BIOSPHERE

MUHAMMAD FAHRI. BRAWIJAYA UNVERSITY MALANG 2009

BIOSPHERE

Biosphere meliputi semua organisme di bumi yang tinggal di geosphere, hydrosphere dan atmospir. Riset pada dekade terbaru menunjukkan bahwa organisma mengambil bagian sangat utama terhadap siklus Nitrogen (N) ada dimana mana seperti manusia, binatang, serangga, cacing, pada tumbuhan, pada debu dan hujan, pada dasar samudra, dan hingga ke 100an meter dibawah permukaan bumi. Banyak dari temuan riset terbaru ini untuk menyatukan perkiraan deposit N dan reservoir.

Meskipun demikian, jelas bahwa di biosphere reservoir N adalah paling kecil dari empat lapisan tetapi siklus N paling besar (yaitu, tingkat turn-over N jauh lebih besar di biosphere dibanding lapisan lain). Ukuran besar dari biospheric siklus N bermanfaat sebab N adalah membatasi bahan nutrien untuk kebanyakan kehidupan di bumi dan peningkatan siklus ketersediaan N untuk pertumbuhan.

Gambar 14. Ekosistem terrestrial pada biosphere
Biosphere nampak dirancang dengan baik dari sudut pandang efisiensi energi dalam penggunaan N. Sejumlah energi raksasan(masive) diperlukan untuk mengurangi dioksidasi (dinitrifikasi) bentuk N (seperti, NO2- dan NO3-) ke bentuk N ammoniacal bagian protein dimana terdapat enzim dan biocompounds penting lain. Kebanyakan dari N memperoleh dan mengedarkan secara internal ke biosphere, dengan bentuk direduksi yang difiksasi N tersusun, memperbaiki curah perpindahan didalam jaringan makanan alam semesta, tumbuhan biosphere, binatang, dan jasad renik.

Suatu contoh perpindahan N akan menjadi tumbuhan yang memproduksi bunga tepung sari yang dimakan oleh kupu-kupu. Kupu-kupu pada gilirannya, dimakan oleh capung yang kemudian dapat dimakan oleh kodok. Kodok dapat dimakan oleh ular kemudian dapat dimakan oleh elang. Masing-masing organisme dari rantai makanan ini menghadirkan tingkatan trophic.

Pemindahan N di biosphere lebih teliti dilukiskan sebagai jaringan dibanding sebagai tangga atau piramida. Jaringan dari semua yang hidup terdiri enam tingkatan trophic rantai makanan hidup dengan benalu. Dan 90 persen makanan yang dimakan oleh tiap tingkatan tidak diabaikan pada tingkatan paling tinggi berikutnya tetapi dikeluarkan sebagai pemborosan bahan organik. N didalam limbah makanan masyarakat ini utuh milik mereka sendiri. Organisma dapat bertindak tentang tingkatan trophic yang berbeda . Sebagai contoh, kodok dapat makan baik kupu-kupu maupun capung. Omnivore sangat sukses, seperti homo sapiens, dapat memperoleh N dari tingkatan trophic manapun. Bahkan lebih dulu tingkatan trophic tumbuhan berperan dari tingkatan trophic yang berbeda , seperti tumbuhan menggunakan baik inorganik- dan organik-N. Organisma pada tingkatan trophic kedua pemakan tumbuhan (herbivore) berganti banyaknya tingkatan trophic yang mampu memakannya. Ini digambarkan oleh herbivore yang hidup pada pemandangan alami paling lazim di Illinois', padang rumput yang luas:

"Pertimbangan biomass padang rumput yang luas dikonsumsi pada tahun masing-masing oleh peternakan luas, seperti bison, rusa besar, rusa, kelinci dan belalang" (Robertson, 2000). Banyaknya tingkatan trophic (tingkat pemangsa) di atas bison dan rusa besar berbeda dari jumlah yang ada di atas belalang dan kelinci.
Kebanyakan N dimakan oleh pemakan tumbuhan, pemangsa, dan benalu dikembalikan ke lahan sebagai limbah organik:

"Pertumbuhan peternakan meningkat pada prairies, siklus kembali nitrogen melalui air seni dan tinja, dan tempat terbuka yang atas (upland) untuk jenis tumbuhan mengganggu tanahtersebut" (Robertson, 2000).

