Bab 3. Ketersediaan Hara dalam Tanah
3.3. Kapasitas Tukar Kation dan Persentase Kejenuhan Basa Pertukaran Kation
Jumlah kation dapat dipertukarkan permukaan koloid dinyatakan dalam mili-ekivalen per100 gram (me/100g) tanah, disebut kapasitas tukar kation (KTK). Parameter sifat fisiko-kimia ini menunjukkan potensi kesuburan tanah dalam menyediakan unsur hara. Pengukuran KTK digunakan sebagai petunjuk kasar tipe mineral liat; karena ia ditentukan oleh macam liat dan jumlah bahan organik tanah (Tabel 3.1). Makin tinggi mineral liat dan bahan organik, makin tinggi nilai KTK. Mekanisme pertukaran kation dalam tanah seperti disajikan dalam Gambar 3.1.
(www.soils.umn.edu/)
(www2.mcdaniel.edu)
Gambar 3.1. Mekanisme Pertukaran Kation dalam Larutan Tanah: ion Al3+ dan K+ bertukar tempat dengan ion Ca2+ dan Mg 2+ tempat di perrmukaan koloid tanah .
Variasi nilai KTK beberapa mineral liat dalam Tabel 3.1 disebabkan oleh perbedaan: (a) sifat-sifat permukaan liat tempat reaksi, (b) jumlah muatan listrik (substitusi isomorfik dan disosiasi ion H+), dan
(c) ukuran butir liat. Di bagian muka telah disinggung muatan bergantung pH liat dan bahan organik. Pada kebanyakan tanah, nilai kapasitas tukar kation berkaitan dengan pH tanah, jenis mineral liat dan bahan organik.
Di bawah pH 6.0, muatan liat tampak stabil, bersifat permanen dan berasal dari substitusi isomorfik. Di atas pH 6.0 terdapat muatan bergantung pH pada kisi-kisi patah. Muatan koloid organik selalu bergantung pada pH.
Tabel 3.1. KTK Mineral Liat dan Bahan Organik (Brady, 1974)
Mineral liat tipe KTK
(me/100 g) Kaolinit 1 : 1 5 - 15 Montmorilinit 2 : 1 80 - 150 Vermikulit 2 : 1 100 - 150 Illit 2 : 1 10 - 40 Haloisit 1 : 1 5 - 50 Bahan Organik - 100 - 300 Pertukaran anion
Beberapa unsur hara esensial diserap tanaman dalam bentuk anion, misalnya N, P, S, B, Mo, dan Cl berturut-turut sebagai NO3-, H2PO4-, HPO42-, dan PO43; SO42- dan SO32-; HBO3- dan BO32-; H2MoO4-, HMoO42-, MoO43- dan Cl-.
Umumnya komplek jerapan tanah bermuatan negatif (uraian terdahulu); karena itu anion tidak dapat dijerap pada permukaannya. Anion-anion dijerap bila komplek bermuatan positif; dijumpai pada komplek dengan muatan bergantung pH saat pH rendah. Jerapan anion
oleh seskuioksida terjadi melalui penggantian OH- pada Fe dan Al terhidrasi oleh anion-anion tersebut. Mekanis-menya sebagai berikut: (a) >Al - OH + H+ >Al - OH2+
pH tinggi pH rendah
>Al - OH2+ + H2PO4- >Al - OH2HPO4
>Al - OH2+ + NO3- >Al - OH2NO3
(b) >Al - OH2+ + H2PO4- >Al - H2PO4 + OH -terjadi pada pH rendah
Pada Oksisol atau Ultisol (Latosol atau Podzolik Merah Kuning), lapisan tanah bawah (sub soil) banyak mengandung seskuioksida; dengan demikian lapisan ini dapat menahan anion-anion seperti sulfat, fosfat, nitrat, borat, molibdat, atau khlorida sehingga terhindar dari pencucian. Bila pemupukan dosis tinggi dilakukan terus-menerus pada tanah semacam ini, maka penimbunan anion terjadi di lapisan bawah. Untuk pemanfaatannya diperlukan usaha pelepasan atau penambangan kembali (daur ulang). Beberapa kasus di lapangan menunjukkan kandungan sulfat rendah pada lapisan atas dan tanaman menampakkan gejala kekahatan S. Tetapi, begitu akar tanaman mencapai lapisan bawah, gejala hilang. Hal seperti ini dijumpai pula pada fosfat, sehingga diperlukan usaha untuk menambang kembali (daur ulang). Alternatif daur ulang misalnya melalui: (a) pengolahan dalam; (b) sistim perakaran intensif; (c) penggunaan senyawa pelepas fiksasi fosfat, misalnya silika dalam terak baja, atau (d) rekayasa biologi, misalnya inokulasi cendawan Mikoriza dan bakteri pelarut fosfat.
