Mineral Penting Dalam Bercocok Tanam

TUMBUHAN ITU MENGKONSUMSI NITROGEN, BUKAN HANYA sebagai UREA. MAKA JIKA ANDA MENGANGGAP HASIL PERTANIAN DAN PERKEBUNAN TERGANTUNG PUPUK SUBSIDI MAKA ANDA MESTI MEMBACA TULISAN INI. 

Abstrak

Karya ini merangkum informasi tentang nitrogen organik (N) dalam sistem pertanian. Bentuk N organik dalam tanah telah dipelajari dengan mengidentifikasi dan mengukur senyawa organik yang dilepaskan ketika tanah diolah asam pada suhu tinggi, di mana diperoleh fraksi N organik berikut: N total terhidrolisis, dibagi lagi menjadi NH4 + -N yang dapat dihidrolisis, gula amino- N, asam amino-N, dan N tak teridentifikasi serta N tak larut asam, fraksi yang tetap berasosiasi dengan mineral tanah setelah hidrolisis asam. Mineralisasi nitrogen dan imobilisasi adalah proses biokimia di alam. Bab ini merangkum bagaimana proses tersebut terjadi dalam sistem pertanian. Kemudian, nitrogen organik terlarut (SON), proses penguapan dan denitrifikasi, dan fiksasi nitrogen biologis (BNF) sebagai komponen kunci dari siklus nitrogen dan bagaimana ia membuat N tersedia untuk tanaman juga dibahas. Terakhir, kami membahas penggunaan pupuk organik sebagai sumber N untuk memenuhi permintaan dunia akan makanan organik yang diproduksi tanpa input sintetis.

1. Perkenalan

Nitrogen (N) adalah unsur paling melimpah keempat dalam biomassa seluler dan terdiri dari sebagian besar atmosfer bumi. Pada lapisan permukaan sebagian besar tanah, lebih dari 90% N terdapat dalam bentuk organik. N organik tanah dapat dibagi menjadi dua kategori: (1) N dari residu organik dan (2) N dari bahan organik tanah atau humus [ 1 ]. Semua bahan ini penting dalam menjaga atau meningkatkan kesuburan tanah dan nutrisi tanaman melalui efek langsung dan tidak langsung pada aktivitas mikroba dan ketersediaan hara [ 2]. Analisis fraksi organik telah disorot karena meningkatnya aplikasi pupuk organik dan efek langsung dan tidak langsungnya terhadap pertumbuhan tanaman dan hasil serta atribut tanah. Untuk itu akan dibahas tentang bentuk-bentuk N organik, mineralisasi dan imobilisasi N, penguapan dan denitrifikasi, N organik terlarut, fiksasi N biologis, dan pemupukan organik dengan penekanan pada N.

2. Nitrogen organik

Nitrogen adalah elemen penting bagi tumbuhan, menjadi penyusun biomolekul penting seperti adenosin trifosfat (ATP), nikotinamida adenin dinukleotida tereduksi (NADH), nikotinamida adenin dinukleotida fosfat (NADPH), klorofil, asam amino dan protein (glyco- dan lipoprotein), basa nitrogen dan asam nukleat, dan berbagai enzim [ 3 , 4 ]. N organik tanah yang terdiri dari protein, kitin, asam amino, dan asam nukleat mewakili sekitar 90–98% dari total N tanah [ 1 , 5]. Bentuk mineralisasi N bersifat sementara di dalam tanah sehingga jumlah yang ada bergantung pada berbagai proses seperti mineralisasi, imobilisasi, nitrifikasi, denitrifikasi, pelindian, dan serapan tanaman. Oleh karena itu, studi tentang mineral N mungkin tidak mewakili ketersediaan N selama tanaman tumbuh. Di sisi lain, studi fraksi N organik dan transformasinya dari waktu ke waktu dapat membantu dalam memprediksi ketersediaan N untuk tanaman, dalam memperkirakan pasokan N ke tanah, dan dalam mengevaluasi potensi pelepasan mineral N oleh pupuk organik.

Banyak senyawa akun tanah N organik, menjadi bahan protein sekitar 40% (protein, peptida, dan asam amino), 5-6% amino gula, 35% senyawa heterosiklik nitrogen (termasuk purin dan pirimidin), dan 19% NH 3 , dengan ¼ ditetapkan sebagai NH 4 + . Dengan demikian, bahan protein dan senyawa heterosiklik mendominasi total N tanah, dan fraksinasi N organik dapat menginformasikan tentang kerentanan mineralisasi senyawa [ 6 ]. Bentuk N organik dalam tanah telah dipelajari dengan mengidentifikasi dan mengukur senyawa organik yang dilepaskan ketika tanah diolah dengan asam pada suhu tinggi. Fraksi N organik yang diperoleh dengan hidrolisis asam adalah N total terhidrolisis, dibagi lagi menjadi NH 4 + yang dapat dihidrolisis.-N, gula amino-N, asam amino-N, dan-N tak teridentifikasi dan N tak larut asam, sebuah fraksi yang tetap berasosiasi dengan mineral tanah setelah hidrolisis asam [ 7 ].

