Nitrogen

Siklus nitrogen adalah suatu proses konversi senyawa yang mengandung unsur nitrogen menjadi berbagai macam bentuk kimiawi yang lain. Transformasi ini dapat terjadi secara biologis maupun non-biologis. Beberapa proses penting pada siklus nitrogen, antara lain fiksasi nitrogen, mineralisasi, nitrifikasi, denitrifikasi.

Bentuk dan fungsi  N

N dibutuhkan oleh tanaman dalam jumlah yang besar, umumnya menjadi faktor pembatas pada tanah-tanah yang tidak dipupuk. Berupa asam amino, amida dan amin yang berfungsi sebagai kerangka (building blocks) dan senyawa antara (intermediary compounds). Berupa protein, khlorofil, asam nukleat: protein/ensim mengatur reaksi biokimia, N merupakan bagian utuh dari struktur klorofil, warna hijau pucat atau kekuningan disebabkan kekahatan N, sebagai bahan dasar  DNA dan RNA.

Mobilitas N

Unsur N sangat mobil dalam jaringan tanaman, dialihtempatkan dari daun yang tua ke daun yang muda. Gejala kekahatan klorosis muncul pada daun dibagian bawah yaitu daun yang lebih tua.  Jika berlebihan N akan merangsang pertumbuhan vegetatif, laju fotosintesis tinggi, penggunaan CH₂O juga tinggi, akibatnya menghambat kematangan tanaman, jaringan menjadi sukulen, tanaman rebah, mudah terserang penyakit.

Sumber N

Beberapa sumber N adalah : perombakan bahan organik: daur N; penyematan biologis: simbiotik dan non simbiotik; deposisi atmosfir: karena muatan listrik dan kegiatan industri; pupuk N  dan rabuk, kompos dan biosolid.

Bentuk N yang diserap tanaman

Bentuk NH₃ (amoniak) diserap oleh daun dari udara atau dilepaskan dari daun ke udara, jumlahnya tergantung konsentrasi di udara. Sebagian besar N diambil akar dalam bentuk  anorganik yaitu NH₄⁺ (ammonium) and NO₃^- (nitrat). Jumlahnya tergantung kondisi tanah, nitrat lebih banyak terbentuk jika tanah hangat, lembab dan aerasi baik. Penyerapan NH₄⁺lebih banyak terjadi pada pH tanah netral, sedangkan NO₃^- pada pH rendah. Senyawa NO₃^-umumnya bergerak menuju akar karena aliran masa, senyawa NH₄⁺ bersifat tidak mobil, gerakan disebabkan oleh difusi juga aliran masa.

Senyawa ammonium ini tidak harus direduksi di dalam tubuh tanaman sehingga menghemat energi, kandungan protein tanaman lebih tinggi (CH₂O). Keseimbangan kation/anion: mengurangi penyerapan Ca, Mg, K, tetapi meningkatkan penyerapan fosfat, sulfat dan klor. Suasana pH risosfer: akar melepas H⁺.

Senyawa nitrat harus direduksi terlebih dahulu di dalam tubuh tanaman sebelum disintesis menjadi asam amino, NO₃^- à  NH₃. Keseimbangan kation/anion: meningkatkan penyerapan Ca, Mg, K, tetapi menurunkan penyerapan fosfat, sulfat, dan klor. Suasana pH risosfer: akar melepas HCO₃^- (OH^-)

Jika kadar NH₄⁺ tinggi dapat bersifat meracun, NH₄⁺ à NH₃, sedangkan jika kelebihan NO₃^-dapat secara aman disimpan dalam vakuola. Preferensi tanaman: kebanyakan tanaman tumbuh baik pada kondisi campuran, tanaman yang tahan terhadap suasana masam umumnya lebih baik jika diberi NH₄⁺, sebaliknya keluarga terung-terungan (Solanaceae) lebih menyukai NO₃^-, karena membutuhkan banyak kation lainnya (penyerapan nitrat merangsang penyerapan kation).

Transformasi N dalam tanah

Di dalam tanah unsur N dapat mengalami alihrupa sebagai berikut: Mineralisasi, Immobilisasi, Nitrifikasi, Denitrifikasi, Volatilisasi, Fiksasi N.

Mineralization

Pelepasan N organik menjadi N yang tersedia bagi tanaman yaitu: NH₄⁺, melibatkan mikrobia heterotrof yaitu bakteri dan kapang. Bahan organik tanah mengandung N sekitar 5%, sekitar 1-4% dari N organik mengalami mineralisasi setiap tahunnya.

§  Aminisasi: proteins + H₂O –> asam amino + amina + urea + CO₂ + energi.  pemecahan protein menjadi unit lebih kecil, yang mengandung gugus NH₂

§  Ammonifikasi:

R – NH₂ + H₂O –>  NH₃ + R – OH + energi
NH₃ + H₂O        –>  NH₄⁺ + OH^-

Immobilisasi (assimilasi)

Berkebalikan dengan proses mineralisasi. Pengambilan bentuk N anorganik dari tanah kemudian menyatukan bahan tersebut menjadi bentuk N organik oleh mikrobia, dapat berupa NH₄⁺ atau NO₃^-. Kesetimbangan antara mineralisasi dan immobilisasi ditentukan oleh nisbah C:N .

Nitrifikasi

Perubahan NH₄⁺ menjadi NO₃^-, sumber NH₄⁺ dapat berupa bahan organik atau pupuk. Oksidasi biologis: bilangan oksidasi N meningkat dari -3 menjadi + 5, melalui 2 tahapan proses:

2NH₄⁺ + 3O₂ –>  2NO₂^- (nitrit) + 2H₂O + 4H⁺ (Nitrosomonas bacteria) dan
2NO₂^- + O₂ –> 2NO₃^- ( Nitrobacter bacteria)

Nitrit bersifat meracun, umumnya tidak sampai mengumpul, karena reaksi nitrit menjadi nitrat jauh lebih besar dibanding perubahan ammonium menjadi  nitrit. Ada dua jenis bakteri ototrof yang menonjol, mereka mendapatkan energi dari oksidasi N, sedangkan C diambil dari CO₂

Proses nitrifikasi

Meningkatkan potensi pelindian N. Senyawa NO₃^- sangat mobil, sangat  larut air, tidak dapat dipegang oleh koloid tanah. Senyawa NH₄⁺ merupakan kation tertukar, dapat dipegang oleh koloid tanah, bersifat mobil dalam tanah pasiran tanah yang memiliki KPK rendah. Untuk berlangsungnya proses nitrifikasi diperlukan suasana aerasi yang baik, karena yang aktif bakteri aerobik, oksigen diperlukan sebagai reaktan dalam kedua reaksi yang terlibat. Proses ini bersifat mengasamkan tanah, 2 mol H⁺ dihasilkan per mol NH₄⁺yag dinitrifikasi, ini dapat berasal dari pupuk ammonium atau mengandung pembentuk ammonium (urea). Sangat cepat pada pH tinggi, optimum pada pH 8.5, bakteri memerlukan cukup Ca dan P, keseimbangan reaksi lebih cocok pada pH tinggi tersebut. Reaksi cepat pada temperatur hangat dan tanah yang lembab. Penghambat nitrifikasi: digunakan untuk membatasi pelindian nitrat,  N-Serve (nitrapyrin) karena bersifat meracun bagi Nitrosomonas.

Denitrifikasi

Kehilangan N dalam bentuk gas, reaksi NO₃^- menjadi N₂ dan N₂O. Bakteri anaerob:Pseudomonas, Bacillus, menggunakan N sebagai sumber O₂ dalam respirasi, terjadi pada tanah tergenang atau terbatasnya oksigen, sekitar akar atau seresah yang sedang terombak. Bakteri memerlukan bahan organik, bahan orgaik yang siap dirombak sebagai sumber energi

4(CH₂O) + 4NO₃^- + 4H⁺ –>  4CO₂ + 2N₂O  + 6H₂O
5(CH₂O) + 4NO₃^- + 4H⁺ –>  5CO₂ + 2N₂O  + 7H₂O

Kehilangan N dari pupuk umumnya 10-30%, pada kondisi: penambahan bahan orgaik dan kurangnya aerasi, temperatur hangat : antara 50 – 80 F, pH >5.5, cukup sediaan nitrat, pertumbuhan tanaman, dapat menyumbang C dan kurangnya oksigen, tanaman dapat juga membatasi denitrifikasi dengan mengurangi kadar air dalam tanah dan nitrat karena diserap

Volatilisasi

Kehilangan berupa gas NH₃, terutama dari pupuk N di permukaan, juga rabuk di permukaan tanah, kehilangan rabuk juga terjadi saat penanganan dan penyimpanan, dengan  reaksi NH₄⁺ –>  H⁺ + NH_{3 .} Kehilangan NH₃ terutama pada pH tinggi, pH larutan >7 , pada kesetimbangan reaksi bergerak ke kanan, kehilangan tersebut dapat ditekan dengan cara pemberian pupuk dibenamkan, atau dengan penyiraman air irigasi, urea bersifat sangat larut.

Pada tanah masam dan netral: kehilangan urea lebih besar dibanding pupuk NH₄⁺ , reaksi awal NH₄⁺ bersifat asam. Hidrolisis Urea meningkatkan pH sekitar butiran:

CO(NH₂) ₂ (urea) + H⁺ + 2H₂O –>   2NH₄⁺ + HCO₃-
ini memerlukan H⁺ dan menaikkan pH, dapat mencapai > 7
mendorong reaksi : NH₄⁺ + HCO₃^- –>   NH₃  + H₂O + CO₂

Pada tanah kapuran (calcareous soils), kehilangan Urea secara potensial tetap tinggi. Pupuk NH₄⁺ lebih mudah menguap dibanding dalam suasana asam, karena bereaksi dengan karbonat, NH₄⁺ + HCO₃^- à  NH₃  + H₂O + CO₂ , kehilangan ammonium fosfat and sulfat lebih tinggi dibanding garam ammonium yang terlarut seperti klorida dan nitrat.

Faktor lain yang mendorong volatilisasi antara lain: bentuknya cairan vs. padatan. Aplikasi permukaan disebar (broadcast surface applications), dibandingkan setempat atau dicampurkan. Temperatur yang tinggi. Permukaan tanah yang lembab dan evaporasi yang cepat. KPK yang rendah: retensi NH₄⁺ dan penyanggaan pH. residu tanaman di permukaan, penggembalaan dan gumpal tanah, menjaga lengas tanah permukaan, mengurangi kontak tanah dan gerakan ke dalam tanah

Inhibitor Urease merupakan alat untuk menghambat perombakan urea dan mengurangi volatilisasi N, contoh: Agrotrain. umumnya kurang efektif dibandingkan dengan perbaikan cara pemupukan, misalnya concentrated banding. Urease adalah ensim yang memecah urea, berasal dari tanaman atau tanah (mikrobia).  Usaha yang lain dengan membuat Slow release, urea-based fertilizers Contoh: Ureaform: Urea-formaldehyde, SCU (Sulfur-coated urea), manfaatnya:   pemberian cukup satu kali untuk suatu jangka waktu tertentu, misalnya 3 – 6 atau 9 bulan, hemat pada tempat yang memiliki potensi pelindian atau penguapan yang tinggi, Sering digunakan untuk tanaman hias atau tanaman tahunan.

