atau danau
Air limbah atau
limbah organik
lainnya
© 2008 Paul Billiet ODWS
Faktor pembatas internal
Ancaman bahaya!
Bakteri dekomposer meningkat
jumlahnya
Air panas dari
industri
(Thermal
pollution)
Peningkatan BOD
Penurunan konsentrasi O2 terlarut
Pencemaran
dari minyak
atau deterjen
Kematian suatu Danau
Penurunan kandungan oksigen terlarut dalam perairan
KONDISI ANAEROBIK
Peningkatan kandungan
nitrat
NO3-  NO2-
Kematian /
emigration fauna
air tawar
Methaemoglobinaemia pada infants
Stomach cancer link
(baku mutu WHO untuk nitrat 10mg dm-3)
Masa depan industri fiksasi nitrogen
• Produksi pangan bertumpu pada pupuk-pupuk
sintetik yang dibuat dengan menggunakan banyak
energi fosil
• Bahan pangan akan menjadi lebih mahal untuk
diproduksi
• Mikroba fiksasi Nitrogen, dengan menggunakan
sistem ensim, melakukan proses yang sama pada
kondisi suhu dan tekanan baku, menggunakan energi
matahari
• Jawaban: Fiksasi nitrogen biologis yang direkayasa
secara genetik?
Bagaimana sebaiknya?
• Kebutuhan pupuk sintetik dapat dikurangi melalui rekayasa
teknologi budidaya tanaman
• Pencucian hara pupuk dapat dihindarkan dengan jalan tidak
menggunakan pupuk sintetik yang mudah larut ke tanah-tanah
berpasir.
• Pergiliran tanaman memungkinkan tanah untuk memulihkan
diri dari tanaman yang lapar nitrogen (misalnya jagung)
• Menanam tanaman yang mampu memfiksasi nitrogen dari
udara
• Mengolah tanah untuk memperbaiki aerasi tanah dan
mengurangi denitrifikasi
• Mengatuskan tanah yang tergenang juga membantu mereduksi
denitrifikasi
Kembali ke Atmosfir : Denitrifikasi
• Nitrat dan nitrit dapat digunakan sebagai sumber olsigen oleh
bakteri Pseudomonas
• Kondisi yang cocok: Tanah-tanah tergenang yang dingin
(anaerobik):
2NO3-  3O2 + N2 menghasilkan 2385kJ
2NO2-  2O2 + N2 
• Oksigen yang dibebaskan akan digunakan sebagai aseptor
elektron dalam proses yang mengoksidasi molekul organik
seperti glukose.
• Mikroba ini bersifat heterotroph.
Atmospheric Nitrogen
4 000 000 000 Gt
Atmospheric
fixation
Out
gassin
g
Industrial
fixation
Animal
protein
Plant protein
3500 Gt
Biological
fixation
Denitrification
Soil organic nitrogen
9500 Gt
Root
uptake
Ammonification
Dissolved in water
6000 Gt
Ammonium NH4+
Nitrification
Nitrite NO2Nitrification
Nitrate
NO3-
Leaching
Sediments 10 Gt
© 2008 Paul Billiet ODWS
GLOBAL WARMING
ATMOSPHERE
N2O
NO
N2
PLANT
LOSS
INDUSTRIAL
FIXATION
N2 FIXATION
SYMBIOTIC
NON-SYMBIOTIC
MESQUITE
RHIZOBIUM
ALFALFA
SOYBEAN
BLUE-GREEN ALGAE
AZOTOBACTER
CLOSTRIDIUM
LIGHTNING,
RAINFALL
PLANT AND ANIMAL
RESIDUES
HABER BOSCH
(1200°C, 500 atm)
3H2 + N2
2NH3
MATERIALS WITH N
CONTENT > 1.5%
(COW MANURE)
FERTILIZATION
MATERIALS WITH N
CONTENT < 1.5%
(WHEAT STRAW)
AMINO
ACIDS
NH3
AMMONIA
VOLATILIZATION
AMINIZATION
ORGANIC
MATTER
HETEROTROPHIC
R-NH2 + ENERGY + CO2
BACTERIA (pH>6.0)
FUNGI (pH<6.0)
IMMOBILIZATION
Pseudomonas, Bacillus,
Thiobacillus Denitrificans,
and T. thioparus
R-OH + ENERGY + 2NH3
N2O2MINERALIZATION
+ NITRIFICATION
MICROBIAL/PLANT
SINK
2NH4+ + 2OHFIXED ON
EXCHANGE
SITES
NO2-
OXIDATION STATES
NH3 AMMONIA
-3
NH4+ AMMONIUM
-3
N2 DIATOMIC N
0
N2O NITROUS OXIDE 1
NO NITRIC OXIDE
2
NO2- NITRITE
3
NO3 NITRATE
5
pH>7.0
R-NH2 + H2O
AMMONIFICATION
NH2OH
NO3POOL
DENITRIFICATION
