9

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Bahan Organik Tanah

Banyak peneliti memberikan definisi tentang bahan organik yang

dituangkan pada berbagai pustaka. Salah satu di antaranya adalah yang

menyatakan bahwa bahan organik tanah didefenisikan sebagai semua bahan

organik di dalam tanah baik yang telah mati maupun yang masih hidup, yang

dapat terdiri dari sisa tanaman berupa serasah, biomasa mikroba dan humus

(Stevenson, 1994). Organisme hidup (biomasa tanah) hanya menyumbang kurang

dari 5% dari total bahan organik. Selanjutnya Tan (2005) menjelaskan bahwa

bahan organik tanah merupakan kombinasi yang terdiri dari berbagai komponen

seperti komponen yang berasal dari binatang dan tumbuhan. Komponen-

komponen tersebut telah mengalami perubahan sampai pada tingkat tertentu tidak

lagi memiliki susunan yang sama seperti bentuk dan atau struktur aslinya.

Komponen binatang dan tumbuhan yang telah mengalami perubahan tersebut

dapat terdiri dari mineral humus dan non humus. Selanjutnya Tan (2005)

menjelaskan pula bahwa mineral non humus merupakan hasil dari metabolisme

organisme yang didalamnya mengandung berbagai komponen seperti karbohidrat,

asam amino dan lipid. Hasil sintesis mikroba tanah yang berupa mineral humus

yang terdiri dari asam humik, asam fulvik dan campuran bermasa tinggi

merupakan bagian terbesar dari total bahan organik tanah.

Untuk memudahkan mengidentifikasi perubahan kecil yang terjadi dalam

total bahan organik tanah yang bersifat kompleks (Blair et al., 1995) membagi

10

bahan organik tanah menjadi 3 (tiga) fraksi utama, yaitu: (a) fraksi aktif, (b)

fraksi hidup, dan (c) fraksi pasif atau recalcitrant. Fraksi aktif, terdiri dari sisa-

sisa tanaman, binatang dan mikroba yang sedang melapuk. Fraksi hidup

komponennya terdiri dari biota tanah hidup atau biomasa yang tersusun atas

mikroorganisme, binatang dan perakaran tanaman. Fraksi pasif atau recalcitrant

komponennya dapat terdiri dari bahan organik yang secara fisik dan kimia yang

resisten terhadap proses degradasi secara biologis.

Selain beban tambahan gas rumah kaca pada atmosfer, penipisan bahan

organik tanah telah banyak menimbulkan konsekuensi yang merugikan secara

ekologi dan ekonomi. Kehilangan bahan organik tanah disertai oleh penipisan

nutrisi tanaman termasuk mineralisasasi N, P dan S; berat isi (bulk density) tanah

meningkat, hilangnya struktur agregat; penurunan kapasitas memegang air dan

konduktivitas hidrolik; penurunan kapasitas tukar kation; peningkatan erosi

permukaan; pencucian karena peningkatan pestisida dan logam berat; penurunan

aktivitas biologi tanah dan diversitas; dan akhirnya penurunan hasil panen dan

kualitas hasil (Amezketa 1999; Lal 2004b; Whitbread et al., 1998). Banyak

penelitian telah menunjukkan korelasi kuat antara peningkatan bahan organik

tanah (SOM) tingkat dan perbaikan sifat fisik tanah seperti agregasi, infiltrasi air,

konduktivitas hidrolik dan pemadatan (Blair et al., 2006a, Blair et al., 2006b,

Whitbread et al., 2000). Perbaikan ini umumnya dikaitkan dengan produktivitas

yang lebih besar (Lal 2004c).

Terkait dengan jumlah cadangan atau kadar bahan organik tanah adalah

keseimbangan antara penambahan dan rata-rata dekomposisi (Blair et al., 1995),

11

atau tahap keseimbangan dinamis yang terjadi antara proses degradasi dan

akumulasi (Cresser et al., 1993). Selanjutnya Blair et al. (1995) menjelaskan pula

bahwa sistem manajemen pertanian berdampak nyata terhadap rata-rata cadangan

dan kembalinya (turnover) bahan organik dan hara dalam tanah. Di lain pihak

Cresser et al. (1993) menambahkan bahwa bahan organik tanah dapat

meningkatkan kapasitas tanah memegang air, khususnya pada tanah-tanah

bertekstur kasar. Selain itu Tan (1993) juga menambahkan bahwa bahan organik

tanah dapat membentuk struktur tanah dengan membantu proses agregasi tanah.

2.2 Dekomposisi Bahan Organik dalam Tanah

Siklus unsur-unsur pada sistem pertanian merupakan prinsif utama pada

sistem pertanian organik, yang berbasis pada 3 pilar, yaitu: (1) menjaga dan

meningkatkan kesuburan tanah dengan memanfaatkan limbah pertanian; (2)

pengabaian pupuk dan pestisida sintetis; (3) mengurangi penanaman tanaman

pangan yang boros energi. Pertanian organik sangat tergantung kepada proses

transformasi hara, maka kualitas tanah adalah faktor penting bagi produksi

pertanian (Reganold et al., 1993).

