Biologi Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

26Tanah yang Hidup

Buku terakhir Charles Darwin, yang terbit setahun sebelum ia wafat, membahas cacing tanah. Ia telah menaruh sebuah penanda kapur pada sebuah ladang di dekat rumahnya pada tahun 1842 lalu menggalinya pada tahun 1871: penandanya terbaring delapan belas sentimeter di bawah, terkubur kotoran yang telah dibawa cacingnya ke permukaan pada sebuah laju yang ia ukur, ia timbang, dan ia kalikan — sepuluh ton tanah tiap acre tiap tahun melewati tubuhnya, sehingga “seluruh lapisan gembur permukaan pada hamparan seluas apa pun telah lewat, dan akan lewat lagi, tiap beberapa tahun lewat tubuh cacing.” Dengan kata lain, tanahnya bukanlah sebuah alas yang makhluk hidup berdiri di atasnya melainkan sesuatu yang dibuat makhluk hidup. Bab ini membahas pembuatan itu: bagaimana batuan menjadi tanah dan seberapa lambat, siapa yang hidup di dalamnya dan berapa banyak, bagaimana bahan yang mati diurai dan apa yang tersisa, bagaimana akar tumbuhan menawar dengan jamur dan bakteri untuk apa yang tidak dapat ia peroleh sendirian, dan seberapa cepat sebuah tanah yang perlu sepuluh ribu tahun untuk dibangun dapat hilang.

26.1 Apa itu tanah

Definisi 26.1 (Tanah dan horizonnya)

Tanah adalah lapisan bahan mineral yang lapuk, bahan organik, air, udara, dan jasad yang menutupi daratan dan menopang tumbuhan: kira-kira separuh volumenya adalah pori, yang terisi air atau udara dalam perbandingan yang berubah-ubah, dan separuh padatnya adalah butir mineral — pasir ( $0.05\text{ sampai }2\,\mathrm{mm}$ ), lanau ( $2\text{ sampai }50\,\text{µ}\mathrm{m}$ ), dan lempung (di bawah $2\,\text{µ}\mathrm{m}$ ), yang perbandingannya memberikan teksturnya — beserta beberapa persen bahan organik yang mengatur sebagian besar sifatnya. Sebuah penampang tanah memperlihatkan horizon: horizon O berisi seresah dan bahan organik yang sebagian melapuk di permukaannya; horizon A yang gelap berisi tanah mineral yang tercampur humus, yaitu sisa penguraian yang mantap, gelap, dan koloid; horizon B di bawahnya, yang ke dalamnya lempung, besi, dan bahan terlarut tercuci lalu menimbun; horizon C berisi batuan induk yang lapuk; dan batuan dasarnya. Sebuah tanah dibuat (pedogenesis) oleh lima faktor — bahan induk, iklim, jasad, topografi, dan waktu — dan ia dibuat dengan lambat: pelapukannya menghasilkan sekitar $0.1\,\mathrm{mm}$ tanah tiap tahun, sehingga satu meter tanah adalah sepuluh ribu tahun kerja.

Sebuah penampang tanah. Bahan organiknya masuk di atasnya lalu dihabiskan ketika ia turun; bahan mineralnya dilepaskan di bawahnya lalu dipindahkan ke atas oleh akar dan hewan; bahan terlarutnya berjalan turun bersama airnya lalu tertangkap di horizon B-nya.

Proposisi 26.2 (Mengapa lempung dan humus berarti)

Partikel lempung dan humus membawa muatan negatif pada permukaannya lalu menahan, lewat tarikan elektrostatik, sebuah cadangan kation yang dapat ditukar — $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Mg^{2+}}$ , $\mathrm{K^{+}}$ , $\mathrm{NH_4^{+}}$ — yang diambil akar tumbuhan dengan menukarkan $\mathrm{H^{+}}$ untuknya. Kapasitas tukar kation ini adalah bank hara tanahnya; sebuah pasir nyaris tidak memilikinya (beberapa sentimol muatan tiap kilogram), sebuah lempung berdebu yang kaya humus lima puluh kali lebih banyak, dan kesuburan keduanya berbeda sesuai dengan itu. Permukaan yang sama menahan air: sebuah tanah berpasir mengering dalam sehari sampai sebuah kapasitas lapang sebesar sepersepuluh volumenya, sebuah lempung berdebu menahan sepertiga, dan selisihnya adalah apa yang dimiliki sebuah tanaman di antara hujannya. Dan humus, bersama hifa jamur, eksudat akar, dan lendir cacing, merekatkan butir mineralnya menjadi agregat, yaitu struktur remah yang porinya membiarkan udara, air, dan akar lewat — yaitu sifat yang membedakan sebuah tanah dari sebuah endapan dan yang pertama kali dimusnahkan pembajakan dan pemadatan.

