DENGAN MODEL DENITRIFIKASI-DEKOMPOSISI (DNDC)
(STUDI KASUS DI KABUPATEN TASIKMALAYA)
MARIA JOSEFINE TJATURETNA BUDIASTUTI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2008
Judul Tesis : Simulasi Laju Emisi Metan pada Lahan padi Sawah dengan Model Denitrifikasi-Dekomposisi (DNDC)
(Studi Kasus di Kabupaten Tasikmalaya) Nama : Maria Josefine Tjaturetna Budiastuti
NRP : F 151050121
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS Dr. Ir. Erizal, MAgr
Ketua Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana IPB Ilmu Keteknikan Pertanian
Prof. Dr. Ir. Armansyah H.T., MAgr Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
PRAKATA
Segala puji dan syukur penyusun panjatkan kepada Tuhan sumber Kasih, Hikmat dan Pengetahuan, atas segala berkat dan pimpinanNya sehingga tesis berjudul “Simulasi Laju Emisi Metan pada Lahan Padi Sawah dengan Model Denitrifikasi-Dekomposisi (DNDC) (Studi Kasus di Kabupaten Tasikmalaya) telah dapat penyusun selesaikan.
Penghargaan dan ungkapan terimakasih penyusun haturkan kepada:
1. Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS. dan Dr. Ir. Erizal, M.Agr. selaku ketua dan anggota komisi pembimbing, yang telah memberikan arahan, bimbingan serta dorongan sehingga tesis ini dapat diselesaikan.
2. Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS. dan Balai Irigasi DPU yang telah memberikan fasilitas pendanaan untuk pelaksanaan penelitian ini dalam kerangka penelitian kerjasama CREATA - IPB dengan Balai Irigasi DPU. 3. Dr. Handaka, M.Eng. selaku penguji, atas kritik, saran dan masukannya untuk
kesempurnaan tesis ini.
4. Kepala Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian beserta staf yang telah memberikan ijin belajar, serta staf dari Kelompok Perekayasa atas segenap dukungan baik moril maupun materiil selama penyelesaian studi. 5. Rekan-rekan mahasiswa Pascasarjana Program Studi Ilmu Keteknikan
Pertanian atas segala bantuan dan diskusi yang membangun, serta semangat saling mendukung.
6. Bapak, Ibu, Kakak-kakak dan Adik atas dukungan kasih dan doanya yang memberi kekuatan bagi penulis.
7. Suami dan putra ku terkasih Andhika atas pengorbanan, pengertian, doa, dan dorongan semangat yang senantiasa mendampingi penulis.
8. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas segala bantuan dalam bentuk apapun sehingga tesis ini dapat diselesaikan.
Harapan penulis semoga tesis ini bermanfaat bagi pengembangan bidang pertanian, khususnya dalam usaha ikut mengatasi permasalahan pemanasan global. Penulis sadar masih adanya kekurangan dalam penyusunan tesis ini. Kritik dan saran sangat penulis harapkan untuk perbaikan dan penyempurnaannya.
Bogor, Desember 2008 Maria J.T.Budiastuti
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Sorong pada tanggal 19 Mei 1966 sebagai putri keempat dari lima bersaudara dari Bapak Ag. Roemdi Dwidjosoebroto dan Ibu B. Kasminingsih. Penulis menikah dengan Ir. D. Denny Dwiprasetyo dan dikaruniai 2 putra yaitu P. Lintang Aji Dewandaru (almarhum) dan P. Andhika Cahyo Baskoro (5). Saat ini penulis dan keluarga tinggal di Bekasi, Jawa Barat.
Pendidikan dasar dan menengah diselesaikan penulis di kota Semarang. Pendidikan dasar diselesaikan pada tahun 1979 di SD Santo Antonius. Pada jenjang pendidikan menengah pertama penulis melanjutkan pendidikan di SMP Domenico Savio dan lulus pada tahun 1982. Selanjutnya pendidikan menegah atas di SMA Kolese Loyola dan lulus pada tahun 1985.
