NITROGEN dan BELERANG

TANAH

smno 2012

PEREDARAN NITROGEN

Sisa tumbuhan & binatang

Amonia

Bahan Organik Tanah

Nitrat & Nitrit

Nitrogen Atmosfer

Pencucian

Reaksi khemo-elektrik & Hujan

penyerapanpenyerapan

ekskresiekskresi

Fiksasi simbiotikFiksasi simbiotik

Fiksasi non-simbiotikFiksasi non-simbiotik

denitrifikasidenitrifikasi

nitrifikasinitrifikasi

amonifikasiamonifikasi

penguapanpenguapan

NITROGEN AMONIUM

N-NH4

AMONIFIKASI: 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 tanah2. Diserap oleh akar tanaman / tumbuhan3. Difiksasi oleh mineral liat tertentu, seperti Ilit4. Dioksidasi secara enzimatis melalui proses nitrifikasi

5. Pd kondisi pH tinggi dpat berubah menjadi NH3 dan menguap

NITRIFIKASI

Nitrifikasi mrpk proses oksidasi enzimatik:

oksidasi 2NH4

+ + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H+ +energi enzimatik oksidasi 2 NO2- + O2 2NO3

- + 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 nitritNitrobacter : 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 cepat2. 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 nitrifikasi2. Keseimbangan antara N-P-K sangat menolong nitrifikasi3. Pemberian pupuk amonium dosis tinggi menghambat nitrifikasi4. Ternyata amonia dapat bersifat toksik bagi Nitrobacter, tetapi

tidak bagi Nitrosomonas

C/N ratio :1. Karbohidrat merupakan sumber energi bagi jasad renik tanah2. 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 debu2. Fiksasi N non-simbiotik3. Fiksasi N simbiotik4. Limbah Pertanian: ternak, tanaman, ikan, manusia5. Pemupukan

Kehilangan N dari tanah:1. Volatilisasi, penguapan2. Denitrifikasi3. Pencucian, Erosi dan run-off4. Serapan tanaman.

7www.ldd.go.th/18wcss/techprogram...6340.HTM

1. Kontribusinya sebesar 4 - 8 kg N/ha/tahun2. Aktivitas elektris selama thunderstorms3. Debu, asap, partikulat dalam udara mengandung N4.Nitrogen ini dapat berupa senyawa organik atau anorganik yang terikat pada partikulat

9ossperc.wordpress.com/2009/02/04...ndhills/

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 algae5. 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 legume2. Kontribusi single legume stand 16 - >500 kg N/ha/th3. Kendala fiksasi : rendahnya P-tersedia , tingginya Aldd,

kekeringan, kurangnya inokulum spesifik4. Kontribusinya pd lahan pertanian 4 - 50 kg N/ha5. Kontribusinya pd lahan hutan tropis 46 - 147 kg N/ha6.

12

www.tutorvista.com/topic/nitrogen-cycle

1. Dekomposisi N-organik menjadi N-anorganik ada tiga tahap:1. Aminisasi: Protein menjadi amine2. 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 rendah5. Pada Andepts, mineralisasi N berbanding terbalik dg

kandungan alofan6. 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 kering2. Peningkatan cepat dlm waktu singkat pd awal musim hujan3. 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.

15ohioline.osu.edu/aex-fact/0463.html

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 banyak2. Rata-rata kehilangan per tahun melalui pencucian di daerah humid

berkisar antara 5 dan 6 kg setiap hektar3. 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 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)

1. Bbrp hari setelah hujan lebat pertama, terjadi peningkatan N-anorganik dlm tanah

2. Kontribusinya 23 - 121 kg N/ha dalam jangka 10 hari3. Puncak akumulasi N ini berbanding langsung dg durasi dan intensitas

periode kering sebelumnya4. Bberapa alasan terjadinya N-flushes ini :

1. Populasi mikroba aktif meningkat cepat 2. Banyak tersedia substrat yg mudah didekomposisi3. Musim kering menurunkan C/N rasio humus,

krn mineralisasi C lebih cepat selama periode kering4. C/N rasio rendah mempercepat mineralisasi N5. 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. Urea2. ZA (Ammonium sulfat)3. Ammonium nitrat4. Anhydrous ammonia4. Ammonium Fosfat

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 hari4. Laju hidrolisis urea pada tanah tergenang hampir sama dg

tanah tidak tergenang5.