26.2 Siapa yang hidup di sana

Proposisi 26.3 (Masyarakat tanahnya)

Segram tanah atas yang subur menahan kira-kira $10^{9}$ sel bakteri dari sekitar sepuluh ribu spesies, seratus meter hifa jamur, $10^{4}$ protista, beberapa lusin nematoda, dan segenggam tungau serta ekor pegas; satu meter persegi menahan beberapa ratus cacing tanah dan, di bawah hewan yang kasatmata, sebuah massa hidup sebesar beberapa ton tiap hektar — yang sebanding dengan sapi yang dapat ditanggung hektar yang sama. Masyarakatnya adalah sebuah jaring makanan detritus: bakteri dan jamur (yaitu penguraianya) memakan bahan yang mati lalu dimakan protista dan nematoda (yaitu perumput mikrobanya), yang dimakan tungau dan nematoda pemangsa, yang memberi makan kelabang dan kumbang; detritivornya — cacing tanah, kaki seribu, kutu kayu, rayap, ekor pegas — memakan seresahnya sendiri beserta mikroba padanya, lalu memecahnya seribu kali lipat dan melipatkan permukaan yang diserang mikrobanya. Perumputnya berarti melampaui jumlahnya: dengan memakan bakteri ia melepaskan nitrogen yang terkunci di dalam sel bakterinya sebagai amonium, dan sebuah tanah berisi protista dan nematoda memineralkan nitrogen lebih cepat daripada tanah yang hanya berisi bakteri. Cacing tanah adalah insinyur ekosistemnya: liangnya adalah makropori tanahnya, kotorannya adalah agregat yang terkaya, dan cacing sebuah padang rumput memindahkan beberapa ton tanah tiap hektar lewat ususnya tiap tahun, sebagaimana diukur Darwin.

Tanahnya dan dua pembuatnya. Kiri: sebuah penampang pada sebuah tebing potongan, tanah atas yang gelap berjenjang turun menjadi batuan lapuk yang pucat. Tengah: seekor cacing tanah di dalam liangnya. Kanan: sebuah akar beserta seludang ektomikorizanya dan hifa yang memperpanjangnya ke dalam tanahnya.

26.3 Penguraian

Teorema 26.4 (Peluruhan seresah dan nisbah karbon terhadap nitrogen)

Seresah terurai pada laju yang sebanding dengan apa yang tersisa, $\mathrm{d}L/\mathrm{d}t = -kL$ , sehingga $L = L_0 e^{-kt}$ dengan sebuah tetapan peluruhan $k$ sebesar kira-kira 1 tiap tahun bagi rumput dan daun luruh di sebuah hutan iklim sedang, $0.3$ bagi jarum konifer, beberapa tiap tahun di tropika yang basah, dan $0.05$ di tundranya; sebuah masukan tetap $I$ tiap tahun membangun sebuah lapisan seresah sebesar $I/k$ . Peluruhannya dikendalikan suhu, kelembapan, dan mutu seresahnya: kandungan nitrogennya, kandungan ligninnya, dan nisbah karbon terhadap nitrogennya. Mikroba memiliki $\mathrm{C:N} \approx 8$ dan menahan kira-kira $40\,\%$ karbon yang ia makan, sehingga ia memerlukan satu nitrogen bagi tiap $8/0.4 = 20$ karbon makanannya: seresah dengan $\mathrm{C:N}$ di bawah kira-kira 25 melepaskan amonium ketika ia terurai (mineralisasi), sedangkan seresah di atasnya — jerami pada 80, kayu pada 400 — membuat mikrobanya menyerap nitrogen dari tanahnya (imobilisasi), sehingga tumbuhannya kelaparan sampai karbonnya telah direspirasikan habis dan nisbahnya telah turun. Itulah sebabnya jerami segar yang dibajak masuk menekan sebuah tanaman, sebabnya sisa kacang-kacangan memberinya makan, dan sebabnya sebuah timbunan kompos memerlukan keduanya.

Bukti. Bagi nisbahnya: mikroba yang memakan seresah dengan $c$ karbon tiap nitrogennya mengasimilasi $0.4c$ karbon lalu, untuk membangun biomassa pada $\mathrm{C:N} = 8$ , memerlukan $0.4c/8 = c/20$ nitrogen; seresahnya memasok 1. Jika $c < 20$ ada nitrogen yang berlebih, yang dilepaskan sebagai amonium; jika $c > 20$ ada sebuah kekurangan yang diambil dari tanahnya. Ambang 25 dalam praktiknya mencerminkan sebuah daya guna penahanan yang sedikit di bawah 0.4. Bagi lapisan seresahnya: $\mathrm{d}L/\mathrm{d}t = I - kL$ memiliki keadaan tunak $I/k$ , yang didekati dengan tetapan waktu $1/k$ ; waktu tinggal seresahnya adalah $1/k$ , satu tahun di sebuah hutan beech dan dua puluh di tundranya. ∎

Bukti eksperimental. Percobaan kantong seresah — massa daun yang diketahui di dalam kantong jaring, yang dikubur lalu ditimbang pada selang tertentu — memberikan hukum eksponensialnya beserta tetapannya di tiap bioma (Olson, 1963), dan memperlihatkan dengan ukuran jaring yang berbeda bahwa menyingkirkan hewan tanahnya menyetengahkan lajunya: mikrobanya mengerjakan kimianya tetapi hewannya menetapkan langkahnya. Di seluruh sebuah benua, daun yang sama terurai dalam setahun di Georgia dan dalam delapan tahun di Alaska, sebanding dengan evapotranspirasi sesungguhnya, yaitu hasil kali kehangatan dan airnya. ∎

Peluruhan eksponensial seresahnya. Separuh sehelai daun beech lenyap dalam delapan bulan; separuh sebuah lumut tundra dalam empat belas tahun; sisa yang tidak dapat dirampungkan mikroba maupun hewannya menjadi humus.

