III. KOLOID TANAH DAN PERTUKARAN ION
3.3. Larutan Tanah ( Soil Solution )
3.3.2. Efisiensi pertukaran kation-kation dalam tanah
Efisiensi pertukaran kation-kation dalam tanah sangat ditentukan oleh beberapa faktor :
1. Kepekatan ion atau hukum aksi massa. Semakin tinggi kepekatan suatu kation dalam tanah maka pertukaran semakin cepat.
2. Aktivitas ion yang ditentukan oleh hidrasi ionnya, semakin besar ukuran ion terhidrasi semakin rendah aktivitas dari pergerakannya. Ukuran aktivitas ion yang berhidrasi menurut seri Ostwald yakni :
Sr2+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > Rb+ > H+ > K+ > NH4+ > Na+ > Li+
Aktivitas ion merupakan pernyataan kekuatan ion dalam larutan tanah (Khasawneh, 1971). Aktivitas ion ada hubunganya dengan kecepatan penyerapan ion. Aktivitas ion akan berbanding lurus dengan koefisien aktivitas dan konsentrasi ion.
∂I = fi x Ci, fi (koef. Aktivitas), CI (konsentrasi ion)
Gambar 3.1. Hubungan Aktifitas Ion dengan Kecepatan Penjerapan K ec . P enyera pa n
Aktivitas Ion (ai)
-log γ = A(Zi2) (µ)1/2 / I + B di (µ)1/2, A dan B konstanta temperatur
Bila ai meningkat maka penyerapan meningkat, tetapi tidak selamanya pertumbuhan tanaman meningkat, karena ada faktor-faktor yang mempengaruhi penyerapan ion
63
3. Jenis dari mineral liat. Urutan kemudahan tukar pada mineral liat sbb : a. Montmorilonit : Ca2+ > Mg2+ > H+ > K+ > Na+
b. Kaolinit : Ca2+ > Mg2+ > K+ > H+> Na+ c. Mika : H+ > K+ > Ca2+ > Mg2+ > Na+
Pertukaran kation adalah reaksi yang paling penting dan selalu terjadi dalam tanah terutama dalam penyediaan dan kehilangan hara tanaman. Contoh bentuk paling sederhana pertukaran kation :
Ca + 2NH4+ (NH4)2 + Ca2+
Contoh diatas menggambarkan reaksi kesetimbangan pada pertukaran kation Ca2+ yang dijerap dengan NH4+ dari larutan tanah atau dari kelarutan pupuk. Bila karena sesuatu sebab, jumlah ion NH4+ dari dalam larutan berkurang atau Ca2+ dalam larutan bertambah maka kesetimbangan beralih ke kiri.
Pada keadaan alami jenis kation yang dijerap beragam dan dalam larutan tanah pun terdapat bermacam-macam asam hingga suatu pertukaran kation dapat dilukiskan :
Ca40 Ca38
Al20 Al20
H20 H25
M20 M19
Dalam hal ini M adalah kation lain selain Ca2+ dan H+. Nilai indeks kation adalah jumlah kation dijerap dan M adalah kation lain yang dijerap. Reaksi cenderung berlangsung ke kanan karena dalam larutan tanah terdapat asam karbonat yang dengan kation-kation terjerap membentuk garam-garam bikarbonat. Garam ini dapat larut dalam air dan terlindih ke lapisan yang lebih dalam atau terangkut air ke tempat yang lebih rendah. Kalsium cepat
Misel Misel Partikel tanah Larutan tanah Partikel tanah Larutan tanah Misel + H2CO3 Misel + Ca(HCO3)2 + M(HCO3)
64
terlindih, sedangkan ion Mg2+ , K+ , Na2+ terlindih juga, tetapi dengan kecepatan lebih lambat. Dengan demikian terjadi pelepasan atau perlindihan kation dari misel di daerah basah (humida) atau pemiskinan kation-kation yang menjurus kepada pembentukan liat jenuh ion H+ atau liat masam.
Hx Caz
+ Z Ca2+ Hx + 2 z H+
My My
Tanah yang diberi kapur umumnya adalah tanah yang banyak menjerap ion H+ selain kation-kation lain. Bila di kapur maka ion H+ akan ditukar dengan ion Ca2+. Sebelum tercapai kesetimbangan maka reaksi ke kanan terjadi. Pada contoh tersebut ion H+ dijerap masih bersisa setelah kesetimbangan tercapai.