Fraksinasi memungkinkan pemisahan bentuk-bentuk N labil dari tanah, seperti amida-N dan amino-N (asam terhidrolisis), yang dapat dengan cepat disintesis dalam proses mineralisasi, melepaskan N anorganik (NH 4 + dan NO 3 - ) ke larutan tanah. Akan tetapi, sebagian besar N organik dapat membentuk fraksi yang lebih stabil di dalam tanah, seperti N yang tidak terhidrolisis dan N tak teridentifikasi. Variasi N non-terhidrolisis mungkin terkait dengan pengelolaan tanah, karena semakin tinggi intensitas hidrolisis fraksi N organik dalam tanah, semakin tinggi pula keberadaan partikel halus pembentuk kompleks lempung-logam-humus yang merupakan senyawa non-terhidrolisis. N. Di Brasil, penelitian dilaporkan pada tanah dari Amazonia [ 8 ], São Paulo [ 9 ,10 , 11 , 12 ], dan Espirito Santo [ 13 ].

Dalam Latosol dan Argisols dari Amazonia, penentuan bentuk N organik menunjukkan bahwa imobilisasi terutama berasal dari mikroba dan 15 N yang terimobilisasi di dalam tanah ditemukan sebagai N yang larut dalam asam dan N yang tidak disuling [ 8 ]. Di São Paulo, pada tanah yang dibudidayakan tebu, fraksi asam amino-N mendominasi, dan, setelah 12 minggu inkubasi, total N-terhidrolisis tidak bervariasi, tetapi NH 4+ -N terhidrolisis menurun [ 9 ]. Dalam sampel tanah di bawah tanaman penutup yang berbeda [ 10 ], asam-N amino fraksi didominasi, dengan pembagian sebagai berikut: 14-38% menghidrolisis NH 4 + N, 36-52% adenosine triphosphate sebagai NH 4 +-N + gula amino, 10–32% gula amino-N, 26–46% asam amino-N, dan 3–28% tidak teridentifikasi-N.

Selain itu, di São Paulo, di tanah yang ditanami jagung, diamati bahwa topdressing pemupukan N menurun isi N yang paling fraksi labil (menghidrolisis NH 4 + N dan amino gula-N) di lapisan permukaan tanah, dan asam amino-N dan amino gula-N fraksi dianggap sebagai reservoir N organik yang mengontrol ketersediaan N tanah [ 11 ]. Sebaliknya, pemupukan dengan kotoran ternak [ 12 ] meningkatkan fraksi N organik yang paling mudah termineralisasi (hingga 100 hari) dan selanjutnya meningkatkan fraksi N organik yang lebih stabil, terutama di tanah liat. Di Espirito Santo, di tanah di bawah kayu putih, [ 13] mengamati bahwa amino-N dominan (39%), diikuti oleh unidentified-N (27%), amide-N (18%), dan hexosamine-N (15%).

Beberapa teori telah dikembangkan untuk menjelaskan ketahanan beberapa senyawa N terhadap serangan mikroba. Disebutkan bahwa senyawa N kemungkinan adalah penyusun protein (asam amino, peptida, dan protein) yang distabilkan oleh reaksi dengan lignin, tanin, kuinon, dan gula pereduksi. Selain itu, senyawa N akan teradsorpsi ke fraksi tanah liat dan dengan demikian akan terlindungi dari aksi enzim protease. Juga, pembentukan kompleks N organik dan kation polivalen (besi dan aluminium) adalah bentuk perlindungan lain yang stabil secara biologis [ 14]. Akumulasi dan / atau penurunan C dan N organik lebih dinamis di tanah berpasir daripada di tanah liat, kemungkinan karena kapasitas oksigenasi tertinggi dan masukan residu yang lebih rendah dari tanah berpasir karena potensi produktifnya yang rendah, yang membuatnya kurang resilien.

3. Mineralisasi nitrogen dan imobilisasi dalam sistem pertanian

Mineralisasi nitrogen dan imobilisasi adalah proses biokimia yang banyak dibahas dalam literatur. Kami akan fokus pada bagaimana proses ini terjadi dalam sistem pertanian. Mineralisasi N terjadi melalui hidrolisis dan biodegradasi bahan organik tanah ketika kandungan N dalam substrat melebihi kebutuhan metabolik N oleh sel mikroba. Proses tersebut dimediasi oleh mikroorganisme tanah heterotrofik [ 15 ] yang menggunakan bahan organik bernitrogen sebagai sumber C, N, dan energi, melepaskan ion NH 4 + sebagai residu (ammonifikasi). Pada gilirannya, imobilisasi didefinisikan sebagai transformasi N anorganik (NH 4 + , NH 3 , NO 3 - , NO 2 -) ke bentuk mikroba. Mikrobiota mengasimilasi bentuk anorganik N dengan memasukkannya ke dalam asam amino, yang akan berpartisipasi dalam sintesis protein selama pembentukan biomassa tanah [ 14 ].

Mineralisasi dan imobilisasi N terjadi secara bersamaan dan berlawanan di dalam tanah. Keseimbangan bersih antara proses ini dikendalikan oleh beberapa faktor: (a) lingkungan, seperti suhu tanah, aerasi, dan kelembaban; (b) fisik tanah, seperti tekstur, struktur, dan ukuran kerikil [ 16 ]; (c) bahan kimia tanah, seperti pH; (d) mengadopsi sistem manajemen pertanian [ 17 ]; dan (e) parameter kualitas sampah yang membusuk (seperti rasio C / N, C / P, dan C / S), kandungan fraksi yang mudah terurai dan bandel, jenis pengurai terkait, ukuran dan aktivitas biomassa mikroba, dan anorganik. Ketersediaan N [ 18]. Rasio karbon / nitrogen (C / N) kurang dari 25 dalam sampah organik mendukung mineralisasi N dan dekomposisi cepat, sedangkan lebih dari 30 sangat mendukung imobilisasi N dan dekomposisi cepat [ 19 ]. Tahap perkembangan tanaman juga mempengaruhi rasio C / N limbah. Misalnya, limbah dari tanaman millet yang dipotong pada tahap pembungaan atau butiran susu menunjukkan rasio C / N yang tinggi yang menunda mineralisasi. Di sisi lain, limbah dari potongan millet pada tahap daun bendera, meskipun fitomassa lebih rendah, menghasilkan rasio C / N yang lebih sedikit yang mendukung mineralisasi N untuk tanaman berikutnya [ 20 ].

