Tanah

• Bagian permukaan bumi, remah, alamiah: mineral 45 %, BO 5%, air 25%, dan udara 25%

• Sifat: integrasi pengaruh iklim & bahan hidup (tumbuhan, hewan & mo)

• Ketebalan:

– Batas atas ketebalan tanah adalah permukaan bumi itu

– Batas bawah ada pada kedalaman dimana pelapukan terjadi atau sampai dimana terjadi penetrasi akar.

• Dinamika & Evolusi ==Pembentukan tanah

• Substrat biologis, kimia dan fisik yang kompleks, heterogen

EVOLUSI TANAH

• Pelapukan batuan == evolusi bahan induk

– iklim

– Bo

– Relief

– waktu.

• Horizon A: Akumulasi bahan organik tumbuhan, hewan & mo, warna gelap, terbagi 2 lapisan, yaitu A1 dan A2

• Horizon B: Penebalan lapisan > dari erosi. Bahan terlarut & koloid terbawa perkolasi air kebawah terakumulasi pada lapisan dibawah hor. A

• Horizon C: Lapisan bahan induk

• Horizon R: Batuan yang belum terlapukkan

TANAH SEBAGAI SUMBER UNSUR HARA

• Substrat mineral:reservoar K, Ca, Mg, Fe,

• Substrat organik: N,P,S.

• Substrat cair:air tanah (media gerakan ion dari air tanah ke akar)

• Gas: CO2 & O2

• Segi biologis tanah: ekosistem (kompetisi unsur hara antara akar dan mo)

Partikel tanah

• Partikel tanah:

– Inorganik: kisi kristal, dasar tetrahedral, pusat Al3+ atau Si4+, sudut diisi oksigen, masing masing membentuk aluminat & silikat. Ketika pusat tetrahedral diganti kation valensi lebih rendah==permukaan partikel (-).

– Organik: dekomposisi mo, tumbuhan, maupun hewan mati. Muatan negatif berasal dari ionisasi gugus asam karboksilat atau senyawa fenol dari bahan organik itu, walaupun komponen terbesar adalah partikel inorganik

• Kation tejerap pada permukaan partikel tanah

– K+ dan NH4+ dijerap pada permukaan dengan muatan negatif itu

– reservoar nutrien bagi tumbuhan

– Dapat diganti oleh kation lain. Berapa banyak tanah dapat mengabsorsi dan menukarkan kation ini disebut KTK. Makin tinggi makin besar kapasitas penyimpanan (reservoar) tanah ini

• Anion berada dalam larutan tanah

– NO3- dan Cl- ditolak oleh permukaan tanah

– H2PO4- dapat terikat pada partikel tanah yang mengandung Fe2+, Fe3+ dan Al3+, karena gugus OH dapat dipertukarkan dengan H2PO4-

– Sulfat (SO42-) kalau ada Ca2+ akan diendapkan dlm bentuk gypsum (CASO4)

PERTUKAR KATION

• Efek Tindal: Pemecahan cahaya pada suspensi liat

– Koloid mempunyai permukaan yang luas

• Kubus, massa 1g, sisinya 10 mm. L permukaan spesifik 10 x 10 mm2 x 6 = 600 mm2/g. Pemecahan menjadi ukuran koloid 0.001mm, maka L spesifik permukaan satu partikel = 10-3 x 10-3 mm2 x 6 = 6 x 10-6 mm2. Per g = 1012 partikel == L spesifiknya sekarang 1012 x 6 x10-6 = 6 x 106 mm2/g, penambahan 10,000 kali >>>.

• Koloid selalu terhidrasi (Penyerapan molekul air )== tidak mendekat satu sama lain untuk mengendap dan selalu dalam bentuk suspensi.

– Permukaan negatif itu menarik kation

• Asosiasi kation dengan permukaan negatif koloid tergantung dari interaksi elektrostatik, dan afinitas ikatan ini bervariasi menurut seri liotropik yaitu Al3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ =NH4+ >Na+

– Semakin tinggi muatan listrik == makin tinggi afinitas, dipengaruhi kation terhidrasi. Hidrasi tinggi== ukuran besar afinitasnya turun

– Absorpsi kation: reversibel, ion affinitas tinggi dapat mengganti kation dengan affinitas lebih rendah

– Proses pertukaran ion: exchangeability

Ukuran partikel tanah dan luasnya permukaannya.