Bila material tanaman dan organisme yang telah mati ditambahkan ke

dalam tanah, berlangsung serangkaian kejadian kompleks yang berpengaruh kuat

pada sifat-sifat tanah dan kesuburan tanah. Organisme heteromorfik di dalam

tanah menghancurkan sisa-sisa tanaman dan binatang, dan menggunakan

komponen organik sebagai sumber makanan. Selama proses dekomposisi dan

pencernaan komponen organik, ekskresi yang dihasilkan selanjutnya menjadi

makanan bagi organisme lainnya. Ketika organisme yang terlibat dalam

12

dekomposisi mati, mereka juga menjadi sumber makanan dan ditambahkan pada

cadangan makanan. Melalui proses dekomposisi, pada kondisi aerobik campuran

karbon inorganik dipecah dan dilepas dalam bentuk CO2 (McLaren dan

Cameron, 1996). Sisa-sisa tanaman seperti serasah, ranting, potongan akar dan

eksudat adalah sumber paling penting bagi bahan organik tanah. Sisa-sisa sistem

perakaran tanaman menyumbang antara 60-70% dari input karbon. Sistem

perakaran meliputi asam amino terlarut, asam organik, karbohidrat, dan material

tidak larut seperti sel-sel yang tidak mudah pecah (Cresser et al., 1993).

Selulosa merupakan polimer sederhana terdiri dari glukosa yang

bertanggungjawab bagi lebih dari setengah dari karbon sisa-sisa tumbuhan, diikuti

oleh hemiselulosa (20%), lignin (18%) sisanya berupa protein dan asam amino

(Cresser et al., 1993). Selulosa dipolimerisasi oleh mikroorganisme tertentu di

dalam tanah khususnya jamur (Trichoderma, Fusarium dan Aspergilus), dan

sedikit bakteri lainnya (Bacillus dan Pseudomonas). Dekomposisi dari selulosa

pada kondisi aerobik normalnya memproduksi CO2, sementara asam organik

(asam acetat) sering dihasilkan pada kondisi anaerobik (Cresser et al., 1993)

adalah sebagai berikut :

(a) Dekomposisi selulosa pada kondisi aerobik :

C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6H2O + energi.

(b) Dekomposisi selulosa pada kondisi anaerobik :

C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 + energi.

13

Dekomposisi selulosa dikatalisir oleh enzim selulase yang merupakan

dekomposisi yang khas dari berbagai polimer organik di dalam tanah yang

bersifat spesifik, dimana akhirnya didepolimerisasi oleh enzim mikroba khusus

melepas unit-unit polimer yang lebih sederhana yang menjadi bahan bagi

kelompok-kelompok mikroorganisme tanah yang lebih luas. Proses dekomposisi

melibatkan enzim yang sederhana tidak bersifat khusus (Cresser et al., 1993).

Fase awal berlangsung cepat, dekomposisi berlangsung dalam satu tahun

yang mana kebanyakan dari sisa-sisa tanaman yang mudah terdekomposisi telah

dihancurkan. Selanjutnya berlangsung lebih lambat tetapi mantap, penghancuran

bahan humik yang lebih stabil yang lebih terlindung dari serangan mikroba yang

berlangsung cepat dan terus berlanjut (Cresser et al., 1993). Faktor utama yang

mempengaruhi proses dekomposisi bahan organik melalui aktifitas organisme

adalah kandungan oksigen dan kelembaban. Temperatur juga merupakan faktor

penting dalam proses dekomposisi bahan organik yang pengaruhnya juga melalui

aktifitas mikrobia. Selain itu faktor penting lainnya yang merupakan faktor

pembatas dalam dekomposisi bahan organik adalah nutrisi dan pH. Nutrisi,

khususnya karbon dan nitrogen merupakan unsur esensial yang dibutuhkan untuk

pertumbuhan dan aktifitas mikroba, sedangkan karbon dibutuhkan sebagai sumber

energi, dan nitrogen diperlukan untuk pembentukan sel (Eliot, 1993).

2.3 Karbon Organik Tanah

Studi mengenai keragaman simpanan karbon organik tanah telah menjadi

perhatian dalam rangka menilai kualitas tanah akibat perbedaan praktek

pengelolaan tanah. Reganold (1993) membandingkan sifat tanah pada sistem

14

pertanian organik dan konvensional selama periode empat tahun. Kadar C organik

tanah secara signifikan lebih tinggi pada pertanian organik dibandingkan dengan

pertanian konvensional. Jumlah bahan organik yang lebih banyak berkontribusi

terhadap struktur tanah yang lebih baik, dan berat isi (bulk density) tanah

permukaan 20 cm lebih rendah pada pertanian organik.

Jumlah karbon tanah dalam fraksi yang berbeda tergantung pada kualitas

bahan organik yang ditambahkan ke tanah serta produk-produk dekomposisinya

melalui proses humifikasi biologis. Produk humifikasi karbon tanah memiliki

struktur yang sangat aromatik seperti poli-fenol dan laju dekomposisi yang sangat

lambat. Pembentukannya dihambat oleh rendahnya tingkat N, P dan S (Lal, 2008).

Karbon organik tanah (SOC) adalah bagian dari siklus C global dan kolam

karbon organik tanah global (1580 Gt) dua kali lebih besar seperti yang di

atmosfer dan hampir tiga kali lipat dari kolam biomasa vegetasi karbon.

Penyerapan karbon organik tanah mengacu pada penyimpanan karbon dalam

tanah dan sedang dipertimbangkan sebagai strategi untuk mengurangi perubahan

iklim (Chan et al., 2008).

Sebagai sumber karbon di dalam tanah, terdapat 3 (tiga) kantong utama

pemasok karbon, yaitu : (a) tajuk tanaman pohon dan tanaman semusim yang

masuk sebagai serasah dan sisa panen; (b) akar tanaman, melalui akar-akar yang

mati, ujung-ujung akar, eksudasi akar dan respirasi akar; (c) biota. Serasah dan

akar-akar mati yang masuk ke dalam tanah akan segera dirombak oleh biota

heterotrop, dan selanjutnya memasuki kantong bahan organik tanah.