Di pabrik residu, dengan mempertimbangkan 13 daerah spektral NMR C-CPMAS [ 21 ], mengamati bahwa daerah karbonil C dan N-alkil dan metoksil C memiliki korelasi positif paling signifikan dengan mineralisasi N, sedangkan di-O-alkil C dan O- alkil C sangat terkait dengan imobilisasi N. Penelitian ini menunjukkan bahwa kualitas biokimia C organik yang ditentukan oleh 13C-CPMAS NMR mampu memprediksi pola dinamik N lebih baik daripada rasio C / N. Abbasi dkk. [ 22] diamati berkorelasi positif dengan kandungan awal residu N dan berkorelasi negatif dengan rasio C / N kandungan lignin, rasio lignin / N, rasio polifenol / N, dan rasio (lignin + polifenol) / N yang menunjukkan peran signifikan komposisi dan kualitas bahan kimia residu dalam mengatur transformasi N dan siklus di tanah.

Di kompartemen N, N dari fraksi paling labil dilepaskan pada proses mineralisasi awal, dan perkiraan mineralisasinya dapat digunakan untuk menyesuaikan rekomendasi pemupukan nitrogen. Padahal, potensi mineralisasi dan laju mineralisasi masing-masing dapat digunakan untuk memprediksi ketersediaan N tanaman dalam sistem pertanian. Camargo dkk. [ 23 ] menemukan bahwa nilai nitrogen yang berpotensi dapat termineralisasi di 10 tanah dari Rio Grande do Sul berkisar antara 108,6 hingga 210,8 mg kg −1 .

Sehubungan dengan sistem manajemen yang diadopsi, waktu sangat penting untuk mineralisasi N, terutama dalam sistem tanpa olah tanah (NT). Siqueira dkk. [ 24 ] menemukan bahwa dalam tanah di bawah sistem NT selama 12 dan 22 tahun, rata-rata mineralisasi N masing-masing adalah 0,19 dan 0,26 g m −2  hari −1 . Untuk senyawa organik seperti lumpur, tingkat mineralisasi N umumnya di bawah 50%, 5–38% [ 25 ], 14–43% [ 26 ], 7–16% [ 27 ], dan 24–31% [ 28 ]. Di antara spesies yang digunakan dalam produksi jerami, tanaman Fabaceae menonjol untuk memperbaiki N 2 di atmosferdan menghadirkan jaringan rasio C / N yang rendah, di samping kandungan senyawa larut yang tinggi dan kandungan lignin dan polifenol yang rendah. Fakta ini mendukung dekomposisi dan mineralisasi yang cepat, dengan masukan N yang signifikan untuk sistem tanah-tanaman, tetapi dengan penurunan tutupan tanah, yang penting untuk sistem NT [ 29 ]. Di sisi lain, tanaman Poaceae memiliki kandungan bahan kering yang relatif tinggi dan rasio C / N yang tinggi (> 30), yang meningkatkan persistensi tutupan tanah meskipun meningkatkan imobilisasi N [ 30 , 31 ].

4. Penguapan nitrogen dan denitrifikasi

Penguapan adalah penyebab utama hilangnya N dimana gas amonia (NH 3 ) dihasilkan sesuai dengan persamaan yang disederhanakan: NH 4 + + OH - ↔ NH 3 (g)  + H 2 O. Hilangnya NH 3 meningkat dengan meningkatnya pH tanah. Ion amonium (NH 4 + ) dapat diserap oleh koloid tanah (lempung dalam humus); dengan demikian kerugian terbesar ditemukan di tanah berpasir dan miskin bahan organik tanah (SOM). Denitrifikasi adalah faktor lain yang menyebabkan hilangnya N, yang terutama dikendalikan oleh kandungan bahan organik, pH, dan suhu tanah. Proses ini dilakukan oleh bakteri anaerob sepertiPseudomonas, Basil, Micrococcus, dan Achromobacter, yang bersifat heterotrofik dan mendapatkan energi dari karbon, melalui oksidasi senyawa organik. Beberapa spesies autotrofik juga berpartisipasi dalam proses sepertiDenitrificans Thiobacillus dan T. thioparus[ 32 ].

