NITROGEN dan BELERANG TANAH smno 2012

PEREDARAN NITROGEN Nitrogen Atmosfer Reaksi khemo-elektrik & Hujan Fiksasi simbiotik Fiksasi non-simbiotik Sisa tumbuhan & binatang penguapan Bahan Organik Tanah amonifikasi denitrifikasi ekskresi Amonia nitrifikasi penyerapan Nitrat & Nitrit Pencucian

NITROGEN AMONIUM N-NH4 AMONIFIKASI: Penggunan Senyawa Amonium hidrolisis R-NH2 + HOH R-OH + NH3 + energi enzimatik 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: 2NH4+ + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H+ +energi enzimatik 2 NO2- + O2 2NO3- + energi 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.

NITROGEN TANAH 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

NITROGEN dlm HUJAN & DEBU 1. Kontribusinya sebesar 4 - 8 kg N/ha/tahun 2. Aktivitas elektris selama thunderstorms 3. 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/

FIKSASI N NON-SIMBIOTIK 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.

FIKSASI N SIMBIOTIK 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

MINERALISASI NITROGEN 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

FLUKTUASI MUSIMAN N ANORGANIK 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

DIGUNAKAN JASAD RENIK & TANAMAN : 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.

AKUMULASI NITRAT SELAMA MUSIM KERING 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

Kandungan Musiman Nitrat dalam Tanah Musim Horison Pola tanam: kg N/ha sbg NO3- Fallow Jagung Pasture Hujan A 18 9 8 (190 mm/bl) B 13 10 7 Kering A 35 22 10 (38 mm/bl) B 17 10 9 Sumber: Hardy (1946)

NITROGEN FLUSHES AWAL MUSIM HUJAN 1. Bbrp hari setelah hujan lebat pertama, terjadi peningkatan N-anorganik 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

KEHILANGAN N MUSIM HUJAN 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 1. Urea 2. ZA (Ammonium sulfat) 3. Ammonium nitrat Pupuk nitrogen yang lazim digunakan: 1. Urea 2. ZA (Ammonium sulfat) 3. Ammonium nitrat 4. Anhydrous ammonia 4. Ammonium Fosfat

HIDROLISIS UREA 1. Pd tanah yg lembab, urea mengalami hidrolisis ensimatis: CO(NH2)2 + H2O (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. Urease

VOLATILISASI AMMONIA 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.

KEHILANGAN PENGUAPAN DOSIS UREA: 222 kg N/ha Kedalaman Kehilangan (% dosis pupuk) pupuk (cm) Aplikasi sebelum Irigasi Setelah Irigasi Permukaan tanah 8.1 40.2 1.2 1.2 33.4 2.5 0.6 18.1 5.0 0.05 0.5 7.5 0.0 0.0 Sumber: Shankaracharya dan Meta (1971)

NITRIFIKASI ZA YG DISEBAR PERMUKAAN 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 Setelah 3 hari (%) Setelah 21 hari (%) (cm) N - NH4+ N - NO3- N - NH4+ N - NO3- 0 - 8 23.7 2.6 26.5 56.3 8 - 15 15.5 3.1 0.6 5.4 15-30 51.0 5.6 0.4 8.0 30-45 12.1 1.2 0.7 1.7 Total 102.3 12.5 28.2 71.4 Sumber: Wetselaar (1962).

NITRIFIKASI PUPUK N BENAM 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 Minggu inkubasi 2 4 6 12 Urea ppm Nitrit 170 345 125 0 ppm Nitrat 15 55 330 365 pH tanah 7.4 7.2 6.0 4.7 ZA ppm Nitrit 0 0 0 0 ppm Nitrat 25 85 130 140 pH tanah 6.2 6.4 5.6 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 1.0 25 Jerami 1.5 15 Biji 7.0 128 Jerami 7.0 72 Padi Biji 1.5 35 Jerami 1.5 7 Biji 8.0 106 Jerami 8.0 35 Ubikayu Umbi 30.0 120 Kentang Umbi 40.0 172 Kac tanah Unhulled nuts 1.0 49 Sumber: Sanchez, 1976.