Klasifikasi partikel tanah	Diameter (mm)	Partikel/g	Luas permukaan (cm2/g)
Kerikel	2 - 1	112	15.4
Pasir kasar	1 - 0.5	895	30.8
Pasir sedang	0.5 - 0.25	7.1 x 103	61.6
Pasir halus	0.25 – 0.1	7.0 x 104	132
Pasir sangat halus	0.1 – 0.05	89 x 105	308
Debu	0.05 – 0.002	2 x 107	888
Liat membengkak	<0.002	4 x 1011	8 x 10 6
Liat tak membengkak	<0.002	4 x 1011	8 x 10 6

Liat yang mengandung silikat dibedakan

Sifat	Tipe Liat
	Monmorilonit	Illit	Kaolinit
Ukuran (μm)	0,001-1,0	0,1-2	0,1-5
Bentuk	Lempeng tak teratur	Lempeng tak teratur	Kristal hexagonal
Kohesi	tinggi	Sedang	rendah
Kapasitas bengkak karena air	tinggi	sedang	rendah
KTK (me100g-1)	80-100	15-40	3-15

NUTRISI TUMBUHAN

v Tumbuhan mempunyai kemampuan terbatas untuk menyaring

unsur yang esensial saja, unsur lain juga masuk

v Komposisi kimia tumbuhan tidak bisa untuk menentukan

apakah unsur itu esensial atau tidak

v Dalam tumbuhan ada :

• unsur esensial : unsur makro : N, P, S, K, Mg, Ca

unsur mikro : Fe, Mn, Zn,Cu, B, Mo, Cl, Ni.

• unsur non esensial

• unsur yang bermanfaat walaupun tidak esensial:

Na, Si, Co, I, V

Unsur esensial
( Arnon & Stout 1939) :

1. Apabila tidak ada unsur itu tumbuhan tidak dapat menyelesaikan siklus hidupnya.

2. Tidak dapat digantikan oleh unsur lain

3. Unsur itu harus terlibat dalam proses metabolisme

FUNGSI NUTRIENT MINERAL

KLASIFIKASI

1. Makro dan mikro nutrient

2. Metal dan non metal

Klasifikasi demikian ini sederhana dan tidak memadai:

1. Nutrient fungsinya bervariasi

2. Fungsi itu tidak ada korelasinya dengan kuantitas

maupun sifaf fisikokimianya.

FUNGSI

Nutrient dapat berfungsi sebagai (1). komponen struktural

senyawa organik mis. N,P,S, sebagai kompoen protein, DNA,

(2).Dapat berfungsi sebagai aktivator ensim (Mg dan nutrient

mikro (kecuali Cl.), (3). Berfungsi sbg pembawa muatan listrik

dan osmoregulator (K, Cl.), (4). Sebagai komponen rantai signal

(5).Sebagai penjaga konformasi protein ensim, (6). Sebagai

pembeda tipe sel pada suatu jaringan, atau dalam kompartemen sel

Berfungsi sebagai komponen rantai signal

N dan S adalah konstituent integral protein disebut apoenzyme

Untuk reaksi katalitik sebagian besar ensim itu memerlukan :

• Coenzyme (ATP, FAD)
• atau kelompok prosthetic (khlorofil, cytochrom )
• sedang nitrogenase memerlukan komponen metal

(perbedaan prosthetic dan coenzyme hanya konvensi saja)

Protein kinase

Protein ensim ( apoensim) mengalami rekasi fosforilasi reversible

disebut fosforilasi protein ( protein phosphorylation), yang sangat

menentukan metabolisme seluler dan perkembangannya.

Ensim yang mengkataliser fosforilasi protein adalah protein kinase

Efektor dari protein kinase antara lain polyamine, calmodulin,

dan terutama ion Ca2+ bebas. Jadi Ca2+ ini berfungsi sebagai

komponen rantai signal

4 Grup Nutrien

• Grup 1: bagian dari senyawa karbon,

– N: membentuk a.a., amida, protein, asam nukleat, nukleotida, koensim, heksoamin dsb.