Ammonia anhidrat, karena bentuknya mudah menguap, maka disuntikkan di bawah permukaan tanah, standar 15 cm untuk tanah kasar lebih dalam lagi. Kondisi yang cocok untuk kehilangan: tanah yang kering: lubang bekas injeksi tidak menutup rapat, NH₃ tidak berubah menjadi NH₄⁺, tanah lempung basah: lubang bekas injeksi tidak menutup rapat, tekstur kasar: difusi NH₃ , tanah berbongkah: difusi NH₃ , bahan organik rendah: bahan organik memegang NH₃,

Tujuan penggunaan Inhibitor nitrifikasi untuk menghambat nitrifikasi, dan mengurangi pelindian N. Umumnya digunakan pada musim gugur, atau di tanah pasiran. Contoh: bahan N-Serve, DCD yang berfungsi menghambat perubahan ammonium menjadi nitrit dalam proses nitrifikasi.

Fiksasi N

Meskipun kadar N udara 78%, tetapi ketersediaan N dalam tanah sering menjadi faktor penghambat. Terdapat 70 juta kg N setiap hektar tanah. N₂ harus diubah menjadi bentuk yang tersedia bagi tanaman. Fiksasi industri: N₂ direduksi dengan energi yang besar (high energy inputs), pada temperatur tinggi 1.200 0C dan tekanan tinggi 500 atm. dengan reaksi: 3H₂ + N₂ –>  2NH₃. NH₃ (amonia anhidrat) digunakan langsung sebagai pupuk atau sebagai bahan baku pupuk N yang lain.

Berbagai mikrobia dapat menyemat N₂: Simbiotik atau hidup bebas. Rhizobia dan legum. Hal ini penting bagi dunia pertanian. Bakteri simbiotik membentuk bintil akar,  tanaman inang menerima N yang tersemat sedangkan bakteri  menerima fotosintat.

Rhizobia dan legum memiliki hubungan yang bersifat spesifik, legum yang yang berbeda membutuhkan spesies Rhizobia tertentu yang sesuai. Umumnya dilakukan inokulasi pada biji yang akan ditanam. Hal ini diperlukan terutama jika lahan baru untuk pertama kali ditanami legum tersebut atau untuk introduksi suatu strain baru. Strain memiliki kemampuan menyemat N yang berbeda-beda.

Faktor yang mempengaruhi penyematan N antar alain: Keadaan pH tanah :  pH yang rendah membahayakan Rhizobia dan akar tanaman, adanya keracunan Al dan Mn , serta kekahatan Ca, Mo dan P. Spesies dan strain memiliki tingkat kepekaan yang berbeda-beda. R. meliloti (alfalfa, sweet clover) sangat peka terhadap pH yang rendah, strain lain lebih toleran. Kadar Nitrogen tersedia tanah: jika kandungan N tanah tinggi, maka penyematan akan rendah. Pertumbuhan tanaman dan manajemen: laju fotosintesis tinggi akan meningkatkan penyematan N, sebaliknya hal yang menurunkan batang atau hasil juga menurunkan penyematan N misalnya frekuensi dan waktu pemangkasan pada HMT.  Kemampuan penyematan N pada legum tahunan (perennial)       : 100-200 kg/ha/th, sedangkan legum semusim (annual)      : 50-100 kg/ha/th

Penyematan N lainnya

Azolla Anabaena : paku air dan ganggang hijau biru (cyanobacteria), jumlah N yang tersemat cukup untuk padi sawah. Cyanobacteria (blue-green algae), hidup bebas, pada tanah tergenang, permukaan tanah yang lembab. Azospirillum: bakteria yang hidup bebas, atau bersekutu dengan akar serealia atau rerumputan. Azotobacter: bakteria hidup bebas, di tanah, air , risosfer, atau permukaan daun. Bentuk hubungan yang lain kurang berhubungan dengan pertanian, tetapi bermanfaat bagi ekosistem alam atau agroforestry. Pohon legum: Black locust, mimosa, akasia. Frankia: aktinomisetes simbiotik, Alder.

sumber http://nasih.wordpress.com/2010/11/01/nitrogen/