SUSTAINABLE AGRICULTURE (PERTANIAN BERKELANJUTAN)
PERAN BAHAN ORGANIK dalam PERBAIKAN KARAKTERISTIK TANAH Oleh Rossyda Priyadarshini
Pertanian Berkelanjutan ( Sustainable Agriculture) ? • Sistem pertanian yang meniru sedekat mungkin kekompleksan sistem pertanian alami yang sehat. • Tujuan : – pendapatan petani lebih menguntungkan. – Pelestarian lingkungan – Pertanian yang stabil, serta keluarga dan masyarakat yang makmur.
Sustainable agriculture • Berkelanjutan menggambarkan sistem pertanian yang "mampu mempertahankan produktivitas dan kegunaan bagi masyarakat tanpa batas. • Sistem ini mengkonservasi sumber daya, mendukung sosial, kompetitif secara komersial, dan ramah lingkungan.
Bentuk Pertanian Berkelanjutan • Pertanian Organik • Bio –Dinamik • Permakultur • Sistem agroekologi • Masukan rendah
Kenapa Pertanian Berkelanjutan? • Kerusakan Lingkungan
Mengapa Pertanian Berkelanjutan? • Petani tidak memiliki kemampuan untuk mengatur kelebihan produksi, pemasaran maupun distribusi • Luas lahan pertanian semakin sempit
Keberlanjutan Lingkungan • Pertanian berkelanjutan dipandang sebagai manajemen sistem produksi dari berbagai interaksi kompleks antara tanah, air, tanaman, hewan, iklim dan manusia. • TUJUAN : mengintegrasikan semua komponen dalam sistem produksi yang menguntungkan semua pihak. • Pertanian akan menguntungkan bagi keberlanjutan lingkungan dengan cara meniru proses di alam dan fungsi ekosistem. • Diversifikasi pertanian dengan berbagai hewan dan tanaman, akan memperkecil resiko
Apa solusinya? • Bahan Organik...
Soil Components The 4 parts of soil
About ½ of the soil volume is solid particles
Mineral Matter 45%
Organic Matter 5%
Soil Air 25% Soil Water 25%
About ½ of the soil volume is pore space
Mengapa membicarakan BOT? • BOT berkontribusi bagi agregasi tanah, drainase, aerasi, struktur. • BOT merupakan substrat utama bagi pertumbuhan mikrobia dalam tanah. • BOT merupakan kunci dari kualitas tanah yang baik • BOT merupakan cadangan utama N dalam tanah • BOT adalah cadangan penyimpanan utama C di lingkungan
Mengapa kita harus memperhatikan BOT (Bahan Organik Tanah) ?
Jika Tanah Nampak Seperti ini…
BOT memperbaiki karakteristik sifat fisik tanah – Meningkatkan granulasi dan kestabilan agregat – Membuat tanah berat menjadi lebih mudah diolah – Meningkatkan laju infiltrasi air – Meningkatkan kapasitas menahan air tanah – Mengurangi erosi
Hindari yang seperti ini!
Mengapa kita harus memperthatikan BOT ?
BOT memperbaiki karakteristik kimia tanah
– Meningkatkan KTK tanah sehingga lebih mampu menyimpan dan menyediakan hara untuk tanaman. – Meningkatkan kemampuan tanah menyangga pH – Mengurangi tingkat keracunan Al, Fe, dan Mn pada tanah masam
Mengapa kita harus memperhatikan BOT?
• BOT memperbaiki karakteristik biologi tanah – Memperbesar jumlah, keanekaragaman, dan aktivitas mikroba tanah – Meningkatkan siklus hara – Meningkatkan jumlah dan panjang akar – Meningkatkan ketersediaan air dan hara
Apa itu BOT?
Crop residue
• Semua bahan dalam tanah yang mengandung karbon. • BOT berasal dari – Sisa tanaman ( baik seresah maupun akar) – Fauna tanah yang telah mati dan kotorannya – Mikroba tanah yang hidup (biomassa mikrobial)
• Setiap saat mikroba mentransformasi bahan organik segar menjadi BOT yang stabil.
Bacteria Fungi
SOM
Actinomycetes
Bahan Organik Tanah • Bahan organik tanah: semua bahan organik dalam tanah termasuk humus, biomassa mikrobial, dan sisa-sisa flora dan fauna tanah pada berbagai tahap dekomposisi. – Terdiri dari sejumlah besar bahan organik, dari mudah terdekomposisi hingga yang susah terdekomposisi.
Peran BOT • • • • •
Substrat bagi mikrobia Penyimpan hara (esp. N, P, S) KTK Kapasitas menahan air Struktur tanah
Dekomposisi Bahan Organik • Bahan organik didekomposisikan oleh mikrobia heterotropik. Bahan organik merupakan sumber karbon, dan hara bagi dekomposer
Dekomposisi Sisa Tanaman (Kondisi Aerobik) Sisa Tanaman + Mikroorganisme mati
CO2 Mikrobial biomassa NH4+, SO42-, etc. (inorganic waste) Humus (organic waste)
Apa yang terjadi pada Sisa Tanaman? Chemically simple residues
Chemically complex residues
CO2
CO2
Biomass
Biomass
Waste
Waste
Dekomposisi Bahan Tanaman • Laju dekomposisi sisa tanaman tergantung pada: – Karakteristik kimia sisa tanaman – Nisbah C:N – N tanah tersedia – Suhu, kelembaban, oksigen, dan kondisi lingkungan lain yang mempengaruhi pertumbuhan mikrobia.