Proposisi 26.5 (Humus dan lungkang karbon tanahnya)

Beberapa persen karbon seresahnya lolos dari pengoksidaan yang lengkap lalu menjadi humus: sebuah campuran gelap dan tak berbentuk berisi sisa mikroba, lignin yang terubah, dan senyawa tumbuhan, yang terikat pada lempung dan besi serta terkunci di dalam agregatnya, yang terurai dengan waktu tinggal berpuluh tahun sampai beribu tahun. Humus adalah tempat kesuburan tanahnya berada — sebagian besar nitrogen dan pertukaran kationnya, separuh penahanan airnya — dan ia adalah lungkang karbon organik terbesar di daratannya, $1700\,\mathrm{GtC}$ di dalam satu meter teratasnya, yaitu dua kali atmosfernya. Perimbangannya adalah masukan dikurangi peluruhan, $\mathrm{d}H/\mathrm{d}t = I_h - k_hH$ : dengan $k_h \approx 0.02$ tiap tahun sebuah tanah menahan masukan lima puluh tahun, dan perubahan apa pun — pembajakan, yang memecahkan agregatnya lalu mengudarai humusnya; pengeringan sebuah gambut, yang memasukkan oksigen; pemanasan, yang menaikkan $k_h$ — muncul sebagai sebuah kehilangan yang berlanjut selama berpuluh tahun. Tanah yang digarap di dunia telah kehilangan sepertiga sampai separuh humusnya sejak tanahnya pertama kali dibuka, yaitu sekitar $100\,\mathrm{GtC}$ , dan sebuah pemanasan sebesar $3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ akan menaikkan peluruhan sisanya sebesar sepertiga: tanah adalah ketakpastian terbesar dalam anggaran karbon pada Bab 27.

26.4 Kemitraan di bawah tanah

Proposisi 26.6 (Mikoriza dan rizobium)

Sembilan dari sepuluh spesies tumbuhan memiliki akar yang dijajah jamur di dalam sebuah mikoriza: tumbuhannya memberikan gula (sepersepuluh sampai seperlima fotosintatnya) dan jamurnya memberikan fosfat, nitrogen, air, dan seng, yang hifanya, yang seratus kali lebih tipis daripada sebuah akar dan memanjang seratus kali panjangnya tiap satuan karbon, kumpulkan dari sebuah volume tanah yang tidak dapat dijangkau akarnya — terutama fosfat, yang berdifusi begitu lambat lewat tanah sehingga sebuah akar menghabiskan satu milimeter tetangganya dalam beberapa hari. Mikoriza arbuskular, yaitu jenis yang lebih tua, masuk ke dalam sel akarnya lalu bercabang menjadi arbuskul tempat pertukarannya berlangsung; ektomikoriza pohon hutan menyeludungi ujung akarnya lalu tumbuh di antara selnya. Kacang-kacangan melangkah lebih jauh: rizobium, yang ditarik flavonoid akarnya, masuk lewat sebuah rambut akar, dan akarnya membangun sebuah bintil di sekelilingnya yang di dalamnya bakterinya, sebagai bakteroid, memfiksasi nitrogen dengan nitrogenase — yaitu sebuah enzim yang begitu peka terhadap oksigen sehingga bintilnya harus dijaga hampir anoksik oleh leghemoglobin, yaitu sebuah hemoglobin yang dibuat tumbuhannya, yang memberi bintilnya warna merah mudanya dan mengantarkan oksigen kepada bakteroidnya pada sebuah kepekatan yang terlalu rendah untuk meracuni enzimnya. Tiap mitranya mengawasi yang lain: sebuah tumbuhan memutus gula bagi bintil yang tidak memfiksasi apa pun, dan sebuah jamur yang mengantarkan lebih sedikit fosfat menerima lebih sedikit karbon.

Bukti eksperimental. Kiers dan rekannya (2011) menumbuhkan sebuah tumbuhan dengan dua mitra jamur pada sebuah sistem akar yang terbagi lalu menawarkan fosfat kepada satu sisinya saja: tumbuhannya menjatahkan lebih banyak karbon kepada jamur yang memasok lebih banyak fosfat, dan jamurnya menjatahkan lebih banyak fosfat kepada akar yang memberikan lebih banyak karbon — yaitu ganjaran timbal balik yang terukur dengan isotop. Bagi rizobiumnya, bintil yang secara percobaan ditolak nitrogennya (dengan menggantikan udaranya dengan argon dan oksigen) menerima lebih sedikit oksigen lalu tumbuh lebih sedikit daripada bintil pada tumbuhan yang sama yang dapat memfiksasi: tumbuhannya menghukum penipunya. Penelusuran nitrogen-15 memperlihatkan bahwa sebuah hamparan semanggi–rumput memindahkan sepertiga nitrogen yang difiksasi semangginya kepada rumputnya dalam satu musim, lewat tanahnya dan lewat jaringan jamur yang dipakai bersama. ∎

Dua tawaran. Kiri: sebuah mikoriza arbuskular, gula keluar dan fosfat masuk lewat arbuskul di dalam sel korteksnya. Kanan: sebuah bintil kacang-kacangan, yang padanya hemoglobin tumbuhannya sendiri menjaga oksigennya cukup rendah bagi nitrogenasenya dan cukup tinggi bagi respirasinya.

