Saat ini, pupuk nitrogen sintetis menjadi andalan dalam pertanian untuk meningkatkan produksi pangan, namun penggunaannya yang berlebihan menimbulkan dampak serius bagi lingkungan, seperti pencemaran air akibat pencucian nitrogen dan pelepasan gas rumah kaca (GRK) seperti metana (CH4) dan dinitrogen oksida (N2O). Ketiga gas rumah kaca utama (CO2, CH4, dan N2O) menyumbang lebih dari 90% pemanasan global yang disebabkan oleh aktivitas manusia.
Sawah merupakan salah satu penyumbang terbesar pencemaran nitrogen dan emisi GRK. Lebih dari 161 juta hektare sawah di dunia menghasilkan sekitar 482 juta ton beras per tahun. Di Tiongkok, sawah mencakup 23% dari total lahan pertanian dan berkontribusi sekitar 20% terhadap produksi beras dunia. Namun, efisiensi penggunaan nitrogen di sawah Tiongkok hanya 28,1%, jauh lebih rendah dibandingkan dengan Amerika (52%) dan Eropa (68%). Akibatnya, terjadi pencucian nitrogen sebesar 2,2% di sawah, sementara emisi CH4 dan N2O mencapai 7,7–8,0 juta ton CH4 dan 88–98 ribu ton N2O-N per tahun. Oleh karena itu, dibutuhkan solusi yang efektif untuk mengurangi dampak negatif ini tanpa mengorbankan produktivitas pertanian.
Apa Itu Biochar?
Biochar adalah material karbon yang dihasilkan dari pembakaran limbah biomassa dalam kondisi minim oksigen. Aplikasi biochar dalam pertanian menawarkan berbagai manfaat, termasuk meningkatkan kesuburan tanah, mengurangi pelepasan karbon, serta mengendalikan pencemaran nitrogen dan emisi GRK.
Berbagai penelitian menunjukkan bahwa biochar dapat menurunkan emisi CH4 dan N2O serta mengurangi pencucian nitrogen. Namun, hasilnya masih bervariasi tergantung jenis biochar, iklim, dan kondisi tanah. Misalnya, penelitian laboratorium menemukan bahwa biochar dari bambu dan jerami padi dapat mengurangi emisi CH4 masing-masing sebesar 51% dan 91%, sedangkan biochar dari jerami gandum justru meningkatkan emisi CH4 hingga 37%. Sementara itu, penelitian di Jerman menemukan bahwa tidak ada perbedaan signifikan dalam emisi CH4 antara lahan sawah yang diberi biochar dan yang tidak.
Dampak Biochar terhadap Nitrogen dan Gas Rumah Kaca
Dalam siklus nitrogen di sawah, proses nitrifikasi berperan penting. Mikroorganisme dalam tanah mengubah amonium (NH4+) menjadi nitrat (NO3−), yang berpotensi menghasilkan emisi N2O. Sejumlah studi membuktikan bahwa biochar dapat mengurangi pencucian nitrogen dengan meningkatkan kapasitas retensi air tanah, memperbanyak mikroba bermanfaat, dan mengubah struktur komunitas bakteri. Namun, ada juga penelitian yang berpendapat bahwa efek ini lebih disebabkan oleh meningkatnya efisiensi tanaman dalam menyerap nitrogen.
Proses oksidasi amonia menjadi nitrit, langkah awal dalam nitrifikasi, dilakukan oleh archaea dan bakteri pengoksidasi amonia. Menariknya, karena enzim yang digunakan dalam oksidasi amonia mirip dengan enzim yang digunakan dalam oksidasi metana, CH4 dalam tanah dapat terurai oleh kelompok mikroba yang sama. Oleh karena itu, memahami hubungan antara komunitas mikroba ini dengan fluks CH4 dan N2O sangat penting untuk mengevaluasi efektivitas biochar sebagai solusi lingkungan.
Hasil Penelitian di Cina Barat Laut
Penelitian di daerah hulu Sungai Kuning, Tiongkok, menunjukkan bahwa biochar dapat meningkatkan efisiensi penyerapan nitrogen oleh tanaman dan mengurangi pencucian nitrogen dalam tanah. Dalam penelitian tersebut, biochar diterapkan dalam empat dosis berbeda (0, 4,5, 9, dan 13,5 ton per hektare per tahun). Hasilnya, biochar meningkatkan serapan nitrogen oleh padi, meningkatkan total nitrogen dalam tanah, serta memperbanyak archaea pengoksidasi amonia. Selain itu, biochar juga menurunkan kadar NO3−-N dalam tanah dan mengurangi kepadatan tanah.
Biochar terbukti mengurangi pencucian NO3−-N dan NH4+-N. Namun, pada dosis tertentu, biochar justru meningkatkan emisi CH4 dan menurunkan emisi N2O, sehingga berdampak pada peningkatan net global warming potential (GWP). Hasil penelitian ini juga menunjukkan bahwa ketersediaan NO3−-N dalam tanah berperan besar dalam mengendalikan pencucian nitrogen serta dampak pemanasan global di sawah.
Aplikasi biochar dalam sistem persawahan berpotensi meningkatkan efisiensi penyerapan nitrogen oleh tanaman dan mengurangi pencucian nitrogen ke lingkungan, efeknya terhadap emisi gas rumah kaca sangat bervariasi tergantung pada jenis biochar, dosis yang digunakan, serta kondisi lingkungan setempat.
Melalui penggunaan dan penelitian lebih mendalam, penerapan biochar dapat dioptimalkan untuk menyeimbangkan peningkatan produksi pangan dengan pengurangan dampak lingkungan. Jika diterapkan dengan tepat, biochar dapat menjadi solusi inovatif untuk menciptakan pertanian yang lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan.