Imam Hartono Bangun
Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara
[email protected]Siklus nitrogen merupakan proses biogeokimia penting dalam menjaga keseimbangan nutrisi ekosistem dan mendukung kehidupan. Proses ini melibatkan serangkaian langkah kompleks yang mengubah nitrogen dari atmosfer menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh organisme hidup. Dalam konteks pertanian, pemahaman mendalam terhadap siklus nitrogen sangat penting karena nitrogen merupakan nutrisi esensial bagi tanaman, yang pada gilirannya mempengaruhi produksi biomasa. Mari kita telaah siklus nitrogen secara rinci dan fokus pada tiga proses utama yang berpengaruh pada produksi biomasa pertanian.
Deskripsi Siklus Nitrogen:
Siklus nitrogen dimulai di atmosfer, dengan nitrogen (N2) sebagai bentuk utama yang ada. Proses fiksasi nitrogen, baik secara alami maupun antropogenik, mengubah nitrogen atmosfer menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh tanaman, seperti amonia (NH3) atau nitrat (NO3-). Bakteri nitrogenase berperan dalam fiksasi nitrogen, dan hasilnya menjadi dasar nutrisi bagi tanaman.
Setelah tanaman mengambil nitrogen, proses sintesis protein dan molekul nitrogen lainnya terjadi. Ketika organisme mati atau membuang limbah, bakteri pengurai mengubah senyawa nitrogen kembali menjadi amonia. Selanjutnya, nitrogen dapat tercuci ke dalam hidrosfer dan mengalami denitrifikasi oleh bakteri denitrifikasi di lingkungan anaerobik, mengembalikannya ke atmosfer sebagai nitrogen gas (N2).
Siklus Nitrogen
Penelitian oleh (Vitousek et al., 2013) memberikan perkiraan fiksasi nitrogen secara biologis tahunan pra-industri di ekosistem darat sebesar 58 Tg N. Siklus nitrogen di lauta diperkirakan fiksasi nitrogen secara biologis di laut global sekitar 140 Tg N per tahun (Galloway et al., 2008). Petir secara alami mengikat nitrogen sebagai NOx, memperkenalkan nitrogen reduksi ke daerah yang jauh di atmosfer, dan diperkirakan memberikan kontribusi sekitar 5 Tg N per tahun ke sumber nitrogen global (Tie et al., 2002). Sumber alamiah global N reduksi total 203 Tg N (+50 Tg N per tahun), terdiri dari sekitar sepertiga dari ekosistem terestrial dan dua pertiga dari ekosistem laut, dengan hanya 2,4 persen dari petir (Fowler et al., 2013). Selanjutnya proses fiksasi nitrogen secara biologis juga dapat dilakukan oleh tanaman pertanian dan padang rumput yang mengikat nitrogen dengan jumlah N sekitar 50-70 Tg N per tahun (Herridge et al., 2008).
Sumber antropogenik fiksasi N di udara melalui proses Haber-Bosch, pembakaran dalam suhu tinggi dan tekanan dengan adanya katalis adalah proses utama pembentukan senyawa N reduksi yang teroksidasi, terutama NO dan NO2, yang berasal dari oksidasi N2 atmosfer dan senyawa nitrogen dalam bahan bakar. Proses ini dikembangkan selama tahun-tahun awal abad kedua puluh dan pada dekade pertama abad kedua puluh satu abad memproduksi 120 Tg N sebagai NH3 per tahun, yang mana 80 persen digunakan sebagai pupuk pertanian dan 20 persen sebagai bahan baku untuk proses industri (Galloway et al., 2008). Perkiraan produksi NOx global dan emisi untuk tahun 2000 adalah sekitar 40 Tg N per tahun, di mana 30 Tg N per tahun adalah N reduksi baru, sisanya adalah N reduksi dalam bahan bakar dan biomassa.
Produksi nitrogen reduksi antropogenik melalui penggunaan pupuk dari proses dan tanaman nitrogen-fiksasi. Secara global, produksi nitrogen reduksi menghasilkan 120 Tg N sebagai NH3 setiap tahunnya, yang digunakan sebagai pupuk pertanian dan bahan baku industry (Herridge et al., 2008). Sedangkan Proses dan aliran nitrogen reduksi di sistem darat dan laut serta di atmosfer dapat dilihat di gambar di bawah ini.