Pada tahun 1985 penulis diterima di Jurusan Mekanisasi Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Penulis menyelesaikan program sarjana di UGM pada tahun 1993. Pada tahun 2005 penulis melanjutkan studi lanjut jenjang Strata II (S2) pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, Sekolah Pascasarjana IPB. Penulis lulus serta mendapatkan gelar Magister Sains (MS) pada tahun 2008.
Sejak tahun 1998 hingga sekarang penulis bekerja sebagai perekayasa pada Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian, Badan Litbang Pertanian. Pada tahun 2000 penulis mendapatkan kesempatan mengikuti training Farm Machinery Testing selama 3 bulan di Jepang yang diselenggarakan oleh Japan International Cooperation Agency (JICA).
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR TABEL ... xii DAFTAR GAMBAR ... xiii DAFTAR LAMPIRAN ... xiv I PENDAHULUAN ... 1 Latar Belakang ... 1 Mitigasi emisi CH4 ... 2 Model DNDC ... 4 Tujuan Penelitian ... 5 Hipotesis ... 5 II Tinjauan Pustaka ... 6 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Emisi Metan ... 8 Mitigasi Emisi Metan Melalui Pengelolaan Air ... 10 Budidaya Padi Metode SRI (System of Rice Intensification) ... 11 Model Denitrifikasi-Dekomposisi (DNDC) ... 13 III METODOLOGI ... 16 Kerangka Pemikiran ... 16 Lingkup Penelitian ... 17 Waktu dan Tempat ... 17 Deskripsi Lahan dan Budidaya ... 18 Rancangan Percobaan ... 19 Pengamatan ... 20 1. Air Irigasi ... 20 2. Sampel gas CH4 ... 22 3. Kadar lengas tanah dan pH ... 24 4. Suhu udara setempat ... 24 5. Parameter tanaman dan hasil ... 24 6. Sifat fisika-kimia tanah ... 26 Analisis Data ... 26 Penyiapan Lahan dan Budidaya ... 27 Validasi Model DNDC ... 29
Simulasi Model DNDC ... 29 IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 33 Pola Pengelolaan Air ... 33 Temperatur Udara ... 37 Fluks Metan (CH4) pada Berbagai Perlakuan Aplikasi Pupuk ... 38 Pertumbuhan Tanaman dan Produksi Biomas ... 41 Sifat Fisika-Kimia Tanah ... 42 Hasil Gabah ... 47 Validasi Model DNDC ... 48 Simulasi Model DNDC ... 50 V KESIMPULAN DAN SARAN ... 56 DAFTAR PUSTAKA ... 58 LAMPIRAN ... 62
DAFTAR TABEL
Halaman 1 Sifat kimia tanah Desa Salebu, Kecamatan Mangunreja,
Tasikmalaya, tahun 2007 ... 18 2 Parameter input model DNDC ... 30 3 Data input parameter iklim dan tanah ... 30 4 Kebutuhan air untuk pengolahan tanah tiap petak perlakuan ... 33 5 Rata-rata kondisi lengas tanah tiap perlakuan sebelum dan
sesudah diairi ... 34 6 Rata-rata air termanfaatkan oleh tanaman selama pertumbuhan ... 37 7 Rata-rata tinggi tanaman dan jumlah anakan maksimum ... 41 8 Rata-rata produksi biomas ... 41 9 Rasio C/N dari beberapa bahan organik dan fluks emisi CH4 ... 44 10 Rata-rata hasil ubinan dan hasil nyata pada tiap perlakuan ... 47 11 Laju emisi metan dengan berbagai perlakuan ... 54 12 Hasil simulasi pola tanam, pemilihan varietas padi, pengelolaan
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1 Dinamika produksi dan emisi gas CH4 dari lahan padi sawah ... 7 2 Struktur model DNDC ... 15 3 Kerangka pikir penelitian ... 16 4 Perlakuan pengelolaan air ... 20 5 Skema sungkup penangkap gas CH4 ... 23 6 Variasi diurnal emisi CH4 ... 24 7 Tahapan olah tanah ... 28 8 Curah hujan saat pertumbuhan tanaman sampai dengan panen ... 35 9 Jumlah dan interval waktu pemberian air irigasi ... 35 10 Laju perkolasi dan evapotranspirasi selama masa tanam padi