– S, komponen sistein, sistin, metionin, protein. Bagian dari asam lipoat, koensim A, biotin, pirofosfat tiamin, glutation, APS dsb.

• Grup 2:reaksi penyimpanan energi atau menjaga integritas struktural

– P, komponen gula fosfat, asam nukleat, nuleotida, koenzim, fosfolipid, asam pitat, berperan penting dalam sintesis ATP

– Si, ditimbun sebagai silika amorf pd dinding sel,memberikan sifat mekanis pada dinding, seperti kekakuandan elastisitas

– B, berkompleks dengan manitol, manan, asam polimanuronat, komponen dinding sel, terlibat dalam proses perpanjangan sel dan metabolisme asam nukleat.

• Grup 3: berada pada jaringan sebagai ion, kofaktor ensim atau regulasi potensi osmotik

– K, sbg kofaktor dari lebih 40 enzim. Kation utama yang mempengaruhi turgor dan menjaga elektronetralitas sel.

– Ca, pembentuk middle lamela dinding sel, diperlukan sebagai kofaktor enzim yang terlibat dalam hidrolisis ATP dan fosfolipid. Berperan sebagai pembawa pesan kedua dalam pengaturan proses metabolisme

– Mg, diperlukan banyak enzim terkait dng transfer fosfat. Komponen klorofil

– Cl, reaksi fotosintesis terkait dng evolusi O2

– Mn, Diperlukan untuk aktivitas dehidrogenase, dekarboksilase, kinase, oksidase, dan peroksidase. Terlibat dlm enzim yang diaktivasi oleh kation, dan evolusi O2 dalm fotosintesis

– Na, terkait dengan regenerasi PEP dalam lintasan C4 dan CAM. Pengganti K dlm beberapa fungsi

• Grup 4. penting dalam reaksi transpor elektron

– Fe, Komponen sitokrom dan protein besi nonheme terkait dengan fotosintesis, fiksasi N2 dan respirasi

– Zn, Pembentuk alkohol dehidrogenase, glutamat dehidrogenase, carbonik anhidrase, dll

– Cu, Pembentuk asam askorbat oksidase, tirosinase, monoamin oksidase, urease, sitokrom oksidase, fenolase, lakase dan plastosianin

– Ni, Pembentuk urease. Pada bakteri penambat N2 pembentuk hydrogenase

– Mo, pembentuk nitrogenase, nitrat reduktase, dan xantin dehidrogenase

KULTUR AIR

• Hoagland: komponen nutrien untuk tumbuhan

– ekstraksi nutrien terlarut tanah di Kalifornia --tomat

• Tujuan

– membuktikan bahwa elemen itu esensial

– sarana produksi sayur/buah2an modern

• Kelemahan

– suplai oksigen secara terus menerus

– Perbedaan absorpsi anion lebih cepat dari kation, perubahan nilai pH dengan cepat kearah basa, Fe diendapkan sebagai Fe+++, tidak teredia bagi tumbuhan

KEGUNAAN UNSUR ESENSIAL

GRUP 1: UNSUR SENYAWA ORGANIK

NITROGEN (N)

- Komponen pembentukan asam amino, amida, protein, asam nukleat, nukleotida, koenzim, hormon dan klorofil.

- tidak dapat memanfaatkan N2 secara langsung dari udara.

- Diambil dalam bentuk nitrat (NO3-) dan amonium (NH4+).

- mobil.

- Defisiensi: tumbuhan kerdil, klorosis, akumulasi antosianin warna menjadi ungu mulai dari daun tua.

SULFUR (S)

- Diabsorpsi sebagai ion SO42-, gas SO2 melalui stomata.

- Komponen asam amino sisten, metionon, biotin tiamin, asetil koA.

- SO2 diubah menjadi bisulfida, HSO3- dengan air sel dapat merusak klorofil.

- HSO3- dioksidasi menjadi H2SO4 penyebab hujan asam. - jumlah yang cukup di tanah, jarang defisiensi.

- tidak mobil.

- Defisiensi: klorosis vena pada daun muda

GRUP 2: UNSUR PENTING UNTUK ENERGI DAN INTEGRITAS STRUKTUR

FOSPOR (P)

- Komponen untuk pembentukan gula fosfat, asam nukleat, nukleotida, koenzim, fosfolipid dan asam fitat.