Kehilangan NH 3 oleh penguapan di pertanian terjadi karena banyak faktor: suhu lingkungan, kelembaban tanah pada saat pemupukan, aktivitas enzim urease, pH tanah, kapasitas tukar kation, tutupan tanah, curah hujan setelah pemupukan, dan kandungan SOM [ 33 , 34 ]. Tasca dkk. [ 34 ] melaporkan penguapan NH 3 4,6 kali lipat lebih sedikit ketika topdressing urea dilakukan pada suhu 18 ° C, dibandingkan dengan 35 ° C, yang menunjukkan bahwa kehilangan N meningkat dengan meningkatnya suhu. Laju penguapan yang rendah juga dilaporkan di bawah nilai kelembaban tanah yang lebih tinggi, sekitar 20%, karena hidrolisis pupuk memfasilitasi NH 4 +difusi, membuatnya kurang rentan terhadap penguapan, bahkan dengan mempertimbangkan peningkatan aktivitas biologis tanah dalam kelembapan tersebut. Sebaliknya, kehilangan N yang lebih tinggi terjadi di bawah nilai kelembaban sekitar 10%, karena penggabungan NH 4 + tidak efisien, menghasilkan emisi N-NH 3 yang lebih tinggi [ 34 ]. Selain itu, kerugian NH 3 oleh volatilisasi lebih tinggi selama periode terkering dalam setahun. Kelembaban tanah pada saat pembuahan langsung mengganggu hidrolisis urea dan akibatnya dengan NH 3 kerugian penguapan. Dengan demikian, pembasahan tanah segera setelah aplikasi urea lebih penting daripada kelembaban tanah pada saat aplikasi [ 35 ]. Menurut Ros et al. [ 36], Air diterapkan setelah pemupukan urea atau terjadinya curah hujan dapat menurunkan NH 3 penguapan jika itu sudah cukup untuk mencairkan hidroksil (OH - ) konsentrasi sekitar urea granul yang dihasilkan selama hidrolisis, selain menyediakan penggabungan urea di dalam tanah.

Tutupan tanaman juga mempengaruhi penguapan N-NH 3 . Pinheiro [ 37 ] menemukan penghapusan jerami tebu dari tanah menurun NH 3 tingkat penguapan. Analisis tanah lapisan atas dan jerami menunjukkan retensi urea dan NH 4 + yang lebih tinggi pada jerami dalam jumlah terbesar di tanah, selain itu hidrolisis urea yang efektif terjadi langsung di dalam jerami. Hasil ini menunjukkan kontribusi langsung dari mulsa jerami di NH 3 penguapan. Namun, meskipun penguapan NH 3 berkurang dengan pemindahan jerami, pilihan jumlah jerami yang akan dibuang tidak dapat hanya didasarkan pada NH 3.penguapan pupuk N. Menganalisis campuran pupuk di laboratorium, Vitti et al. [ 38 ] menemukan bahwa pencampuran urea (330 mg) dengan amonium sulfat (300 mg) secara signifikan mengurangi kehilangan N-NH 3 (97,47 mg) relatif terhadap urea (121,52 mg), tanpa mempengaruhi atribut kualitas fisikokimia campuran untuk teknis dan agronomi tujuan efisiensi. Di Brazil, urea adalah pupuk N mineral yang paling banyak digunakan, tetapi memiliki kehilangan volatilisasi karena hidrolisis enzimatis yang mengkonsumsi H + dan meningkatkan pH tanah. Untuk alasan itu, bahkan di tanah asam, urea mengalami kehilangan N dengan penguapan [ 39 ]. Dalam sistem pertanian, kehilangan N terbesar oleh penguapan terjadi 3–5 hari setelah aplikasi pupuk [ 40]. Santos [ 41 ] mengamati bahwa dari total kehilangan N-NH 3 akibat penguapan, 92,5% terjadi hingga hari kelima setelah pemupukan, yang berdampak negatif terhadap hasil biji jagung.

Jenis pupuk juga dapat mempengaruhi penguapan N-NH 3 . Aplikasi polimer dan urea berlapis senyawa organik meningkatkan kehilangan amonia terendah dengan penguapan [ 42 , 43 ]. Di tanah di bawah padang rumput (Brachiaria decumbens), Lana dkk. [ 44 ] mengamati kehilangan NH 3 2 hari setelah aplikasi urea (2765 mg) dan bahwa penggunaan inhibitor (NBPT) mengurangi puncak penguapan hingga 4 hari. Penggunaan urea plus Uremax NBPT 500® menurunkan volatilisasi sekitar 75% setelah 11 hari. Selain itu, menambahkan pupuk asam dapat mengurangi kehilangan NH 3 sebesar 29% [ 45 ]. Menurut Gurgel et al. [ 46 ], pupuk mineral yang dicampur dengan urea dan asam humat (5 dan 10%) dan urea dan zeolit ​​(10%) mengurangi kehilangan N-NH 3 hingga 38%. Hasilnya bahkan lebih efektif di tanah berpasir.

Penggunaan pupuk hayati organik cair dan padat seperti residu unggas dan babi juga merupakan cara alternatif untuk mengurangi kehilangan N, karena N terdapat dalam pupuk hayati sebagai bentuk organik, sehingga membutuhkan lebih banyak waktu untuk termineralisasi oleh mikroorganisme untuk serapan tanaman. Niraula dkk. [ 47 ] melaporkan bahwa kotoran sapi yang diaplikasikan dalam jagung memiliki emisi NH 3 kumulatif 11% lebih rendah daripada urea, tanpa mempengaruhi hasil biji-bijian, meskipun memiliki emisi CO 2 dan CH 4 yang lebih tinggi. Jadi, setelah membandingkan tingkat volatilisasi amonia yang dilaporkan dalam 92 penelitian, Bouwman et al. [ 48 ] menyimpulkan bahwa NH rata-rata 3Emisi pupuk urea sintetik dan bubur pupuk kandang masing-masing sebesar 21,0 dan 21,2% dari pupuk N yang diaplikasikan. Selain itu, pengasaman telah menjadi sumber daya yang digunakan untuk meminimalkan penguapan urea dengan limbah cair. Park dkk. [ 49 ] mengamati penerapan bubur yang diasamkan mengurangi emisi NH 3 sebesar 78,1%, emisi N 2 O sebesar 78,9%, dan NO 3 - pencucian sebesar 17,81% dibandingkan dengan kontrol (bubur babi yang tidak dikontrol pH), selama percobaan.