15

Tingkat karbon organik tanah dalam ekosistem dikendalikan oleh berbagai

faktor, yaitu iklim, tanah, vegetasi dan waktu dan dapat mencapai tingkat

ekuilibrium dalam kondisi lingkungan tertentu (keseimbangan lingkungan).

Seiring dengan waktu, perubahan dalam penyimpanan karbon organik tanah

(SOC) dikendalikan oleh keseimbangan antara input dan kehilangan karbon

(kehilangan melalui mineralisasi karbon dioksida, dan erosi). Perbedaan antara

karbon organik tanah pada tingkat keseimbangan lingkungan dan tingkat

kehilangan saat ini adalah penyerapan karbon organik tanah potensial, yaitu, C

potensial, karena secara teoritis jumlah ini dapat dikembalikan ke tanah (Chan et

al., 2008). Tingkat karbon organik (SOC) di tanah sangat tergantung pada

praktek-praktek manajemen yang mempengaruhi input serta kehilangan bahan

karbon, yaitu produksi primer bersih, kualitas residu organik, manajemen residu

(misalnya pembakaran, pemasukan), pengelolaan tanah (misalnya persiapan

lahan) dan pengelolaan ternak.

Beberapa proses yang dapat menyebabkan terjadinya kehilangan C dari

dalam tanah dapat melalui (a) respirasi tanah, (b) respirasi tanaman, (c) terangkut

panen, (d) dipergunakan oleh biota, dan (e) erosi. Siklus karbon di dalam tanah

meliputi konversi karbon dioksida atmosfer menjadi material tanaman melalui

proses fotosintetsis diikuti oleh dekomposisi sisa-sisa tanaman dan binatang ke

dalam tanah. Selama proses dekomposisi, transformasi karbon difasilitasi oleh

aktivitas mikroba, oksidasi karbon menjadi karbon diokasida yang selanjutnya

dikembalikan ke atmosfer. Beberapa karbon kemungkinan selanjutnya

diasimilasikan oleh tanaman sebagai ion karbonat dan bikarbonat atau terangkut

16

dari dalam tanah bahkan sampai ke laut. Setiap tahun, pergerakan karbon dalam

jumlah besar dan terjadi perubahan dari satu fase ke fase lainnya pada siklus di

dalam tanah termasuk pergerakan 10 % karbon dari tanaman dan 5% karbon dari

bahan organik tanah (McLaren dan Cameron, 1996).

Perbandingan relatif karbon dengan nitrogen dan fosfor dalam bahan

organik pada tanah mineral adalah dengan rasio 110:9:1 menurut berat.

Misalnya, setiap 1 ton simpanan C dapat menyimpan 100 kg N sehingga

penambahan akumulasi C dalam tanah akan memberi keuntungan bagi

penambahan simpanan nitrogen (Allison, 1973). Selanjutnya Blair et al. (1995)

menyatakan bahwa karbon tanah telah umum ditetapkan sebagai indikator

keberlanjutan sistem pertanian dan perubahannya dapat terjadi melalui jumlah

total karbon, cadangan karbon karbon dan aktif (labil).

Total karbon merupakan jumlah karbon yang berasal dari karbon organik

dan karbon anorganik. Karbon organik berada pada fraksi bahan organik tanah,

sedangkan karbon anorganik terutama ditemukan pada mineral karbonat.

Cadangan karbon disimpan dalam 3 komponen pokok, yaitu (a) biomasa

merupakan bagian dari vegetasi yang masih hidup, (b) nekromasa merupakan

bagian dari vegetasi yang telah mati, dan (c) bahan organik tanah merupakan sisa

mahluk hidup yang talah mengalami pelapukan baik sebagian maupun seluruhnya

dan telah menjadi bagian dari tanah (Hairiah, et al., 2011).

Karbon labil tanah (fraksi labil) terdiri dari bahan yang mudah

didekomposisi, dengan umur berkisar dari beberapa hari sampai beberapa tahun.

Komponen bahan organik tanah labil terdiri dari 3 (tiga) kelompok, yaitu : (a)

17

bahan yang paling labil adalah bagian seluler tanaman, hama/binatang seperti

karbohidrat, asam amino, peptida, gula-amino, dan lipida, (b) bahan yang agak

lambat didekomposisi seperti malam (waxes), lemak, resin, lignin dan

hemiselulosa, dan (c) biomasa dan bahan metabolis dari mikrobia (microbial

biomass ) dan bahan residu recalcitrant lainnya (Blair et al., 1995).

Fraksi labil berperanan sangat penting dalam mempertahankan kesuburan

tanah yaitu sebagai sumber hara tanaman karena komposisi kimia bahan asalnya

dan tingkat dekomposisinya yang cepat. Karbon labil meliputi cadangan yang

lebih besar dibandingkan dengan biomasa mikroba itu sendiri, dan ditemukan

pada sampel tanah pada bagian dalam profil tanah bersifat mobil dan

bertanggungjawab dalam proses denitrifikasi dan methonogenesis (Blair et al.,

1995). Karbon labil menentukan ada tidaknya perubahan tingkat kelabilan karbon

tanah yang diduga dengan waktu paruh, yang menjadi salah satu pengukur

keberlanjutan sistem pertanian (Blair et al., 1995).

