Dua reaksi biologi paling penting yang melibatkan gas/udara yang terdapat dalam tanah adalah:
(1) respirasi tanaman tingkat tinggi
(2) proses dekomposisi residu organik oleh mikroorganisme.
Walaupun berbeda dalam beberapa hal, kedua proses tersebut sama-sama merupakan proses oksidasi komposisi/rangkaian organik. Reaksi umumnya dapat digambarkan sebagai berikut:
[C] + O2 à CO2
Komposisi
Organik
Jadi, setiap proses di atas menggunakan O2 dan menghasilkan CO2.
Masalah aerasi tanah di lapangan
(1) Kelebihan kelembaban
Kondisi air tanah yang jenuh dapat menyebabkan mala-petaka terhadap tanaman tertentu hanya dalam waktu singkat, terutama tanaman yang sebelumnya sudah tumbuh pada kondisi aerasi yang baik.
Untuk pencegahan, dibutuhkan pembuangan air yang cepat baik dengan drainase atau dengan aliran permukaan (run-off) terkendali.
(2) Pertukaran gas
Ketidak-cukupan pertukaran gas antara tanah dengan atmosfer bebas diatasnya bergantung terutama pada dua faktor yaitu:
(a) kecepatan reaksi biokimia yang mempengaruhi gas tanah.
(b) kecepatan aktual gas bergerak masuk ke- dan keluar dari- tanah.
Makin cepat penggunakan O2 dan dengan sendirinya pelepasan CO2, makin besar pula pertukaran pertukaran gas yang dibutuhkan. Faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi biologi ini, seperti temperatur, residu organik, dll, sangat penting dalam menentukan status udara tanah.
Pertukaran gas a dalam tanah dengan atmosfer difasilitasi oleh faktor yaitu: (a) aliran masa (mass flow) à perbedaan tekanan , dan (b) difusi.à tekanan parsialnya.
Pengkarakteran Aerasi Tanah
Status aerasi tanah dapat dicirikan dalam tiga cara:
(1) kandungan O2 dan gas lainnya dalam atmosfer tanah,
(2) kecepatan difusi O2 (oxygen diffusion rate, ODR),
(3) potensial oksidasi-reduksi (redox)
1) Oksigen (O2) Tanah
Jumlah O2 dalam tanah ditentukan oleh banyaknya pori berisi udara dan proporsi dari pori tersebut yang terisi O2. Kedua parameter ini saling berhubungan, karena apabila jumlah pori berisi udara terbatas, maka banyaknya O2 yang sedikit dalam ruang tersebut akan cepat dikonsumsi oleh akar tanaman, dan mikrobia tanah, serta CO2 dilepaskan.
Dalam atmosfer di atas tanah mengandung 21% O2, 0.03% CO2 , dan hampir 79% N2. Sebagai perbandingan udara tanah mengandung sama atau sedikit lebih tinggi N2, tetapi mengandung O2 yang selalu lebih rendah dan CO2 yang lebih tinggi. Kandungan O2 sedikit < 20% pada lapisan permukaan tanah dengan struktur yang mantap dan banyak pori makronya. Kandungan O2 akan turun cepat sampai <5% atau bahkan 0% dalam tanah lapisan bawah (subsoil) yang berdrainase jelek dengan sedikit pori makro.
Terdapat hubungan yang berbalikan antara kandungan O2 dan CO2 dalam udara tanah, yaitu kandungan O2 berkurang bila kandungan CO2 meningkat.
Kandungan CO2 dalam udara tanah larut dalam air tanah membentuk asam karbonat (H2CO3). Asam ini secara umum berguna, khususnya dalam hubungannya dengan pH dan kelarutan mineral-mineral tanah.
2) Kecepatan Difusi Oksigen
Pengukuran status udara tanah yang terbaik, mungkin dinyatakan dalam kecepatan difusi oksigen (ODR), yang menyatakan/menentukan kecepatan O2 dapat diganti/diisi ulang apabila telah terpakai oleh respirasi akar tanaman atau oleh mikroorganisme tanah, atau diganti oleh air.
ODR berkurang seiring dengan kedalaman tanah. Walaupun sampai menggunakan udara atmosfer bebas dengan kandungan 21% O2, ODR pada 97 cm < dari ½ kali ODR pada 11 cm. Apabila konsentrasi O2 yang digunakan lebih rendah, maka ODR akan berkurang lebih cepat lagi.