Menghitung penguapan amonia dari berbagai sumber N organik (kue kacang jarak, bokashi, pupuk kacang-kacangan, kotoran ternak), Rocha et al. [ 50 ] mengamati (i) tingkat kehilangan N oleh penguapan NH 3 bervariasi dari 3 hingga 25% di musim dingin / musim semi dan 2 hingga 38% di musim panas / musim gugur di antara pupuk organik yang dipelajari; (ii) ketika memasukkan pupuk organik ke dalam tanah, penguapan secara signifikan lebih rendah daripada ketika dipelihara di permukaan tanah, dengan pengurangan penguapan sebesar 80% untuk bungkil jarak, 78% untuk bokashi, dan 67% untuk pupuk legum, sedangkan untuk kotoran ternak tidak ada perbedaan; dan (iii) saat di permukaan, potensi NH 3penguapan dari total N yang diterapkan pada musim dingin / musim semi dan musim panas / musim gugur masing-masing adalah 25,5 dan 38,1% untuk bungkil jarak, 16,6 dan 13,7% untuk bokashi, 8,2 dan 8,8% untuk pupuk legum, dan 3,4 dan 2,4% untuk kotoran ternak. .

Di Planosol di bawah sawah irigasi, penambahan tanaman penutup pada tanah dan pengelolaan air dengan irigasi berselang merupakan praktik yang mengurangi emisi N 2 O. Zschornack dkk. [ 51 ] mengamati peningkatan emisi N 2 O lebih dari 200% di area yang dikeringkan daripada area bilah air berkelanjutan. Dengan demikian, drainase tanah selama penanaman padi meningkatkan emisi N 2 O dengan merangsang proses nitrifikasi dan denitrifikasi. Selain itu, emisi N 2 O bergantung pada kualitas limbah masukan dan meningkat secara signifikan saat legum dimasukkan ke dalam tanaman penutup. Selain itu, menganalisis biochar pada beras, He et al. [ 52] menyarankan bahwa kombinasi biochar dan HQ (urease inhibitor-hydroquinone) atau aplikasi gabungan urease dan inhibitor nitrifikasi pada tanah yang diperkaya dengan biochar setidaknya 1 tahun sebelumnya dapat menjadi praktik yang efektif untuk mengurangi emisi NH 3 dan meningkatkan hasil padi.

Akhirnya, respirasi mikroorganisme juga dapat berkontribusi untuk mempertahankan N ke dalam tanah. Dengan reduksi nitrat disimilasi menjadi amonium (DNRA), proses pernapasan antagonis terhadap denitrifikasi, nitrat digunakan oleh mikroorganisme, terutamaBradyrhizobium dan Mesorhizobiumbakteri, sebagai akseptor elektron. Proses ini menghasilkan retensi N dan produksi kation amonium yang kurang bergerak (NH 4 + ), sehingga mengurangi kontribusi terhadap total N 2 O [ 53 ]. Selain fiksasi N, retensi N potensial oleh mikroorganisme melalui DNRA menjadi fitur yang relevan dalam pengurangan kehilangan N dengan denitrifikasi [ 54 ]. Ini menunjukkan bahwa DNRA dapat bertindak sebagai mekanisme untuk melestarikan N dalam sistem pertanian.

Nitrogen larut

Nitrogen organik terlarut adalah sumber N labil untuk mikroorganisme dan merupakan reservoir N terlarut yang penting di tanah pertanian. Spesies tanaman (terkait atau tidak dengan mikoriza) dapat langsung mengambil N organik sederhana yang ada di kolam SON [ 55 ]. Kolam SON terdiri dari tinggi (oligomer protein), sedang (peptida kecil) [ 56 ], dan senyawa dengan berat molekul rendah (monomer seperti asam amino) [ 57 ]. Karena tanaman menyerap N organik dan anorganik, proporsi relatif dari sumber N yang berbeda ini di tanah merupakan penentu pengelolaan N.

SON disarankan sebagai fase transisi selama transformasi N antara bahan organik tanah dan N anorganik (NH 4 + -N) dan dianggap sebagai langkah perantara dalam mineralisasi mikroba dari N organik [ 58 ]. Kolam SON dapat mengatur laju transformasi N dalam tanah, yaitu laju amonifikasi dan nitrifikasi, yang mempengaruhi substrat yang terkait dengan spesies tanaman yang berbeda. Dengan demikian, fraksi N organik tanah dan kolam SON merupakan indikator penting dari kesuburan tanah dan kebutuhan nutrisi tanaman [ 59 ], menyimpulkan pasokan potensial N terutama di tanah dengan mineralisasi N rendah [ 60 ].

Selain komponen penting dari total N terlarut tanah, SON memainkan peran kunci dalam siklus N dan oleh karena itu dalam menentukan ketersediaan N tanah dalam sistem pertanian [ 61 ]. Jumlah SON mewakili proporsi yang relatif tinggi dari total nitrogen terlarut (TSN) pool. Telah dilaporkan bahwa SON masing-masing merupakan 17-90% dan 32-50% dari TSN di tanah padang rumput dan pertanian [ 46 , 47 , 62 , 63 ]. Seperti pada mineral N, dinamika SON dipengaruhi oleh mineralisasi, imobilisasi, pencucian, dan serapan tanaman, tetapi ukuran kolamnya lebih konstan daripada mineral N [ 64 ]. Meskipun masih belum dipahami dengan jelas, SON merupakan kumpulan penting dalam transformasi N dan serapan tanaman.

Proses biotik dan abiotik terlibat dalam pembentukan SON di tanah [ 58 ]. Dengan proses biotik, SON dapat diproduksi secara langsung dari pergantian mikroba dan secara tidak langsung melalui ekskresi enzim ekstraseluler oleh mikroba [ 61 ]. Namun, karena tanaman dan mikroorganisme dapat bersaing untuk mendapatkan N organik tanah, ada kemungkinan juga bahwa reservoir SON bervariasi secara spasial karena variasi aktivitas dan kepadatan populasi mikroba di antara berbagai jenis pengelolaan pertanian. Zhang dkk. [ 65 ] melaporkan bahwa fraksi SON secara signifikan dan positif berkorelasi dengan praktek sistem tanpa olah tanah dan bahwa sistem pertanian ini bermanfaat dan efektif untuk meningkatkan pergantian N tanah.

Protein adalah senyawa nitrogen yang paling melimpah di SON. Depolimerisasi makromolekul organik ini dalam monomer SON (asam amino) dapat dianggap sebagai pembatas laju siklus N total di tanah [ 66 ]. Asam amino tanah dapat berkontribusi, secara relatif dan absolut, ke kolam SON di tanah pertanian, yang diamati di tanah di bawah tebu yang dipupuk [ 55 ]. Selain itu, tumbuhan dapat menggunakan protein sebagai sumber N tanpa bantuan organisme lain [ 67 ]. Meskipun kontribusi relatif asam amino untuk pasokan N untuk tanaman masih belum jelas, semua tanaman yang diteliti telah menunjukkan kemampuan untuk menyerap dan memetabolisme asam amino serta tanah yang mengandung asam amino [ 68 ].

Praktik pertanian organik dapat meningkatkan kandungan SON, protein, dan asam amino bebas di dalam tanah sebagai akibat dari masukan bahan organik yang sering dan dalam jangka panjang. Selain itu, kuantitas produksi pertanian juga dapat mempengaruhi kelimpahan kolam SON. Namun, efek budidaya organik pada asam amino bebas spesifik dan protein pool masih belum jelas [ 66 ].

Bahan organik tanah, pH, total C, N total, dan rasio C / N merupakan faktor utama yang mempengaruhi kelimpahan SON tanah. Dinamika SON dapat dipengaruhi secara signifikan oleh mineralisasi dan imobilisasi selama pertumbuhan mikroba dan dekomposisi bahan organik. Selain itu, praktik pertanian seperti pengelolaan irigasi, pemupukan, pembajakan, penggarukan, pemanenan, dan tahap pertumbuhan tanaman juga dapat memainkan peran penting dalam dinamika SON [ 59 , 63 ]. Selain itu, suhu tinggi dapat meningkatkan kandungan SON dengan merangsang dekomposisi bahan organik [ 69]. Mengetahui dinamika temporal kolam N organik di dalam tanah dapat membantu untuk memahami bagaimana kolam ini dipengaruhi oleh properti tanah, iklim dan pengelolaan tanaman, dan apakah SON dapat berkontribusi pada pasokan N tanaman.

Fiksasi nitrogen biologis

Nitrogen dalam bentuk gas (N 2 ) mewakili 78% gas atmosfer tetapi tidak aktif dan tidak tersedia bagi tanaman. Hanya mikroorganisme pengikat nitrogen, termasuk bakteri, cyanobacteria, dan jamur, yang mampu memutus ikatan rangkap tiga antara atom (N ≡ N) dari nitrogen atmosfer, sehingga mengubahnya menjadi amonia (NH 3 ) melalui enzim nitrogenase (N 2  + 8H + + 6e -  → 2NH 3  + H 2 ) [ 70 ]. Fiksasi nitrogen biologis adalah komponen kunci dari siklus nitrogen dan bertanggung jawab atas sebagian besar nitrogen yang tersedia untuk tanaman.

BNF dilakukan oleh mikroorganisme simbiosis, endofit, atau yang hidup bebas [ 71 , 72 ]. Bakteri simbiotik berasosiasi dengan tanaman yang membentuk bintil akar (rhizobia), di mana mereka mengikat nitrogen sambil memanfaatkan fotoassimilasi tanaman. Telah diamati bahwa simbiosis ini terjadi tidak hanya pada tanaman dari famili Leguminosae [ 71 ] tetapi juga pada serealia seperti padi, jagung, dan gandum dari famili Poaceae [ 73 ]. BNF juga terjadi pada asosiasi nonsimbiotik. Bakteri endofit menjajah jaringan tanaman dan memfiksasi N sambil mengambil manfaat dari fotoasimilasi tanaman, meskipun jumlah N terfiksasi lebih rendah daripada di simbiosis [ 73 , 74]. Juga, mikroorganisme hidup bebas yang menghuni rhizosfer, daerah tanah di sekitar akar tanaman, mengikat nitrogen sambil memakan eksudat akar (asam amino, peptida, protein, enzim, vitamin, dan hormon), yang merangsang pertumbuhan bakteri diazotrofik dari marga.Acetobacter, Azoarcus, Azospirillum, Azotobacter, Beijerinckia, Burkholderia, Enterobacter, Herbaspirillum, Klebsiella, Paenibacillus, dan Pseudomonas[ 71 ].

Mikroorganisme pengikat nitrogen terjadi secara alami di tanah [ 71 ] dan di air [ 72 ] atau menjajah biji [ 74 ]. Namun, di lingkungan pertanian, praktik konvensional seperti membajak, menggaru, pemupukan kimiawi, dan penggunaan pestisida mengurangi populasi mikroorganisme tanah, yang membuat area ini bergantung pada aplikasi pupuk nitrogen [ 75 , 76 ]. Pupuk kimia membutuhkan sejumlah besar energi untuk diproduksi, energi yang diperoleh dari bahan bakar fosil. Selain itu, mereka merupakan kontaminan tanah dan air yang potensial dan mahal serta langka bagi banyak petani di negara berkembang [ 77]. Oleh karena itu, strategi telah dipelajari untuk meningkatkan BNF oleh tanaman dan dengan demikian mengurangi ketergantungan pada pemupukan kimia.

Praktek konservasi seperti persiapan lahan minimum, tanpa olah tanah, dan tanaman penutup merangsang BNF karena mereka meningkatkan populasi dan aktivitas mikroorganisme tanah (bakteri, aktinomisetes, dan mikoriza) [ 78 , 79 ]. Selain menangkap N tanah, mengurangi kehilangan N dengan pencucian, dan menjadi sumber N untuk tanaman berikutnya, mencampur tanaman penutup (legum dan rerumputan) memberikan tambahan N melalui BNF [ 79 , 80 ].

Alternatif lain untuk meningkatkan BNF adalah dengan menginokulasi mikroorganisme pengikat nitrogen pada tanaman. Jika diinokulasi ke dalam biji, akar, atau daun, mikroorganisme ini dapat meningkatkan pembentukan bintil akar, merangsang pertumbuhan akar, meningkatkan serapan hara, merangsang sistem pertahanan antioksidan, meningkatkan toleransi terhadap cekaman biotik (hama dan patogen) dan abiotik (kekeringan dan salinitas). , dan dengan demikian meningkatkan produktivitas tanaman. Inokulasi bintil serta jamur atau bakteri endofit merangsang pertumbuhan legum dan rerumputan dan merupakan alternatif yang layak dan berkelanjutan ( Tabel 1 ). Di antara mikroorganisme yang paling banyak digunakan adalahRhizobium dan Bradyrhizobium bakteri genera diinokulasi dalam kacang-kacangan dan Azospirillum dan Enterobactergenera di rumput

Masukan N oleh pupuk organik terjadi terutama melalui mineralisasi N organik, meskipun beberapa fraksi mineral N dapat dilepaskan [ 107 , 119 ]. Tingkat mineralisasi N organik diatur oleh fraksi N dan rasio C / N dari limbah yang membusuk, serta oleh suhu dan kelembaban lingkungan [ 120 , 121 ]. Dalam kondisi yang menguntungkan, pupuk organik dengan kandungan N tinggi termineralisasi dengan cepat mirip dengan pupuk sintetis, sedangkan pupuk dengan kandungan N rendah dan rasio C / N tinggi termineralisasi secara perlahan [ 122 ]. Dengan demikian, mengetahui tingkat mineralisasi memungkinkan pemilihan pupuk organik terbaik untuk digunakan dalam pertanian ( Tabel 2 ).

Pupuk kandang merupakan pupuk organik utama yang digunakan di seluruh dunia, terutama sebagai sumber N, meskipun jumlah dan kualitas N dalam pupuk kandang dapat bervariasi menurut spesies hewan, umur, dan pakan. Pakan berbasis hijauan meningkatkan produksi residu, meskipun mengurangi kualitas yang disediakan oleh pakan berbasis konsentrat [ 97 , 119 ]. Kotoran sapi, kuda, domba, kambing, dan babi memiliki kandungan N yang serupa, berkisar antara 0,77 hingga 3,90%. Pada gilirannya, kotoran unggas mungkin memiliki kandungan 2,80–4,60% N, karena pakan berbasis konsentrat yang dipasok ke unggas, menjadi pupuk yang cepat termineralisasi [ 106 , 107 ]. Dengan demikian, pemupukan pupuk kandang telah efisien untuk banyak tanaman, seperti paprika (Capsicum annuumL.) [ 123 ] dan lobak (Raphanus sativusL.) [ 124 ].

Residu dari biji jarak (Ricinus communis L .; Euphorbiaceae) rantai menonjol karena kandungan N yang tinggi yang ditemukan pada pie (7,54% N), dalam residu ekstraksi minyak (12,82% N), dan pada pulp dari transesterifikasi minyak langsung untuk produksi biodiesel [ 106 , 125 , 126 , 127 ]. Tingkat mineralisasi pai jarak lebih intens daripada di kompos lain dan dengan demikian dengan cepat melepaskan N dan nutrisi lain yang tersedia untuk tanaman. Seperti dilansir [ 126 ], mengevaluasi respirasi mikroba, yang memperoleh tingkat mineralisasi 6 kali lebih cepat daripada yang diperoleh pada kotoran sapi dan 14 kali lebih cepat dari pada ampas tebu, pai lain, seperti kacang tanah (Arachis spp.) dan kapas (Gossypiumspp.), mungkin juga memiliki kandungan N (4,0-7,0%) yang tinggi dan karakteristik mineralisasi yang serupa [ 128 , 129 ].

