BAHAN KAJIAN MK. MANAJEMEN KESUBURAN TANAH KARAKTERISTIK KIMIA TANAH marno.lecture.ub.ac.id

1. BAHAN KAJIAN MK. MANAJEMEN KESUBURAN TANAH KARAKTERISTIK KIMIA TANAH www.marno.lecture.ub.ac.id

2. Review Satuan (Unit) “mole” menyatakanjumlahunsuratausenyawa yang mengandung atom ataumolekulsebanyakbilangan Avogadro (6.023x10-23) ppm = tidaklazimpadakebanyakan journal saatini, lazimnyadisebutdengan : mg kg-1, mg L-1 Molarity (Moles L-1; M) (sangatpopuler) Molality (Moles kg-1; m) (jarangdipakai) Gram Equivalents (moles muatan, equivalents, eq L-1dalamlarutan, meq 100g-1dalam unit lama, molc L-1ataucmolc kg-1dalam unit SI yang baru)

3. Menghitungkonsentrasikation-tukarberdasarkanmuatan Molar danbobotekuivalen (molc) kationpadatapakpertukarantanah ______________________________________________ ValensiBobot Molar Bobotekuivalen g mole-1 g molc-1 ______________________________________________ Ca2+ 2 40.08 20.04 Mg2+ 2 24.31 12.155 K+ 1 39.10 39.10 Na+ 1 22.99 22.99 Al3+* 3 26.98 8.99 H+ 1 1.01 1.01 *dapatjugaditulissebagaivalensi -1, +1, atau+2 tergantungpadapH.SeringkalidiberinotasiAln+

4. Menghitungkonsentrasikation-tukarberdasarkanmuatan Banyaklaboratoriummasihmelaporkankonsnetrasitanahdalamsatuanppm, yang sebenarnyaadalah mg kg-1 Untukmengubahinimenjadisatuan-satuanmuatan (millimolesmuatan per kilogram): Y mmolc kg-1 = (X mg kg-1)/bobotekuivalen Untukmengkonversimenjadisatuan-satuanyglazimcentimolesmuatan per kilogram: cmolc kg-1 = (mmolc kg-1 )/10 Misalnya: 300 ppm Ca: Y mmolc kg-1 = [(300 mg kg-1)/20.04] = 14.7 mmolc kg-1 cmolc kg-1 = (14.7)/10 = 1.47 cmolc kg-1

5. Review Satuan (Unit) • Normality (Molc L-1; N) • Awalan m = milliatau 0.001, micro = μ, or 0.0000001 • K = kilo, or 1,000 M = mega, or 1,000,000 • mislanya1,000 mg = 1 g; 1,000,000 μg = 1 g • 1 kg = 1,000 g; 1 Mg = 1,000,000 g

6. Sifat Kimia Tanah yang mendasar Total C: organic matter + carbonates (normally in units of %, mg g-1, or g kg-1) Total N: mostly organic (normally in units of %, mg g-1, or g kg-1) C:N Ratio: Faktorutamaygmempengaruhiketersediaan N (tanpasatuan) KapasitasTukarKation (KTK = CEC): Muatanpermanen (liat ) danmuatantergantung pH (bahanorganik) (biasanya dg satuancmolc kg-1, ataudalampustaka lama meq 100 g-1) KationTukar : Ca2+ , Mg2+ , K+ , Na+ Al3+ , (biasanyadalamsatuancmolc kg-1, ataudalampustaka lama meq 100 g-1; dapatjugadengansatuan mg kg-1, atauppmdalampustaka lama) KejenuhanBasa : [(Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+)/CEC] x 100 (satuannya %) Orto-fosfatdan SO42-terjerap: berhubungandnegankonsentrasisesquioxidedanbahanorganik (biasanyadnegansatuan mg kg-1, atauppmdalampustaka lama).

7. KTK (CEC): Kemampuantanahuntukmnejerapdanmenukarkankationpadatapakmuatannegatifpermukaankoloidliat. - - - - - - - - - - - Awan ion didekatpermukaanliatygbermuatannegatif (lapisanrangkapdifuse) Kationlebihbanyakdidekatpermukaanliat + + + + - - + + - + + + + - + + + + - - + - - + + + + + + + + - - + + + + + + + + - + - + + + + - - + + + +

8. Sumber-sumber KTK • Kation H+; • Sumber: bahanorganikdantepi-patahanliat • Tergantung pH, sepertiasamlemah. • Substitusiisomorfikpada mineral liat : • Substitusi Al3+untuk Si4+dalamlapisan tetrahedral liat • Substitusi Mg2+untuk Al3+dalamlapisan octahedral liat • Tipe KTK sepertiinidisebut KTK muatanpermanenkarenatidakdipengaruhiolehpH.