LEACHING
TEMP 50°F
LEACHING
NITRIFICATION
2NO2- + H2O + 4H+
Nitrobacter
LEACHING
VOLATILIZATION
NITRIFICATION
LEACHING
+ O2
Joanne LaRuffa
Wade Thomason
Shannon Taylor
Heather Lees
LEACHING
pH 7.0
+O2
Department of Plant and Soil Sciences
Oklahoma State University
ADDITIONS
LOSSES
OXIDATION REACTIONS
REDUCTION REACTIONS
Aminisasi: Dekomposisi protein dan pelepasan amina dan
asam-asam amino
OM (proteins)  R-NH2 + Energy + CO2
Amonifikasi:
R-NH2 + HOH  NH3 + R-OH + energy
+H2O
NH4+ + OH-
Nitrifikasi: proses oksidasi biologis ammonia menjadi nitrat
2NH4+ + 3O2  2NO2- + 2H2O + 4H+
2NO2- + O2  2NO3-
NITROGEN:
Key building block of protein molecule
Component of the protoplasm of plants animals and microorganisms
One of few soil nutrients lost by volatilization and leaching, thus requiring continued
conservation and maintenance
Most frequently deficient nutrient in crop production
Kondisi oksidasi Ion / Molekul N
Range of N oxidation states from -3 to +5.
oxidized: loses electrons, takes on a positive charge
reduced: gains electrons, takes on a negative charge
Illustrate oxidation states using common combinations of N with H and O
H can be assumed in the +1 oxidation state (H+1)
O in the -2 oxidation state (O=)
Ion/molekul
Nama
Bilangan Oksidasi
NH3
ammonia
-3
NH4+
ammonium
-3
N2
diatomic N
0
N2O
nitrous oxide
+1
NO
nitric oxide
+2
NO2-
nitrite
+3
NO3-
nitrate
+5
H2S
hydrogen sulfide
-2
SO4=
sulfate
+6
N: 5 electrons in the outer shell
loses 5 electrons (+5 oxidation state NO3)
gains 3 electrons (-3 oxidation state NH3)
O: 6 electrons in the outer shell
is always being reduced (gains 2 electrons to fill the outer shell)
H: 1 electron in the outer shell
N is losing electrons to O because O is more electronegative
N gains electrons from H because H wants to give up electrons
Hidrogen:
Electron configuration in the ground state is 1s1 (the first electron shell
has only one electron in it), as found in H2 gas.
s shell can hold only two electrons, atom is most stable by either gaining
another electron or losing the existing one. Gaining an electron by
sharing occurs in H2, where each H atom gains an electron from the other
resulting in a pair of electrons being shared. The electron configuration
about the atom, where: represents a pair of electrons, and may be shown
as :
H:H dan ikatan kimianya dapat dilukiskan sebagai H-H
Hydrogen most commonly exists in ionic form and in combination with
other elements where it has lost its single electron. Thus it is present as
the H+ ion or brings a + charge to the molecule formed by combining with
other elements.
Oksigen:
Ground state of O, having a total of eight electrons is 1s2, 2s2, 2p4.
Both s orbitals are filled, each with two electrons.
The 2p outer or valence orbital capable of holding six electrons, has only four
electrons, leaving opportunity to gain two. The common gain of two electrons from
some other element results in a valence of -2 for O (O=). The gain of two electrons
also occurs in O2 gas, where two pairs of electrons are shared as
O::O and the double bond may be shown as O=O
Nitrogen:
Ground state of N is 1s2, 2s2, 2p3.
Similar to that for oxygen, except there is one less electron in the valence 2p orbital.
