© Hak cipta milik Erlan Nurcahya Putra, tahun 2012 Hak cipta dilindung
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.4. Model Ekosistem Laut
Odum (1971) menyatakan salah satu pendekatan yang digunakan dalam model ekosistem adalah pendekatan sistem kompartemen (the compartemental system approach) dimana pendekatan ini menegaskan kuantitas dari energi dan material di dalam kompartemen-kompartemen ekosistem. Pendekatan lain adalah pendekatan komponen-komponen eksperimen dimana pendekatan ini menegaskan analisis yang mendetail dari proses-proses ekologi seperti pemangsaan/predasi, persaingan/kompetisi, dan sebagainya.
Model ekosistem laut yang telah ada dan telah berkembang, di antaranya model ekosistem Kamamiya et al. (1995), Yanagi et al. (1997), Aita et al. (2003), Yamanaka et al. (2005), dan model ekosistem Koropitan et al. (2009). Model ekosistem Kawamiya et al. (1995) terdiri dari 6 kompartemen, yaitu fitoplankton (chl-), zooplankton (umum), nitrat (NO3), amonium (NH4), Particulate Organic Nitrogen (PON), dan Dissolved Organic Nitrogen (DON) serta memperhitungkan pengaruh oksigen terlarut (DO). Model ini diaplikasikan di perairan laut lepas. Model ekosistem Yanagi et al. (1997) terdiri dari 5
kompartemen, yaitu fitoplankton (Skeletonema sp.), zooplankton (kopepod), Dissolved Inorganic Nitrogen (DIN), Dissolved Inorganic Fosfor (DIP), dan detritus serta juga memperhitungkan pengaruh DO. Model ini diaplikasikan di perairan semi tertutup (Teluk Dokai, Jepang). Model ekosistem Aita et al. (2003) terdiri dari 11 kompartemen, yaitu fitoplankton kecil (kokolitofor), fitoplankton besar (diatom), zooplankton kecil (foraminifera), zooplankton besar (kopepod), zooplankton predator (krill/jellyfish), nitrat (NO3), amonium (NH4), silikat
(
4
model ekosistem yang diterapkan di perairan Pasifik Utara. Model ekosistem Yamanaka et al. (2005) terdiri dari 15 kompartemen. Model ini merupakan hasil modifikasi dari NEMURO dengan menambahkan total karbondioksida (TCO2), total alkalinitas (TALK), unsur kalsium (Ca), dan senyawa kalsium karbonat (CaCO3).
Selanjutnya model ekosistem Koropitan et al. (2009), membagi ekosistem numerik struktur trofik minimum menjadi enam kompartemen, yaitu nitrat (NO3), amonium (NH4), fitoplankton (F), zooplankton (Z), detritus pelagik (PD), dan detritus bentik (BD). Model ini diaplikasikan di perairan semi tertutup (Teluk Jakarta). Diagram konsep model ekosistem tersebut diilustrasikan pada Gambar 2. Secara umum model tersebut (Gambar 2.) menunjukkan aliran nitrogen yang mengalami proses transformasi di dalam tiap kompartemen ekosistem. Tanda panah disertai dengan simbol (huruf dan angka) mengandung informasi mengenai proses fisika (E5), biokimia (E1, E2, E4, E8, dan E9), predasi (E3), dan
alami/natural (E6 dan E7).
Simbol E1 adalah proses oksidasi amonium menjadi nitrat yang
melibatkan mikroorganisme kemosintetik seperti bakteri genus Nitrosomonas dan genus Nitrobacter dalam kondisi aerob (membutuhkan oksigen terlarut) atau dikenal dengan nitrifikasi. Persamaan reaksi kimia sederhana nitrifikasi diekspresikan sebagai berikut (Riley dan Chester, 1971) :
4 1.5 2 2 2 2
NH OH O HNO H O
dan
2 0.5 2 3
NO O NO
E1 E2 E7 E8 E9 E3 E6 E4 E5
Gambar 2. Diagram konsep model ekosistem (Koropitan et al., 2009). berikut (Koropitan et al., 2009) : 2 1 N 4 E R NH ………... (8) dimana 2 N
R adalah laju oksidasi amonium dan NH4 adalah konsentrasi amonium. Simbol E2 adalah proses asimilasi senyawa sederhana/anorganik (nitrat dan amonium) menghasilkan senyawa kompleks/organik (biomassa) oleh organisme autotrof seperti fitoplankton yang menggunakan cahaya matahari sebagai sumber energi atau dikenal dengan fotosintesis. Proses ini berkaitan erat dengan produktifitas primer perairan. Produktifitas primer merupakan laju
Riverine input Precipitation Riverine input
Nitrate (NO3) Ammonium (NH4) Phytoplankton Zooplankton Pelagic detritus Benthic detritus