Terkait dengan perubahan yang terjadi di dalam tanah akibat pengelolaan

lahan, Sparling (1992) menyatakan bahwa dapat digunakan sebagai indikator yang

akurat adalah ukuran dan aktivitas mikroba. Pada proses aktivitas mikroba tanah,

karbon dan nitrogen hasil mikroba membantu proses seperti mineralisasi dan

immobilisasi yang secara nyata berpengaruh terhadap fungsi dan kesuburan tanah,

perubahan C global, dan siklus bahan organik tanah. Biomasa mikroba ini

digunakan sebagai bagian dari cadangan bahan organik tanah, dan menjadi

indikator penting bagi perubahan bahan organik dibanding kadar total karbon

organik, karena biomasa mikroba memiliki pengembalian relatif antara 1-2 tahun

18

(Blair et al., 1995). Indeks yang sesuai dan penakar penting untuk memonitoring

perubahan bahan organik tanah sebagai akibat dari pengelolaan lahan adalah

karbon mikroba (Cmic), dan mikroba quotient (Cmic/Corg). Mikroba quotion yaitu

karbon mikroba dibagi C-organik tanah (Sparling, 1992). Perubahan nilai mikroba

quotien mengindikasikan masukan bahan organik ke dalam tanah, seberapa

efesien bahan organik ditransformasikan menjadi C mikroba, kehilangan C dari

tanah, pengikatan C organik oleh fraksi mineral tanah (Sparling, 1992).

2.4 Sekuestrasi Karbon (C)

Sekuestrasi karbon (C) tanah adalah proses transformasi CO2 dari atmosfer

ke dalam tanah melalui sisa tanaman dan larutan organik lain, dan dalam bentuk

yang tidak segera terlepaskan (Sundermeier et al., 2004; Lal, 2007). Selanjutnya

juga dijelaskan bahwa transfer atau sekuestrasi C tersebut membantu menurunkan

emisi yang berasal dari pembakaran bahan minyak dari fosil dan aktivitas

pelepasan karbon dengan cara lain, sehingga meningkatkan kualitas tanah dan

produktifitas tanaman dalam waktu yang panjang (Sundermeier et al., 2004).

Penelitian telah banyak dilakukan untuk memperkirakan potensi mitigasi

rata-rata tahunan, menghitung perubahan emisi dari semua gas rumah kaca (GRK)

dari praktek-praktek pertanian di zona iklim yang berbeda (hangat-kering, hangat-

lembab, dingin-kering, dingin-lembab). Praktek tanam terbaik, menggabungkan

perbaikan agronomi, nutrisi, pengolahan dan manajemen residu diperkirakan

memiliki potensi mitigasi gas rumah kaca tahunan rata-rata 0,29 t C (atau 1,07 t

CO2-eq.) ha-1

tahun-1

dalam iklim hangat-kering dan 0,63 t C (atau 2,32 t CO2-eq.)

ha-1

tahun-1

dalam iklim hangat-lembab. Perlu dicatat bahwa kisaran mitigasi gas

19

rumah kaca yang sangat besar (0,25-0,88 dan 0,26-1,30 t C ha-1

tahun-1

untuk

masing-masing iklim hangat-kering dan hangat-lembab). Rentang nilai yang

diamati mungkin karena faktor-faktor perbedaan awal tingkat karbon organik

tanah, periode waktu dan produktivitas lokasi. Iklim hangat-kering diperkirakan

akan mewakili tingkat potensi mitigasi gas rumah kaca untuk pedalaman New

South Wales, sementara daerah yang mempunyai iklim basah diperkirakan akan

mewakili potensi untuk area tanaman pesisir New South Wales (Smith et al.,

2008).

Perubahan penggunaan lahan dari pertanaman untuk regenerasi vegetasi asli

diperkirakan memiliki potensi mitigasi gas rumah kaca tahunan rata-rata 3,93 dan

5,36 t CO2-eq. ha-1

tahun-1

di daerah iklim panas. Potensi gas rumah kaca tahunan

tertinggi 70,18 t CO2-eq. ha-1

tahun-1

dikaitkan dengan pemulihan tanah organik

(tanah gambut) dengan meningkatkan muka air (Smith et al., 2008). Oleh karena

itu perubahan lahan dengan kehutanan atau lahan basah di daerah pesisir mungkin

memiliki potensi mitigasi gas rumah kaca lebih besar dari penerapan praktek

tanam terbaik. Namun, ini akan mengakibatkan hilangnya daerah penghasil

pangan yang aman.

Karbon adalah unsur terbanyak yang terkandung di dalam bahan organik

dengan konsentrasi sekitar 57 % (Sundermeier et al., 2004). Tanaman dan

mikroorganisme fotosintetik menghasilkan senyawa organik dari konversi CO2

dengan bantuan sinar matahari dari atmosfer serta air dan unsur hara di dalam

tanah melalui proses fotosinthesis. Dekomposisi serasah organik dari tanaman,

hewan dan organisme tanah kemudian didekomposisi menjadi bahan organik

20

tanah. Bahan organik di dalam tanah merupakan salah satu simpanan terbesar

bahan organik di daratan. Jumlah bahan organik yang disimpan di dalam tanah

merupakan hasil dari kesetimbangan dari laju input dengan mineralisasi dan

kehilangan bahan organik dari setiap bentuk cadangan bahan organik yang

terdapat di dalam tanah (Post dan Kwon, 2006; FAO, 2009).

Simpanan bahan organik di dalam tanah juga berasal dari bahan organik

yang ditambahkan dalam bentuk pupuk atau mulsa organik ke dalam tanah. Jenis

bahan organik yang umumnya terdapat di dalam tanah sawah adalah serasah

organik (jerami padi dan sisa-sisa panen jenis tanaman palawija), pupuk organik

(pupuk kandang dan pupuk hijau), dan biomasa mikroalga yang hidup di

permukaan lahan sawah.