MK 2007, di Desa Salebu, Kecamatan Mangunreja, Tasikmalaya
Jawa Barat ... 36 11 Suhu lingkungan di lokasi penelitian pada MK 2007, Desa Salebu,
Kecamatan Mangunreja, Tasikmalaya, Jawa Barat ... 38 12 Fluks CH4 pada berbagai perlakuan aplikasi pupuk dan
kondisi lengas tanah ... 40 13 Pemberian air irigasi sebelum pengukuran konsentrasi CH4 ... 40 14 Rata-rata pertumbuhan tinggi tanaman dan jumlah anakan ... 42 15 Kandungan C-organik tanah pada tiga kali pengamatan ... 43 16 Rasio C/N pada tiga kali pengamatan ... 45 17 Nilai NH4+ dan NO3- dalam tanah pada dua kali pengamatan ... 46 18 Perbandingan pola fluks emisi CH4 harian antara hasil pengukuran
dengan simulasi DNDC pada lahan padi sawah pada MK 2007, di
Desa Salebu, Kec. Mangunreja, Tasikmalaya, Jawa Barat ... 49 19 Perbandingan antara rata-rata fluks emisi CH4 hasil pengukuran
dengan simulasi DNDC pada perlakuan P1 dan P2 dari lahan padi sawah pada MK 2007, di Desa Salebu, Kec. Mangunreja,
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Sifat fisika tanah ... 63 2 Sifat retensi tanah ... 63 3 Sifat kimia tanah ... 63 4 Rata-rata iklim bulanan ... 63 5 Parameter input model DNDC dan metode pengamatannya ... 64 6 Data pemberian air irigasi (mm) ... 66 7 Rata-rata laju perkolasi dan evapotranspirasi harian masa tanam
padi MK 2007, Desa Salebu, Kec. Mangunreja, Tasikmalaya,
Jawa Barat ... 67 8 Data rata-rata suhu lingkungan ... 68 9 Data pengukuran fluks emisi metan ... 68 10 Perbandingan fluks emisi CH4 antara hasil pengukuran dengan
simulasi DNDC pada lahan padi sawah pada MK 2007, Desa
Salebu, Kec. Mangunreja, Tasikmalaya, Jawa Barat ... 69 11 Contoh hasil input parameter model DNDC ... 70 12 Tampilan layar model DNDC ... 74 13 Pengambilan sampel gas CH4 di lapangan ... 76 14 Peralatan pengukur kebutuhan air tanaman padi ... 77 15 Pengukuran kebutuhan air tanaman padi ... 77 15 Sistem irigasi dan drainase ………. 78 17 Kondisi lahan dan tanaman pada berbagai umur tanaman …………. 79
I. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Global warming atau pemanasan global merupakan isu dunia yang menjadi bahan pembicaraan utama selama satu dekade terakhir ini. Peningkatan konsentrasi gas-gas karbondioksida (CO2), nitrous oksida (N2O) dan metan (CH4) sebagai komponen gas rumah kaca di atmosfir yang cukup tajam berpengaruh nyata terhadap suhu global, curah hujan dan tinggi permukaan air laut. Peningkatan suhu akibat pemanasan global diprediksi mencapai satu sampai 3 derajat Celcius berpotensi mengubah iklim secara ekstrem. Dampaknya secara langsung dirasakan di semua negara. Di Indonesia, perubahan iklim sebagai dampak nyata dari efek pemanasan global (global warming) sangat merugikan sektor pertanian yang sangat tergantung pada iklim. Terjadinya pergeseran musim dan perubahan pola hujan yang tidak menentu menyebabkan turunnya produksi akibat rusaknya tanaman dan puso.
Konsentrasi CH4 global di atmosfer pada tahun 1993 adalah 1,7 ppm dengan laju peningkatan 1% per tahun, sedangkan karbondioksida (CO2) 345 ppm dan laju peningkatan 0,5% per tahun (Neue, 1993). Kontribusi CH4 terhadap pemanasan global sebesar 15% dan berada pada peringkat kedua sebagai komponen gas rumah kaca setelah CO2 (Suprihati et al., 2006), akan tetapi kemampuan CH4 untuk meningkatkan suhu bumi sangat tinggi dengan potensi menyerap panas 21 kali lebih besar daripada gas CO2 (Lestari, 2006).