Urease

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 Kehilangan (% dosis pupuk)pupuk (cm) Aplikasi sebelum Irigasi Setelah Irigasi

Permukaan tanah 8.1 40.21.2 1.2 33.42.5 0.6 18.15.0 0.05 0.57.5 0.0 0.0

Sumber: Shankaracharya dan Meta (1971)

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).

1. Pemupukan lebih efisien dibanding dg disebar2. 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 akarnya4. Pada dosis pupuk yg tinggi bakteri nitrifikasi tdk tahan terhadap

tekanan osmotik yg tinggi dan pH > 8.05. 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 0ppm Nitrat 15 55 330 365pH tanah 7.4 7.2 6.0 4.7

ZA ppm Nitrit 0 0 0 0ppm Nitrat 25 85 130 140pH 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 25Jerami 1.5 15Biji 7.0 128Jerami 7.0 72

Padi Biji 1.5 35Jerami 1.5 7Biji 8.0 106Jerami 8.0 35

Ubikayu Umbi 30.0 120Kentang Umbi 40.0 172Kac tanah Unhulled nuts 1.0 49

Sumber: Sanchez, 1976.

Nitrogen used by corn (kg/ha) 400

300

200

100

0 2 4 6 8 10 12 Hasil jagung, t/ha

Sumber: Bartholomew (1972).

Total

Biji

Jerami

1. Tiga parameter unt estimasi dosis pupuk:1. Serapan N tnm unt menghasilkan tingkat hasil ttt.2. Suplai N oleh tanah3. Persen recovery pupuk N

2. Kebutuhan internal N: Jumlah (kadar) minimum N dlm tajuk tanaman yg berhubungan dg hasil maksimum:

1. Tebu : 0.2 % N2. Jagung : 1.2% N3. 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 tanah-tanah 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 tinggi4. Rekomendasi di daerah tropis :

Amerika latin : 60 - 150 kg N/haMeksiko : 80 - 175 kg N/haIndonesia : …………….

5. Bentuk Kurva respon dipengaruhi oleh populasi tanaman6. Respon padi juga dipengaruhi oleh tipe tanaman, radiasi,

jarak tanam, dan lama pertumbuhan7.

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 optimu

m

Excess moistur

e

Drought

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

pH (0-20 cm)

50 100 150 200 kg N/ha

7

6

5

4

3ZA

Urea

NaNO3

Dosis pupuk selama 5 tahun terus

EFEK PENCUCIAN N-PUPUK thd KB SUBSOIL

% Kejenuhan Basa

440 880 1760 kg N/ha

70

60

50

40

30

20

15-30 cm

0-15 cm

Dosis pupuk ZA

Tanah Liat

Pengelolaan N-Tanah

Dua Tujuan Pokok:1. Memelihara ketersediaan N yg cukup dalam tanah2. Pengaturan ketersediaan N sedemikian rupa shg selalu tersedia dlm jumlah yg diperlukan tanaman.

NERACA NITROGEN

N-tersedia

Fiksasi-N Pupuk buatan

Simbiotik Non-simbiotik

N-atmosfer

Erosi - run offPencucian Diserap tanaman

BOT

Sisa tnm + Rabuk

SUMBER BELERANG

ALAMI

Mineral Tanah:Sulfida besi, nikel dan tembaga biasanya dijumpai pada tanah-tanah yg drainasenya jelekPirits juga sering dijumpai pd tanah-tanah rawa pasang-surutGips (Gipsum) terakumulasi pd horison bawah Mollisol & Aridisol

BELERANG ATMOSFER1. Tanaman dpt menyerap langsung belerang atmosfer, sekitar

25 - 35% dari total kebutuhannya2. Tanah juga dapat menyerap langsung belerang atmosfer3. Air hujan menganjung sejumlah belerang, 1 - 100 kg setiap

hektar

BELERANG ORGANIK1. Asam amino tertentu2. Senyawa lain yang mempunyai mikatan C-S3. Sulfat organik