Tanah juga berperan sebagai penyimpan CO2. Steinfeld et al. (2006)

menyebutkan, bahwa jumlah CO2 yang tersimpan di dalam tanah diperkirakan

sebesar 1100-1600 M ton atau 2 kali lebih banyak dibandingkan karbon yang

terdapat di dalam vegetasi dan atmosfer. Aktivitas antropogenik terutama

pertanian menyebabkan penurunan drastis kandungan C dalam tanah. Komite

Ilmuwan Lingkungan menduga 50 % C-tanah di Great Plains Amerika Utara

hilang sepanjang abad yang lalu karena pembakaran, erosi, panen,

penggembalaan, atau karena dipaparkan langsung terhadap udara misalnya

dengan pengolahan tanah (Steinfeld et al., 2006). Kurang lebih 18 juta ton CO2

berasal dari budidaya jagung, kedelai, dan gandum pakan ternak pada lahan seluas

1,8 juta km2 untuk meningkatkan produksi daging, telur dan susu.

21

Emisi gas rumah kaca meningkat tajam akibat aktivitas manusia.

Peningkatan gas rumah kaca sejak masa pra-industri adalah sebesar 70% antara

tahun 1970 dan 2004. Karbon dioksida merupakan gas rumah kaca antropogenik

yang paling penting. Emisi tahunan CO2 meningkat sebesar 80 % sejak tahun

1970 sampai tahun 2004 (IPCC, 2007a).

Kenaikan konsentrasi CO2 atmosfer dapat meningkatkan produksi

tanaman melalui fotosintesis dan menurunkan jumlah air yang hilang melalui

respirasi. Pemupukan CO2 ini sangat menguntungkan bagi tanaman C3, seperti

padi, gandum, kedelai, leguminose dan sebagian besar pohon, sedangkan

pengaruhnya tidak terlalu besar terhadap tanaman C4 seperti jagung, millet,

sorghum, tebu dan kelompok rumput-rumputan (Adams et al., 1990). Analisis

yang dilakukan oleh (IPCC, 2007b, Zhai dan Zhuang, 2009) menunjukkan

kemungkinan peningkatan hasil pertanian sebesar 10 – 25 % untuk tanaman C3

dan 0 – 10 % untuk tanaman C4 apabila konsentrasi CO2 mencapai 550 ppm.

Gas methan (CH4) merupakan gas rumah kaca antropogenik terpenting

kedua setelah karbon dioksida (CO2) di dalam atmosfer, dan 25 kali lebih tinggi

sebagai penyebab pemanasan global daripada CO2 dalam waktu 100 tahun (IPCC,

2007). Konsentrasi CH4 atmosfer global meningkat dari 715 ppb (in 1.750 to

1.745 ppb) pada tahun 1998, dan menjadi 1.774 ppb tahun 2005 (IPPC, 2007).

Lahan sawah telah dianggap sebagai sebuah sumber penting CH4 atmosfer. Emisi

CH4 global atmosfer dari lahan sawah diperkirakan menjadi 25,6 Tg CH4 tahun-1

(Yan et al., 2009), dihitung sekitar 4 % dari total emisi CH4 global (IPCC, 2007b).

22

Pengelolaan tanah memberi kontribusi yang sangat besar bagi simpanan

karbon dunia, sebab kapasitas lahan pertanian dan tanah terdegradasi dalam

mengikat karbon mencapai 50-60% dari kehilangan karbon yang mencapai 42 –

72 Pg (1 Pg = 1015

g C) (Lal, 2004a). Simpanan karbon tanah akan menambat

CO2 atmosfer pada kantong dalam jangka waktu lama dan tidak mudah

diemisikan kembali ke atmosfer. Praktek pengelolaan tanah yang meningkatkan

simpanan karbon organik tanah melalui penambahan biomasa dalam jumlah besar

ke dalam tanah mengurangi kerusakan tanah, menjaga tanah dan air,

meningkatkan struktur tanah, memacu aktivitas dan keragaman spesies fauna

tanah, dan mendorong mekanisme siklus unsur hara tanah (Lal, 2004a).

2.5 Sekuestrasi-C pada Kedalaman Tanah Berbeda

Banyaknya karbon organik tanah pada lapisan tanah yang lebih dalam

merupakan fraksi terpenting bagi sekuestrasi-C jangka panjang. Berbeda dengan

karbon organik tanah dalam tanah permukaan (topsoil), yang sering mengalami

dekomposisi cepat oleh meningkatnya aktivitas mikroba dekat permukaan tanah

dan fluktuasi suhu tanah serta kadar air yang tinggi, karbon organik tanah dalam

subsoil terlindung di dalam agregat tanah dan mempunyai laju pelapukan yang

rendah (Lorenz dan Lal, 2005). Hasil penelitian Poirier et al. (2009) di Quebec,

Canada juga menunjukkan bahwa akumulasi karbon (C) lebih tinggi pada lapisan

di bawah permukaan tanah.

Di Australia ditemukan bahwa potensi penyimpanan karbon (C) adalah

terbatas pada lapisan 0-10 cm dan akan berkurang sejalan dengan waktu. Secara

umum, tanah diestimasi mengandung 1500 Pg karbon sampai kedalaman 1 m,

23

yaitu dua kali lipat jumlahnya di atmosfir. Tingginya kadar C tersebut disebabkan

oleh produksi biomasa yang tinggi (di atas dan dibawah tanah), serasah dan

akhirnya tingginya residu organik yang dikembalikan ke dalam tanah, dan juga

meningkatkan agregasi tanah yang melindungi senyawa karbon dari dekomposisi

yang cepat (Conant et al., 2001; Lu et al., 2011; Six et al., 2000). Akumulasi

karbon dapat meningkat pada lapisan tanah 0-10 cm, tetapi juga dapat cepat

menurun karena mudah terdekomposisi (Sanderman et al., 2010).