NITROGEN USES BY CORN Nitrogen used by corn (kg/ha) 400 300 Total 200 100 0 2 4 6 8 10 12 Hasil jagung, t/ha Sumber: Bartholomew (1972). Total Biji Jerami

PENENTUAN DOSIS PUPUK NITROGEN 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

EFISIENSI PUPUK 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 tanah-tanah yg mengalami pembasahan & pengeringan. 3. Dosis pupuk optimum ditentukan: Serapan N pd tingkat hasil ttt - Serapan N tanpa pupuk Dosis N = ------------------------------------------------------------------------- % Recovery

RESPON NITROGEN BIJI-BIJIAN 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 4 3 2 1 20 30 40 50 60 Populasi tanaman (1000/ha) 120 N 80 N 40 N 0 N

PENGARUH REZIM AIR TANAH THD RESPON N Hasil biji jagung (t/ha) 5 4 3 2 1 0 40 80 120 Pupuk N (kg/ha) Sumber: Sanchez, 1976. Air tnh optimum Excess moisture Drought

EFEK RESIDU PUPUK N 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 N-anorganik 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 Dosis pupuk selama 5 tahun terus pH (0-20 cm) NaNO3 7 6 5 4 3 Urea ZA 50 100 150 200 kg N/ha Dosis pupuk selama 5 tahun terus

EFEK PENCUCIAN N-PUPUK thd KB SUBSOIL % Kejenuhan Basa 70 60 50 40 30 20 0-15 cm Tanah Liat 15-30 cm 440 880 1760 kg N/ha Dosis pupuk ZA

Simbiotik Non-simbiotik 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 Pupuk buatan Simbiotik Non-simbiotik Sisa tnm + Rabuk N-tersedia N-atmosfer BOT Diserap tanaman Pencucian Erosi - run off

SUMBER BELERANG ALAMI Mineral Tanah: BELERANG ATMOSFER Sulfida besi, nikel dan tembaga biasanya dijumpai pada tanah-tanah 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

Sisa-sisa Biomasa tanaman PEREDARAN BELERANG Gas H2S Sisa-sisa Biomasa tanaman Volatilisasi Belerang organik reduksi Mineral tanah Serapan Mineral tanah Dekomposisi Oksidasi reduksi Sulfida (S=) Sulfat (SO4=) Oksidasi Oksidasi reduksi Oksidasi Pencucian Sulfur (S)

www.omafra.gov.on.ca/english/cro...06a2.htm

Perilaku Belerang dlm Tanah MINERALISASI - IMOBILISASI: Reaksi mineralisasi: S-Organik Hasil dekomposisi Sulfat (Protein & senyawa (Senyawa sulfida) Organik lain) Reaksi Imobilisasi: Ion Sulfat Jasad renik S-organik Perilaku Belerang dlm Tanah OKSIDASI - REDUKSI: reaksi-reaksi biokimia H2S + 2O2 H2SO4 2H+ + SO4= 2S + 3 O3 + 2H2O 2H2SO3 2H+ + SO3= Alkohol-organik + Sulfat Asam organik + H2O + S= Bakteri belerang Fe++ + S= FeS Sulfat Sulfit Tiosulfat direduksi oleh bakteri Sulfida S-elementer

www.lifesci.dundee.ac.uk/people/...esearch/

Perilaku Belerang dlm Tanah OKSIDASI BELERANG & KEMASAMAN: 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 SO4 -Al Al- + KHSO4 -Al Al- + H2O O O H H

filebox.vt.edu/users/chagedor/bi...uct.html

Nitrat esential bagi pertumbuhan tanaman SIKLUS NITROGEN Nitrat esential bagi pertumbuhan tanaman Protein tanaman Serapan akar Aliran Masa Difusi Pertukaran ion Ion larut dalam air tanah (larutan tanah) Nitrat tanah NO3-