9. Bahanorganiktanahsebagaisumber KTK • Sementara (akhirnyaakanterdekomposisi) • Tidaklarut air, tetapilarutdalambasa (pH tinggi) • Mengandung 30% proteins, lignin, complex sugars • 50% C danO, 5% N • KTK sangattinggiberdasarkanbobotnya • Muatannegatifterjadikarenadisosiasi H+darigugusanhidroksil(-OH), carboksil (-COOH), danfenolik( -OH) kalauterjadipeningkatan pH (konsentrasi H+ dalamlarutanmenurun)

10. BahanOrganik : KTK tergantung pH + - K OH O + OH- + H2O OH OH pH tinggi (deprotonasi, pH rendah , tapak-tapak proton Tidakada KTK Tapakpertukarankation)

11. Liatsilikatsebagaisumber KTK Si Tetrahedra Al Oktahedra Mineral liatKaolinittipe 1:1

12. LiatSilikat: KTK muatanpermanenmunculdarisubstitusiisomorfik Al3+menggantikanSi4+dalamlapisantetrahedraatauMg2+menggantikan Al3+dalamlapisanoktahedra (tidakkterpengaruholeh pH ) Vermiculite (High CEC, Mica (Primary mineral) expands/contracts somewhat) SiO 4 Al(OH) 1.0 3 ≈1.4 nm nm K K K K K K K Ca Mg H O Ca H O 2 2 Smectite (or Montmorillonite Illite (Med. CEC) (High CEC, expands/contracts a lot) Al lapisanoktahedra Al octahedral layer 1.0 ≈1.8 to 4.0 nm nm H+ K K K H+ H+ Ca Mg H O Ca H O 2 2 Si tetrahedral layer Si lapisantetrahedra Chlorite (Low-Med CEC) Kaolinite 0.72 0.93 nm H+ bonding nm

13. - - - - - - Pertukarankationsederhana: Ca2+menukarmenggantikan Na+ - - - - - - ..Na+ [Ca2+] [Na+] ..Ca2+ ..Na+ [Na+] Larutdalamlarutantanah Liatbermuatannegatif 2XNa+ + Ca2+ XCa2+ + 2Na+ X = dapatditukar

14. Kation-kationdapatditukar (kation-tukar): • Kation-kation “Basa” : Na+, K+, Mg2+, Ca2+ • NH4+jugaada, tetapijumlahnyasangatkecil • Jumlahnyabanyakbiasanya : Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ • Perkecualianserpentingygkaya Mg2+atauSodik yang kaya Na+) • Kation-kation “Asam” : H+, Al3+ • Al berfungsisebagaiasam : Al3+ + H2O  Al(OH)2+ + H+ • Al(OH)2+ + H2O  Al(OH)2+ + H+ • Al(OH)2+ Al(OH)3 + H+ • Al3+ + 3H2O  Al(OH)3 + 3H+

15. Bentuk-bentuk Al dalamlarutandikendalikanoleh pH larutan Tidaklarut - mengendap Persentasedari total aluminium pH larutan

16. DeretLiotrofik : Kekuatansuatukationmenggantikankation lain daritapakpertukaran: H+ > Al3+ > Ca2+ = Mg2+ > K+ > Na+ Itulahsebabnyamengapatidaksemuakationtukar H+danAl3+ ? HukumAksi Massa:Kationygkonsnetrasinyatinggidalamlarutantanahakanmenggantikankation-tukardaritapak-jerapanmeskipunkation-tukariniposisinyalebihtinggipadaderetLiotrofik

17. Ca2+menggantikan Al3+melaluihukumaksi-massa , walaupun Al3+ dijerapdengankekuatanlebihbesar Ca2+ Al3+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Al3+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Al3+ Ca2+ Tapakpertukarankation Ca2+ Ca2+ Tapakpertukarankation Ca2+ Ca2+ Al3+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ pH meningkat, Al mengendapsebagai gibbsite: Al3+ + 3OH- Al(OH)3 Konsentrasi Ca++ jauhlebihbesardaripadakonsentrasi Al+++)

18. KejenuhanBasa • Kejenuhanbasa (%BS) didefinisikansebagaijumlahkationbasatukar (Ca2+, Mg2+, K+, danNa+) dibagidnegan KTK. Biasanyadinyatakansebagaipersentase KTK, sehingga : • Unit-unit dalamekuivalenmuatan : • Sistem lama: meq per 100g tanah (meq 100g-1) • Sistembaru : SI units, centimolesmuatan per kg tanah (cmolc kg-1 ) (angkanyaidentik, berbedanamasatuannya)