Komposisi Kimia Sisa Tanaman Gula Protein sederhana Pati
Protein kompleks Hemiselulosa
Selulosa
Kekompleksan sifat kimia meningkat Laju dekomposisi meningkat
Lignin Waxes
Nisbah C:N • Mengapa nisbah C/N penting? – Mikroorganisme membutuhkan C dan N dalam nisbah yang tetap, karena C dan N dipakai untuk mensintesa protein, asam nukleat, dll. – Sel Bakteri memiliki nisbah C:N 5 :1 hingga 8:1. Karena lebih dari 50% dari C dalam bahan organik dikonversi menjadi CO2, bakteri membutuhkan nisbah C:N dengan kisaran 10:1 hingga 16:1 dalam sisa tanaman yang dikonsumsinya. – Fungi membutuhkan nisbah C: N kira-kira 40:1 dalam makanannya.
Nisbah C:N 50 g C
decomposition
20 g as CO2 10 g as waste 20 g as biomass
Oleh karena itu, jika residue mengandung 50 g of C mengandung < 2 g of N (C:N>25:1), N yang ada tidak mencukupi kebutuhan mikrobia. Bagaimana jika >2 g N (C:N <25:1)
Mikrobial biomassa memiliki rata-rata C:N of 10:1, sehingga berapa banyak N Dibutuhkan untuk to mengimbangi C biomasa yang baru?
2g
Nisbah C:N • Bahan C:N tinggi: – Berkayu – Sisa tanaman biji-bijian – Jaringan tanaman yang tua
• Bahan C:N rendah: – – – – –
Hijau Jaringan tanaman muda Residu legum Kompos Pupuk kandang
Nisbah C:N and Pengelolaan Residu. • Apa implikasi dari nisbah C:N sisa tanaman terhadap pengelolaan hara ?
Immobilisasi Konversi N anorganik (tersedia tersedia)) (NH4+, NO3-) to biomassa mikrobial N . Hasil dari... dari...
CO2 release
NH4+ and NO3-)
C:N ratio of residues
Time
Mineralisasi Konversi N organik (tidak tersedia) tersedia) menjadi NH4+ . Hasil dari ... C:N ratio of residues
NH4+
CO2 release
Time
Kandungan BOT • Pada tanah tidak terganggu: BOT = f (I, O) – Inputs = sisa tanaman – Outputs = decomposisi, erosi
• Pada tanah dikelola: BOT = f (I, O, M) – M = pola pengelolaan seperti pengolahan, pembajakan, pengelolaan residu tanaman, dll.
Dekomposisi Bahan Organik Everyone is involved
• Cacing Tanah – Mencampur bahan organik segar ke dalam tanah – Membawa bahan organik berinteraksi dengan mikroorganisme Millepede
Corn leaf pulled into nightcrawler burrow
• Serangga dan Arthropoda Tanah – Memotong bahan organik segar sehingga berukuran lebih kecil
Ants
– Membiarkan mikroba tanah untuk mengakses berbagai bagian residue tanaman.
Dekomposisi Bahan Organik Everyone is involved
• Bakteri – Jika bahan organik ditambahkan maka populasi akan meningkat dengan cepat – Dengan cepat mendekomposisikan senyawa sederhana, gula-protein, asam amino. – Membutuhkan lebih banyak waktu untuk mendegradasikan lignin, selulosa, pati – Tidak dapat dengan mudah mendegrasikan molekul yang diproteksi.
Bacteria on fungal strands
Spiral bacteria
Rod bacteria
Dekomposisi Bahan Organik Everyone is involved
• Fungi
– Tumbuh lebih lambat dan efisien dibanding bakteri jika bahan organik ditambahkan ke tanah. – Mampu mendegradasikan molekul Tree trunk organik yang lebih kompleks rotted by fungi seperti hemiselulosa, pati, dan selulosa – Membiarkan mikroorganisme lain mengakses molekul yang lebih sederhana yang diproteksi oleh senyawa yang lebih kompleks.
Fungus on poplar leaf
Fairy ring Soil fungus
Fungi and Soil Structure
• Fungal hyphae (threads) help hold soil granules together • Fungal exudates (goo) help cement soil particles together
Active Fungi Present – Soil structure is maintained when immersed in water
Fungi absent Soil structure is not maintained when immersed in water
Organic matter decomposition Everyone is involved
• Actinomycetes – The cleanup crew – Become dominant in the final stages of decomposition – Attack the highly complex and decay resistant compounds • • • •
Cellulose Chitin (insect shells) Lignin Waxes
Organic matter decomposition Everyone is involved
• Protists and nematodes, the predators – Feed on the primary decomposers (bacteria, fungi, actinomycetes) – Release nutrients (nitrogen) contained in the bodies of the primary decomposers
Rotifer
Amoeba
Bacteria-feeding nematode
Predatory nematode
Dekomposisi Bahan Organik Daur Ulang Karbon dan Nitrogen
Selama tiap siklus degradasi, kira-kira 2/3 karbon organik dipakai untuk energi dan dilepas dalam bentuk CO2
CO2
Selama tiap siklus degradari 1/3 C organik dipakai untuk membangun sel mikrobia atau menjadi bagian BOT
Plant litter
CO2 Bacteria, Fungi Soil organic matter
Nematodes, protists, humus
Dekomposisi Bahan Organik : Nisbah Carbon and Nitrogen Litter C/N ratio around 24:1
CO2 C/N ratio 8:1
Average C/N ratio of bacteria and fungi is 8:1
2/3 of carbon released as CO2
Microbial C/N ratio is maintained at 8:1 with no uptake or release of N
Dekomposisi Bahan Organik Carbon and Nitrogen Ratios
Litter C/N ratio around 90:1
Soil N
CO2 C/N ratio 30:1
2/3 of carbon released as CO2
Average C/N ratio of bacteria and fungi is 8:1
Immobilization
Microbial C/N ratio is maintained at 8:1 by taking up N from soil
Dekomposisi Bahan ORganik Carbon and Nitrogen Ratios
Litter C/N ratio around 9:1
CO2 C/N ratio 3:1
Average C/N ratio of bacteria and fungi is 8:1
Mineralization
2/3 of carbon released as CO2
Microbial C/N ratio is maintained at 8:1 by releasing N to the soil
Soil N
All organic matter in soil is not equal Scientists describe 3 pools of soil organic matter
Active SOM 1 – 2 yrs C/N ratio 15 – 30
• Recently deposited organic material • Rapid decomposition • 10 – 20% of SOM
Slow SOM 15 – 100 yrs C/N ratio 10 – 25
Passive SOM 500 – 5000 yrs C/N ratio 7 – 10
• Intermediate age organic material • Slow decomposition • 10 – 20% of SOM
• Very stable organic material • Extremely slow decomposition • 60 – 80% of SOM
• There is a constant turnover of organic material in soil. • The quantity of SOM depends on the balance between inputs and losses of organic material Crop Residues Crop Roots Manure Compost
Inputs Decomposition (CO2) Soil Organic Matter Losses
Erosion
If losses increase and inputs remain constant, SOM will decrease Crop Residues Crop Roots Manure Compost
Inputs
Soil Organic Matter
Decomposition (CO2)
Losses
Erosion
If inputs increase and losses remain the same, SOM will increase Crop Residues Crop Roots Manure Compost
Inputs Decomposition (CO2)
Soil Organic Matter
Losses
Erosion
Dinamika BOT Laju dekomposisi dipengaruhi oleh: 1. Kondisi Lingkungan • • • • • •
Temperature Moisture Aeration (oxygen) Soil texture Soil pH Soil fertility
2. Kualitas Bahan Organik • • • •
C/N ratio Composition/Age Physical properties and placement Fresh vs. “processed”
Which of these factors can you control??
Pola Pengelolaan yang bagaimana yang dapat meningkatkan masukan bahan organik? Return more crop residues Add cover crops Diversify crop rotations
Add other sources of organic material
What management changes can be made to decrease SOM losses?
Decrease erosion
Decrease tillage
How does tillage affect SOM decomposition? • Residues are mixed with soil – Physically breaks residue into smaller pieces – Intimate contact between soil and residue
• Aerates soil • Breaks apart soil aggregates, exposes protected SOM to decomposition • Promotes erosion losses
How much does tillage impact SOM? Tillage Effects on Continuous Corn and Corn/Soybean Rotations in 4 Midwestern States Rate of Organic Matter Change (lbs/ac/yr)
1200 1000 800 600 400 200 0 -200 -400 -600
Moldboard Plow
Chisel Plow
No-Till
30 year study in Connecticut Tillage and residue management
70
Total C (Mg/ha)
60
a
a b c
50 40 30 20 10 0
NT+
residue
NT-
residue
CT+
residue
CT-
residue
Data from B. Hooker, T. Morris, and Z. Cardon. Department of Ecology and Evolutionary Biology University of Connecticut
Distribution of organic matter in soil under conventional and no tillage 0
No-till
5
Depth (cm)
10
Conventional Tillage
15
20
25
30
35 5
10
15
20
Soil Organic Carbon (g/kg)
25
Managing to Improve Soil Organic Matter Take-home points
• Soil Organic Matter is dynamic. • The amount of SOM depends on the balance between inputs of organic material and losses of SOM from decomposition and erosion. • Both the quantity and quality of organic material inputs can be managed to increase SOM levels. • Losses of SOM can be reduced by decreasing erosion and decreasing tillage. • Most change in SOM occurs in the active SOM pool. • Many soil quality benefits accrue from the active pool. • Maintaining the size and rapid turnover in the active pool may be more important for soil quality than actually increasing the overall SOM level.