PEREDARAN BELERANG

Sulfur (S)

Belerang organik

Sulfida (S=)

Sulfat (SO4

=)

reduksi

Oksidasi

Oksidasi Oksidasi

reduksi

reduksi

Oksidasi Dekomposisi Mineral

tanahMineral

tanah

PencucianPencucian

Serapan

Sisa-sisa Biomasa tanaman

Gas H2S

Volatilisasi

43www.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

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= FeSSulfatSulfitTiosulfat direduksi oleh bakteri SulfidaS-elementer

45www.lifesci.dundee.ac.uk/people/...esearch/

Perilaku Belerang dlm

Tanah

OKSIDASI BELERANG & KEMASAMAN:

Oksidasi belerang pd akhirnya menghasilkan ion H+ yg dpt menurunkan pH tanahDidaerah 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 topsoilRetensi sulfat berhubungan dg hidroksida Fe dan Al, dan Kaolinit

K H O SO4

-Al Al- + KHSO4 -Al Al- + H2O O O H H

47filebox.vt.edu/users/chagedor/bi...uct.html

Nitrat esential bagi pertumbuhan tanaman

Serapan akar

Nitrat tanah NO3

-

Protein tanaman

SIKLUS NITROGEN

1. Aliran Masa2. Difusi3. Pertukaran ion

Ion larut dalam air tanah (larutan tanah)

Nitrat di-daur-ulang oleh mikroba tanah

Nitrifikasi

Nitrifikasi

Ammonium NH4+

Ammonifikasi

Nitrit NO2-

N organik tanah

Protein Hewan

Serapan akar

Nitrat tanah NO3

-

Protein tanaman

Bakteri nitrit

Bakteri nitrat

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 NitrosomasBakteri 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•

Serapan akar

Nitrat tanah NO3-

Protein tanaman

N organik dalam tanah

Nitrogen dari atmosfir

Fiksasi biologis

Fixation di atmosfirOut

gassing

Nitrogen di atmosfir4 000 000 000 Gt

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

University of Sydney

Alafalfa (Medicago sativa)

USDA - ARS

Bintil Akar

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 kJ2N + 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

Nitrat NO3-

Fiksasi N di Atmosfir

Out gassing

Protein tumbuhan

Nitrogen di atmosfir

Ammonium NH4

+

N-organik dalam tanah

Dampak Kegiatan Manusia

Biological fixation

Fiksasi N secara Industri

© 2008 Paul Billiet ODWS

Industri Fiksasi N

• Proses Haber-BoschN2 + 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

Pupuk mengalami pencucian dan hara memasuki perairan sungai atau danau

Faktor pembatas internalAir limbah atau limbah organik

lainnya

Eutrofikasi

© 2008 Paul Billiet ODWS

Peningkatan BODAir panas dari

industri(Thermal pollution)

Pencemaran dari minyak atau deterjen

Penurunan konsentrasi O2 terlarut

Ancaman bahaya!

Bakteri dekomposer meningkat jumlahnya

Kematian suatu Danau

Kematian / emigration fauna

air tawarMethaemoglobinaemia pada infants

Stomach cancer link(baku mutu WHO untuk nitrat 10mg dm-3)

Peningkatan kandungan nitrat

NO3- NO2

-

Penurunan kandungan oksigen terlarut dalam perairan

KONDISI ANAEROBIK

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.

Sediments 10 Gt

Nitrification

Root uptake

Biological fixation

Nitrification

Ammonium NH4+

Ammonification

Nitrite NO2-

Dissolved in water6000 Gt

Denitrification

LeachingNitrate

NO3-

Soil organic nitrogen 9500 Gt

Atmospheric fixation

Out gassin

g Industrial fixation

Plant protein3500 Gt

Animal protein

Atmospheric Nitrogen4 000 000 000 Gt

© 2008 Paul Billiet ODWS

ORGANICMATTER

MESQUITERHIZOBIUMALFALFASOYBEAN

BLUE-GREEN ALGAEAZOTOBACTERCLOSTRIDIUM

PLANT AND ANIMAL RESIDUES

R-NH2 + ENERGY + CO2

R-NH2 + H2O

R-OH + ENERGY + 2NH3

MATERIALS WITH NCONTENT < 1.5% (WHEAT STRAW)