26.5 Kehilangan tanah

Proposisi 26.7 (Erosi, garam, dan perimbangan sebuah tanah)

Tanah terbentuk pada $0.05\text{ sampai }0.5\,\mathrm{mm}$ tiap tahun dan, di bawah tumbuhan alaminya, tererosi pada laju yang kira-kira sama. Lahan yang dibajak telanjang pada sebuah lereng kehilangan $1\text{ sampai }10\,\mathrm{mm}$ tiap tahun kepada air dan anginnya — $10\text{ sampai }100\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ — yaitu sepuluh sampai seratus kali laju pembentukannya: sebuah tanah yang dibangun dalam sepuluh ribu tahun disingkirkan dalam seabad, dan bersamanya humus dan hara horizon A-nya, yaitu satu-satunya bagian yang berarti. Tanaman penutup, terasering, pembajakan menurut kontur, dan pertanian tanpa olah tanah, yang meninggalkan sisanya di permukaan dan agregatnya tetap utuh, mengembalikan kehilangannya mendekati laju pembentukannya. Pengairan di iklim yang kering membawa kegagalan yang berlawanan: airnya menguap lalu meninggalkan garamnya, satu ton tiap hektar tiap tahun dari air yang hanya sedikit asin, sampai potensial osmosis larutan tanahnya (Bab 15) lebih rendah daripada yang dapat diatasi akarnya — yaitu salinisasi, yang memensiunkan ladang Sumeria empat ribu tahun yang lalu dan kini menimpa seperlima lahan yang diairi. Keadaan sebuah tanah adalah sebuah anggaran: humus masuk berbanding humus keluar, pembentukan berbanding erosi, garam masuk berbanding garam yang teralirkan; masing-masingnya memiliki sebuah waktu tinggal, dan masing-masingnya, setelah negatif, lambat untuk dibalikkan.

26.6 Latihan

Latihan 26.1 ★

Sebutkan horizon sebuah penampang tanah dari permukaannya ke bawah lalu katakan apa yang terjadi pada masing-masingnya.

Solusi

Solusi Latihan 26.1.

O: seresah dan bahan organik yang sebagian melapuk, tempat penguraiannya bermula. A: tanah mineral yang tercampur humus, gelap dan berstruktur remah, yang menahan sebagian besar akar, jasad, hara, dan airnya. B: horizon penimbunannya, tempat lempung, oksida besi, dan karbonat yang tercuci dari atas diendapkan. C: bahan induk yang lapuk, serpihan batuan di dalam sebuah matriks yang halus, tempat tanah mineral yang baru dilepaskan. R: batuan dasar yang belum lapuk.

Latihan 26.2 ★

Jelaskan apa itu kapasitas tukar kation, mengapa sebuah tanah berpasir memilikinya sedikit, dan apa yang dikerjakan seorang petani yang mengapuri sebuah tanah yang masam terhadapnya.

Solusi

Solusi Latihan 26.2.

Muatan negatif pada permukaan lempung dan humusnya menahan kation yang dapat ditukar yang dapat diserap akarnya sebagai tukaran proton. Butir pasirnya adalah kuarsa, yang tak bermuatan dan kasar, dengan sedikit permukaan tiap gram dan nyaris tanpa humus. Pengapuran menambahkan kalsium karbonat: kalsiumnya menggeser ion hidrogen dan aluminium yang menjenuhi tapak tukar sebuah tanah yang masam, karbonatnya menetralkan keasamannya, dan tapaknya diisi ulang dengan sebuah kation hara.

Latihan 26.3 ★

Sebutkan kelompok utama jaring makanan tanahnya dari penguraianya sampai pemangsa puncaknya, beserta satu jasad masing-masingnya, lalu katakan apa yang dikerjakan perumput bakterinya bagi tumbuhannya.

Solusi

Solusi Latihan 26.3.

Penguraianya: bakteri (Bacillus) dan jamur (Trichoderma); perumput mikrobanya: protista (amoeba) dan nematoda pemakan bakteri; detritivornya: cacing tanah, kaki seribu, ekor pegas, kutu kayu; pemangsanya: tungau, nematoda pemangsa, kelabang, kumbang tanah; serta tikus mondok atau celurut di puncaknya. Perumputnya, yang $\mathrm{C:N}$ -nya lebih tinggi daripada mangsa bakterinya, mengeluarkan kelebihan nitrogennya sebagai amonium: ia memineralkan nitrogen yang telah dikunci bakterinya.

Latihan 26.4 ★

Bedakan mikoriza arbuskular dan ektomikoriza, lalu nyatakan apa yang diberikan dan diperoleh tiap mitranya.

Solusi

Solusi Latihan 26.4.