Secara alami beberapa tanaman terpengaruhi oleh ODR yang rendah. Rumput-rumputan cenderung lebih toleran terhadap ODR rendah daripada kacang-kacangan (legume). Gula bit dan alfalfa membutuhkan ODR lebih tinggi daripada cengkih ladino (ladino clover).
(3) Potensial Oksidasi-Reduksi (Redox) (Eh)
Jika suatu tanah memilki aerasi baik, maka tanah didominasi oleh bentuk/keadaan teroksida Fe-ferik (Fe3+), Mn manganik (Mn4+), nitrat (NO3-), dan sulfat (SO42-). Dalam kondisi tanah berdrainase dan beraerasi buruk, maka elemen-elemen tersebut didapatkan dalam bentuk tereduksi, yaitu: Fe-fero (Fe2+), Mn-mangano (Mn2+), amonium (NH4+), dan sulfida (S2-).
Indikasi status oksidasi-reduksi dari suatu sistem (termasuk dalam tanah) dinyatakan dengan potensial oksidasi-reduksi (redox potential) (=Eh), yang memberikan pengukuran kecenderungan suatu sistem untuk mereduksi atau mengoksidasi senyawa kimia, dan umumnya dinyatakan dalam volts (v) atau milivolts (mv). Jika nilainya positif dan tinggi, menunjukkan kondisi oksidasi yang kuat. Sebaliknya jika nilainya rendah dan bahkan negatif, maka elemen-elemen atau senyawa kimia akan didapatkan dalam bentuk tereduksi.
Aerasi tanah mempunyai pengaruh yang nyata terhadap terdapatnya unsur-unsur kimia khusus dalam tanah dan tentunya juga berkaitan dengan ketersediaan dan tingkatan keracunan spesies-spesies kimia tersebut.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Aerasi Tanah
Komposisi udara tanah sangat bergantung pada banyaknya pori udara tersedia, bersama-sama dengan reaksi bio-kimia, dan pertukaran gas.
Porositas total tanah ditentukan oleh BD-nya. Dan itu berhubungan dengan tekstur dan struktur tanahnya, dan bahan organik tanah.
Konsentrasi O2 dan CO2 dalam udara tanah sangat berhubungan dengan aktivitas biologi dalam tanah. Komposisi mikrobial dari residu organik sangat menentukan porsi utama CO2 yang terbentuk. Pemberian pupuk kandang (manur), residu tanaman, atau lumpur pembuangan kotoran (sewage sludge) dalam jumlah banyak, khususnya apabila kelembaban dan temperaturnya optimum, akan merubah komposisi udara tanah. Pengaruhnya digambarkan pada Figure 4.5.
Pengaruh Aerasi Tanah terhadap Aktivitas Biologi
(1) Pengaruhnya terhadap Aktivitas Tanaman
Tanaman (tingkat tinggi) sangat dipengaruhi oleh aerasi tanah yang buruk dalam 4 cara, yaitu:
(a) pertumbuhan tanaman, khususnya akar, terhambat. Lihat Tabel 4.3.
(b) penyerapan (absorpsi) nutrien/hara berkurang. Lihat Tabel 4.4.
(c) penyerapan air juga terhambat, dan
(d) pembentukan senyawa anorganik yang meracuni tanaman umumnya terjadi pada kondisi aerasi yang buruk.
(2) Pengaruhnya terhadap Mikroorganisme
Dalam sebagaian besar tanah. Metabolisme mikrobial sangat berperan pada respirasi, walaupun ketika tanaman tumbuh dengan cepat/sehat. Karena respirasi membutuhkan O2 dan melepaskan CO2, mikroorganisme tanah sangat dipe-ngaruhi oleh aerasi tanah.
Bukti nyata pengaruh aerasi tanah terhadap aktivitas mikrobial adalah perombakan residu tanaman yang lambat pada daerah rawa (swampy areas).
Aerasi tanah juga menentukan macam mikroorganisme yang ada dalam tanah. Jika O2 tersedia, terdapat mikroorga-nisme aerobik yang menggunakan O2 untuk mengoksidasi bahan organik. Pada kondisi sebaliknya, mikroorganisme anaerobik menjadi dominan dan akan mengkonsumsi O2 dalam senyawa-senyawa NO3, Fe2O3, dan SO4, sehingga menimbulkan bentuk tereduksi dari senyawa tersebut.
Secara umum, kondisi yang menunjang bentuk-bentuk aerobik juga akan menunjang juga pertumbuhan sebagian besar tanaman.