- peran kunci dalam reaksi yang melibatkan ATP.

- Diambil dalam bentuk H2PO4- (utama) dan HPO4- (sedikit).

- Dipengaruhi pH media: pH rendah diikat oleh Al dan Fe, pH tinggi diikat oleh Ca dan Mg, dapat mengendap.

- mobil

- Defisiensi: tumbuhan kerdil, hasil rendah, akumulasi antosianin warna ungu mulai daun yang tua, pembungaan terlambat

SILIKON (Si)

- Hanya dari anggota suku Equisetaceae perlu Si untuk menyelesaikan siklus hidupnya.

- Tumbuhan: akumulasi Si dalam jaringan, pertumbuhan dan fertilitas tinggi ketika dipupuk dengan Si.

- Defisiensi: mudah roboh, rentan serangan pathogen.

- akumulasi pada reticulum endoplasma, dinding sel, dan dalam ruang antar sel sebagai silika amorf terhidrasi (SiO2.nH2O)

BORON (B)

– pH<8=>

– integritas dinding sel, membentuk konfigurasi cis-diol dengan, mannosa, pembelahan sel dan elongasi (pemanjangan), pertumbuhan pollen tube.

– Defisiensi: pembelahan dan elongasi terhambat, oksidasi IAA meningkat, sintesis urasil terhambat, sintesis RNA menurun.

– Gejala: meristem pucuk nekrosis, mati dan berwarna hitam, akar primer/sekunder pendek, batang pendek, penampakan roset.

GRUP KE-3 NUTRIEN YANG TETAP DALAM BENTUK ION

KALIUM (POTASIUM/K)

– bentuk K+ , mudah larut dan terlindi, sering defisien dalam tanah.

– Diperlukan dalam jumlah yang banyak oleh tumbuhan.

– mobil.

– Fungsi : aktivasi enzim pada fotosintesis dan respirasi, mempengaruhi sintesis protein, osmoregulation, membuka/menutup stomata, orientasi harian daun, gerakan tidur.

– Defisiensi: pada daun tua klorosis, nekrosis di tepi daun, pada monokotil, nekrosis mulai dari pucuk ke dasar daun tua, batang pendek-lemah, mudah terserang penyakit dan mudah roboh.

CALSIUM (Ca)

– Diabsorpsi dalam bentuk ion Ca2+

– Fungsi: pembelahan sel, pembentukan benang spindel, pembentuk Ca- pektat pada lamela tengah dalam pembelahan sel, untuk integritas membran, sebagai second messenger respon hormon dan lingkungan.

– Dalam sitoplasma jumlah Ca2+ rendah sekitar 1 µM, berikatan secara reversibel dengan protein calmodulin yang mengaktivasi enzim.

– tidak mobil

– Defisiensi: pada daun muda, pada daerah meristematik pucuk akar, daun sangat peka, pertumbuhan pucuk terpelintir

MAGNESIUM (Mg)

- Diabsorpsi sebagai ion Mg2+

- Peranan: bagian terbesar pada gugus porfirin dari molekul klorofil, penstabil struktur ribosom, penghubung raski ATP dengan sisi aktif enzim, sintesis DNA, RNA, aktivator rubisco dan PEP karboksilase.

- Di tanah lebih sedikit daripada kalsium, relatif banyak dibutuhkan oleh tumbuhan.

- Mobil

- defisiensi: klorosis intervena pada daun tua.

CHLORINE (Cl)

– Cl- amat mudah larut, di alam banyak, jarang terjadi kasus defisiensi, defisiensi terjadi dalam percobaan saja, diabsorpsi melebihi keperluan minimal

– bersama Mn berperan dalam fotolisis air pada fotosintesis, sebagai counter ion menjaga netralitas listrik dan bahan terlarut (solute), aktif secara osmotik dalam vakuola

– mobil,

– defisiensi: layu ujung daun, klorosis, dan tumbuhan jadi kerdil

MANGAN (Mn)

– Ion: Mn+, Mn2+, Mn3+, diendapkan sebagai oksida, ada juga yang dikelat, diabsorpsi sebagai Mn2, setelah lepas dari kelat, terjadi reduksi dari valensi yang lebih tinggi

– Fungsi : kofaktor dekarboksilase dan dehidrogenase pada respirasi, menentukan struktur mebran kloroplas dan fotolisis H2O dalam fotosintesis.