19. KejenuhanBasa • Kalaukitahanyamempertimbangkankation-tukarygutama, • KTK = Ca2+ +Mg2+ + K+ + Na+ + Al3+ + H+ (in cmolc kg-1) • sehingga:

20. Soil pH 3 4 5 6 7 0 100 PersenKejenuhanBasa

21. KapasitasTukarKation KTK tergantung pH KTK muatanpermanen 3 4 5 6 7 pH

22. Pengasamantanahygtidakpunya KTK tergantung pH KapasitasTukarKation (KTK)) Pengasamantanah Kationbasa (Ca2+ K+ Mg2+ Na+) Kationasam (H+ + Al 3+)

23. Pengasamantanahygmempunyai KTK tergantung pH KapasitasTukarKation (KTK)) Pengasamantanah Kationbasa (Ca2+ K+ Mg2+ Na+) Kationasam (H+ + Al 3+)

24. KTK danKejenuhanBasa KTK tanahdapatdiukurdenganmengaplikasikanlarutanpekat NH4Cl atau NH4OAc kesampeluntukmenukarsemuasemuakation-tukardengan NH4+melaluiprosesaksimassa. Larutanpengekstraksuntukanalisis Ca2+, Mg2+, K+, Na+, danjuga Al dapatdigunakanuntukmenentukankomposisikation yang adapadakompleksjerapan. Padasuatukondisitertentu KTK tanahdapatdiukur. NH4+digantikanolehkationlainnya (misalnya Na+atauK+ ) melaluiprosesaksimassa, danNH4+kemudiandiukuruntukmendapatkanestimasi KTK tanah.

25. Pengukuran KTK danKejenuhanBasa Asumsiyglazimdigunakanadalahsumbangan NH4+terhadap KTK dianggapsangatkecildandapatdiabaikan. NH4+tukarseringkalidiukursecaraterpisah dg menggunakanlarutanekstrakspekatKCl. H+ (pH) tidakdiukurpadapengekstraksini; H+tukardiukurdengancara lain.

26. Pengukuran KTK • Adatigacarauntukmengukur KTK 1. MetodeJumlahKation: • KTK = Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+ + Al3+ (H+diabaikan) • Ekstraksidneganlarutan 1M NH4Cl (garamnetralygtidakmembuffer pH). • KTK jumlahkation, CECsum, dandiukurdalamekstrakspertama. • Dalamsistemliatmurni (tidakadabahanorganik, oksidahidrous Fe dan Al, tidakadaalofan; yaknitidakada KTK tergantung pH) KTK inimencerminkan KTK dankationpada mineral liat (KTK muatanpermanen).

27. Pengukuran KTK • 2. KTK efektif (CECeff) padakondisiaktual pH tanah. • Inimencakup KTK permanen plus KTK tergantung pH ygada pd kondisiaktual pH tanah. • Iniditentukandariekstrakskedua ; setelahekstraksidnegan 1M NH4Cl, tanahdicucidengan ethanol untukmengusir NH4+ygterlarut, dankemudiandiekstraksdengan 1M NaCluntukmenggantikansemua NH4+tukar • Ekstraksdianalisiskandungan NH4+ .

28. KTK Ammonium chloride (tidakmengontrol pH tanah) Tahap 2: Ekstraksidnegan 1 M KCl Tahap 1:Ekstraksidgan 1 M NH4Cl Tabungekstraksi Contohtanah Larutanterekstraks • NH4+menggantikan Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Al3+kedalampengekstraks; inimenghasilkan KTK jumlahkation (CECsum) K+menggantikan NH4+ tukarkedalampengekstraks; inimenghasilkan KTK efektif (CECeff) ygmencakupH+tukarpadakondisi normal pH tanah --- Ca2+ -- NH4+ -- NH4+ --- Mg2+ + NH4+ -- NH4+ + K+ --- K+ -- K+ -- NH4+ --- Na+ -- K+ -- NH4+ --- H+ -- K+ -- NH4+ --- Al3+ -- K+ Sampeltanahdiambil -- K+ -- K+