Pada pemberian pupuk KCl akan terjadi reaksi :
Pada reaksi itu ion K+ akan menggantikan kation-kation pada misel dan kation tersebut dengan Cl- membentuk garam-garam larut yang mungkin dapat diserap tanaman atau hilang terlindih. Ion-ion K+ akan dijerap, untuk sementara akan terhindar dari pelindihan sampai akhirnya ditukarkan lagi dengan kation lain dan langsung atau setelah menjadi ion-ion dalam larutan tanah diserap tanaman. Dengan demikian maka pemupukan akan lebih mangkus bila tidak terjadi reaksi pertukaran.
1. Kapasitas Tukar Kation (KTK = Cation Exchange Capacity) Misel
Misel
65
Kapasitas tukar kation (KTK) suatu tanah dapat didefinisikan sebagai suatu kemampuan koloid tanah menjerap dan mempertukarkan kation. Kemampuan ini dapat dinyatakan dalam miliekuivalen per 100 gram tanah. Suatu miliekuivalen atau satu mili setara adalah asa dengan satu miligram hidrogen atau sejumlah ion lain yang dapat bereaksi atau menggantikan ion hidrogen tersebut pada misel. Walaupun demikian kadang-kadang USDA bagian survei tanah menggunakan sebagai me/100 g liat. Akan tetapi pada umumnya penentuan KTK adalah untuk semua kation yang dapat dipertukarkan, sehingga KTK = jumlah atau total mili ekuivalen kation yang dapat dipertukarkan per 100 gram tanah (Tan, 1982). Menurut Bolt et al., (1976) dalam Tan (1982) bahwa batasan tersebut masih memerlukan sedikit pembetulan, karena jerapan kation yang sebenarnya tidak boleh diikuti oleh anion. Akan tetapi kadang-kadang ion bebas dapat mengikutsertakan anion dalam proses tersebut. Oleh karena itu untuk mendapatkan KTK yang tepat, maka ion-ion yang ikut serta harus dikurangi. Misalnya dalam penentuan kation dan anion yang dapat dipertukarkan didapat hasil sebagai berikut :
Kation, me/100g Anion,
me/100g Na+ = 5,0 Cl- = 0,8 K+ = 5,0 HCO3- = 0,2 Ca2+ = 10,0 Mg2+ = 10,0 Jumlah = 1,0 H+ = 5,0 Jumlah = 35,0
Kapasitas tukar kation menurut Bolt et al., (1976) adalah :
KTK = jumlah kation dapat dipertukarkan – jumlah anion dapat dipertukarkan.
66
Misalnya suatu tanah mempunyai kapasitas tukar kation 1 me/100g. Ini berarti bahwa tanah tersebut dapat menjerap 1 miligram hidrogen per 100 gram tanah, atau 1 me/100g. 1 mg H/100.000 mg = 10 ppm. Contoh lain adalah untuk ion Ca2+. Unsur ini mempunyai berat atom = 40. Setiap ion kalsium mempunyai dua muatan berarti setara dengan dua ion H+. Dengan demikian untuk menggantikan 1 mg H+ diperlukan 40/2 atau 20 mg Ca2+. Jadi jika suatu tanah sanggup menjerap 200 mg Ca2+ / 100g tanah, maka KTK-nya adalah 200/20 = 10 me/100g. Secara singkat dapat dikatakan bahwa berat ekuivalen adalah berat atom per valensi.
Nilai KTK tanah sangat beragam dan tergantung pada sifat dan ciri tanah itu sendiri. Besar kecilnya KTK tanah dipengaruhi oleh : (1) reaksi tanah, (2) tekstur atau jumlah liat, (3) jenis mineral liat, (4) bahan organik dan (5) pengapuran serta pemupukan. Pengaruh ini telah dibicarakan secara luas dalam Dasar-Dasar Ilmu Tanah (Nurhajati Hakim et al., 1986), tetapi secara singkat akan diuraikan pada Bab ini.
1. Tingkat Kemasaman Tanah / pH Tanah
Pada pH rendah hanya muatan tetap liat dan sebagian muatan koloid organik yang dapat mempertukarkan kation. Kebanyakan tempat pertukaran kation pada koloid organik dan beberapa fraksi liat mengikat H dan hidroksi-Al dengan kuat, sehingga sukar dipertukarkan. Dengan demikian KTK relatif rendah.