Emisi CH4 yang dihasilkan oleh tanah sebesar 60% (Hadi, 2001) dan sektor pertanian diduga menjadi penyumbang penting emisi gas rumah kaca (Neue, 1993; Abdul Hadi, 2001; Setyanto, 2004). Lahan pertanian diperlakukan berbagai macam pengelolaan lahan yang meliputi pengolahan tanah, pemupukan, irigasi, penyiangan dan aplikasi pupuk kandang. Pengelolaan lahan tersebut berakibat pada emisi gas yang dikeluarkan dan mempengaruhi kesetimbangan gas-gas yang ada di atmosfir (Babu et al., 2006). Sistem budidaya padi lahan sawah diidentifikasi sebagai salah satu sumber penyumbang gas CH4 di atmosfir. Laju emisi dari lahan sawah berkisar antara 26-61 Tg/tahun (terra gram = 1012 gram; IPCC, 2002), atau sebanding dengan 6-29% total emisi CH4 per tahun (Inubushi et
al., 2001; Prather et al., 2001). Laju produksi dan emisi CH4 di lahan sawah untuk tiap wilayah besarnya bervariasi. Variasi emisi CH4 tersebut dipengaruhi oleh jenis tanah, pengelolaan tanah dan tanaman (Setyanto, 2004).
Ekosistem dengan kondisi anaerob dominan, terutama akibat penggenangan seperti pada tanah sawah dan lahan basah lainnya, merupakan sumber utama emisi CH4. Pada lahan sawah dengan sistem penggenangan kontinyu, suplai oksigen dari atmosfir ke tanah akan terputus. Akibatnya terjadi proses fermentasi bahan organik tanah secara anaerob, yang akan menghasilkan metan sebagai produk akhir proses (Neue, 1993).
Di sisi lain, beras sudah menjadi makanan pokok sekitar 2,7 milyar orang atau hampir separuh penduduk dunia dan kebutuhannya terus meningkat seiring dengan peningkatan populasi penduduk, khususnya di negara-negara Asia (IRRI, 2007). Menurut data IRRI produksi beras dunia tahun 2007 mencapai sekitar 645 juta ton. Produksi beras di Asia memberikan kontribusi sekitar 90% dari total, dan Indonesia menduduki negara dengan produksi beras terbesar ketiga setelah Cina dan India. Mayoritas produksi padi di Asia adalah pada lahan sawah dengan cara penggenangan.
Cara budidaya padi di Indonesia, terutama pengelolaan air irigasi dan rotasi tanaman, banyak melepaskan CH4 (metan), N2O (nitrous oksida), dan CO2 (karbon dioksida) ke atmosfer. Emisi CH4 sebagian besar disebabkan oleh kegiatan-kegiatan yang tidak efisien, seperti pengairan yang berlebihan, cara pemupukan atau penggunaan pupuk yang tidak tepat. Emisi CH4 dari lahan sawah di Indonesia berkisar antara 1,3 – 34,9 mg m-2 jam-1 (Husin et al., 1994; Nugroho et al., 1996; Setyanto, 2004; Setyanto et al., 2005; Wihardjaka, 2001; Suprihati et al., 2006).
Mitigasi emisi CH4
Mitigasi emisi gas rumah kaca (GRK) adalah suatu usaha untuk menekan laju emisi GRK dari berbagai kegiatan yang berhubungan dengan aktivitas manusia (Setyanto, 2004). Mitigasi selalu menjadi isu di dalam sidang-sidang tahunan Konvensi Kerangka Kerja Perserikatan Bangsa-Bangsa mengenai Perubahan Iklim (UNFCCC). Protokol Kyoto sebagai salah satu komitmen yang
dihasilkan dalam UNFCCC mencapai kesepakatan bahwa selama periode 2008- 2012 negara-negara maju wajib mengurangi tingkat emisi GRK sampai pada tingkat yang dapat mengurangi laju perubahan iklim, yaitu rata-rata sebesar 5,2% dari emisi pada tahun 1990 (Setyanto, 2004)
Di bidang pertanian upaya yang dapat dilakukan melalui pengaturan kegiatan pengelolaan lahan yang mampu menekan laju emisi GRK, seperti pemilihan varietas, pengelolaan air irigasi dan penggunaan pupuk yang ramah lingkungan. Di Cina, perubahan pola pemberian air irigasi dengan cara penggenangan kontinyu ke pengeringan pada tengah musim tanam padi telah dilakukan sejak awal tahun 1980-an di banyak areal padi sawah. Usaha ini terbukti mampu menurunkan laju emisi CH4 (Li et al., 2002).