Nitrat di-daur-ulang oleh mikroba tanah Serapan akar Nitrat tanah NO3- Protein tanaman Protein Hewan N organik tanah Ammonifikasi Ammonium NH4+ Nitrifikasi Bakteri nitrit Nitrit NO2- Nitrifikasi Bakteri nitrat

Asam amino + 11/2O2  CO2 + H2O + NH3 + 736kJ 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 Serapan akar Nitrat tanah NO3- Protein tanaman N organik dalam tanah Fiksasi biologis Simbiosis & Non-simbiosis Dekomposisi Bahan Organik

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 Peas Tanpa nitrat & tanah steril 0.6 0.8 Tambah Nitrat & tanah steril 12.0 12.9 Tanpa nitrat & tanah non-steril 0.7 16.4 Tambah Nitrat & tanah non-steril 11.6 15.3 © 2008 Paul Billiet ODWS

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 - 669 kJ 2N + 8H+  NH3 + H2 + 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 Nitrat NO3- Fiksasi N di Atmosfir Out gassing Protein tumbuhan Nitrogen di atmosfir Ammonium NH4+ N-organik dalam tanah Fiksasi N secara Industri Biological fixation © 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 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 ALGAL BLOOM Rapid growth of algae Dead leaves Faktor pembatas internal Air limbah atau limbah organik lainnya Death of algae Decomposers (bacteria) increase in numbers © 2008 Paul Billiet ODWS

Ancaman bahaya! Peningkatan BOD Air panas dari industri Bakteri dekomposer meningkat jumlahnya Pencemaran dari minyak atau deterjen Air panas dari industri (Thermal pollution) Peningkatan BOD Penurunan konsentrasi O2 terlarut

Kematian suatu Danau KONDISI ANAEROBIK 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.

Soil organic nitrogen 9500 Gt Sediments 10 Gt Nitrification Root uptake Biological fixation Ammonium NH4+ Ammonification Nitrite NO2- Dissolved in water 6000 Gt Denitrification Leaching Nitrate NO3- Soil organic nitrogen 9500 Gt Atmospheric fixation Out gassing Industrial fixation Plant protein 3500 Gt Animal protein Atmospheric Nitrogen 4 000 000 000 Gt © 2008 Paul Billiet ODWS

OXIDATION STATES ORGANIC MATTER PLANT AND ANIMAL RESIDUES AMINIZATION MESQUITE RHIZOBIUM ALFALFA SOYBEAN BLUE-GREEN ALGAE AZOTOBACTER CLOSTRIDIUM PLANT AND ANIMAL RESIDUES R-NH2 + ENERGY + CO2 R-NH2 + H2O R-OH + ENERGY + 2NH3 MATERIALS WITH N CONTENT < 1.5% (WHEAT STRAW) CONTENT > 1.5% (COW MANURE) MICROBIAL DECOMPOSITION HETEROTROPHIC AMINIZATION BACTERIA (pH>6.0) FUNGI (pH<6.0) AMMONIFICATION GLOBAL WARMING pH>7.0 2NH4+ + 2OH- FIXED ON EXCHANGE SITES +O2 Nitrosomonas 2NO2- + H2O + 4H+ IMMOBILIZATION NH3 AMMONIA -3 NH4+ AMMONIUM -3 N2 DIATOMIC N 0 N2O NITROUS OXIDE 1 NO NITRIC OXIDE 2 NO2- NITRITE 3 NO3- NITRATE 5 OXIDATION STATES ATMOSPHERE N2O NO N2 N2O2- NH3 SYMBIOTIC NON-SYMBIOTIC + O2 Nitrobacter FERTILIZATION LIGHTNING, RAINFALL N2 FIXATION DENITRIFICATION PLANT LOSS AMINO ACIDS NO3- POOL LEACHING AMMONIA VOLATILIZATION NITRIFICATION NH2OH Pseudomonas, Bacillus, Thiobacillus Denitrificans, and T. thioparus MINERALIZATION + NITRIFICATION NO2- MICROBIAL/PLANT SINK TEMP 50°F pH 7.0 ADDITIONS LOSSES OXIDATION REACTIONS REDUCTION REACTIONS HABER BOSCH 3H2 + N2 2NH3 (1200°C, 500 atm) Joanne LaRuffa Wade Thomason Shannon Taylor Heather Lees Department of Plant and Soil Sciences Oklahoma State University INDUSTRIAL FIXATION