2.6 Evaluasi Kualitas Tanah (Soil quality rating) dan Sustainability Index

Berbagai batasan atau definisi tentang kualitas tanah telah dijelaskan oleh

beberapa peneliti. Doran dan Parkin (1994) mendefinisikan kualitas tanah sebagai

kemampuan kapasitas tanah dalam menjalankan fungsinya pada ekosistem untuk

mendukung produktivitas biologi yang berkelanjutan dan menjaga kualitas

lingkungan serta menunjang kesehatan tanaman dan ternak. Kualitas tanah yang

baik (high soil quality) berhubungan dengan penggunaan air yang efisien, mitigasi

emisi gas rumah kaca, dan peningkatan produksi pertanian (Lal 1994). Kualitas

tanah tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dapat melalui indikator-indikator

tanah statis atau dinamis (SQIs) atau atribut-atribut tanah yang terukur yang

umumnya dipengaruhi oleh penggunaan lahan dan pengelolaan tanah (Sanchez-

Maranon et al., 2002, Seybold et al., 1997, Shukla et al., 2006).

Perubahan-perubahan kualitas tanah sepanjang waktu awalnya diusulkan

oleh Larson dan Pierce (1991) yang awalnya dikuantifikasi dengan persamaan:

Q=f (q1…n) atau kualitas tanah (Q) sebagai fungsi dari atribut-atribut kualitas

tanah, ternyata sukar didefinisikan dan dijelaskan pada semua atribut-atribut tanah

24

karena beragamnya jenis tanah, iklim, lingkungan dan tanaman serta sistem

pertanaman (Crops and cropping systems). Oleh karena itu Larson dan Pierce

(1991) kemudian mengusulkan bahwa sebuah set data minimum (a Minimum

Data Set) (MDS) dapat dirancang untuk memonitor perubahan-perubahan dalam

kualitas tanah (Larson dan Pierce, 1994).

Salah satu aspek penting dalam suatu MDS adalah melibatkan atribut-

atribut tanah yang dapat diukur secara kuantitatif dalam jangka waktu singkat

sehingga bermanfaat bagi pengambilan keputusan dalam pengelolaan lahan

(Larson dan Pierce, 1994: Lal, 1994). Critical limits (CR) diusulkan oleh Lal

(1994) bagi sifat-sifat fisik dan kimia tanah untuk ekositem tropika dilengkapi

dengan sifat biologis tanah oleh Chen (1999), Kinyangi (2007) serta Ikemura dan

Shukla (2009). Relative weighing factors (RWF), didasarkan atas kehilangan

produktivitas pada level indikator tanah bersangkutan.

Indeks atau koeficien sustainability (Indices or coefficients of

sustainability) didefinisikan dalam bentuk tren produktivitas sepanjang waktu per

unit input atau penggunaan sumberdaya yang paling terbatas atau kritikal

(productivity trends over time per unit input or use of the most limiting or critical

resource). Indeks keberlanjutan (sustainability index) yang relevan adalah yang

dapat memberikan suatu pengukuran tren produktivitas dan indikator kualitas

tanah sepanjang waktu secara kuantitatif. Dalam hubungan dengan keberlanjutan

(sustainability) dalam pengelolaan lahan, RWF dan CR dapat menunjukkan

tingkat atau level keberlanjutan lahan (Ikemura dan Shukla, 2009).

25

2.7 Peranan Karbon Organik dalam Kualitas Tanah

Pertanian organik sangat tergantung kepada proses transformasi hara,

maka kualitas tanah adalah faktor penting bagi produksi (Reganold, 1993).

Dalam pertanian, kualitas tanah diartikan sebagai kemampuan tanah untuk

mendukung produksi secara berkelanjutan (Lal, 1994).

Kualitas tanah memiliki pengaruh nyata terhadap kesehatan dan

produktivitas bagi ekosistem dan lingkungan. Proses penting yang dipengaruhi

oleh kualitas tanah adalah pergerakan air, hara dan pasokan serta

pendistribusiannya bagi tanaman, seperti pertumbuhan akar, memelihara habitat

biotis yang sesuai dan respon terhadap praktek pengelolaan. Kualitas tanah

berhubungan erat dengan penggunaan air yang efesien, hara dan pestisida,

meningkatkan kualitas tanah dan air, mitigasi emisi gas rumah kaca, dan

meningkatkan produksi tanaman (Lal et al., 1998).

Karbon organik tanah merupakan indikator kunci dari kualitas tanah dalam

sistem pertanian berkelanjutan karena bersifat sangat reaktif dan mengendalikan

berbagai fungsi penting dalam tanah yang berpengaruh terhadap kualitas fisik dan

produktivitas tanah (Komatsuzaki dan Ohta, 2007; Blair et al., 1995). Bahan

organik tanah yang meliputi berbagai senyawa karbon berasal dari tanaman,

mikroba, dan organisme lain membantu menjaga kesuburan tanah dan berperan

dalam siklus biologi, air dan hara.

Bahan organik tanah meningkatkan kapasitas tanah memegang air

khususnya pada tanah-tanah bertekstur kasar (Cresser et al., 1993), membentuk

struktur tanah dengan membantu agregasi tanah, menyediakan hara esensial bagi

26

tanaman meliputi N dan S; dan sumber makanan dan energi bagi mikroorganisme

yang berperan penting dalam berbagai proses biokimia di dalam tanah seperti

amonifikasi, nitrifikasi, fiksasi N.