MATERIALS WITH NCONTENT > 1.5%(COW MANURE)

MICROBIAL

DECOMPOSITION

HETEROTROPHICAMINIZATION

BACTERIA (pH>6.0)FUNGI (pH<6.0)

AMMONIFICATION

GLOBAL WARMING

pH>7.0

2NH4+ + 2OH-

FIXED ONEXCHANGE SITES

+O2

Nitro

som

onas

2NO2- + H2O + 4H+

IMMOBILIZATION

NH3 AMMONIA -3NH4

+ AMMONIUM -3N2 DIATOMIC N 0N2O NITROUS OXIDE 1NO NITRIC OXIDE 2NO2

- NITRITE 3NO3

- NITRATE 5

OXIDATION STATES

ATMOSPHERE

N2ONON2

N2O2-

NH3

SYMBIOTIC NON-SYMBIOTIC

+ O2Nitrobacter

FERTILIZATION

LIGHTNING,RAINFALL

N2 FIXATION

DENITRIFICATION

PLANTLOSS

AMINOACIDS

NO3-

POOL

LEACHING

AMMONIAVOLATILIZATION

NITRIFICATION

NH2OH

Pseudomonas, Bacillus,Thiobacillus Denitrificans,and T. thioparus MINERALIZATION

+ NITRIFICATION

IMMOBILIZATION

NO2-

MICROBIAL/PLANT SINK

TEMP 50°F

pH 7.0

LEACHING LEACHING

DENITRIFICATIONLEACHING

LEACHINGVOLATILIZATIONNITRIFICATION ADDITIONS

LOSSES

OXIDATION REACTIONS

REDUCTION REACTIONS

HABER BOSCH

3H2 + N2 2NH3

(1200°C, 500 atm)

Joanne LaRuffaWade ThomasonShannon TaylorHeather Lees

Department of Plant and Soil SciencesOklahoma State University

INDUSTRIALFIXATION

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: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 NRange 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 OksidasiNH3 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 shellloses 5 electrons (+5 oxidation state NO3)

gains 3 electrons (-3 oxidation state NH3)

O: 6 electrons in the outer shellis 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 misteriTermasuk 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.

Denitrification Volatilization

Leaching Leaching

>50°F

<50°F

7.0soil 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 AnorganikAbility 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.

Aku

mul

asi N

ano

rgan

ik p

rofil

tana

h,

kg/h

a

Has

il bi

ji, k

g/ha

Dosis pupuk nitrogen tiap musim, kg/ha

0 40 80 120 160 200 240

Titik dimana tambahan dosis pupuk N tidak

meningkatkan hasil500

400

300

200

100

0Point where increasing applied N increases soilprofile 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

0

PupukNH4, NO3

Bahan organik tanah

N anorganik

002222454567679090112112

00 100100 200200 300300 400400303060609090

120120150150180180210210240240270270300300

NONO33---N, kg ha-N, kg ha-1-1

Udic Argiustoll, 0-240 cm,

Dosis N kg haDosis N kg ha-1-1

03467134269

Dosis N kg ha-1

00 100100 200200 300300 4004003030

6060

9090

120120

150150

180180

210210

240240

270270

300300

NONO33---N, kg ha-N, kg ha-1-1

Udic Argiustoll, 0-300 cm,

Ked

alam

an, c

mK

edal

aman

, cm

Ked

alam

an, c

mK

edal

aman

, cm

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) 