sintesis komponen organik dari komponen anorganik yang sebagian besar dihasilkan melalui fotosintesis dan sebagian kecil melalui kemosintesis (Valiela, 1995). Produktifitas primer umumnya dinyatakan dalam jumlah gram karbon anorganik yang terikat per satuan luas area permukaan laut atau volume air laut per interval waktu (Riley dan Chester, 1971; Nybakken, 1982; Nontji, 2008). Mann dan Lazier (1996) serta Miller (2004) menyatakan produksi primer yang dihasilkan dari pemanfaatan nitrat (NO3) disebut new production, sedangkan produksi primer yang dihasilkan dari pemanfaatan amonium (NH4) hasil hidrolisis amoniak (NH3) dengan air (H O2 ) yang bersumber dari ekskresi organisme heterotrof disebut regenerated/recycled production. Valiela (1995) menyebutkan terdapat empat sumber-sumber nitrogen baru (new nitrogen) di perairan laut, yaitu melalui fiksasi nitrogen, pengadukan vertikal (vertical mixing), transpor horisontal (horizontal transport), dan presipitasi (precipitation). Selain itu, Alongi (1998) menambahkan senyawa nitrat yang berasal dari daratan khususnya dari aktifitas pertanian juga secara signifikan memberikan sumber nitrogen baru (new nitrogen) melalui run off sungai terutama di perairan semi tertutup seperti teluk. Di dalam perairan laut, proses pertumbuhan fitoplankton dipengaruhi oleh nutrien, cahaya, suhu, dan salinitas sebagaimana diekspresikan dengan persamaan berikut (Yanagi et al., 1997) :
2 m . 1( i), 1( a) 2( ) 3( ) 4( )
E V Min V N V N V I V T V S ………... (9)
dimana Vm merupakan laju maksimum uptake fitoplankton, V N1( i) dan V N1( a) merupakan fungsi keterbatasan nutrien (limiting nutrients) yang diekspresikan
dengan persamaan Michaelis-Menten sebagai berikut (Lung, 1993; Valiela, 1995; Chapra, 1997; Yanagi et al., 1997) :
1 i i i sN i N V N K N dan 1
a a a sN a N V N K N dimana Ni dan Na masing-masing adalah konsentrasi nitrat dan amonium serta
i
sN K dan
a
sN
K masing-masing adalah konstanta paruh jenuh pengambilan nitrat dan amonium bagi fitoplankton. Suatu kondisi dimana pemanfaatan nitrat dan amonium oleh fitoplankton dilakukan secara bersama-sama maka beberapa kelompok fitoplankton akan cenderung lebih menyukai amonium daripada nitrat (Raymont, 1963; Riley dan Chester, 1971; Ricklefs, 1980; Alongi, 1998;
Andersen dan Heibig, 1998; Effendi 2003) sehingga pemanfaatan nitrat akan negatif dengan keberadaan amonium. Pernyataan tersebut diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Koropitan et al., 2009) :
1 exp 4 i i i sN i N V N NH K N dimana adalah parameter inhibition amonium. Kemudian V I2( ) merupakan fungsi cahaya yang diekspresikan dengan persamaan Steele sebagai berikut (Yanagi et al., 1997; Fennel dan Neumann, 2004) :
2( ) exp 1 z z opt opt I I V I I I
dimana Iopt adalah intensitas cahaya optimal bagi pertumbuhan fitoplankton dan
z
I adalah intensitas cahaya pada kedalaman Z yang diekspresikan berdasarkan Hukum Lambert-Beer sebagai berikut (Lung, 1993; Valiela, 1995; Chapra, 1997) :
0exp( )
z e
dimana I0 adalah intensitas cahaya di permukaan dan ke adalah koefisien ekstingsi cahaya yang diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Koropitan et al., 2009) :
dimana 1 adalah koefisien disipasi cahaya pada air laut dan 2 adalah koefisien self-shading pada fitoplankton. Cahaya yang dibutuhkan oleh fitoplankton untuk fotosintesis dengan panjang gelombang berkisar antara 370 sampai 720 nm (Riley dan Chester, 1971) dikenal dengan Photosynthetically Available Radiation (PAR) dimana mencapai puncak fotosintesis mendekati panjang gelombang 465 nm (Miller, 2004). Selanjutnya V T3
dan V4
S masing-masing merupakan fungsi suhu dan salinitas yang diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Yanagi et al., 1997) :
3 exp 1 opt opt T T V T T T dan 4
opt exp 1 optS S V S S S
dimana T dan S masing-masing adalah suhu dan salinitas air laut serta Topt dan
opt
S masing-masing adalah suhu dan salinitas optimal bagi pertumbuhan fitoplankton.
Simbol E3 adalah proses pemangsaan yang dilakukan oleh herbivora perairan seperti zooplankton terhadap produser perairan seperti fitoplankton untuk pemenuhan kebutuhan energi bagi pertumbuhan, respirasi, biomassa, dan
reproduksi atau dikenal dengan grazing. Menurut Fennel dan Neumann (2004), zooplankton dianggap penting dalam mengontrol kepadatan fitoplankton dan ikut bertanggung jawab terhadap kematian atau hilangnya fitoplankton di perairan.