Arbuskular: jamurnya (sebuah glomeromisetes) masuk ke dalam sel korteks akarnya lalu membentuk arbuskul; ditemukan pada kebanyakan herba dan tanaman serta pada pohon tropika. Ektomikoriza: jamurnya (basidiomisetes dan askomisetes, banyak di antaranya jamur payung) menyeludungi ujung akarnya lalu tumbuh di antara selnya tanpa memasukinya; ditemukan pada pohon iklim sedang dan boreal. Pada keduanya, tumbuhannya memberikan gula dan jamurnya memberikan fosfat, nitrogen, air, hara mikro, dan sedikit perlindungan dari patogennya.

Latihan 26.5 ★★

Sebuah hutan beech menjatuhkan $4\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ daun tiap tahun dan peluruhan seresahnya berlangsung dengan $k = 0.8$ tiap tahun. Hitunglah massa seresah keadaan tunaknya, waktu tinggal seresahnya, dan waktu bagi jatuhan setahun untuk kehilangan $90\,\%$ massanya.

Solusi

Solusi Latihan 26.5.

$L^{*} = I/k = 4/0.8 = 5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ ; waktu tinggalnya $1/k = 1.25$ tahun; kehilangan $90\,\%$ setelah $\ln 10/0.8 = 2.9$ tahun.

Latihan 26.6 ★★

Jerami gandum memiliki $\mathrm{C:N} = 80$ dan sisa semanggi $15$ . Bagi masing-masingnya, hitunglah nitrogen yang dibutuhkan mikrobanya tiap $100\,\mathrm{kg}$ karbon yang dihabiskan (dengan penahanan 0.4 dan $\mathrm{C:N} = 8$ bagi mikrobanya) dan apakah sisanya memineralkan atau mengimobilisasi, serta seberapa banyak.

Solusi

Solusi Latihan 26.6.

Tiap $100\,\mathrm{kg}$ karbon yang dimakan mikrobanya menahan $40\,\mathrm{kg}$ lalu memerlukan $40/8 = 5\,\mathrm{kg}$ nitrogen. Jeraminya memasok $100/80 = 1.25\,\mathrm{kg}$ : imobilisasi sebesar $3.75\,\mathrm{kg}$ tiap $100\,\mathrm{kg}$ karbon. Semangginya memasok $100/15 = 6.7\,\mathrm{kg}$ : mineralisasi sebesar $1.7\,\mathrm{kg}$ .

Latihan 26.7 ★★

Sehektar padang rumput menahan $2\,\mathrm{t}$ cacing tanah yang masing-masing mengolah sepuluh kali massanya berupa tanah tiap tahun. Hitunglah tanah yang lewat cacingnya tiap tahun dan waktu bagi $20\,\mathrm{cm}$ teratasnya (dengan rapat massa curah $1.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}$ ) untuk lewat sekali. Bandingkan dengan angka Darwin.

Solusi

Solusi Latihan 26.7.

$20\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tanah tiap tahun lewat cacingnya. $20\,\mathrm{cm}$ teratasnya berbobot $0.2\times 10^{4}\times 1.3 = 2600\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ : 130 tahun bagi satu kali lewat. Sepuluh ton tiap acre milik Darwin adalah $25\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ , yaitu orde yang sama — “tiap beberapa tahun”-nya merujuk pada lapisan gembur permukaannya, yaitu beberapa sentimeter, bukan seluruh tanah atasnya.

Latihan 26.8 ★★

Segram tanah menahan $10^{9}$ bakteri bermassa $10^{-12}\,\mathrm{g}$ masing-masing, dan $100\,\mathrm{m}$ hifa bergaris tengah $4\,\text{µ}\mathrm{m}$ dan berapat massa $1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ . Hitunglah biomassa bakteri dan jamurnya tiap gram dan tiap hektar ( $20\,\mathrm{cm}$ teratasnya, $1.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}$ ).

Solusi

Solusi Latihan 26.8.

Bakterinya: $10^{9}\times 10^{-12} = 1\,\mathrm{mg}$ tiap gram. Hifanya: volumenya $\pi(2\times 10^{-4})^{2}\times 10^{4} = 1.26 \times 10^{-3}\,\mathrm{cm}^{3}$ , massanya $1.4\,\mathrm{mg}$ tiap gram. Tiap hektar ( $2.6\times 10^{9}$ g): $2.6\,\mathrm{t}$ bakteri dan $3.6\,\mathrm{t}$ jamur.

Latihan 26.9 ★★

Humus tanah meluruh dengan $k_h = 0.02$ tiap tahun dan menerima $1.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ karbon tiap tahun. Hitunglah karbon humus keadaan tunaknya. Ladangnya dibajak dan $k_h$ melipat dua: hitunglah keadaan tunaknya yang baru, karbon yang hilang, dan waktu untuk kehilangan separuhnya.

Solusi

Solusi Latihan 26.9.

$H^{*} = 1.5/0.02 = 75\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ karbon. Dibajak: $1.5/0.04 = 37.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ ; kehilangannya $37.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ , dengan separuhnya lenyap setelah $\ln 2/0.04 = 17$ tahun.

Latihan 26.10 ★★★

Fosfat berdifusi lewat tanah dengan $D \approx 10^{-13}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ . Hitunglah seberapa jauh ia berjalan dalam sebuah musim tumbuh selama $100$ hari ( $x \approx \sqrt{2Dt}$ ) lalu bandingkan dengan jarak antarakar ( $1\,\mathrm{cm}$ ) dan antarhifa ( $0.1\,\mathrm{mm}$ ). Apa yang dikatakan hal ini tentang mengapa mikoriza berarti bagi fosfor dan kurang berarti bagi nitrat ( $D \approx 10^{-10}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ )?