Siklus nitrogen dimulai di atmosfer, dimana N2 adalah bentuk utama nitrogen yang ada. Nitrogen kemudian terfiksasi secara antropogenik dan biologis menjadi bentuk yang dapat digunakan oleh organisme, seperti NH3 atau NO3-. Organisme seperti tumbuhan kemudian menggunakan nitrogen ini sebagai nutrisi. Setelah nitrogen diambil oleh tumbuhan, maka akan digunakan dalam membuat protein dan DNA, yang merupakan bahan penting dalam pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Kemudian, hewan akan mengonsumsi tanaman dan mendapatkan nitrogen yang diperlukan untuk pertumbuhan mereka. Sebagian nitrogen juga dapat tercuci ke dalam air tanah dan kemudian dapat mengalir ke sungai atau laut, di mana dapat memicu pertumbuhan alga berlebih yang mengganggu ekosistem laut dan menyebabkan zona mati. Sementara itu, nitrogen juga dapat diemisikan ke atmosfer melalui proses pembakaran, seperti pembakaran bahan bakar fosil oleh mobil dan pabrik. Emisi nitrogen ini dapat bereaksi dengan senyawa lain di atmosfer dan membentuk ozon troposferik, yang dapat menyebabkan polusi udara dan masalah kesehatan.
Dalam siklus nitrogen, nitrogen di atmosfer terus berputar di antara berbagai bentuk kimia dan melalui organisme hidup dan lingkungan fisik. Oleh karena itu, perubahan dalam satu bagian dari siklus ini dapat berdampak pada keseimbangan keseluruhan siklus nitrogen dan ekosistem di mana siklus tersebut terjadi. Ketika tanaman dan hewan mati, nitrogen dalam jasad mereka akan terurai oleh mikroorganisme dan kembali ke dalam tanah. Nitrogen dalam tanah juga dapat diubah menjadi bentuk yang tidak dapat digunakan oleh organisme melalui proses denitrifikasi oleh mikroba, proses ini mengembalikan nitrogen ke atmosfer dalam bentuk N2. Siklus N ini sangat penting untuk produksi biomasa dalam pertanian karena nitrogen adalah nutrisi esensial untuk tanaman.
Proses Utama yang Berpengaruh pada Produksi Biomasa Pertanian:
- Fiksasi Nitrogen:
Proses fiksasi nitrogen mencakup konversi nitrogen di udara menjadi senyawa nitrogen yang dapat digunakan oleh tanaman. Ini dilakukan baik secara alami, melibatkan fiksasi biologis di darat, laut, dan oleh tanaman pertanian, maupun secara antropogenik, melalui proses Haber-Bosch dan pembakaran. Sebagai contoh, bakteri Rhizobia membentuk simbiosis mutualisme dengan tanaman leguminosa, meningkatkan ketersediaan nitrogen dalam tanah dan mendukung pertumbuhan tanaman. - Mineralisasi:
Proses mineralisasi terjadi melalui dekomposisi bahan organik oleh bakteri dan fungi di tanah. Hasilnya adalah senyawa nitrogen anorganik seperti amonium dan nitrat, yang meningkatkan ketersediaan nitrogen bagi tanaman. Sumber organik, seperti sisa tanaman, kotoran hewan, atau pupuk organik, dapat mempercepat proses mineralisasi dan membantu meningkatkan produktivitas tanaman. - Denitrifikasi:
Proses denitrifikasi mengubah senyawa nitrogen anorganik kembali menjadi nitrogen gas, yang dilepaskan ke atmosfer. Dilakukan oleh bakteri di lingkungan anaerobik, denitrifikasi mengurangi ketersediaan nitrogen dalam tanah. Manajemen pertanian yang bijak perlu mempertimbangkan tingkat denitrifikasi agar nutrisi tetap cukup untuk mendukung produktivitas tanaman.
Kesimpulan:
Siklus nitrogen adalah fondasi penting bagi ekosistem dan memiliki dampak langsung pada produksi biomasa dalam pertanian. Pemahaman mendalam terhadap fiksasi nitrogen, mineralisasi, dan denitrifikasi memberikan pandangan yang lebih jelas dalam mengelola sumber daya alam dan meningkatkan produktivitas pertanian. Upaya untuk mempertahankan keseimbangan siklus nitrogen menjadi kunci untuk mendukung pertanian yang berkelanjutan dan memastikan ketersediaan nutrisi yang memadai bagi tanaman.
Daftar Pustaka
Fowler, D., Coyle, M., Skiba, U., Sutton, M.A., Cape, J.N., Reis, S., Sheppard, L.J., Jenkins, A., Grizzetti, B., Galloway, J.N., 2013. The global nitrogen cycle in the twenty-first century. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 368, 20130164.
Galloway, J.N., Townsend, A.R., Erisman, J.W., Bekunda, M., Cai, Z., Freney, J.R., Martinelli, L.A., Seitzinger, S.P., Sutton, M.A., 2008. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions, and potential solutions. Science 320, 889–892.
Herridge, D.F., Peoples, M.B., Boddey, R.M., 2008. Global inputs of biological nitrogen fixation in agricultural systems. Plant Soil 311, 1–18.
Tie, X., Zhang, R., Brasseur, G., Lei, W., 2002. Global NO x production by lightning. J. Atmospheric Chem. 43, 61–74.
Vitousek, P.M., Menge, D.N., Reed, S.C., Cleveland, C.C., 2013. Biological nitrogen fixation: rates, patterns and ecological controls in terrestrial ecosystems. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 368, 20130119.