Aminisasi: Dekomposisi protein dan pelepasan amina dan asam-asam amino OM (proteins)  R-NH2 + Energy + CO2 Amonifikasi: R-NH2 + HOH  NH3 + R-OH + energy NH4+ + OH- Nitrifikasi: proses oksidasi biologis ammonia menjadi nitrat 2NH4+ + 3O2  2NO2- + 2H2O + 4H+ 2NO2- + O2  2NO3- +H2O

NITROGEN: Kondisi oksidasi Ion / Molekul N 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

H:H dan ikatan kimianya dapat dilukiskan sebagai H-H 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 <50°F Denitrification Volatilization 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.

Penyangga N-anorganik Tanah-Tanaman Akumulasi N anorganik profil tanah, kg/ha Hasil biji, kg/ha Dosis pupuk nitrogen tiap musim, kg/ha 0 40 80 120 160 200 240 Titik dimana tambahan dosis pupuk N tidak meningkatkan hasil 500 400 300 200 100 Point where increasing applied N increases soil profile inorganic N accumulation Kisaran dimana peningkatan dosis pupuk N tidak menambah hasil, tetapi juga tidak ada peningkatan N-anorganik dalam profil tanah Penyangga N-anorganik Tanah-Tanaman 4000 3000 2000 1000

NH4, NO3 Pupuk Bahan organik tanah N anorganik

Udic Argiustoll, 0-240 cm, Udic Argiustoll, 0-300 cm, NO3--N, kg ha-1 NO3--N, kg ha-1 100 200 300 400 100 200 300 400 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Dosis N kg ha-1 34 67 134 269 Dosis N kg ha-1 Kedalaman, cm Kedalaman, cm 22 45 67 90 112

Mekanisme Penyangga Nitrogen 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) 

Metabolisme reduksi nitrat Bidwell (1979), Plant Physiology, 2nd Ed. Metabolisme reduksi nitrat Fotosintesis Karbohidrat respirasi Daya reduksi Kerangka Karbon NADH or NADPH NO NO NH Asam amino 3 2 3 nitrate nitrite reductase reductase ferredoxin siroheme

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 0-15 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

0.1 0.9 0.09 0.8 0.08 0.7 N-Total Tanah N, % 0.07 Karbon organik, % 0.6 0.06 TSN SED TSN = 0.002 0.5 0.05 OC SED OC = 0.03 0.04 0.4 40 80 120 160 200 Dosis pupuk N, kg/ha

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 Dosis pupuk Nitrogen musiman, kg/ha 80 60 40 20 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 40 20 Continued increase in grain N uptake, beyond the point where increasing applied N increases soil profile inorganic N accumulation Serapan N Biji, kg/ha 0 40 80 120 160 200 240 Dosis pupuk Nitrogen musiman, kg/ha

9.4 =19% 80 70 60 Serapan N biji, kg/ha 50 40 30 20 Dosis N, kg/ha Y = 29.7 + 0.28x - 0.00055x2 70 r2=0.90 9.4 =19% 60 50 Serapan N biji, kg/ha 40 30 20 20 40 60 80 100 120 140 Dosis N, kg/ha