Solusi

Solusi Latihan 26.10.

Fosfat: $\sqrt{2\times 10^{-13}\times 8.64\times 10^{6}} = 1.3\,\mathrm{mm}$ dalam satu musim — sebuah akar yang berjarak $1\,\mathrm{cm}$ dari akar berikutnya menjangkau seperdelapan tanah di antara keduanya, sementara hifa yang berjarak $0.1\,\mathrm{mm}$ menjangkau semuanya. Nitrat: $4\,\mathrm{cm}$ , yaitu lebih jauh daripada jarak antarakarnya: ia datang ke akarnya dengan sendirinya (dan lewat aliran massa bersama airnya), sehingga mikoriza menambahkan sedikit bagi nitrat dan banyak bagi fosfat.

Latihan 26.11 ★★★

Sebuah lereng kehilangan $20\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tanah tiap tahun karena erosi sementara membentuk $1\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ ; horizon A-nya setebal $25\,\mathrm{cm}$ pada $1.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}$ dan menahan karbon $3\,\%$ . Hitunglah massa horizon A-nya, umurnya pada laju ini, dan karbon yang hilang tiap tahun. Di bawah tanpa olah tanah kehilangannya turun menjadi $2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ : hitung ulang umurnya.

Solusi

Solusi Latihan 26.11.

Massanya $0.25\times 10^{4}\times 1.3 = 3250\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ . Kehilangan bersihnya $19\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tiap tahun: umurnya 170 tahun. Karbon yang hilang $20\times 0.03 = 0.6\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tiap tahun. Di bawah tanpa olah tanah kehilangan bersihnya $1\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ : 3250 tahun.

Latihan 26.12 ★★★

“Tanah adalah jasad yang paling lambat di sebuah ladang.” Bahaslah dengan waktu tinggal seresah, humus, tanah mineral, dan garamnya, lalu katakan perubahan mana yang dapat dilihat seorang petani dalam satu karier dan mana yang tidak.

Solusi

Solusi Latihan 26.12.

Seresahnya berganti dalam setahun atau dua tahun, humusnya dalam lima puluh tahun, horizon A mineralnya dalam beberapa ribu tahun (pembentukannya pada $0.1\,\mathrm{mm}$ tiap tahun), dan garamnya menimbun dalam berpuluh tahun lalu teralirkan dalam berpuluh tahun jika ada saluran airnya. Seorang petani melihat seresah dan tanamannya menanggapi dalam satu musim dan humusnya dalam satu karier (penurunan sepertiga memerlukan tiga puluh tahun; pemulihannya sama lamanya); erosi tanah mineralnya tak terlihat dalam satu hayat dan tak dapat dibalikkan dalam sepuluh hayat; garamnya terlihat dalam satu generasi dan, tanpa saluran air, bersifat tetap. Peubah lambat tanahnya adalah peubah yang tidak dicatat rekening tahunan mana pun.

26.7 Soal: Sehektar Tanah

Soal 26.1

Soal akhir pekan — sehektar tanah garapan diaudit: massa hidupnya dicacah, seresah dan humusnya diikuti lewat anggaran eksponensialnya, nitrogen yang dilepaskan sisa kacang-kacangan dihitung terhadap kebutuhan sebuah tanaman, dan rekening erosi serta karbon dua cara pengelolaan dibandingkan, berakhir pada stok karbon tanahnya, umurnya di bawah bajaknya, dan nitrogen yang dipasok sebuah kacang-kacangan

Hektarnya: horizon A setebal $25\,\mathrm{cm}$ , rapat massa curah $1.3\,\mathrm{t}/\mathrm{m}^{3}$ , karbon organik $2.5\,\%$ ; peluruhan humus $k_h = 0.025$ tiap tahun di bawah bajaknya, $0.015$ di bawah tanpa olah tanahnya; masukan karbon kepada humusnya $1.2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tiap tahun pada keduanya. Seresahnya: sebuah tanaman penutup semanggi meninggalkan $5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ bahan kering berisi karbon $45\,\%$ dan nitrogen $3\,\%$ , yang meluruh dengan $k = 2$ tiap tahun. Erosinya: $15\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tiap tahun jika dibajak, $1.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tanpa olah tanah; pembentukannya $0.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ .

Bagian I — Stoknya.

Hitunglah massa horizon A-nya dan karbon organiknya.
Hitunglah massa nitrogen di dalam humusnya jika $\mathrm{C:N}$ -nya 12.
Tanahnya menahan $10^{9}$ bakteri tiap gram pada $10^{-12}\,\mathrm{g}$ masing-masing dan $200\,\mathrm{m}$ hifa tiap gram bergaris tengah $4\,\text{µ}\mathrm{m}$ , berapat massa 1.1. Hitunglah biomassa mikrobanya tiap hektar.
Tambahkan $1.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ cacing tanah dan $0.2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ hewan lainnya, lalu berikan seluruh massa hidupnya tiap hektar. Berapakah ia sebagai bagian dari karbon humusnya?
Mikrobanya mengganti biomassanya dua kali tiap tahun lalu merespirasikan $60\,\%$ yang ia makan. Taksirlah karbon yang ia habiskan tiap tahun, dan $\mathrm{CO_2}$ yang direspirasikannya.
Bandingkan dengan produksi primer bersih tanamannya yang kira-kira $5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ karbon lalu berilah ulasan.