– Defisiensi: daun muda klorosis, nekrosis, membran tilakoid rusak.

NATRIUM (Na)

– Tumbuhan C4 dan CAM: regenerasi PEP

– Defisiensi: klorosis dan kadang tidak mau berbunga

– Na dapat mengganti K sebagian

GRUP 4: UNSUR YANG TERLIBAT DALAM REDOX

BESI (Fe)

- Diabsorpsi sebagai Fe2+, Fe3+, diperlukan paling banyak diantara unsur mikro.

- Fungsi : sebagai komponen katalitik pada enzim-enzim redoks, sintesis klorofil. - Defisiensi: Fe3+ mengendap menjadi Fe2O.3H2O pada pH biologisi pada tanah pH netral atau berkapur tumbuhan akan kekurangan klorofil dan degenerasi struktur kloroplas, klorosis pada daun muda, daun yang baru muncul berwarna putih. - Strategi pengambilan Fe oleh tumbuhan dalam keadaan defisiensi:

- - pelepasan fitosiderofor (bhs Yunani: pembawa besi), spesifik peligand besi, diabsorpsi kembali, Fe direduksi menjadi Fe2+.

- - sekresi proton ke rhizosfer , pelepasan caffeic acid (asam kopiat) ligand kuat, induksi enzim reduksi pada membran sel epidermis akar. Asidifikasi rhizosfer mendorong kelasi Fe3+ oleh as. kopiat, bergerak ke permukaan akar, direduksi oleh enzim menjadi Fe2+ dan diabsorpsi melalui membran.

SENG (Zinc) :Zn

• Diabsorpsi sebagai Zn2+.

• fungsi: aktivator banyak enzim, sekitar 80 enzim (alkoholdehidrogenase, karbonik anhidrase, komponen SOD), sintesis triptofan bahan baku sintesis IAA

• Defisiensi: daun dengan bercak coklat, batang pendek, ketika diberi Zn, respon pertama adalah meningkatnya IAA kemudian disusul pertumbuhan yang kembali normal.

TEMBAGA (Copper) : Cu

• Tersedia sebagai Cu2+, pada tanah yang cukup aerasi terkelat oleh humus. Dalam keadaan anaerob Cu+ tidak stabil.

• Fungsi: kofaktor enzim oksidatif (enzim SOD: super oxide dismutase, enzim polifenoloksidase ( warna coklat pada permukaan kentang yang diiris).

Nickel = Ni

• Unsur esensial terbaru ditemukan tahun 1988,total unsur esensial : 17

• banyak, mudah diabsorpsi, keperluan sedikit sekali 0,05-5,0 mg/kg BK==

200 mg untuk satu siklus hidup

• Fungsi: mobilisasi nitrogen pada proses perkecambahan, komponen enzim urease dan hydrogenase; urease menghidrolisis urea menjadi NH3 dan CO2, urea dihasilkan oleh arginase dari arginin dan canavalin, arginin ini menurun dengan perkecambahan. Arginin berfungsi sebagai penyimpan nitrogen. Jadi Ni. diimplikasikan dalam mobilisasi N

MOLYBDENUM (MO)

• nonmetal, sebagai anion molybdate MoO42- dengan valensi Mo6+ dapat juga sebagai MoS2, dengan valensi Mo4+

• Komponen dinitrogenase dan nitrate reductase, permintaan tergantung dari suplai nitrogen

• Defisiensi: pada tanah masam, ion molibdate diendapkan oleh Fe, khlorosis intervenal pada daun tua, daun muda terpuntir, disebut dengan “whiptail

KONSENTRASI KRITIS HARA MINERAL PADA TUMBUHAN

• absorpsi hara mineral dalam bentuk ion dari dalam tanah.

• Diperlukan keseimbangan antara ion-ion dalam tumbuhan agar pertumbuhan optimal.