Limbah organik ini, bersama dengan biomass yang mati dari tanah dan akar tumbuhan tumbuh di bawah. Akar padang rumput yang luas tumbuhan dapat tumbuh lebih dalam ke dalam lahan yang aboveground tumbuh memisah ke udara menyediakan bahan organik yang mendukung kompleksnya organisma di bawah tanah.

Tinggal di lahan adalah jumlah jasad renik yang luas seperti bakteri, jamur, actinomycetes, protozoans, nematodes, dan alga. Suatu cangkir tanah dapat berisi banyak bakteri sebanyak orang hidup dan tinggal di atas bumi. Lebih sedikit banyak jasad renik (seperti alga dan protozoans) secara khasjumlah hanya 1 sampai 10 milyar dari 10 cm irisan permukaan suatu pencemaran. Dengan umur hidup yang singkat dan tekanan sangat tinggi tingkat reproduktif, hidup dan mati biomass microbial mengahsilkan sejumlah besar N, lebih separuh dari 5.8 milyar metrik tons/tahun diperkirakan untuk puncak 1 m dari polusi dunia. Saat hidup dunia microbial pemakan tumbuhan (dan benalu) hidup dengan sedikitnya tiga tingkatan microbial trophic dan predator binatang tanah.

Kepadatan organisma yang tinggal di daerah akar dari rhizosphere berkisar dari 10 sampai100 kali tanahnya. Akar mengeluarkan zat organik yang dapat diurai (decomposable) dan mengelupas mulai jaringan, dengan merangsang aktivitas microbial timgkat tinggi dalam tanag yang berdekatan. Jumlah yang tinggi dari partikel tanah yang sangat aktip free-living dari serangan jasad renik untuk melepaskan bahan nutrien tumbuhan akhirnya tersedia untuk akar. Organisme lain kena infeksi akar dan mengirimkan ke dalam tanah. Bahan nutrient tanah terlarut menerobos microbial ke dalam akar dan bahan organik lewat dari akar ke dalam tanaman untuk memberi makanan.
Hubungan serupa ada antara akar dan fiksasi N jasad renik. Bagian luar bahan organik ke akar merangsang fiksasi free-living N jasad renik. Fiksasi N lain kena infeksi akar dan tinggal bersimbiosis dengan tumbuhan. Simbiotik N-Fixers biasanya memperbaiki free-living N sebab tumbuhan menyediakan tidak hanya makanan tetapi juga mereduksi lingkungan untuk melindungi enzim N-Fixing (nitrogenase) dari efek gas O2 yang mengganggu.

Dengan jelas, biosphere adalah kompleks. Berbagai kesulitan kompleksitas ini memperdayakan pemahaman kita tentang siklus N biospherik memiliki fakta bahwa sangat banyak unit biosphere melengkapi diklus N. Tumbuhan khas yang tumbuh pada tanah geosphere merangsang fiksasi N. Tumbuhan khas ini juga merangsang mineralisasi N, dan nitrifikasi dengan menyediakan akar kompleks exudates karbohidrat dan unsur seperti hormon, merangsang pertumbuhan microbial, dan pertumbuhan cacing dan binatang lain dalam tanah. Ingus, limbah, dan kotoran badan binatang lain pada tanah juga mendukung fiksasi N, mineralisasi, dan nitrifikasi dan denitrifikasi. Sebaliknya bakteri N-Fixing tidak hanya menyediakan fiksasi N, mereka juga menyediakan pertumbuhan unsur perangsang tumbuhan dan merangsang pertumbuhan N-Fixing berupa bongkol kecil-kecil pada kacang-kacangan. Lagipula, "Akar infective arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) area permukaan akar meningkat sehingga membantu akar pada volume tanah besar. Infeksi AMF dikenal meningkatkan pengambilan bahan nutrien, fiksasi N2, menoleransi polusi kimia pembatas (acidity, alkalinity, salinity), kekeringan dan unsur-unsur beracun. Mereka juga membantu kendali biologi akar pathogens dan dilibatkan dalam suklius bahan nutrien (solubilisasi, mineralisasi)" (Baligar dan Fageria, 1999, p. 199).
Berhubungan dengan ekosistem air menyajikan gambaran lebih kompleks lagi dibanding ekosistem berbasis tumbuhan di geosphere. Ini sebab daerah perakaran tumbuhan air tidak hanya menghasilkan kompleksistas yang sama gambaran siklus N seperti tumbuhan terestrial, tetapi juga deretan interaksi yang sama ada sampai luasan penting pada permukaan tumbuhan di air. Permukaan tumbuhan air menjadi mini-ecosystems bagi diri mereka dan pada free-living (planktonic) alga yang tinggal di air.

Sebagai contoh, alga planktonik dari danau produktif (eutrophic) dapat memperbaiki sejumlah N sepadan dengan hampir separuh yang diterima setiap tahun pada run-off dan deposisi di atmosfir. Itu tidak dapat untuk tumbuhan air (macrophytes) yang mempunyai sejumlah ganggang dan bakteri yang tinggal padanya. Sama dengan total beban tumbuhan sendiri. Produktivitas alga yang tinggal pada tumbuhan air (epiphytic) menduduki 1/4th untuk area danau dapat meliputi 3/4ths total produktivitas algal bahkan danau produktif pada batas air batu gamping. "Fiksasi nitrogen oleh epipelic (hidup di dasar), seperti epiphytic, blue-green alga dan bakteri adalah umum..."(Wetzel, 1983, p. 567). Blue-Green Alga yang hidup pada permukaan air vaskuler tumbuhan dilaporkan memperbaiki N pada tingkat dari 15 Kg N/ha-yr sampai lebih besar dari 500 Kg N/ha-yr pada kepadatan tumbuhan 200 g weight/m2 tananam kering.

Individu wetlands mempunyai kepadatan tumbuhan vaskuler terbentang dari 0 sampai 1,000s g weight/m2 tananam kering. N-Fixation mungkin dapat dinilai ke seberang keseluruhan nilai cakupan. Sebagai contoh, N-Fixing jasad renik yang tinggal di dan pada batang yang hidup dan Spartina mati ( 2200 g weight/m2 tananam kering) fksasi sejumlah N selama bulan Oktober-Juli bahwa "... sedikitnya 1550 kg N2/Ha. Zone yang tandus, puncak selama bulan Juli fiksasi mempunyai masukan potensi nirogen 210 kg N2/Ha. Dalam perbandingan, musim tumbuh dari tumbuhan musiman pakan kuda AS meliputi sedikitnya dua bulan, dan selama periode ini kira-kira 250 Kg N2/ha diproduksi. Sepanjang musim tumbuh, panen kacang kedelai fiksasi sekitar 150 kg N2/Ha (Stewart, 1966) ". (Green dan Edmisten, 1974, p. 125).

Daerah wetland adalah area yang tandus kekurangan pertumbuhan dari tumbuhan vaskuler tetapi sering mempunyai pertumbuhan alga yang dapat dinilai. Alga tinggal di puncak 0.25 cm dari lahan rawa untuk fiksasi 64 Kg N2/ha-yr dan Blue-Green Algal genjer yang hidup di atas lahan rawa fiksasi 200 Kg N2/Ha-Yr (Carpenter et al., 1978). N-Fixation pada puncak 8 dari polusi wetland pada 15oC untuk 144 Kg N/ha pada 180-day periode (Tjepkema dan Evans, 1976).

Lagipula, tumbuhan air dan sedimen wetland mengalami siklus N keras. Sebagai contoh, populasi bakteri N-Fixing terutama oxygen-free, sedimen waterlogged. Dalam lingkungan N-fixing jasad renik tidak mempunyai banyak energi untuk melindungi enzim N-Fixing (nitrogenase) pada sedimen oxic. Ini, persediaan berlimpahan dari bahan organik untuk digunakan sebagai sumber energi, bagi N-Fixation secara relatif keras menyerupai 10an sampai 100an Kg N/ha-yr pada wetlands alami dan sedimen air. Ini juga ditunjukkan secara eksperimen. Sebagai contoh tinjauan literatur melaporkan, "Dalam lahan waterlogged berkembang dengan 1% jerami, atau lebih sedikit, nilai fiksasi nitrogen tinggi sampai 150 kg ha-1 a-1 dicapai dengan 5 sampai 20% jerami dan kondisi waterlogged 500 sampai 1000 kg ha-1 a-1 difiksasi. Organisme yang bertanggung jawab adalah Clostridium butyricum dan Meiklejohn (1967) juga menemukan bahwa banyaknya clostridia meningkat dengan sangat kira-kira 678 - 1356 kg/ha ketika pupuk kompos ditambahkan kepada lahan." (Stewart, 1969, p. 370).

Fiksasi N dilaporkan untuk rhizosphere tumbuhan air keras, seperti, " Karena suatu yang khas posisi T. testudinum, fiksasi N2 diperkirakan menjadi 100 - 500 Kg N/hectare/tahun. Jumlah N2-Fixing sedimen rhizosphere 50 - 300 kali lebih berlimpah dibanding sedimen non-rhizosphere..." (Patriquin dan Knowles, 1972, p. 49).

Dan untuk posisi dari produktivitas maksimum, N-Fixation diperkirakan menjadi "... 350 - 1700 Kg N/hectare/tahun. Perkiraan ini dapat diperbandingkan untuk perkiraan fiksasi N2 pada kacang-kacangan, secara khas pada cakupan 110 - 220 Kg N/hectare/tahun" (Patriquin dan Knowles, 1972, p. 56).

Ini mengurangi air dan wetland sedimen juga adalah lokasi denitrification NO3-N dapat dinilai produksi permukaan mengoksidasi lapisan sedimen dan/atau membawa masuk dari sangat dioxygenasi air untuk mengurangi lingkungan dasar sedimen waterlogged.

Bagaimanapun Sebagian Dari Gas N ini Didaur Ulang Oleh Fiksasi N.
Sedangkan di biosphere nampak seperti energi dan material tidak efisien memanfaatkan hanya bagian kecil dari N yang tersedia bagian itu mengalami nitrifikasi/denitrifikasi pemborosan yang nyata ini juga bagian dari disain sempurna. Yakni, kebocoran N melalui nitrifikast/denitrifikasi mengijinkan N untuk dibentangkan dari lingkungan kaya N pada larutan NO3- dan banyak gas sebagai benih dapat dibentangkan dan jauh dari pohon. Dengan cara ini N-Rich bagian biosphere "menabur benih" keseluruhan bumi dengan N. Manusia menjadi bagian dari biosphere. Karena pemanfaatan api, sebelum dinihari dari sejarah direkam, yang sangat utama dimana saja manusia hidup dan tinggal pasti mempunyai pengaruh pada biosphere dan reservoir N dan siklus N. Api biasanya mendukung pertumbuhan tumbuhan N-Rich, pada gilirannya, mendukung akumulasi N tanah melalui humifikasi N-Rich bahan organik. Api juga merangsang asymbiotic microbial dan fiksasi simbiotik N secara langsung. Fikssi N secara tidak langsung didukung oleh api sebagai peningkatan biomass untuk mendukung kumpulan besar peternakan hewan untuk mempertahankan hidup landskap yang N-enriched.
Api juga meingkatkan alir terestrial N ke atmospir dan hydrosphere (permukaan dan air tanah). Meskipun demikian, kendati perpindahan ditingkatkan, keuntungan yang fire-induced pada N terestrial biasanya lebih besar dari kerugian fire-induced ke atmospir dan hydrosphere.

Di Illinois, dan sebagian besar midwest USA, pembakaran tahunan oleh Orang Amerika Asli menjaga siklus N (dan siklus bahan nutrien lain) pada fiksasi tingkat tinggi, perpindahan dan akumulasi. Api juga dibentuk oleh tumbuhan. Sekarang Illinois menurut ekologi dipetakan sebagai ecoregion dari timur untuk kayu keras ketika mulai setlement Eropa, 9 juta ha. dari Ha juta 14. Illinois dari daratan adalah padang rumput luas dalam kaitan dengan pembakaran diulangi oleh Orang Amerika Asli dan peternakan dengan kerbau liar dan binatang lain. Sepertiga Illinois itu adalah hutan lebih dibanding hutan hari ini. Tanah hutan menjadi kaya akan rumput dan kacang-kacangan dan komposisi jenis hutan overstory adalah berbeda.

Awal penjelajah dan penetapan dibanding ketika Orang Amerika Asli dijernihkan dari daratan mendahului penyelesaian Eropa, prairies segera tumbuh dewasa ke dalam pohon. Dan kumpulan kerbau liar besar dan binatang rabuk lain dan tulang mencemari landskap juga dihilangkan dalam 20 tahun setelah keberangkatan kumpulan itu. Seperti hutan, sisanya prairies merubah komposisi tumbuhan dan kebanyakan hilang dari mereka N-Fixing kacang-kacangan.

Pembukaan hutan daratan oleh settlement Eropa pelan-pelan pada mulanya. Populasi keluarga rendah ke modifikasi dan standard daratan masa kini harus dilaksanakan dengan tangan dan tenaga binatang, bukan mesin seperti digunakan hari ini. Pada Tahun 1900 hanya sekitar 4 juta ha dari Illinois dibajak dan tumbuh tanaman baris musiman. Tenaga mesin memungkinkan pengeringan sekitar 4 juta ha tambahan dari daratan yang kebanyakan abad 20 dan total area Illinois di daratan panen meningkat ke 9.3 juta ha. Pengeringan dan bendungan mengurangi muatan bahan organik dan gizi nutrien air dan tumbuhan wetland membebankan atas perairan permukaan Illinois'.

Pada mulanya, lahan padang rumput luas terlalu kaya akan N dan bahan nutrien lain untuk tanaman musiman. Setelah kesuburan beberapa tahun merosot tetapi bumper tanaman musiman bisa tetap tumbuh untuk dekade tanpa penambahan N dan bahan nutrien lain. Karena dekade ada namun banyak N dalam lahan yang permukaan garam nitrat adalah peristiwa tidak bisa dibahas dalam lahan Midwest. Dan demikian banyak nitrat bisa menghimpunkan makanan hewan diracuni.

Bagaimanapun, dari waktu ke waktu soil-N diukur dan hasil dipanen menurun ke tingkat rendah. Pada separuh kedua abad 20 hasil panen meningkatkan untuk lahan yang ditingkatkan dan manajemen teknik panen, pengembangan variasi tumbuhan baru dan penggunaan pupuk kimia.

Ada tantangan utama untuk menaksir sejarah massa keseimbangan biosphere dan manusia berpengaruh atas itu. Sebagai contoh, dalam menaksir dampak pertanian Illinois' deposit N efek kesetimbangan perpindahan N-Fixing ekosystem padang rumput luas perlu dipertimbangkan dengan seksama seperti keseimbangan perkiraan massa harus mempertimbangkan masukan dari kegiatan pertanian (agriculturally-induced) penurunan reservoir soil-N dan penurunan serentak siklus soil-N alami. Pengaruh manusia harus dipertimbangkan baik pengurangan anthropogenically-induced sebagai penambahan. Sejauh ini, hanya penambahan keseimbangan deposit N dipertimbangkan.

Sebagai contoh, siklus N alami masa kini biasanya dipertimbangkan hanya dari aspeknya menjadi saringan tidak sempurna berhadapan kepindahan (dengan denitrifikasi) dari penambahan anthropogenic N. Bagaimanapun, ekosystem alami masa kini masih mempunyai komponen N-Fixing yang perlu untuk dipertimbangkan dengan seksama. Studi keseimbangkan massa di Illinois untuk mempertimbangkan bagaimana penambahan anthropogenic N saling berhubungan dengan keseluruhan sisa siklus N alami : suatu contoh bahwa penambahan N akan mengurangi simbiotik dan asymbiotic fiksasi N baik terestrial dan ekosystem air.

Dan sebaliknya, polusi permukaan perairan secara masive oleh fosfor (P) dalam deterjen dan pencemar lain sangat meningkat N-Fixing bunga ganggang yang mendukung pengayaan N dan eutrophikasi danau dan sungai. Pengenalan waktu yang tepat pentingnya pengendalian polusi fosfor di Tahun 1970an dan 1960an mendorong suatu pembalikan berikut dalam eutrophikasi dan pengayaan N oleh N-Fixing bunga ganggang (Paerl, 1990). Pengenalan hubungan antara konsentrasi dan lingkungan NO3 P-enriched- dalam air kembali pada Tahun 1920an (Mchargue dan Petrus, 1921). Hanya interaksi N dengan P dan siklus unsur lain di biosphere menjadi pertimbangan studi di Illinois keseimbangan deposit (David dan Gentry, 2000a, b) maupun digunakan untuk menjelaskan kecenderungan pada mutu air (Krug dan Winstanley, 2000).

Tantangan untuk menaksir historis keseimbangkan massa untuk biosphere dan manusia berdampak hebat dan kita mempunyai suatu cara untuk masuk mengenali dan menanggulanginya.