Prinsip Penetapan KTK
Sampel tanah diekstrak dalam pelarut Amonium Asetat (NH4Oac) hingga semua kation terjerap digantikan oleh ion NH4+. Kemudian diekstrak kembali menggunakan larutan KCl 1N, agar semua NH4+ diganti oleh K+. Ion NH4+ yang terlepas ditetapkan melalui analisis
N, dan jumlah setaranya menunjukkan nilai KTK tanah. Metode penetapan yang direkomendasikan untuk berbagai kondisi tanah adalah:
(a). Tanah-tanah dengan muatan beragam: Ekstraksi KCl 1N pada pH tanah tidak disangga, dengan catatan beberapa ion H+ dan Al3+ mungkin tidak terukur;
(b). Untuk tanah-tanah netral tidak berkapur dan bergaram: Ekstraksi NH4OAc disangga pada pH 7.0; dan
(c). Untuk tanah-tanah lain termasuk tanah salin dan salin bergaram, serta tanah mengandung Ca dan Mg karbonat: Ekstraksi NaOAC disangga pada pH 8.2.
Selanjutnya hasil ekstraksi dipakai untuk mengukur kation-kation dapat dipertukarkan secara individual. Nilai KTK pada tanah-tanah tidak mengandung sulfat tinggi dapat diukur menggunakan 0.5 M BaCl2/TEA disangga pada pH 8.2. Secara umum, kelas KTK lapisan tanah atas disajikan pada Tabel 3.2 (Landon, 1984).
Nilai KTK dapat dijadikan petunjuk kasar pendugaan jenis mineral liat, meskipun harus berhati-hati terutama bila tanah didominasi lebih dari satu jenis mineral liat atau hidroksida.
Jenis tanah kaya mineral kaolinit atau haloisit (tipe 1:1) miskin cadangan hara. Tanah lain bisa mempunyai KTK sama tetapi mengandung liat tipe 2:1 dengan cadangan hara lebih banyak. Karena KTK dan sifat kelembaban tergantung pada tekstur tanah, maka terdapat hubungan searah antara KTK dengan PKB, khususnya pada tanah dengan bahan induk dan latar belakang sejarah sama. Di samping itu, tanah dengan kandungan alofan dan/atau seskuioksida tinggi, mempunyai KTK sangat peka terhadap perubahan pH dan kepekatan kation tinggi.
Pada umumnya penetapan KTK dilakukan dengan menggunakan ekstraksi larutan garam disangga, misalnya: BaCl2 + TEA (pH 8.2), NH4OAc (pH 7.0).
Tipe-tipe liat dominan dan bahan organik dikaitkan dengan KTK disajikan dalam Tabel 3.3.
Tabel 3.2. Klasifikasi Umum Nilai KTK Lapisan Tanah Atas (Landon, 1984)
NILAI KTK KLASIFIKASI (me/100 g) >40 Sangat tinggi 25 - 40 Tinggi 15 - 25 Sedang 5 - 15 Rendah <5 Sangat rendah
Tabel 3.3. Nilai KTK Umum Dijumpai dalam Mineral Liat dan Bahan Organik (Landon, 1984)
Tipe lempeng liat Cadangan unsur Kisaran KTK pada pH 7.0
(me/100 gram liat) Kaolinit dan Beberapa unsur < 10 Haloisit 1:1
Ilit 2:1 Kalium 15 - 40
Montmorilonit 2:1 Umumnya Mg, K, Fe, dll. 80 - 100 Vernikulit 2:1 Umumnya Mg, K, Fe, dll. + 100
Bahan Organik + 200
Pengukuran KTK menggunakan garam disangga tidak dalam kondisi pH tanah aktual. Beberapa ahli berpendapat bahwa KTK sebaiknya ditetapkan dengan menggunakan garam tidak disangga agar diukur pada pH tanah aktual. Penentuan KTK tanah masam dengan NH4OAc 1N pH 7.0 menghasilkan nilai KTK tinggi karena sebagian NH4+
terjerap pada titik pertukaran bergantung pH. Ekstraksi menggunakan garam netral tanpa disangga tidak akan menghasilkan hal tersebut. Nilai
KTK termasuk ion Al3+ (dan juga H+) disebut KTK Efektif (KTKE), perlu ditetapkan pada tanah bereaksi masam.
Cara Penetapan KTK Efektif
Langkah-langkah penetapan KTK efektif adalah sebagai berikut: (1) Tanah diekstraksi dengan NH4OAC 1N mengeluarkan Ca, Mg, K
dan Na; dan
(2). Tanah diekstraksi dengan KCl 1N mangeluarkan ion Al3+ dan H+ (kemasaman dapat dipertukarkan). Jadi KTKE adalah jumlah ion (Ca2++ Mg2++ Na++K++Al3++H+) me/100 g.