Terjadinya kehilangan karbon organik tanah akibat pengolahan tanah

terutama tampak pada fraksi C labil (Blair et al., 1995; Komatsuzaki, 2007), yang

berperan sangat penting dalam menyediakan hara bagi tanaman. Fraksi C labil

merupakan unsur perubah kesuburan tanah yang penting sehingga potensial

digunakan sebagai indikator kualitas tanah. Indikator penting bahan organik tanah

lainnya adalah biomasa mikroba tanah (Sparling 1992; Blair et al., 1995), karena

biomasa mikrobia sangat berperan dalam mempertahankan status bahan organik

tanah yang berfungsi sebagai source dan sink bagi ketersediaan hara karena

memiliki turnover yang relatif singkat yaitu antara 1-2 tahun (Sparling, 1992).

Oleh sebab itu, biomasa mikroba ini dapat digunakan untuk mendeteksi

perubahan kondisi tanah serta arah perubahannya yang kemungkinan berjalan

perlahan pada total bahan organik (Sparling, 1992).

2.8 Sistem Pertanian Organik dan Konvensional

Dalam rangka memenuhi kebutuhan pangan di Indonesia, penerapan

teknologi revolusi hijau mampu memberikan dampak positif terhadap peningkatan

produksi pangan nasional. Sesungguhnya melalui penerapan teknologi revolusi

hijau yang pada dasarnya ditujukan untuk memenuhi kebutuhan permintaan

produk pertanian yang semakin meningkat, di dalamnya terkandung sistem

pertanian konvensional (Cong Tu el al., 2006). Dengan penerapan teknologi

revolusi hijau yang ditandai oleh introduksi varietas unggul yang memiliki respon

27

tinggi terhadap pemupukan dan irigasi, Indonesia berhasil meraih swasembada

beras tahun 1984. Selanjutnya disadari bahwa penerapan revolusi hijau memiliki

beberapa dampak negatif, antara lain terdapat kecenderungan penggunaan input

yang tinggi, terutama pupuk dan pestisida. Penggunaan kedua input tersebut

ternyata telah mencemari sumber daya lahan, tanah dan lingkungan. Berdasarkan

pengalaman penerapan revolusi hijau tersebut, maka pembangunan pertanian ke

depan diperlukan reorientasi pendekatan, terutaman dalam pengembangan sistem

produksi padi dan tanaman pangan umumnya. Salah satu di antaranya adalah

dengan cara kembali menerapkan sistem pertanian organik yang sudah dikenal

dan dilaksanakan sejak jaman dulu kala oleh petani.

Terkait dengan pengertian dan persepsi berbagai pihak tentang pertanian

organik masih cukup beragam. Banyak batasan yang dikemukakan, namun secara

sederhana pertanian organik adalah cara dan sistem budidaya pertanaman yang

hanya atau mengutamakan menggunakan bahan-bahan alami (organik) dan tidak

menggunakan atau membatasi penggunakan input kimia (anorganik) berupa

pupuk dan pestisida (Irsal et al., 2006). Selanjutnya dikemukakan pula bahwa

paling tidak terdapat dua alasan yang melatarbelakangi pengembangan pertanian

organik di Indonesia, yang pertama adalah keprihatinan berbagai kalangan, baik

kalangan nasional maupun internasional terhadap keamanan pangan, kondisi

lingkungan, kesehatan, dan kesejahteraan petani, sedangkan yang kedua adalah

terjadinya degradasi fisik dan kimia sebagian lahan, terutama lahan sawah.

Konsep pertanian organik yang dikemukakan Lotter et al. (2003) yaitu

memanfaatkan proses alami di dalam lingkungan untuk mendukung produktivitas

28

pertanian. Berbagai komponen yang digunakan dalam sistem tersebut antara lain

menggunakan jenis tamanan legume untuk mengikat nitrogen ke dalam tanah,

untuk menanggulangi hama dan penyakit tanaman digunakan predator, untuk

mengembalikan kondisi tanah dan mencegah terjadinya penumpukan hama

digunakan sistem rotasi tanaman. Demikian pula dalam mengendalikan hama dan

penyakit dapat dimanfaatkan mulsa, sedangkan dalam pengembalian kondisi

tanah dapat digunakan bahan alami sebagai bahan pupuk dan pestisida.

Aplikasi pertanian organik memiliki standar baik yang berlaku secara

nasional maupun internasional. Oleh karena itu produk pertanian organik

dilengkapi dengan sertifikat organik yang menandakan bahwa produk pertanian

tersebut diproduksi melalui proses yang mengikuti standar operasional baku

pertanian organik (Scow et al., 1994). Pada kenyataanya untuk beralih dari

pertanian konvensional menjadi pertanian organik diperlukan waktu beberapa

tahun. Sistem pertanian organik akan diawasi secara terus menerus oleh lembaga

sertifikasi (Steven et al., 1994). Hal ini ditujukan untuk menjamin bahwa produksi

yang dihasilkan dapat dipertahankan kualitasnya. Produk dari sistem pertanian

organik memiliki harga jauh lebih mahal daripada produk sistem konvensional

(Lotter, 2003). Kenyataan tersebut juga berlaku untuk produk pertanian organik di

tingkat petani maupun di pedagang/distributor.

Pertanian konvensional merupakan sistem pertanian yang ditujukan untuk

memperoleh produksi pertanian secara maksimal, dimana dalam sistem pertanian

ini digunakan teknologi modern, yang tidak memperhitungkan keamanan pangan

dan pencemaran lingkungan (Seufert et al., 2012). Dijelaskan pula bahwa pada

29

pertanian konvensional penggunaan bahan agrokimia seperti pupuk anorganik,

pestisida sintesis dan zat perangsang tumbuh, organisme hasil rekayasa genetika,

dan sistem manajemen penanggulangan hama secara terpadu merupakan teknologi

budidaya pertanian yang umum dijumpai pada sistem pertanian tersebut. Kegiatan

sistem pertanian konvensional yang tidak terkontrol dengan baik akan

mempercepat terjadinya degradasi lahan yang pada gilirannya juga akan

mengakibatkan terjadinya penurunan produksi.

Pertanian konvensional telah bekerja dalam sistem pangan global untuk

memenuhi pangan masyarakat perkotaan di dunia melalui kehadiran praktek

pertanian secara menyeluruh untuk menjadi apa yang sekarang dikenal sebagai

industri pertanian (Fraser et al., 2005). Pertanian intensif yang menjadi ciri khas

pertanian konvensional menggunakan jumlah tenaga kerja dan bahan kimia per

satuan luas yang lebih tinggi daripada praktek pertanian lainnya. Namun, bentuk

pertanian konvensional dan penggunaan mekanik pertanian yang intensif ini

membutuhkan energi sangat tinggi yang membutuhkan bahan bakar fosil untuk

menyalakan mesin yang memungkinkan untuk usaha pertanian dalam skala besar

(Pimentel et al., 1973; Pimentel et al., 2005). Selanjutnya Crews dan Peoples

(2004) juga mengemukakan bahwa salah satu definisi pertanian konvensional

adalah penggunaan tenaga kerja dalam pengunaan pupuk konvensional. Pupuk

konvensional diterapkan dalam berbagai standar rasio NPK untuk aplikasi pada

tanaman. Aplikasi pupuk ke tanah menyediakan nutrisi baru secara efektif

menghilangkan pertimbangan strategi jangka panjang untuk mempertahankan dan

mengisi hara tanah dan karbon organik tanah. Pemupukan juga merupakan salah

30

satu perhatian utama yang harus dipertimbangkan pada pertanian konvensional.

Emisi metana dan dinitrogen oksida masing-masing merupakan emisi GRK paling

penting kedua dan ketiga setelah karbon dioksida (IPCC, 2007c), dan emisi

tersebut dari bidang pertanian telah sangat meningkat dengan aplikasi pupuk

berbasis amonium. Masalah lingkungan yang muncul dari penggunaan pupuk

konvensional menyoritas pemisahan antara industri pertanian intensif dan

merawat proses ekosistem alami. Misalnya, pupuk konvensional digunakan untuk

memberikan jumlah nutrisi yang melimpah dalam bentuk biokimia yang tersedia,

tetapi skala di mana pupuk diterapkan ditambah dengan siklus air alami telah

menyebabkan muatan nutrisi melalui limpasan yang masuk ke dalam sistem air

(Goetz dan Zilberman, 2000).

2.9 Kombinasi Pupuk Organik dan Anorganik pada Padi Sawah

Hasil studi tentang kombinasi pupuk organik dan anorganik yang

dilakukan di Cina menunjukkan suatu efek “win-win” penggunaan pupuk

kombinasi tersebut terhadap akumulasi karbon organik tanah dan produktivitas

tanaman padi di lapangan melalui peningkatan efisiensi N yang dimungkinkan

oleh meningkatnya aktivitas mikroba. Kombinasi pupuk tersebut yang dikelola

dengan baik, meningkatkan simpanan C dalam tanah dan juga mengurangi emisi

dari penggunaan pupuk N, yang akhirnya berkontribusi pada tingginya

produktivitas tanaman pertanian (Pan et al., 2006).

Aktivitas mikroba ternyata lebih tinggi pada penggunaan kombinasi

pupuk. Efisiensi penggunaan N juga lebih tinggi pada penggunaan kombinasi

pupuk (12,6% dan 39,0% masing-masing pada perlakuan pupuk kimia+pupuk

31

kandang dan pupuk kimia+ jerami padi) dibandingkan pada penggunaan pupuk

anorganik saja. Pupuk kimia yang digunakan adalah 427,5 kg N, 45 kg P2O5 dan

54 kg K2O ha-1 .

Ini berarti bahwa pupuk N anorganik lebih sedikit diperlukan

untuk menghasilkan produksi padi yang sama, sehingga secara potensial juga

menekan emisi C yang berasal dari pabrik pupuk (Pan et al., 2006).

Hasil penelitian yang dilaporkan oleh Dekhane et al. (2014) bahwa

kombinasi perlakuan pupuk anorganik dan organik yang dilakukan pada padi

sawah varietas GR 11, yang antara lain dengan perlakuan (tanpa pupuk, 50% N

RDF + 50% N vermikompos, 75% RD NPK + 25% vermikompos) dari dosis

pupuk yang direkomendasikan. Perlakuan kombinasi pupuk (50% N RDF + 50%

N vermikompos) memberikan pertumbuhan padi hasil yang lebih tinggi daripada

semua perlakukan lainnya. Hasil gabah dan jerami yang dihasilkan pada

perlakuan kombinasi pupuk (50% N RDF + 50 % N vermikompos) masing-

masing 4,97 t ha-1

dan 5,77 t ha-1

, sedangkan pada tanpa pemupukan hanya

dihasilkan masing-masing 2,76 t ha-1

dan 3,53 t ha-1

. Pada perlakuan kombinasi

pupuk (75% RD NPK + 25% vermikompos) mampu menghasilkan jerami dan

gabah masing-masing 4,23 t ha-1

dan 5,15 t ha-1

. Bila dibandingkan dengan tanpa

pemupukan, maka berarti bahwa perlakuan kombinasi pupuk (50% N RDF +

50% N vermikompos) menghasilkan peningkatan produksi jerami dan hasil gabah

masing-masing sebanyak 80,01 % dan 40,51 %, sedangkan bila dibandingkan

dengan perlakuan kombinasi pupuk (75% RD NPK + 25% vermikompos) dapat

meningkatkan produksi dan hasil gabah masing-masing sebesar 53,27 % dan

29,29 %.