29. KTK Ammonium acetate (membuffer pH padanilai 7.0) Tahap 1:Ekstraksidnegan 1 M Ammonium acetate Tahap 2: Ekstraksidengan 1 M KCl Tabungekstraksi Contohtanah Larutanterekstraks K+menggantikan NH4+ tukarkedalampengekstraks; inimenghasilkan KTK efektif (CECeff) ygmencakup H+tukarpada pH 7.0 (ygseringkalilebihbesardaripada pH tanah) • NH4+menggantikan Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Al3+kedalampengekstraks; karena pH tinggi, Al3+ pdiendapkansebagai Al(OH)3 --- Ca2+ -- NH4+ -- NH4+ --- Mg2+ + NH4+ -- NH4+ + K+ --- K+ -- K+ -- NH4+ --- Na+ -- K+ -- NH4+ --- H+ -- K+ -- NH4+ --- Al3+ -- K+ Contohtanahdiambil -- K+ Al(OH)3 -- K+

30. Pengukuran KTK • 3. KTK Ammonium asetat (CECOAc). • Inimeliputi KTK permanen plus semua KTK tergantungpH.. KTK inidiukurdenganmengekstrakstanahmenggunakan ammonium asetat (NH4OAc, buffers pH = 7.0).. • Kemudianprosedurygsamadiikutiseperti KTK garamnetral. • Catatan: AltukarharusdiukursecaraterpisahdenganekastrakKClkarena Al mengendapsebagai Al(OH)3padakondisi pH tinggi

31. Tipe KTK tergantungpadacarapengukurannya CECOAc CECeff CECsum KTK muatanpermanen KTK tergantung pH CECsum: diukursbgjumlah Ca + Mg + K + Na + Al yhterekstraks ammonium chloride dalamekstraksipertama CECeff: diukur dg ammonium chloride, garamnetral, setelahekstraksikedua CECOAc: diukurdengan ammonium acetate pada pH 7

32. KejenuhanBasa (%BS) • KTK dapatdiukurdengancaraygberbeda-beda, %BS jugaberagamsesuaimetodepengukurannya, danharusdispesifik-kan. • Untuksuatutanahdenganjumlahtertentubasa-tukar, % BS ygdihitungdariCECsumakanlebihbesardari %BS ygdihitungdariCECeff , danakanlebihbesardari %BS ygdihitungdariCECtotkarenalebihbanyakkemasamanpotensial pd KTK tergantung pH dihitungsebagai (yaituCECsum < CECeff < CECtot). • Contohgambarberikutmenunjukkanbagaimanahaliniterjadi. Dalammasing-masingkasus, kationbasanyasama (6 cmolckg-1); menjadipembilang ….. Mengukurperubahan KTK.

33. Nilaikejenuhanbasatergantungpadapengukuran KTK CECOAc= 10 cmolc kg-1 CECeff= 8 cmolc kg-1 CECsum = 7 cmolc kg-1 Kation –kationAsam Aln+ = 1 cmolc kg-1 H+ = 3 cmolc kg-1 Kation-kationBasa Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+ = 6 cmolc kg-1 ________________________ %BSsum= X 100 __________________________ Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na + 6 7 = X 100 = X 100 = 85% Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na++Aln+ Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na + Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na + Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na + CECsum CECOAc CECrff ________________________ 6 8 %BSeff= X 100 = X 100 = 75% ________________________ 6 10 %BSOAc= X 100 = X 100 = 60%

34. PersamaanPertukaranKation Pendekatan Kerr untukkoefisienselektivitas : [AlX]2/3 [Ca2+] Ks = ---------------------- [CaX] [Al3+]2/3 Products multiplied together (each raised to the power of the number of molecules in the reaction) over reactants (also raised to the power of the number of molecules)

35. PersamaanPertukaranKation Persamaandapatdisusunkembalimenjadi: [AlX]2 [Al3+]2 ------------- = Ks -------------------- [CaX]3 [Ca2+]3 Keduasisipersamaandibyulatkanuntukmengeliminir “pangkatpecahan”. Inisetaradenganpersamaan Gaines-Thomas Equation)

36. Persamaan Gaines-Thomas merupakansalahsatupersamaanuntukmemodelpenggantianAl3+padakomplekspertukaranolehCa+dalamprosespengapuran (analogidengankesetimbangankimia, hasil kali konsentrasireaktan : X = fraksitukar, ekuivalen ( ) = aktivitasfaselarutan, moles L-1 Kgt = koefisienselektivitas (konstante)

37. Peningkatan (Ca2+) akibatpengapuranakanmenghasilkan: • PeningkatanXCa2+, ygselanjutnyamengurangiXAl3+atau • Menurunkan (Al3+) • kalauKgttetapkostan : Olehkarenaitu, aksimassasecara total dapatdiprediksidengan model pertukarankation.

