BAB III. KONSEP EKOSISTEM
2. Siklus Biogeokimia dalam Ekosistem
38
disebabkan perbedaan karakteristik fundamental antara organisme utama darat dan laut. Pada ekosistem lautan, fitoplankton mikroskopik melaksanakan hampir semua aktivitas fotosintesis, sementara tumbuhan melaksanakan proses fotosintesis di daratan. Fitoplankton merupakan organisme berukuran kecil dengan struktur yang sangat sederhana, sehingga sebagian besar produksi primernya dikonsumsi dan digunakan untuk energi organisme herbivora. Sebaliknya, porsi besar biomasa yang diproduksi tumbuhan darat, seperti akar, batang, dan cabang tidak dapat digunakan oleh herbivora sebagai makanan sehingga secara proporsional hanya sedikit energi yang berpindah dari tumbuhan ke herbivora tersebut.
Angka (laju) pertumbuhan juga berpengaruh terhadap hal tersebut.
Fitoplankton secara ekstrim berukuran kecil tetapi memiliki laju pertumbuhan yang sangat cepat sehingga mereka dapat mendukung populasi herbivora yang besar walaupun pada satu saat hanya terdapat populasi kecil fitoplankton dan populasi besar herbivora. Hal sebaliknya, tumbuhan darat memerlukan waktu bertahun-tahun untuk mencapai kedewasaan, sehingga rata-rata atom karbon yang dikeluarkan lebih lama pada tingkatan produser pada ekosistem darat dibandingkan dengan produser pada ekosistem lautan. Sebagai tambahan, energi untuk perpindahan organisme terestrial pada umumnya lebih tinggi daripada hewan akuatik.
39
dibutuhkan oleh seluruh hewan dan tumbuhan, sementara lainnya memainkan peranan penting untuk spesies-spesies tertentu. Siklus bahan kimia yang melibatkan organisme dan geologi disebut siklus biogeokimia.
Siklus biogeokimia yang paling penting yang mempengaruhi kesehatan ekosistem adalah air, karbon, nitrogen, dan fosfor.
Gambar 3.6. Siklus Nutrien secara umum
40
Gambar 3.7. Siklus Air
Gambar 3.8. Siklus Karbon
41
Gambar 3.9. Siklus Nitrogen
Gambar 3.10. Siklus Fosfor
42
Sebagian besar permukaan Bumi ditutup oleh air, terutama lautan.
Hampir seluruh air di Bumi ini tertampung di lautan (sekitar 97 persen) atau dalam bentuk es dan glasier (sekitar 2 persen), dan lainnya berada sebagai air tanah, danau, sungai, rawa, tanah, dan atmosfer. Sebagai tambahan, air berpindah sangat cepat pada ekosistem darat. Waktu tinggal (keberadaan) air pada ekosistem darat sangatlah singkat, rata-rata satu atau dua bulan sebagai air pada tanah, minggu atau bulan dalam air dalam tanah (sungai di tanah), enam bulanan sebagai lapisan salju. Ekosistem darat memroses air:
hampir dua pertiga air yang jatuh di tanah sebagai hujan tahunan dikembalikan ke atmosfer oleh tumbuhan dalam proses transpirasi, sisanya dilepaskan ke sungai dan akhirnya sampai di laut. Karena siklus air tersebut merupakan proses yang sangat penting dalam fungsi suatu ekosistem darat, maka perubahan yang mempengaruhi siklus hidrologi akan memiliki pengaruh yang signifikan pada ekosistem darat.
Kedua ekosistem, darat dan lautan, penting sebagai tempat penimbunan karbon yang digunakan oleh tumbuhan dan algae selama proses fotosintesis dan disimpan sebagai jaringan tubuh. Tabel di bawah menunjukkan perbandingan kuantitas karbon yang disimpan dalam tempat-tempat penyimpanan utama di Bumi.
Tabel 3.1. Penyimpanan karbon global
Lokasi Jumlah (Gigaton Karbon)
Atmosfer 750
Tumbuhan darat 610
Tanah dan detritus 1.500
Permukaan lautan 1.020
Lautan bagian tengah dan kedalaman 37,890
Sedimen 78,000,000
43
Siklus karbon relatif cepat melalui ekosistem darat dan lautan, tetapi dapat tersimpan lama di dalam kedalaman lautan atau dalam sedimen selama ribuan tahun. Rata-rata umur simpan suatu molekul karbon dalam ekosistem darat sekitar 17,5 tahun, walaupun variasinya sangat lebar bergantung pada tipe ekosistemnya. Karbon dapat tersimpan dalam hutan dewasa sampai ratusan tahun, tetapi waktu penyimpanan dapat singkat pada ekosistem jika tanah dan tumbuhannya cepat berganti-ganti dalam beberapa bulan saja.