Contoh nilai KTK efektif disajikan dalam Tabel 3.4.
Tabel 3.4. Nilai KTK Efektif Podzolik Merah Kuning Norfolk (Coleman et al., 1959) pH Aldd (Ca+Mg)dd KTK efektif ……… (me/100 g) ………..……….. 4.5 0.91 0.20 1.11 5.4 0.34 0.91 1.25 5.9 0.10 1.60 1.70
Persentase kejenuhan Basa (PKB)
Bila ion-ion dapat dipertukarkan dilihat hanya ion-ion basa, maka diperoleh nilai Kapasitas Pertukaran Basa (S) suatu tanah. Kejenuhan Basa (PKB) berbanding relatif dengan KTK; sehingga nilai S dapat dihitung dengan persamaan:
Nilai PKB berhubungan secara proporsional dengan basa-basa terjerap. Nilai PKB 80 persen berarti 4/5 bagian tempat pertukaran dijenuhi oleh basa-basa K, Ca, Mg, dan Na, serta 1/5 bagian oleh Al atau H. Beberapa jenis tanah pertanian ditentukan sifat dan proporsi relatif basa-basa tersebut. Seringkali diasumsikan bahwa untuk mencapai produksi optimal diperlukan tanah bereaksi netral. Berarti bahwa seluruh keasaman dinetralkan melalui penjenuhan tapak jerapan (adsorption sites) dengan unsur-unsur basa. Namun demikian, pada tanah-tanah masam ion aluminium dalam cairan tanah menjadi pembatas reaksi pertukaran. Oleh sebab itu, prinsip netralisasi kemasaman tanah berdasar pada jumlah ion Aldd banyak dianut. Pada prinsipnya, tanaman tumbuh normal meskipun pH di bawah 5.0 asalkan kejenuhan basa tinggi. Hal terakhir ini dijumpai pada tanah gambut (peat).
Di bagian depan telah disinggung bahwa PKB dapat digunakan mengevaluasi tingkat kesuburan tanah. Menurut klasifikasi FAO-Unesco (Landon, 1984), PKB ditetapkan menggunakan ekstraksi NH4OAc pada kedalaman tanah 20 hingga 50 cm mencirikan sifat kesuburan tanah.
Contoh:
>50 % : Tanah-tanah Eutrik, lebih subur <50 % : Tanah-tanah Distrik, kurang subur
Sebagai pegangan, kisaran nilai baku PKB suatu tanah adalah: rendah (<20 %); sedang (20-60 %), dan tinggi (>60 %). Kompleks jerapan tanah-tanah daerah kering (arid) umumnya didominasi unsur basa; sedang daerah basah (humid) sedikit unsur basa tetapi lebih banyak ion Al3+ serta H+. Pengertian tentang hal ini penting dalam mengevaluasi kesuburan tanah.
Terdapat hubungan erat antara PKB dengan pH, di mana nilai PKB menurun bila jumlah basa-basa berkurang dan berarti nilai pH menurun. Keadaan ini sesuai dengan kenyataan bahwa pencucian K, Ca, Mg, dan Na cenderung meningkatkan kemasaman tanah.
Istilah reaksi tanah berkaitan dengan reaksi yang terjadi dalam larutan tanah akibat pengaruh senyawa-senyawa asam atau basa. Asam atau basa adalah zat atau senyawa itu sendiri sedang masam atau alkalis merupakan sifat dari larutan yang didominasi oleh asam atau basa.
Asam menurut Robert Boyle (1663) dalam Krauskopf (1979), adalah suatu senyawa masam dan mempunyai kemampuan melarutkan banyak senyawa, mengubah warna lakmus, dan bereaksi dengan basa membentuk garam. Sedang menurut Arrhenius adalah senyawa mengandung hidrogen yang melepas ion-ion hidrogen bebas bila dilarutkan dalam air; dalam hal ini asam dicirikan oleh adanya ion hidrogen. Bronsted dan beberapa pakar lain menyatakan bahwa asam adalah molekul atau ion yang dapat memberikan ion H+ kepada molekul atau ion lain, atau dengan kata lain asam merupakan "donor proton". Penjabaran asam menurut Arrhenius:
HCl H+ + Cl -Sedang menurut Bronsted:
HCl + H2O H3O+ + Cl
-Basa adalah senyawa dalam larutan air menunjukkan rasa sabun, pahit, mampu menetralkan asam, dan mengubah warna lakmus kebalikan dari asam. Menurut Arrhenius semua basa dicirikan oleh adanya ion OH-, dan secara umum dapat digambarkan sebagai berikut:
Ca(OH)2 Ca2+ + 2 OH