38. Persamaanpertukarankationjugamemprediksiperubahan “disproportionate” dalamlarutantanah Al3+relatifterhadap Ca2+: Sehingga, (Al3+): (1) menurunsebesarXCa2+pangkat 3/2, tetapi (2) meningkatsebesar (Ca2+) pangkat 3/2

39. Padajangkapendek, XAl3+danXCa2+relatifkonstan (perubahannyalambat). Sehingga: Dimana: Perubahan (Al3+) sebesarpangkat 3/2 dari(Ca2+) dalamwaktusingkattanpaperubahanlarutantanahitusendiri.

40. Persamaan lain untukPertukaranKation: Gaines-Thomas, Gapon, Vaneslow Misalnya: Pertukaran Ca – Al (Sumber: Reuss, 1983) Hubunganuntuksistempertukaran Ca-Al dinyatakansbb:

41. Tanah Saline danSodik Saline:Kadar garamtinggi, potensialosmotiktinggi, tanamansulitmenyerap air daritanahini. Sodik:persentase Na-tukar yang tinggi (ESP) (>15%). Saline-Sodic:Mempunyaikeduaciri-ciritersebut

42. Tanah-tanah Saline danSodik Persentase Na-tukar, Exchangeable Sodium Percentage (ESP): Ukuransodisitasdarifasepertukarantanah (unitnyacmolc kg-1) Tanah-tanahsodikseringkalibersifatalkalin, kationtukar Al3+ danH+ dapatdiabaikan, sehingga:

43. Tanah-tanah Saline danSodik Sodium Activity Ratio (SAR): Ukuransodisitasdarilarutan. Kalausatuannya mole L-1: Kalausatuannya mole muatan(molc L-1):

44. SAR diturunkandaripersamaanGapon Q = XM2+ (Na+) XNa+ (M2+)1/2 Dimana X = penukar, M2+ = (Ca2+ + Mg2+) SehinggakalauCa2+danMg2+mendominasipenukar , maka SAR ≈ (Q)( XNa+/XM2+) = (Q )(ESP)

45. SAR: Padatanah-tanahsodik, permeabilitassangatrendahkarena Na+ menyebabkankoloidliatsalingmenempeldanmerapatsehinggainfiltrasidanporositastanahsnagatrendah SAR >13: Clays repel each other and line up Poor aeration, infiltration Sodic soils SAR <13: Clays attract each other and stack on end Good aeration, infiltration

46. Tanah-tanahSodikmudahdiperbaikidnegangipsum CaSO4 - - - - - - - - - - - - ..Na+ [Ca2+] [Na+] ..Ca2+ ..Na+ [Na+] Larutdalamlarutantanah Liatbermuatannegatif 2XNa+ + Ca2+ XCa2+ + 2Na+ X = kationdapatditukar

47. Kimia Larutan Tanah Anion utamadalamlarutantanah: Khloride: garamdarilaut , mis. NaCl Sulfat: Garamlaut, deposisiatmosfir, pyrit Bicarbonat: udaratanah CO2 Nitrat: nitrificasi, polusiudara, pupuk, fiksasi N (hanyapadabeberapakasus) Ortho-P: tidakpentingdalam moles L-1, tetapiharaesensialinisangatpenting

48. Kimia Larutan Tanah • Kationutamadalamlarutantanah: • Sodium: garamlaut, mineral (bukanpenukar) • Potassium: K-mineral, K-tukar • Calcium: Ca-mineral, Ca-tukar • Magnesium: Mg-minerals, Mg-tukar • Aluminum: hanyapadatanahmasam; Al-tukar

49. Kimia Larutan Tanah • Si dilepaskanpadapelapukan mineral, tetapinetralsebagaiasamsilikat : • Misalnya, pelapukan mineral Albitemelepaskan ion aluminum danasamsilikat: • NaAlSi3O8+ 6H20 + 2 H+ Na+ + Al(OH)2+ + 3Si(OH)4 + 2 H20

50. Model Mobilitas Anion : Prediksikonsentrasi total kationdalamlarutantanah Kationberinteraksidengankationlainnyamelaluireaksipertukarankation, danperubahanproporsionalindividukationdalamlarutantanahtergantungpada total konsentrasikationlarutantanah Apaygmengendalikankonsentrasikationdalamlarutantanah? Satu model semi-empirikygbagusadalah Model Mobilitas Anion: Total kationharusdiimbangidengan total anion dalamlarutantanah (ataularutan lain) atasdasarsetara (ekuivalen) muatan: ∑ cations = ∑ anions dalamsatuaneqL-1(samadengansatuan SI, molc L-1)