Dengan meningkatnya pH hidrogen yang diikat koloid organik dan liat, berionisasi dan dapat digantikan. Demikian pula ion hidroksi Al yang terjerap akan dilepaskan dan membentuk Al(OH)3. Dengan demikian terciptalah tapak-tapak pertukaran baru pada koloid liat. Seiring dengan perubahan itu maka KTK-pun meningkat. Sebagai gambaran hubungan antara besarnya KTK dengan pH tana, terlihat pada tabel berikut :
67
Tabel 3.4 Kapasitas Tukar Kation dan pH Beberapa Macam Tanah di North Carolina (Colleman dan Thomas, 1967)
Asal Tanah pH KTK-BaCl2-TEA (me/100g)
Iredell 6,3 23,7
Granville 4,8 19,1
Mayodan 4,9 16,0
Wadesboro 4,8 13,2
2. Tekstur Tanah atau Jumlah Liat
Dari berbagai pengamatan terhadap ciri tekstur tanah dapat dikatakan bahwa nilai KTK tanah berbanding lurus dengan jumlah liat. Dengan perkataan lain, semakin halus tekstur tanah semakin tinggi KTK-nya, demikian pula sebaliknya. Hal ini dapat dilihat dalam tabel dibawah ini yang menunjukan KTK pada beberapa tanah Indonesia dengan tekstur yang berbeda.
Tabel 3.5 Kapasitas Tukar Kation Beberapa Tanah Indonesia dengan Tekstur yang Berbeda (Soepardi, 1979).
Asal Tanah Kelas Tekstur KTK (me/100g)
Ciletuk Lempung Berdebu 8,1
Pengubuan Lempung Liat Berdebu 22,9
Rentang Barat Liat Berdebu 38,8
Clapan Sipedi Lempung Liat Berdebu 51,2
Dari tabel di atas ternyata pada tekstur yang sama masih terdapat perbedaan KTK-nya. Hal ini mungkin disebabkan oleh berbedanya kandungan bahan organik atau jenis mineral lainnya.
2. Jenis Mineral Liat
Secara rata-rata KTK berbagai jenis mineral liat disajikan dalam Tabel berikut :
Tabel 3.6 KTK Berbagai Jenis Mineral Liat
Mineral Liat dan Humus KTK (me/100g)
68
Montmorilonit 70-95
Illit 10-40
Kaolinit 3-15
Seskuioksida (SiO2) dan Al 2-4
Humus 200
Dengan demikian jelaslah bahwa tinggi rendahnya KTK suatu jenis tanah terutama disebabkan oleh perbedaan jenis mineral liat dan kadar yang dikandungnya.
3. Bahan Organik
Pengaruh bahan organik terhadap KTK tanah sangat nyata, karena daya jerap bahan organik sangat besar. Bahan organik juga dapat menghasilkan humus yang mempunyai KTK jauh lebih tinggi daripada mineral liat. Oleh karena itu, semakin tinggi kandungan bahan organik tanah semakin tinggi pula nilai KTK-nya. Ketentuan ini berlaku jika faktor-faktor lainnya relatif sama. Sebagai contoh pada Tabel diatas ditunjukkan bahwa KTK humus dapat mencapai 200 me/100g.
4. Pengapuran dan Pemupukan
Hubungan antara besar kecilnya KTK akibat pengapuran dan pemupukan berkaitan dengan perubahan pH tanah oleh pemberian kapur dan pupuk tersebut. Pada tanah-tanah yang bermuatan tergantung pH (pH dependent charge), seperti tanah yang kaya montmorilonit atau koloid organik, maka KTK akan meningkat dengan pengapuran. Di lain pihak pemberian pupuk tertentu akan dapat menurunkan pH tanah, sejalan dengan itu KTK-pun akan turun. Dengan demikian dapat dikatakan, bahwa pengaruh pengapuran dan pemupukan berkaitan dengan perubahan pH, yang selanjutnya mempengaruhi KTK tanah.
Besarnya KTK suatu tanah dapat ditentukan dengan menjenuhkan kompleks jerapan atau misel dengan kation tertentu. Misalnya misel
69
dijenuhkan dengan kation Ba2+ atau NH4+ yang bertujuan agar seluruh kation yang terjerap dapat digantikan oleh ion Ba2+ atau NH4+. Dengan menghitung jumlah Ba2+ atau NH4+ yang dapat menggantikan seluruh kation terjerap tadi, maka nilai tersebut adalah KTK tanah yang ditentukan.