Upaya pemecahan persoalan produksi dan peningkatan produktivitas pertanian harus diimbangi dengan upaya pelestarian fungsi sumberdaya alam dan lingkungan. Dengan demikian upaya untuk menurunkan tingkat emisi CH4 dari tanah sawah harus diarahkan dan dilakukan dengan tanpa mengorbankan produksi beras.
Usaha gerakan hemat air terus dicanangkan mengingat sumber daya air sangat terbatas. Berbagai metode budidaya padi telah diterapkan di Indonesia, yang bertujuan untuk meningkatkan produktivitas padi beririgasi dengan perubahan pola pengelolaan tanaman, tanah, air, dan nutrisi. Pola pengelolaan air dengan cara pemberian air irigasi secara terputus/intermitten terbukti mampu menghemat air irigasi hingga 50%, tanpa mengurangi produktivitas tanaman. Selain itu, pola ini juga dapat menurunkan laju emisi CH4 (Li et al., 2002; Setyanto, 2004; Setyanto dan Abu Bakar, 2005).
Salah satu alternatif budidaya padi ramah lingkungan yang saat ini mulai berkembang di Indonesia adalah teknologi System of Rice Intensification (SRI). Budidaya padi SRI yang pertama kali dikembangkan oleh Fr. Henri de Lauline SJ. di Madagaskar pada awal tahun 1980 mulai dikembangkan di Indonesia pada tahun 1999. Perbedaan metode SRI dengan metode konvensional petani terletak pada pengelolaan tanah dan tanaman, serta metode pemberian air irigasi. Metode SRI yang berkembang di Jawa Barat memiliki ciri hanya menggunakan pupuk organik dan sistem irigasi macak-macak. Sedangkan metode SRI di NTB,
Gorontalo dan Sulawesi Selatan menggunakan pupuk kimia serta sistem irigasi dengan genangan dangkal 2-3 cm. Ciri-ciri umum yang lain dari metode SRI ini adalah penggunaan bibit muda, yaitu 10 hari setelah semai, dan tanam 1 bibit per lubang. Hasil di lapangan menunjukkan bahwa dengan budidaya model SRI tingkat produktivitas tanaman padi dapat mencapai 8-10 ton/ha dengan penghematan air sekitar 50% (Balai Irigasi, 2007).
Model DNDC
Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengukur emisi CH4 dan gas rumah kaca lainnya, baik pengukuran langsung di lapang maupun di laboratorium. Untuk memperkirakan besarnya laju emisi gas rumah kaca dengan presisi menjadi sulit karena sangat dipengaruhi oleh iklim, sifat tanah, lama penggenangan, varietas padi, pertumbuhan tanaman dan cara budidaya tanaman (Babu et al., 2006). Estimasi laju emisi gas rumah kaca untuk suatu wilayah yang lebih luas tidak dapat dengan mudah diturunkan dari nilai hasil pengukuran skala field-plot karena tingginya error yang terjadi pada pengukuran skala field-plot (Babu et al., 2006). Sejumlah model telah dikembangkan untuk memperkirakan laju emisi CH4 dari lahan sawah dan tiap-tiap model menggunakan pendekatan yang berbeda. Meskipun model-model yang ada tersebut dapat menghasilkan suatu pola emisi CH4 dan juga N2O di suatu wilayah dengan tingkat akurasi yang dapat dipercaya, akan tetapi jika digunakan untuk mensimulasi emisi pada wilayah lain dengan pola pengelolaan lahan yang berbeda hasilnya belum dapat dipastikan.