1 2 k F
Laju grazing diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Yanagi et al., 1997; Miller, 2004) :
*
3 max 1 exp
E R F F ……….. (10)
dimana Rmax adalah laju maksimum grazing, adalah konstanta Ivlev, dan F* adalah batas potensi konsentrasi fitoplankton terhadap grazing zooplankton. Ketika *
F lebih kecil atau kurang dari F maka E30.
Simbol E4 adalah proses egestion atau produksi faecal pellets (feses) oleh zooplankton yang diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Yanagi et al., 1997; Miller, 2004) :
*
4 max 1 exp
E R F F ………... (11) dimana adalah ratio produksi faecal pellets terhadap predasi (grazing).
Simbol E5 adalah interaksi fisik antara detritus pelagik dengan detritus bentik di kolom perairan hingga lapisan dasar berdasarkan proses sedimen kohesif. Proses fisik yang dimaksud adalah sedimentasi/deposisi (S) dan resuspensi/erosi (E). Apabila diasumsikan kecepatan partikel air di
dasar/tegangan geser dasar (b) lebih kecil daripada tegangan kritis deposisi (cd) maka detritus pelagik mengalami sedimentasi/deposisi. Sedangkan apabila tegangan geser dasar (b) lebih besar daripada tegangan kritis resuspensi (ce) maka detritus bentik mengalami resuspensi/erosi. Penghitungan
sedimentasi/deposisi (S) dan resuspensi/erosi (E) masing-masing diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Koropitan et al., 2009) :
1 b d cd S W PD dan 1 b BD ce E R BD ………... (12)
d
W adalah laju penenggelaman/sinking detritus danRBD adalah laju remineralisasi detritus bentik serta PD dan BD masing-masing adalah konsentrasi detritus pelagik dan konsentrasi detritus bentik. Selanjutnya dalam kondisi netral diekspresikan sebagai berikut (Koropitan et al., 2009) :
0
S E untuk cd b ce
Simbol E6 dan E7 masing-masing adalah proses kematian fitoplankton dan zooplankton yang terjadi secara alami (bukan disebabkan oleh predator) di perairan. Fitoplankton dan zooplankton yang mati akan menjadi partikel-partikel detritus (particulate organic detritus) kemudian akan mengalami
penghancuran/teragregrasi oleh organisme pemakan bangkai (scavenger) secara biofisik menjadi detritus terlarut (dissolved organic detritus) dan sebagian lain mengalami pengendapan, selanjutnya mengalami penguraian oleh bakteri dekomposer secara biokimia. Laju kematian fitoplankton dan zooplankton
masing-masing diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Koropitan et al., 2009) :
6 F
E m F dan E7 m ZZ ………. (13) dimana mF dan mZ masing-masing adalah laju kematian fitoplankton dan laju kematian/ekskresi zooplankton serta F dan Z masing-masing adalah konsentrasi fitoplankton dan konsentrasi zooplankton.
Simbol E8 dan E9 adalah proses penguraian komponen-komponen
organik mati seperti detritus menjadi komponen-komponen anorganik oleh bakteri kemosintetik melalui pemanfaatan molekul oksigen terlarut (O2) atau dikenal dengan dekomposisi aerob. Sedangkan apabila tanpa menggunakan oksigen
melainkan melalui pemanfaatan senyawa anorganik-oksida seperti NO3, HCO3, 3
4
PO , 2
4
SO , dll maka disebut dekomposisi anaerob. Perbedaan mendasar antara dekomposisi aerob dengan dekomposisi anaerob terletak pada senyawa yang berperan sebagai akseptor (penerima) ion hidrogen. Pada kondisi
dekomposisi aerob yang berperan sebagai akseptor ion hidrogen adalah molekul oksigen sedangkan pada dekomposisi anaerob yang berperan sebagai akseptor adalah senyawa anorganik-oksida (Effendi, 2003). Produk akhir yang dihasilkan pun berbeda, dekomposisi aerob menghasilkan karbondioksida (CO2), air (H O2 ), nitrat (NO3), fosfat (PO4), dan nutrien lain bagi fitoplankton. Sedangkan
dekomposisi anaerob sebagian besar menghasilkan senyawa-senyawa berbahaya seperti metana (CH4), amoniak (NH3), dan hidrogen sulfida (H S2 ) (Effendi, 2003; Sanusi, 2006). Laju dekomposisi detritus pelagik dan detritus bentik
masing-masing diekspresikan dengan persamaan sebagai berikut (Koropitan et al., 2009) :
8 PD
E R PD dan E9 R BDBD ………... (14) dimana RPD dan RBD masing-masing adalah laju dekomposisi detritus pelagik dan laju dekomposisi detritus bentik serta PD dan BD masing-masing adalah
18