Aktivitas manusia, terutama penggunaan bahan bakar fosil, melepaskannya (emisi) karbon per tahun dengan jumlah yang signifikan.
Pada saat ini, aktivitas manusia dapat menghasilkan 7 miliar ton karbon per tahun, 3 ton-nya tetap tersimpan dalam atmosfer. Keseimbangan secara kasar tercapai dengan proporsi yang sama antara ekosistem lautan dan darat. Sampai sekarang masih belum difahami sepenuhnya mekanisme apa yang bertanggung jawab untuk absorpsi karbon secara besar oleh ekosistem darat.
Nitrogen dan fosfor merupakan dua mineral esensial untuk seluruh tipe ekosistem dan sering membatasi pertumbuhan jika tidak tersedia secara cukup.
Versi yang diperluas tentang persamaan fotosintesis menunjukkan bagaimana tumbuhan menggunakan energi dari matahari untuk menyusun nutrien dan karbon menjadi senyawa organik ialah sebagai berikut:
CO2 + PO4 (fosfat) + NO3 (nitrat) + H2O CH2O, P, N (jaringan organik) + O2 Nitrogen atmosfer (N2) tidak dapat diambil dan digunakan secara langsung oleh kebanyakan organisme Mikroorganisme yang mengonversinya menjadi bentuk nitrogen yang bisa digunakan memainkan peran penting dalam siklus nitrogen. Organisme ini ialah bakteri dan algae pemfiksasi nitrogen, merubah amonia (NH4) di tanah dan permukaan air menjadi nitrit
44
(NO2) dan nitrat (NO3), yang dapat diserap oleh tumbuhan. Beberapa bakteri ini hidup mutualisme dengan akar tumbuhan, terutama legum (kacang-kacangan). Pada akhir siklus, dekomposer akan memecah organisme mati dan sampah organik, mengubah bahan organik menjadi bahan inorganik. Bakteri lainnya melakukan denitrifikasi, memecah nitrat dan mengembalikan gas nitrogen ke atmosfer. Aktivitas manusia yang meliputi penggunaan bahan bakar fosil, penanaman tumbuhan pemfiksasi nitrogen, dan peningkatan penggunaan pupuk nitrogen, merubah siklus nitrogen alami. Proses tersebut telah menambah jumlah nitrogen yang difiksasi oleh tumbuhan terestrial setiap tahunnya, bahkan oleh algae jika pemupukan nitrogen menyebabkan terjadinya nitrogen terlarut sehingga menyuburkan perairan. Dengan kata lain, pemasukan antropogenik menyebabkan peningkatan dua kali terhadap fiksasi nitrogen pada ekosistem darat. Efek utama ekstranitrogen ini ialah peningkatan kesuburan ekosistem perairan.
Ledakan populasi algae dan tumbuhan air lainnya menyebabkan turunnya kadar oksigen perairan sehingga mengganggu pernafasan hewan- hewan air. Kematian organisme dan dekomposisi yang cepat berakibat pada pendangkalan perairan. Danau alami akan berkembang menjadi danau oligotrofi, yaitu fase perubahan danau menjadi ekosistem darat.
Fosfor, nutrien tumbuhan utama lainnya, tidak mengalami fase gas seperti karbon atau nitrogen. Sebagai akibatnya, fosfor mengalami siklus secara perlahan melalui biosfer. Sebagian besar fosfor di tanah berada dalam bentuk yang tidak dapat digunakan secara langsung oleh organisme, sebagaimana kalsium dan besi fosfat. Bentuk yang tidak bisa langsung digunakan (terutama ortofosfat, atau PO4) dihasilkan melalui dekomposisi bahan organik, dengan sedikit manfaat atau peranan dari pelapukan batuan.
45
Jumlah fosfat yang tersedia untuk tumbuhan bergantung pada pH tanah. Pada pH randah, fosfor berikatan secara kuat dengan partikel lempung dan diubah menjadi bentuk yang relatif terlarut yang mengandung besi dan aluminum. Pada pH tinggi, fosfor hilang menjadi bentuk yang tidak terjangkau. Sebagai hasilnya, konsentrasi fosfat tersedia jika pH tanah di antara 6 dan 7. Oleh karena itu, pH tanah merupakan faktor penting yang mempengaruhi kesuburan tanah. Fosfor yang berlebihan dapat juga berperan untuk overfertilisasi dan eutrofikasi sungai dan danau. Aktivitas manusia telah meningkatkan konsentrasi fosfor pada ekosistem alami seperti penggunaan pupuk, membuangnya dari tempat pengolahan limbah, dan penggunaan fosfor dalam deterjen.