Salah satu model yang telah dikembangkan adalah DNDC model. Denitrification-Decomposition (DNDC) model merupakan suatu model simulasi komputer yang berorientasi pada proses biogeochemistry carbon dan nitrogen dalam tanah. Simulasi DNDC model selain dapat digunakan untuk memperkirakan produksi serta laju emisi CH4 di dalam agroekosistem, juga gas- gas CO2 dan N2O.
Perubahan kadar lengas pada lahan padi sawah dari kondisi jenuh dan tidak jenuh berpengaruh pada nilai potensial redoks (Eh) tanah. Salah satu kunci untuk mengatur produksi dan konsumsi CH4 dari lahan sawah adalah dinamika Eh tanah (Li et al., 2005) karena CH4 diproduksi pada Eh tertentu. Model ini menelusuri
dinamika Eh tanah yang dikaitkan dengan tingkat genangan air di lahan untuk menentukan emisi gas dari ekosistem lahan padi sawah. Pengkombinasian dengan persamaan Nernst dan Michaelis-Menten pada model ini dapat menentukan dinamika Eh tanah dan pengaruhnya terhadap produksi dan emisi CH4 (Li et al., 2005). Modifikasi model DNDC ini menambahkan rangkaian proses anaerob yang memungkinkan simulasi siklus biogeokimia C dan N pada ekosistem lahan sawah.
Dari hasil-hasil penelitian terdahulu terbukti bahwa model DNDC mampu menangkap aspek-aspek utama produksi dan emisi CH4 dari lahan sawah pada lokasi dengan perbedaan kondisi geografi yang sangat besar (Li et al., 2005; Babu et al., 2006), sehingga didapatkan nilai produksi emisi metan pada skala wilayah yang lebih luas untuk perkiraan waktu jangka panjang.
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. mengukur laju emisi gas CH4 dari lahan padi sawah yang mempunyai pola budidaya padi lahan sawah hemat air
2. melakukan simulasi pola pengelolaan air dengan model DNDC untuk mengetahui laju emisi gas CH4 dari lahan sawah
Hipotesis
1. Perlakuan pengelolaan air merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi laju emisi CH4
2. Pengelolaan air macak-macak dan berselang (intermittent) menghasilkan laju emisi CH4 yang lebih rendah tanpa menurunkan hasil gabah
II. TINJAUAN PUSTAKA
Produksi dan Emisi Metan dari Lahan Sawah
Sumber utama emisi gas metan berasal dari aktivitas manusia (sumber antropogenik). Hampir 70% total emisi metan berasal dari sumber antropogenik dan sisanya (sekitar 30%) berasal dari sumber-sumber alami (Murdiyarso and Husin, 1994). Sektor pertanian mempunyai peranan penting dalam proses produksi gas metan.
Konsentrasi metan (CH4) sebagai salah satu komponen gas rumah kaca di atmosfir ditentukan oleh keseimbangan tanah sebagai sumber (source) dan rosot (sink). Ekosistem dengan kondisi anaerob dominan, terutama akibat penggenangan seperti pada tanah sawah dan lahan basah lainnya, merupakan sumber utama emisi metan. Emisi metan dari lingkungan akuatik seperti tanah sawah pada dasarnya dipengaruhi oleh dua proses mikrobial yang berbeda, yaitu produksi metan dan konsumsi metan (Rudd dan Taylor, 1980).
Penggenangan merupakan karakteristik dari sistem irigasi tanah sawah. Pada kondisi tergenang, kebutuhan oksigen yang tinggi dibandingkan laju penyediannya yang rendah menyebabkan terbentuknya dua lapisan tanah yang sangat berbeda, yaitu lapisan permukaan yang oksidatif atau aerobik dimana tersedia oksigen dan lapisan reduktif atau anaerobik di bawahnya dimana tidak tersedia oksigen bebas (Patrick and Reddy, 1978).