Produk yang diperoleh dari pengomposan sampah organik kaya akan bahan organik yang stabil. Limbah diubah melalui dekomposisi biologis, dan prosesnya dipengaruhi oleh kondisi lingkungan dan kandungan N. Karena senyawa nitrogen adalah makanan mikrobiota, kekurangan N dalam limbah dapat menghambat proses pematangan, dan kelebihannya dapat meningkatkan penguapan N sebagai amonia (NH 3 ), akibatnya mempengaruhi proses stabilisasi N dalam pengomposan [ 130 ]. Juga humus dari vermicomposting (biasanya dengan menggunakanEisenia foetidaspesies) sangat stabil dan menyajikan kandungan N dan asam humat yang tinggi, yang menunjukkan hubungan yang lebih baik antara proses mineralisasi dan humifikasi OM, dengan penurunan rasio C / N [ 115 , 131 ].

Selain cacing tanah, arthropoda yang merupakan makrofauna edafis [ 87 , 132 , 133 ] juga sangat menarik. Kaki seribu (Myriapoda: Diplopoda) memecah dan memakan limbah organik dan mengeluarkan kotoran dengan rasio C / N yang rendah (2,2% N) yang menghasilkan millicompost [ 134 , 135 , 136 ]. Studi menunjukkan bahwa millicompost mirip dengan vermikompos dan substrat komersial dalam kaitannya dengan pasokan N dan makro dan mikronutrien lainnya untuk produksi bibit, seperti dalam selada (Lactuca sativa) [ 98 ] dan pitaya (Hylocereusspp.) (Cactaceae) [ 137 ].

Terkait pupuk organik slow release, biochar merupakan salah satu alternatif. Sebuah produk sampingan dari karbonisasi (pirolisis) biomassa di bawah atmosfer oksigen rendah, biochar adalah bahan karbon berbutir halus dengan ketahanan dekomposisi [ 118 ]. Kandungan N dalam biochar tergantung dari bahan sumber (biomassa) serta suhu pirolisis. Biochar dari kayu memiliki rasio C / N tinggi dan kadar N rendah (0,1%), sedangkan dari pupuk kandang memiliki rasio C / N rendah dan kadar N tinggi (5,0%). Misalnya biochar dari kayu ekaliptus (Eucalyptus urophylla S. T. Blake dan Corymbia citriodora (Hook.) KD Hill dan LAS Johnson) masing-masing mengandung 0,66 dan 0,48% N, sedangkan dari sekam kopi (Coffeaspp.) mengandung 2,74% N [ 138 ]. Selain perlahan-lahan melepaskan nutrisi, penggunaan biochars meningkatkan serapan N melalui pertukaran ion dan NH 3 penghapusan oleh adsorpsi, merangsang imobilisasi (mengurangi NO 3 - kerugian), dan mengurangi N 2 O emisi [ 139 , 140 , 141 , 142 ]. Selain itu, biochar meningkatkan asosiasi mikoriza dan fiksasi biologis nitrogen [ 118 ].

Limbah perkotaan juga telah digunakan untuk pertanian. Lumpur limbah terbukti menjadi sumber N yang sangat baik (0,80 dan 3,47% N) selain mineralisasi yang lambat. Tingkat mineralisasi N dari 20 hingga 38% ditemukan setelah 105 hari [ 143 ], yang bergantung pada karakteristik bahan sumber dan proses pengolahan serta kandungan logam berat yang mempercepat atau membatasi mineralisasi [ 107 , 144 ]. Residu rumah jagal, seperti tepung tulang dan darah, menunjukkan tingkat N yang tinggi, tetapi belum digunakan di bidang pertanian karena studi tentang adopsi dan perilakunya sebagai pupuk organik masih langka [ 97 , 110 , 112 ].

8. Kata penutup

Pada lapisan permukaan sebagian besar tanah, N organik tanah dapat dibagi menjadi dua kategori: N dari residu organik dan N dari bahan organik tanah atau humus. Proses mineralisasi dan imobilisasi N terjadi secara bersamaan dan berlawanan di dalam tanah. Keseimbangan bersih antara proses ini dikendalikan oleh beberapa faktor seperti kondisi lingkungan, faktor fisikokimia tanah, pengelolaan pertanian yang diterapkan, kualitas residu yang membusuk, dan kandungan fraksi yang mudah terurai dan bandel. Karena pertanian organik meningkatkan kandungan nitrogen organik terlarut, fraksi ini telah dipelajari secara ekstensif. Selain itu, fiksasi nitrogen biologis sebagai komponen kunci dari siklus nitrogen dan bertanggung jawab atas sebagian besar nitrogen yang tersedia untuk tanaman, hal itu juga dibahas dalam bab ini.

Terakhir, kami membahas nitrogen dan pemupukan organik, karena permintaan dunia akan makanan organik yang diproduksi tanpa menggunakan input sintetis telah mendorong penggunaan praktik konservasi, terutama pemupukan yang menggunakan limbah organik. Sebagian besar pupuk organik yang digunakan sebagai sumber N berasal dari limbah pertanian dan agroindustri, limbah rumah pemotongan hewan, pengomposan dan pengomposan vermik, biochar, limbah rumah tangga, dan pengomposan lumpur limbah.