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 Dosis pupuk N Volatilization 1 4 0-50 kg N/ha/yr 15-40 kg N/ha/yr NH3 NH4+OH- NH3 + H2O NO Dosis pupuk N Volatilization N2O Urea N2 3 NH4 fixation (physical) Denitrifikasi 7-80 kg N/ha/yr NH3, N2 2 10-50 kg N/ha/yr Mikroba tanah Organic Immobilization NH4 NO3 NO2 1 Mills et al., 1974 Matocha, 1976 DuPlessis and Kroontje, 1964 Terman, 1979 Sharpe et al., 1988 5 5 Chaney, 1989 Sommerfeldt and Smith, 1973 Macdonald et al., 1989 Kladivko, 1991 Pencucian NO3 2 3 0-20 kg N/ha/yr 4 Olson and Swallow, 1984 Sharpe et al., 1988 Timmons and Cruse, 1990 Francis et al., 1993 Hooker et al., 1980 O’Deen, 1986, 1989 Daigger et al., 1976 Parton et al., 1988 Aulackh et al., 1984 Colbourn et al., 1984 Bakken et al., 1987 Prade and Trolldenier, 1990

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.

H20  H+ + OH- 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 Urea merupakan pupuk padatan yang sangat penting hingga saat ini. Pada tahun 1960-an, ammonium sulfat (ZA) merupakan pupuk N yang mendominasi perdagangan dunia (Bock and Kissel, 1988). Sejak 1968, aplikasi langsung anhydrous ammonia berkisar 37 - 40% dari total penggunaan N (Bock and Kissel, 1988) Urea: kandungan tinggi, aman, ekonomis produksinya, transpor dan distribusinya mudah sehingga mendominasi perdagangan dunia. Pada 1978, negara-negara berkembang menyerap 44% dari pasar dunia (Bock and Kissel, 1988). Hingga 1987, negara-negara berkembang berkontribusi kurang dari 33%

Hidrolisis Urea Pangsa konsumsi N dunia menurut kelompok produk 1970 1986 Ammonium sulfate 8 5 Ammonium nitrate 27 15 Urea 9 37 Ammonium phosphates 1 5 Other N products (NH3) 36 29 Other complex N products 16 8 Hidrolisis Urea increase pH (less H+ ions in soil solution) CO(NH2)2 + H+ + 2H2O --------> 2NH4+ + HCO3- pH 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 11.3 99 1

Decrease NH3 loss with increasing CEC (Fenn and Kissel, 1976) 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? 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, ** on soils where organic matter dominates the contribution to CEC then there should be a positive relationship of pH and CEC. CEC pH

N Rate = 112 kg/ha 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. Penambahan polimer hydroksi-Al (bermuatan positif) untuk meningkatkan kapasitas penyangga H+. Penambahan resin pertukaran kation asam kuat (kapasitas penyangga berubah tanpa mempengaruhi KTK, misalnya resin dijenuhkan dengan H+). Resin: substansi organik amorfus (sekresi tumbuhan), larut dalam pelarut organik dan tidak larut air (digunakan dalam plastik, tinta). Perhatikan hal-hal berikut: H+ diperlukan untuk hidrolisis urea Ability of a soil to supply H+ is related to amount of NH3 loss H+ is produced via nitrification (after urea is applied): acidity generated is not beneficial Apa yang dapat diaplikasikan bersama urea untuk meminimumkan kehilangan NH3?

Menurut Ferguson et al. (1984). 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: Menerima proton Anion: Ion bermuatan negatif Kation: 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+ + A- Kemasaman 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 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) Al displaced from clay minerals, hydrolyzed to hydroxy aluminum complexes Hidrolisis monomerik membebaskan H+ 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 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 c. 2HNO3 +CaX ----> Ca(NO3)2 + H2X Resultant acidity = 2H+/mole of NH4H2PO4 ______________________________________________________________________

NITROGEN dan BELERANG TANAH