Fotosintesis Karbohidrat

respirasi

Kerangka Karbon

Asam aminoNH3

Daya reduksi

nitritereductase

nitratereductase

ferredoxinsiroheme

NO 2NO 3

NADH or NADPH

Bidwell

(1979), Plant Physiology, 2nd Ed. Metabolisme reduksi nitrat

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

0.040.04

0.050.05

0.060.06

0.070.07

0.080.08

0.090.09

0.10.1

00 4040 8080 120120 160160 2002000.40.4

0.50.5

0.60.6

0.70.7

0.80.8

0.90.9

TSNTSN

OCOCN-T

otal

Tan

ah N

, %N

-Tot

al T

anah

N, %

Kar

bon

orga

nik,

%K

arbo

n or

gani

k, %

Dosis pupuk N, kg/haDosis pupuk N, kg/ha

SED TSN = 0.002SED TSN = 0.002SED OC = 0.03SED OC = 0.03

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

Sera

pan

N B

iji, k

g/ha

Dosis pupuk Nitrogen musiman, kg/ha0 40 80 120 160 200 240

80

60

40

20

0

Titik, dimana peningkatan dosis pupuk N tidak diikuti

peningkatan hasil biji

Increased grain N uptake (protein) at N rates in

excess of that requiredfor maximum yield

Continued increase ingrain N uptake, beyond the

point where increasingapplied N increases soil

profile inorganic Naccumulation

0 20 40 60 80 100 120 14020

30

40

50

60

70

80

Dosis N, kg/ha

Sera

pan

N b

iji, k

g/ha

Y = 29.7 + 0.28x - 0.00055x2

r2=0.90

9.4 =19%

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

VolatilizationVolatilization

DenitrifikasiDenitrifikasiNHNH33, N, N22

Pencucian NO3

Mikroba tanahMikroba tanah

NHNH44

NONO33

NONO22

7-80 kg N/ha/yr7-80 kg N/ha/yr

NONONN22OONN22

15-40 kg N/ha/yr15-40 kg N/ha/yrNH3

0-50 kg N/ha/yr0-50 kg N/ha/yr

UreaUrea

Organic ImmobilizationOrganic Immobilization10-50 kg N/ha/yr10-50 kg N/ha/yr

0-20 kg N/ha/yr

Dosis pupuk N Dosis pupuk N

1

2

3

4

5

5

2

Olson and Swallow, 1984Olson and Swallow, 1984Sharpe et al., 1988Sharpe et al., 1988Timmons and Cruse, 1990Timmons and Cruse, 1990

1

Mills et al., 1974Mills et al., 1974Matocha, 1976Matocha, 1976DuPlessis and Kroontje, 1964DuPlessis and Kroontje, 1964Terman, 1979Terman, 1979Sharpe et al., 1988Sharpe et al., 1988

4

Aulackh et al., 1984Aulackh et al., 1984Colbourn et al., 1984Colbourn et al., 1984Bakken et al., 1987Bakken et al., 1987Prade and Trolldenier, 1990Prade and Trolldenier, 1990

3Francis et al., 1993Francis et al., 1993Hooker et al., 1980Hooker et al., 1980O’Deen, 1986, 1989O’Deen, 1986, 1989Daigger et al., 1976Daigger et al., 1976Parton et al., 1988Parton et al., 1988

Chaney, 1989Chaney, 1989Sommerfeldt and Smith, 1973Sommerfeldt and Smith, 1973Macdonald et al., 1989Macdonald et al., 1989Kladivko, 1991Kladivko, 1991

NHNH44+OH+OH-- NH NH33 + H + H22OO

Mekanisme Penyangga N

NHNH44 fixation (physical) fixation (physical)

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.

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100

pH

%

NH 3

4+NH

Equilibrium relationship for ammoniacal N and resultant amount of NH3 and NH4 as affected by pH for a dilute

solution.

H20 H+ + OH-

Keseimbangan KimiaA+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

Urea1. 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

1970 1986

Ammonium sulfate 8 5Ammonium nitrate 27 15Urea 9 37Ammonium phosphates 1 5Other N products (NH3) 36 29Other complex N products 16 8

Hidrolisis Ureaincrease 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

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,

pH

CEC ** on soils where organic matter dominates the contribution to CEC then there should be a positive relationship of pH and CEC.

5

6

7

8

9

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

SOIL MIX 3-High Buffering CapacitySOIL MIX 2-Moderate Buffering CapacitySOIL MIX 1-Low Buffering Capacity

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

3SO

IL SU

RFAC

E pH

DAYS AFTER APPLICATION

kg NH

-N/ha

VOLA

TILIZE

D

Soil surface pH and cumulative NH3 loss as influenced by pH buffering capacity (from Ferguson et al., 1984).

N Rate =

112 kg/ha

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: Menerima protonAnion: 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

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