Hence, the 2p orbital contains three electrons but, has room to accept three
electrons to fill the shell. Under normal conditions, electron loss to for N+, N2+ or N3+
or electron gain to form N-, N2-, or N3- should not be expected. Instead, N will
normally fill its 2p orbital by sharing electrons with other elements to which it is
chemically (covalent) bound. Nitrogen can fill the 2p orbital by forming three
covalent bonds with itself as in the very stable gas N2.
Siklus Nitrogen masih mengandung sejumlah misteri
Termasuk efek Temperature dan pH
Reaksi Reduksi / Oksidasi
Pengolahan tanah (zero vs. conventional)
C:N ratio ( high, low lignin)
Sumber pupuk dan tekbnologi aplikasi pupuk.
Mechanistic models would ultimately lead to many 'if-then' statements/decisions that
could be used within a management strategy.
>50°F
Denitrification
Volatilization
<50°F
Leaching
Leaching
7.0
soil pH
Kalau kita mampu mempercepat siklus nitrogen, apa yang anda ubah?
1. Aerasi (memerlukan O2)
2. Suplai of ammonium
3. Kelembaban / lengas
4. Temperatur (30-35C or 86-95F) <10C or 50F
5. pH tanah
6. Penambahan bahan organik dengan C/N rendah (miskin lignin)
Apakah oksigen diperlukan untuk nitrifikasi?
Apakah nitrifikasi berlangsung selama siklus pertumbuhan? (C:N ratio
rendah)
Rekomendasi N :
1. Yield goal (2lb N/bu)
a. Applies fertilization risk on the farmer
b. Removes our inability to predict 'environment' (rainfall)
2. Soil test
a. For every 1 ppm NO3, N recommendation reduced by 2lbN/ac
3. Potential yield (discussed later in the semester)
Nitrite accumulation?
1. high pH
2. high NH4 levels (NH4 inhibits nitrobacter)
Penyangga N Anorganik
Ability of the soil plant system to control the amount
of inorganic N accumulation in the rooting profile
when N fertilization rates exceed that required for
maximum yield.
Hasil biji, kg/ha
4000
Titik dimana
tambahan dosis
pupuk N tidak
meningkatkan hasil
500
400
3000
Kisaran dimana
peningkatan dosis
pupuk N tidak
menambah hasil, tetapi
juga tidak ada
peningkatan Nanorganik dalam profil
tanah
2000
1000
300
200
100
0
0
40
80
120
160
200
Akumulasi N anorganik profil tanah,
kg/ha
Penyangga N-anorganik Tanah-Tanaman
Point where increasing
applied N increases soil
0
profile inorganic N
240
accumulation
Dosis pupuk nitrogen tiap musim, kg/ha
NH4, NO3
Pupuk
Bahan organik tanah
N anorganik
Udic Argiustoll, 0-240 cm,
Udic Argiustoll, 0-300 cm,
NO3--N, kg ha-1
100 200 300 400
30
60
60
90
90
120
150
180
210
240
270
300
Dosis N kg ha-1
0
22
45
67
90
112
Kedalaman, cm
Kedalaman, cm
30
0
NO3--N, kg ha-1
0
120
100
200
300
400
Dosis N kg ha-1
150
0
180
34
210
67
240
134
270
269
300
If the N rate required to detect soil profile NO3 accumulation always
exceeded that required for maximum yields, what biological
mechanisms are present that cause excess N applied to be lost
via other pathways prior to leaching?
Mekanisme Penyangga Nitrogen
1. Peningkatan dosis N mengakibatkan bertambahnya
kehilangan N (NH3)
Bidwell (1979), Plant Physiology, 2nd Ed.
Metabolisme reduksi nitrat
Fotosintesis
Karbohidrat
respirasi
Daya reduksi
Kerangka Karbon
NADH or NADPH
NO 3
NH3
NO 2
nitrate
reductase
ferredoxin
siroheme
nitrite
reductase
Asam amino
Mekanisme penyangga Nitrogen
1. Peningkatan dosis pupuk N akan meningkatkan kehilangan N
(NH3)
2. Dosis yang lebih tinggi pupuk N – meningkatkan penguapan N
3. Dosis pupuk N yang lebih tinggi – nebibgkatkan denitrifikasi
Burford and Bremner (1975) : kehilangan denitrifikasi meningkat pada
kondisi anaerobik dengan meningkatnya C-organik dalam tanah (lapisan 015 cm) (pada beragam kondisi pH dan tekstur tanah).
Bakteri denitrifikasi yang bertanggung-jawab mereduksi nitrat menjadi gas
N2 bersifat anaerob fakultatif yang mempunyai kemampuan menggunakan
oksigen dan nitrat (atau nitrit) sebagai aseptor hidrogen.
Kalau ada substrat yang dapat dioksidasi, mereka dapat tumbuh pada kondisi
anaerobik kalau ada nitrat atau pada kondisi aerobik bila ada sumber N
yang cocok.
Burford and
Bremner, 1975
Sumber: Aulakh, Rennie and Paul, 1984
MEKANISME PENYANGGA NITROGEN:
1. Increased Applied N results in increased plant N loss (NH3)
2. Higher rates of applied N - increased volatilization losses
3. Semakin tinggi dosis pupuk N - meningkatkan denitrifikasi
4. Semakin tinggi dosis pupuk N – meningkatkan C organik –
meningkatkan N organik
0.9
0.09
0.8
0.08
0.7
0.07
0.06
0.05
0.04
0
0.6
TSN
OC
40
SED TSN = 0.002
SED OC = 0.03
80
120
160
Dosis pupuk N, kg/ha
0.5
0.4
200
Karbon organik, %
N-Total Tanah N, %
0.1
Mekanisme Penyangga Nitrogen:
1. Peningkatan dosis pupuk N akan meningkatkan kehilangan NH3
2. Dosis pupuk N meningkat - Kehilangan penguapan N meningkat
3. Higher rates of applied N - increased denitrification
4. Higher rates of applied N - increased organic C, - increased organic N
5. Semakin tinggi dosis pupuk N - meningkatkan kadar protein biji
Serapan N Biji, kg/ha
Increased grain N uptake
(protein) at N rates in
excess of that required
for maximum yield
Titik, dimana peningkatan
dosis pupuk N tidak diikuti
peningkatan hasil biji
80
60
Continued increase in
grain N uptake, beyond the
point where increasing
applied N increases soil
profile inorganic N
accumulation
40
20
0
0
40
80
120
160
200
Dosis pupuk Nitrogen musiman, kg/ha
240
Serapan N biji, kg/ha
80
Y = 29.7 + 0.28x - 0.00055x2
70
r2=0.90
9.4 =19%
60
50
40
30
20
0
20
40
60
80
100
Dosis N, kg/ha
120
140
MEKANISME PENYANGGA NITROGEN
1. Increased Applied N results in increased plant N loss (NH3)
2. Higher rates of applied N - increased volatilization losses
3. Higher rates of applied N - increased denitrification
4. Higher rates of applied N - increased organic C, - increased organic N
5. Peningkatan dosis pupuk N – meningkatkan kadar protein biji
6. Peningkatan dosis pupuk N - meningkatkan kadar N hijauan
7. Peningkatan dosis pupuk N - meningkatkan kadar N jerami
Mekanisme Penyangga N
1
4
0-50 kg N/ha/yr
NH3
15-40 kg N/ha/yr
NO
N2O
N2
Denitrifikasi
NH4+OH- NH3 + H2O
Dosis pupuk N
Urea
Volatilization
3
NH4 fixation (physical)
7-80 kg N/ha/yr
NH3, N2
2
Mikroba tanah
10-50 kg N/ha/yr
Organic Immobilization
NH4
NO3
NO2
1
Mills et al., 1974
Matocha, 1976
DuPlessis and Kroontje, 1964
Terman, 1979
Sharpe et al., 1988
2
5
Pencucian
NO3
5
Chaney, 1989
Sommerfeldt and Smith, 19
Macdonald et al., 1989
Kladivko, 1991
3
4
0-20 kg N/ha/yr
Olson and Swallow, 1984
Francis et al., 1993
Sharpe et al., 1988
Aulackh et al., 1984
Hooker et al., 1980
Timmons and Cruse, 1990
Colbourn et al., 1984
O’Deen, 1986, 1989
Bakken et al., 1987
Daigger et al., 1976
Prade and Trolldenier, 1990
Parton et al., 1988
Siklus Nitrogen :
• Increased acidity?
Ammonia Volatilization
· Urease activity (organic C)
· Air Exchange
· Temperature
· N Source and Rate
· CEC (less when high)
· Application method
· H buffering capacity of the soil
· Crop Residues
· Soil Water Content
NH4+  NH3 + H+
If pH and temperature can be kept low, little potential exists for NH3
volatilization. At pH 7.5, less than 7% of the ammoniacal N is actually in
the form of NH3 over the range of temperatures likely for field conditions.
10
NH 3
9
pH
8
+
NH
4
7
6
0
H20  H+ + OH-
20
40
60
80
100
%
Equilibrium relationship for ammoniacal N and resultant
amount of NH3 and NH4 as affected by pH for a dilute
solution.
Keseimbangan Kimia
A+B AB
Kf
= AB/A x B
AB  A+B
Kd = A x B/AB
Kf
= 1/Kd (hubungan antara konstante pembentukan dan disosiasi)
Konstante pembentukan (Log K°) menghubungkan dua spesies yang secara
numerik sama dengan pH pada saat mana spesies-spesies yang bereaksi
mempunyai aktivitas yang sama (kondisi larutan encer)
pKa dan Log K° kadangkala dianggap sinonim
Henderson-Hasselbalch
pH = pKa + log [(basa)/(asam)]
kalau (basa) = (asam), pH = pKa
Urea
1. Urea merupakan pupuk padatan yang sangat penting hingga saat
ini.
2. Pada tahun 1960-an, ammonium sulfat (ZA) merupakan pupuk N
yang mendominasi perdagangan dunia (Bock and Kissel, 1988).
3. Sejak 1968, aplikasi langsung anhydrous ammonia berkisar 37 40% dari total penggunaan N (Bock and Kissel, 1988)
4. Urea: kandungan tinggi, aman, ekonomis produksinya, transpor dan
distribusinya mudah sehingga mendominasi perdagangan dunia.
5. Pada 1978, negara-negara berkembang menyerap 44% dari pasar
dunia (Bock and Kissel, 1988).
6. Hingga 1987, negara-negara berkembang berkontribusi kurang dari
33%
Pangsa konsumsi N dunia menurut kelompok produk
Ammonium sulfate
Ammonium nitrate
Urea
Ammonium phosphates
Other N products (NH3)
Other complex N products
1970
1986
8
27
9
1
36
16
5
15
37
5
29
8
Hidrolisis Urea
increase pH (less H+ ions in soil solution)
CO(NH2)2 + H+ + 2H2O --------> 2NH4+ + HCO3pH 6.5 to 8
HCO3- + H+ ---> CO2 + H2O (added H lost from soil solution)
CO(NH2)2 + 2H+ + 2H2O --------> 2NH4+ + H2CO3 (carbonic acid)
pH <6.3
H2CO3  CO2 + H2O
Selama proses hidrolisis urea, pH tanah dapat meningkat hingga >7 karena
reaksinya memerlukan H+ dari sistem tanah.
(Berapa banyak H+ dikonsumsi untuk hidrolisis urea?)
In alkaline soils less H+ is initially needed to drive urea hydrolysis on a soil
already having low H+.
Pada tanah-tanah alkalis, pengambilan banyak H+( dari larutan tanah yang
miksin H+), dapat meningkatkan pH lebih tinggi lagi
NH4+ + OH- ---> NH4OH ---->NH3 + H2O
pH = pKa + log [(basa)/(asam)]
Pada nilai pH = 9.3 (pKa 9.3) 50% NH4 dan 50% NH3
pH
Basa (NH3)
Asam (NH4)
7.3
1
99
8.3
10
90
9.3
50
50
10.3
90
10
As the pH increases from urea hydrolysis, negative charges become
available for NH4+ adsorption because of the release of H+ (Koelliker and
Kissel)
Decrease NH3 loss with increasing CEC (Fenn and Kissel, 1976)
Assuming that pH and CEC are positively correlated, what is happening?
CEC
pH
** on soils where organic matter
dominates the contribution to
CEC then there should be a
positive relationship of pH and
CEC.
Relationship of pH and BI (?) none
In acid soils, the exchange of NH4+ is for H+ on the exchange complex
(release of H here, resists change in pH, e.g. going up)
In alkaline soils with high CEC, NH4 exchanges for Ca,precipitation of CaCO3
(CO3= from HCO3- above) and one H+ released which helps resist the
increase in pH
However, pH was already high,
SOIL SURFACE pH
9
8
7
6
12
5
112 kg/ha
10
kg NH3 -N/ha VOLATILIZED
N Rate =
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
8
SOIL MIX 3-High Buffering Capacity
6
SOIL MIX 2-Moderate Buffering Capacity
SOIL MIX 1-Low Buffering Capacity
4
2
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
DAYS AFTER APPLICATION
Soil surface pH and cumulative NH3 loss as influenced by pH
buffering capacity (from Ferguson et al., 1984).
Ernst and Massey (1960) found increased NH3 volatilization when
liming a silt loam soil. The effective CEC would have been increased
by liming but the rise in soil pH decreased the soils ability to supply H+
Rapid urea hydrolysis: greater potential for NH3 loss. Why?
Pengelolaan Urea:
• dry soil surface
• Incorporate
• localized placement- slows urea hydrolysis
Kemampuan tanah menyangga ion H+ :
Ferguson et al., 1984
(Kemasaman total suatu tanah, terdiri atas kemasaman dapat ditukar +
kemasaman tidak dapat ditukar)
A large component of a soils total acidity is that associated with the layer
silicate sesquioxide complex (Al and Fe hydrous oxides). These
sesquioxides carry a net positive charge and can hydrolyze to form H+
which resist an increase in pH upon an addition of a base.
Ion H+ berasal dari:
1. BOT
2. Hidrolisis molekul air
3. Al dan Fe oksida hidrous
4. Kandungan liat yang tinggi (terutama liat tipe 2:1, KTK lebih tinggi
pada liat-liat “non-weathered” karena adanya substitusi isomorfik –
muatan yang tidak tergantung pH)
Tanah yang mempunyai kapasitas besar untuk menyangga H+ juga akan
menunjukkan sedikit kehilangan NH3 ketika urea disebar di permukaan tanah.
1. Penambahan polimer hydroksi-Al (bermuatan positif) untuk meningkatkan
kapasitas penyangga H+.
2. Penambahan resin pertukaran kation asam kuat (kapasitas penyangga berubah
tanpa mempengaruhi KTK, misalnya resin dijenuhkan dengan H+).
3. Resin: substansi organik amorfus (sekresi tumbuhan), larut dalam pelarut
organik dan tidak larut air (digunakan dalam plastik, tinta).
Perhatikan hal-hal berikut:
1. H+ diperlukan untuk hidrolisis urea
2. Ability of a soil to supply H+ is related to amount of NH3 loss
3. H+ is produced via nitrification (after urea is applied): acidity generated is not
beneficial
4. Apa yang dapat diaplikasikan bersama urea untuk meminimumkan kehilangan
NH3?
Suatu asam; elektrolit kuat; disosiasinya menghasilkan H+;
meningkatkan kapasitas penyangga H+; menurunkan pH
Reduksi kehilangan NH3 dengan jalan menjaga pH rendah di sekitar
granula pupuk (misalnya H3PO4)
Menurut Ferguson et al. (1984).
“When urea is applied to the soil surface, NH3 volatilization
probably will not be economically serious unless the soil
surface pH rises above 7.5”
Faktor-faktor yang mempengaruhi kemasaman tanah:
Acid: substansi yang cenderung menghasilkan proton (H+) kepada beberapa
jenis substansi lain
Basa:
Anion:
Kation:
Menerima proton
Ion bermuatan negatif
Ion bermuatan positif
Bation Basa: ? ( …………………………………..)
Elektrolit: Konduktor elektris non-metalik yang menyalurkan arus listtrik
melalui pergerakan ion-ion
H2SO4 (elektrolit kuat)
CH3COOH (elektrolit lemah)
H2O
HA -------------------------> H+ + AKemasaman potensial
Kemasaman aktif
1. Pemupukan Nitrogen
Sumber pupuk N amoniakal
2. Dekomposisi Bahan Organik
OM ------> R-NH2 + CO2
CO2 + H2O --------> H2CO3 (asam karbonat)
H2CO3 ------> H+ + HCO3- (bikarbonat)
humus mengandung gugusan reaktif karboksilat, fenolat, yang
berperilaku sebagai asam lemah yang terdisosiasi melepaskan H+
3. Pencucian basa tukar
Ca, Mg, K dan Na (ke luar dari zone akar efektif)
Problematik pada tanah berpasir yang KTK nya rendah
a. Replaced first by H and subsequently by Al (Al is one of the most
abundant elements in soils. 7.1% by weight of earth's crust)
b. Al displaced from clay minerals, hydrolyzed to hydroxy aluminum
complexes
c.
Hidrolisis monomerik membebaskan H+
d. Al(H2O)6+3 + H2O -----> Al(OH)(H2O)++ + H2O+
Monomerik: senyawa kimia yang dapat mengalami polimerisasi
Polimerisasi: Reaksi kimia dimana dua atau lebih molekul-molekul
kecil berkombinasi menjadi molekul yang lebih besar yang
mengandung unit-struktural molekul aslinya secara berulang-ulang.
4. Liat-liat Aluminosilikat
Ada Al – dapat ditukar
Al+3 + H2O -----> AlOH= + H+
5. Hujan asam
Acidifikasi Pupuk N (R.L. Westerman)
1. Kompleks jerapan tanah dapat ditulis dengan simbol CaX
2. Ca mencerminkan basa-basa tukar yang berikatan dengan
anion X dalam bentuk tukar , sehingga X hanya dapat berikatan
dengan satu Ca
3. H2X menunjukkan asam dibasis (misalnya H2SO4)
(NH4)2SO4 -----> NH4+ diikat oleh kompleks jerapan, SO4= berikatan
dengan basa dari kompleks jerapan yang digantikan oleh NH4+
Volatilization losses of N as NH3 preclude the development of H+
ions produced via nitrification and would theoretically reduce the
total potential development of acidity.
Kehilangan N melalui denitrifikasi meninggalkan residu yang bersifat
alkaline (OH-)
Reaction of N fertilizers when applied to soil (Westerman, 1985)
______________________________________________________________________
1.
Ammonium sulfate
a.
(NH4)2SO4 + CaX ----> CaSO4 + (NH4)2X
b.
(NH4)2X + 4O2 nitrification >2HNO3 + H2X + 2H2O
c.
2HNO3 + CaX ----> Ca(NO3)2 + H2X
Resultant acidity = 4H+ /mole of (NH4)2SO4
2.
Ammonium nitrate
a.
2NH4NO3 + CaX ----> Ca(NO3)2 + (NH4)2X
b.
(NH4)2X + 4O2 nitrification >2HNO3 + H2X + 2H2O
c.
2HNO3 + CaX ---->
Ca(NO3)2 + H2X
Resultant acidity = 2H+ /mole of NH4NO3
3.
Urea
a.
CO(NH2)2 + 2H2O ----> (NH4)2CO3
b.
(NH4)2CO3 + CaX ----> (NH4)2X + CaCO3
c.
(NH4)2X + 4O2 nitrification >2HNO3 + H2X +2H2O
d.
2HNO3 +CaX ----> Ca(NO3)2 + H2X
e.
H2X + CaCO3 neutralization >CaX + H2O + CO2
Resultant acidity = 2H+ /mole of CO(NH2)2
4.
Anhydrous Ammonia
a.
2NH3 +2H2O ----> 2NH4OH
b.
2NH4OH + CaX ----> Ca(OH)2 + (NH4)2X
c.
(NH4)2X + 4O2 nitrification >2HNO3 + H2X +2H2O
d.
2HNO3 + CaX ----> Ca(NO3)2 + H2X
e.
H2X + Ca(OH)2 neutralization > CaX + 2H2O
Resultant acidity = 1H+/mole of NH3
5.
Aqua Ammonia
a.
2NH4ON + CaX ----> Ca(OH)2 + (NH4)2X
b.
(NH4)2X + 4O2 nitrification >2HNO3 + H2X +2H2O
c.
2HNO3 +CaX ----> Ca(NO3)2 + H2X
d.
H2X + Ca(OH)2 neutralization > CaX +2H2O
Resultant acidity = 1H+/mole of NH4OH
6.
Ammonium Phosphate
a.
2NH4H2PO4 + CaX ----> Ca(H2PO4)2 + (NH4)2X
b.
(NH4)2X + 4O2 nitrification >2HNO3 + H2X +2H2O
c.
2HNO3 +CaX ----> Ca(NO3)2 + H2X
Resultant acidity = 2H+/mole of NH4H2PO4
______________________________________________________________________
NITROGEN dan
BELERANG
TANAH