• kecukupan hara mineral : analisa tanah sebagai media tumbuh dan analisa jaringan

Kahat unsur hara

• Menyebabkan kelainan(disorder) dengan ciri kahat hara

• Dengan hidrofonik dpt dideteksi ciri kekahatan unsur tertentu, tetapi tumbuhan yang tumbuh ditanah sukar dideteksi karena :

– Kahat kronis dan akut dari beberapa elemen dapat terjadi bersamaan

– Kahat atau kelebihan jumlah suatu elemen dpt menyebabkan kelebihan atau kahat elelemn lainnya.

– Penyakit tumbhan karena virus dapat memberikan ciri mirip seperti ciri kahat hara.

• Ciri kahat suatu nutrien disebabkan kelainan metabolik karena ketidakadaan unsur esensial itu. Ini berhubunan dengan peran dari unsur esensial itu pada metabolisme tumbuhan

– Walaupun mempunyai berbagai peran, umumnya unsur esensial itu berperan sebagai komponen struktural, fungsi metabolik atau sebagai osmoregulasi sel

– Peran lebih spesifik misalnya Ca2+ dan Mg2+ dalam mempengaruhi permiabilitas membran atau Ca2+ mempunyai peran sebagai isyarat dalam mengendalikan enzim kunci dalam sitosol

Kahat hara

• Dugaan kahat suatu unsur esensial didasarkan pada berapa extensif unsur itu didaurulangkan dari daun tua ke yang muda.

• Unsur seperti N, K, Mg, P, Cl, Na, Zn, Mo ditrnsportasikan ulang dari daun tua ke daun muda, ciri kekahatannya akan nampak pada daun tua

• Unsur seperti Ca, S, Fe, B, dan Cu tidak ditransokaskan dari daun tua ke daun muda, ciri kekahatan akan nampak pada daun muda.

Dinamika absorpsi nutrien mineral

• Kecepatan absorpsi yang tinggi pada ujung akar karena memang permintaan disini tinggi dan ketersediaan nutrient juga tinggi.

– Pemanjangan akar tergantung pada absorpsi K+, Cl- NO3- untuk menaikkan tekanan osmosis, dalam sel. Akar sebetulnya lebih suka NH4+ daripada NO3- karena asimilasi NH4+ lebih sedikit memerlukan energi, sedang akar sering kekukrangan karbohidrat.

– Di tanah nutrien bergerak ke permukaan akar karena aliran dan difusi. Aliran (bulk flow) tergantung pada transpirasi, kalau transpirasi tinggi dan konsentrasi nutrien tinggi maka aliran itu sangat mementukan. Difusi terjadi dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah dipermukaan akar yang disebabkan absorpsi leh akar itu.

– Ketika absorpsi nutrien oleh akar tinggi sedang konsentrasi nutrien di tanah rendah, aliran air itu hanya memberikan sebagian saja dari yang diperlukan oleh akar; dalam keadaan demikian laju difusi membatasi gerakan nutrien ke permukaan akar. Ketika difusi terlalu lambat akan terjadi zoma deplesi nutrien, yang dapat mencapai 0.2-2 mm dari permukaan akar.

– Dengan terbentuknya zona deplesi nutrien dapat disimpulkan bahwa efisiensi penambangan akar terhadap nutrien bkan saja ditentukan oleh laju pengambilan nutrien tetapi juga perumbuhan terus menerus dari akar kedalam tanah.

– Jadi akuisisi nutrisi optimal bukan saja ditentukan oleh kapasitas pengambilan nutrient tetapi juga kemampuan akar tumbuh menjelajah tanah

MIKORIZA

• Dasar pengembangan ilmu nutrisi tumbuhan dikembangkan berdasarkan studi langsung absorpsi nutrien oleh akar yang diprakarsai oleh ahli Barat

• Absorpsi berbeda kalau ada mikoriza yang artinya fungus dan akar,yaitu fungi yang berasosiasi dengan akar tumbuhan

– Pada akar dikotil 80% berasosiasi dengan mikoriza

– Mnokotil 79% dan semua gimnospermae

– Sedang famili Cruciferae ( kobia), Chenopodiaceae dan Proteaceae dan tumbuhan air jarang ditemukan mikoriza pada akarnya.