Metan diproduksi sebagai hasil antara dan hasil akhir dari proses mikrobial melalui proses dekomposisi bahan organik secara anaerobik oleh bakteri metanogen (Zehnder dan Stumm, 1988; Neue, 1993; Murdiyarso and Husin 1994; Ohta, 2006). Bakteri ini hanya aktif bila kondisi tanah yang reduktif atau anoksik telah tercapai akibat penggenangan.
Sebagian dari metan yang diproduksi akan dioksidasi oleh bakteri metanotrof yang bersifat aerobik di lapisan permukaan tanah dan di zona perakaran. Bakteri ini menggunakan metan sebagai sumber energi untuk metabolisme. Sisa metan yang tidak teroksidasi dilepaskan atau diemisikan dari lapisan bawah tanah ke atmosfir melalui tiga cara, yaitu: (1) proses difusi melalui air genangan ; (2) gelembung gas yang terbentuk dan terlepas ke permukaan air
genangan melalui mekanisme ebulisi; dan (3) gas metan yang terbentuk masuk kedalam jaringan perakaran tanaman padi dan bergerak secara difusif dalam pembuluh aerinkima untuk selanjutnya terlepas ke atmosfir (Rennenberg et al., 1992). Proses produksi dan emisi gas metan pada lahan sawah dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Dinamika produksi dan emisi gas CH4 dari lahan padi sawah. (Sumber : Setyanto, 2004)
Pada awal musim tanam, CH4 terutama diemisikan melalui mekanisme ebulisi sekitar 49-70% dari total fluks (Crill et al., 1988). Pada fase perkembangan tanaman, mekanisme ini menurun dan proses emisi melalui jaringan aerinkima lebih dominan. Menurut Holzapfel-Pschorn et al. (1986), CH4 yang diemisikan ke atmosfir melalui jaringan aerinkima tanaman padi memberikan kontribusi yang terbesar, dan mencapai puncaknya pada fase reproduktif yaitu sekitar 90% dari total fluks. Selama musim tanam, emisi CH4 melalui mekanisme difusi sebesar 1- 5% dari total fluks.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Emisi Metan 0 cm 1 cm 20 cm 40 cm emisi gelembung Lapisan oksidasi Tanaman padi
Daerah sekitar perakaran yang mengoksidasi CH4 CO2 CO2 CO2 CH4 100% CO2 CH4 0,1%-4% CH4 5 - 20% CH4 0,2% - 2,4% CH4 0,01% - 0,06% CH4 0,03% - 1,1%
Tercuci oleh air tanah
P em ak ai an ai r t anah
Sebagai proses biologi, perombakan bahan organik secara anaerobik dikendalikan oleh karakteristik fisik, kimia dan mikrobiologi lingkungan tanaman padi, yang berpengaruh terhadap aktivitas bakteri penghasil metan.
1. Potensi reduksi-oksidasi (redoks) tanah
Potensial redoks (Eh) tanah merupakan faktor penting dalam produksi metan. Potensial redoks (Eh) menunjukkan status reaksi oksidasi dan reduksi oksidan-oksidan tanah sebagai penyedia oksigen dalam tanah. Aktivitas bakteri metanogen dan metanotrof sangat tergantung dengan ketersediaan oksigen dalam kondisi tanah jenuh air.
Berkaitan dengan kondisi reduktif, produksi CH4 terjadi pada kisaran nilai Eh -150 mV (Hou et al., 2000) dan bergerak sampai di bawah -300 mV (Minamikawa et al., 2006) karena bakteri metanogen sebagai penghasil CH4 bekerja optimal pada nilai Eh kurang dari -150 mV (Setyanto, 2004). Produksi CH4 tertinggi pada kisaran Eh -200 mV (Minamikawa and Sakai, 2005), dan menurut Husin (1994) laju emisi CH4 tertinggi pada nilai Eh tersebut untuk berbagai perlakuan pengelolaan air berbeda-beda. Kisaran laju emisi CH4 maksimum pada Eh -200 mV mulai dari sistem irigasi penggenangan kontinyu,
intermittent dan macak-macak berturut-turut 45, 20 dan 30 mg m-2 jam-1. Pada perubahan kadar air tanah dari kondisi jenuh dan tidak jenuh Eh bergerak antara +600 dan -300 mV (Li et al., 2005).
2. pH tanah