Bagian II — Sisa semangginya.

Hitunglah karbon dan nitrogen di dalam sisanya beserta $\mathrm{C:N}$ -nya.
Dengan $\mathrm{C:N} = 8$ bagi mikrobanya dan penahanan $0.4$ , apakah sisanya memineralkan atau mengimobilisasi nitrogen? Hitunglah nitrogen bersih yang dilepaskan ketika seluruh sisanya terurai.
Dengan $k = 2$ , bagian berapa dari sisanya yang telah terurai setelah 3 bulan? Setelah setahun?
Hitunglah nitrogen yang dilepaskan pada 3 bulan pertamanya.
Sebuah tanaman gandum menyerap $150\,\mathrm{kg}$ nitrogen tiap hektar, sebagian besarnya pada dua bulan setelah penanamannya. Berilah ulasan tentang waktunya.
Massa jerami gandum yang sama ( $\mathrm{C:N} = 80$ ) dibajak masuk sebagai gantinya. Hitunglah nitrogen yang terimobilisasi lalu katakan apa yang harus dikerjakan petaninya.

Bagian III — Humusnya.

Hitunglah karbon humus keadaan tunaknya di bawah bajaknya dan di bawah tanpa olah tanahnya.
Ladangnya, pada keadaan tunak yang dibajak, diubah menjadi tanpa olah tanah. Tulislah $H(t)$ lalu hitunglah karbon yang diperoleh setelah 10 dan 50 tahun.
Hitunglah laju perolehannya pada tahun pertamanya, dalam ton karbon tiap hektar, dan sebagai ton $\mathrm{CO_2}$ .
Jika $1.5 \times 10^{9}\,\mathrm{ha}$ lahan tanaman dunia mengerjakan hal yang sama, berapakah lubuk tahun pertamanya, berbanding pancaran fosil $10\,\mathrm{GtC}$ ? Dan pada tahun kelima puluhnya?
Mengapa lubuknya sementara dan dapat balik?
Sebuah pemanasan $3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ menaikkan $k_h$ sebesar sepertiga. Hitunglah keadaan tunak tanpa olah tanahnya yang baru dan karbon yang hilang.

Bagian IV — Erosinya.

Hitunglah kehilangan bersih tanahnya tiap tahun di bawah tiap caranya.
Hitunglah umur horizon A-nya di bawah masing-masingnya.
Hitunglah karbon dan nitrogen yang terbawa pergi tiap tahun oleh erosinya di bawah bajaknya.
Bandingkan kehilangan karbon erosinya dengan kehilangan peluruhan humusnya pada keadaan tunak di bawah bajaknya.
Tanah yang tererosi diendapkan di hilirnya. Apakah karbonnya hilang ke atmosfernya? Bahaslah.
Berikan waktu tinggal seresah, humus, dan tanah mineralnya pada hektar ini.
Nyatakan hasilnya: stok karbon horizon A-nya, umurnya di bawah bajaknya dan di bawah tanpa olah tanahnya, serta nitrogen yang dipasok sisa semangginya.

Solusi

Solusi Soal 26.1.

1. $0.25\times 10^{4}\times 1.3 = 3250\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ ; karbonnya $81\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ . 2. $81/12 = 6.8\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ nitrogen. 3. Bakterinya $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{g}$ , $3.25\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ ; hifanya $\pi(2\times 10^{-4})^{2}\times 2\times 10^{4}\times 1.1 = 2.8\,\mathrm{mg}/\mathrm{g}$ , $9\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ : biomassa mikrobanya kira-kira $12\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ . 4. Kira-kira $14\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ bahan hidup (massa segar), yaitu sekitar $17\,\%$ karbon humusnya — beberapa persen darinya sebagai karbon, karena jasadnya kebanyakan air. 5. Karbon mikrobanya kira-kira separuh dari $12\,\mathrm{t}$ , yaitu $6\,\mathrm{t}$ ; dengan berganti dua kali tiap tahun dan $40\,\%$ tertahan, ia menghabiskan $2\times 6/0.4 = 30\,\mathrm{t}$ karbon lalu merespirasikan $18\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ karbon, yaitu $66\,\mathrm{t}$ $\mathrm{CO_2}$ (sebuah taksiran yang kasar: penahanan dan penggantiannya kasar). 6. Tiga kali produksi primer bersih tanamannya yang $5\,\mathrm{t}$ : taksirannya terlalu tinggi, karena anggapannya (seluruh biomassanya berganti dua kali, tak satu pun tidur) bersifat murah hati; respirasi tanah yang sebenarnya di bawah sebuah tanaman berorde produksi tanamannya sendiri, yaitu beberapa ton karbon tiap hektar tiap tahun. Tanahnya bernapas sebanyak tumbuhan di atasnya. 7. Karbonnya $5\times 0.45 = 2.25\,\mathrm{t}$ ; nitrogennya $5\times 0.03 = 150\,\mathrm{kg}$ ; $\mathrm{C:N} = 15$ . 8. Memineralkan: mikrobanya memerlukan $2250\times 0.4/8 = 112\,\mathrm{kg}$ nitrogen dan sisanya menahan 150, sehingga $38\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha}$ dilepaskan secara bersih. 9. $1 - e^{-0.5} = 39\,\%$ setelah 3 bulan; $1 - e^{-2} = 86\,\%$ setelah setahun. 10. $0.39\times 38 = 15\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha}$ . 11. Tanamannya memerlukan $150\,\mathrm{kg}$ , sebagian besarnya pada dua bulan pertamanya; sisanya memberikan $15\,\mathrm{kg}$ dalam tiga bulan dan $38\,\mathrm{kg}$ seluruhnya — sebuah tambahan, bukan sebuah pasokan. Nilainya juga terletak pada nitrogen yang telah difiksasi semangginya dan ia tahan di dalam $150\,\mathrm{kg}$ sisanya sendiri, yang sebagian besarnya masuk ke humusnya lalu kembali sepanjang bertahun-tahun. 12. Jeraminya: karbonnya $2250\,\mathrm{kg}$ , nitrogennya $2250/80 = 28\,\mathrm{kg}$ ; mikrobanya memerlukan $112\,\mathrm{kg}$ , sehingga $84\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha}$ terimobilisasi dari tanahnya — yaitu lebih dari separuh kebutuhan tanamannya. Petaninya harus menambahkan nitrogen bersama jeraminya, atau membajaknya masuk jauh sebelum menanam, atau meninggalkannya di permukaan tempat ia terurai dengan lambat. 13. Dibajak: $1.2/0.025 = 48\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ ; tanpa olah tanah: $1.2/0.015 = 80\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ . 14. $H(t) = 80 - 32\,e^{-0.015t}$ : perolehannya $4.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ setelah 10 tahun, $17\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ setelah 50 tahun. 15. $\mathrm{d}H/\mathrm{d}t = 0.015\times 32 = 0.48\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ karbon pada tahun pertamanya, yaitu $1.8\,\mathrm{t}$ $\mathrm{CO_2}$ . 16. $0.48\times 1.5\times 10^{9} = 0.7\,\mathrm{GtC}$ pada tahun pertamanya, yaitu $7\,\%$ pancaran fosilnya; pada tahun kelima puluhnya lajunya telah turun menjadi $0.48\,e^{-0.75} = 0.23\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ , yaitu $0.34\,\mathrm{GtC}$ . 17. Perolehannya adalah pendekatan menuju sebuah keadaan tunak yang baru: ia meluruh menjadi nol ketika $H$ mencapai $80\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ , dan seluruh perolehannya dikembalikan kepada udaranya dalam berpuluh tahun jika ladangnya dibajak lagi — sebuah lubuk tanah adalah sebuah pemindahan sekali jalan yang dapat balik, bukan sebuah penyeimbang yang tetap bagi pancaran yang berlanjut. 18. $k_h = 0.02$ : $H^{*} = 60\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ , yaitu sebuah kehilangan $20\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ , lebih banyak daripada perolehan tanpa olah tanah lima puluh tahun pertamanya: pemanasannya dapat membatalkan pengelolaannya. 19. Dibajak: $15 - 0.5 = 14.5\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tiap tahun; tanpa olah tanah: $1\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ . 20. $3250/14.5 = 220$ tahun; $3250/1 = 3250$ tahun. 21. Karbonnya $15\times 0.025 = 0.38\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ ; nitrogennya $0.38/12 = 31\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha}$ tiap tahun. 22. Peluruhan humusnya pada keadaan tunak yang dibajak adalah $k_hH^{*} = I = 1.2\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ tiap tahun; erosinya menambahkan sepertiga sebanyak itu lagi, tetapi tidak seperti peluruhannya ia tidak diimbangi masukan — ia menguras stoknya. 23. Sebagian. Karbon yang tererosi yang terkubur di dalam sebuah endapan atau sebuah tandon boleh jadi terlindung dari peluruhannya untuk waktu yang lama (yaitu sebuah lubuk penguburan); tetapi agregatnya pecah dalam pengangkutannya, sebagian besar karbonnya teroksidasi di jalan, dan kesuburan ladangnya yang hilang digantikan pupuk yang pembuatannya memancarkan karbon. Tanda global efek karbon erosinya masih diperdebatkan. 24. Seresahnya $1/k = 0.5$ tahun; humusnya $1/k_h = 40$ tahun di bawah bajaknya dan 67 tahun tanpa olah tanahnya; tanah mineralnya $3250/0.5 = 6500$ tahun terhadap pembentukannya, dan 220 tahun terhadap kehilangannya di bawah bajaknya. 25. Stok karbonnya $81\,\mathrm{t}/\mathrm{ha}$ di dalam horizon A-nya; umurnya 220 tahun di bawah bajaknya, 3250 tahun tanpa olah tanahnya; sisa semangginya memasok kira-kira $38\,\mathrm{kg}/\mathrm{ha}$ nitrogen mineral, dengan 15 di antaranya pada tiga bulan pertamanya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Tanah dan horizonnya

Lihat semua 479 istilah di glosarium