Fluks Karbon Selama proses fotosintesis tanaman

Pendugaan penyerapan CO 2 oleh suatu ekosistem dapat dilakukan dengan terlebih dahulu menduga nilai dinamika karbon yang dapat digambarkan dengan nilai stok dan fluks karbon. Metode pendugaan nilai stok dan fluks karbon dilakukan dengan beragam cara. Sebagai contoh untuk nilai pendugaan penyerapan CO 2 di dalam ekosistem hutan menggunakan nilai fluks karbon dapat dilakukan dengan terlebih dahulu menduga nilai NPP hutan yang kemudian dengan menggunakan nilai konversi C ke CO 2 didapatkan nilai penyerapan CO 2 .

2.6.1. Stok Karbon

Hairiah et al. 2011 menyatakan bahwa pada ekosistem daratan, cadangan karbon disimpan dalam 3 komponen pokok, yaitu: 1. Bagian hidup biomasa: masa dari bagian vegetasi yang masih hidup yaitu batang, ranting dan tajuk pohon berikut akar atau estimasinya, tumbuhan bawah atau gulma dan tanaman semusim. 2. Bagian mati nekromasa: masa dari bagian pohon yang telah mati baik yang masih tegak di lahan batang atau tunggul pohon, kayu tumbangtergeletak di permukaan tanah, tonggak atau ranting dan daun- daun gugur seresah yang belum terlapuk. 3. Tanah bahan organik tanah: sisa makhluk hidup tanaman, hewan dan manusia yang telah mengalami pelapukan baik sebagian maupun seluruhnya dan telah menjadi bagian dari tanah. Ukuran partikel biasanya lebih kecil dari 2 mm. Berdasarkan keberadaannya di alam, ketiga komponen karbon tersebut dapat dibedakan menjadi 2 kelompok yaitu: a. Karbon di atas permukaan tanah, meliputi:  Biomasa pohon . Proporsi terbesar cadangan karbon di daratan umumnya terdapat pada komponen pepohonan. Untuk mengurangi tindakan perusakan selama pengukuran, biomasa pohon dapat diestimasi dengan menggunakan persamaan allometrik yang didasarkan pada pengukuran diameter batang dan tinggi pohon, jika ada.  Biomasa tumbuhan bawah. Tumbuhan bawah meliputi semak belukar yang berdiameter batang 5 cm, tumbuhan menjalar, rumput-rumputan atau gulma. Estimasi biomasa tumbuhan bawah dilakukan dengan mengambil bagian tanaman melibatkan perusakan.  Nekromasa. Batang pohon mati baik yang masih tegak atau telah tumbang dan tergeletak di permukaan tanah, yang merupakan komponen penting dari C dan harus diukur pula agar diperoleh estimasi cadangan karbon yang akurat.  Seresah meliputi bagian tanaman yang telah gugur berupa daun dan ranting- ranting yang terletak di permukaan tanah. b. Karbon di dalam tanah, meliputi:  Biomasa akar. Akar mentransfer karbon dalam jumlah besar langsung ke dalam tanah, dan keberadaannya dalam tanah bisa cukup lama. Pada tanah hutan biomasa akar lebih didominasi oleh akar- akar besar diameter 2 mm, sedangkan pada tanah pertanian lebih didominasi oleh akar-akar halus yang lebih pendek daur hidupnya. Biomasa akar dapat pula diestimasi berdasarkan diameter akar akar utama, sama dengan cara untuk mengestimasi biomasa pohon yang didasarkan pada diameter batang.  Bahan organik tanah . Sisa tanaman, hewan dan manusia yang ada di permukaan dan di dalam tanah, sebagian atau seluruhnya dirombak oleh organisme tanah sehingga melapuk dan menyatu dengan tanah, dinamakan bahan organik tanah. Konsentrasi C dalam bahan organik biasanya sekitar 46, oleh karena itu estimasi jumlah C tersimpan per komponen dapat dihitung dengan mengalikan total berat masanya dengan konsentrasi C, sebagai berikut:

2.6.2. Fluks Karbon Selama proses fotosintesis tanaman

mengikat CO 2 dari atmosfer. Banyaknya karbon yang diikat selama proses fotosintesis disebut dengan Gross Primary Production GPP. Beberapa CO 2 yang diikat digunakan oleh tanaman sendiri untuk proses metabolisme sebagian besar untuk respirasi dan pada proses ini, CO 2 kembali lagi ke atmosfer. Karbon yang tidak digunakan dalam proses respirasi dan digunakan untuk membentuk biomassa pada tanaman, inilah yang disebut dengan Net Primary production NPP June et al. 2006. Fahey dan Knapp 2007 mendefinisikan produktivitas primer sebagai tingkat dimana energi disimpan dalam bahan organik dari Berat kering biomasa atau nekromasa kg ha -1 x 0.46 tanaman per satuan luas permukaan bumi. Hal ini sering diungkapkan dalam unit bahan kering misalnya, gram kering massa m - 2 tahun -1 . Produktivitas primer bruto gross primary production adalah jumlah energi tetap atau bahan organik yang diciptakan oleh tumbuhan dalam fotosintesis per unit areal tanah per unit waktu. Namun, tanaman menggunakan sejumlah besar bahan organik yang mereka hasilkan untuk kebutuhan mereka sendiri seperti untuk respirasi. Produktivitas primer bersih Net Primary Production adalah jumlah bahan organik yang tersisa setelah respirasi. Menurut Clark 2001, NPP adalah selisih antara total fotosintesis Gross Primary Production dan respirasi total tanaman di suatu ekosistem. Walaupun pengertian NPP bisa dijelaskan seperti itu, namun kenyataannya di lapangan, nilai NPP tidak bisa semerta – merta di dapatkan dengan hanya mengetahui perbedaan nilai hasil fotosintesis dan respirasi. Definisi lain NPP yakni bahan organik yang diproduksi selama suatu interval tertentu. Namun demikian nilai hasil produksi ini tidak bisa langsung diukur karena proses transformasi seperti konsumsi dan dekomposisi selama interval pengukuran diestimasi berdasarkan beragam pengukuran dan asumsi yang mendasari. NPP didefinisikan sebagai fluks karbon bersih dari atmosfer ke dalam tanaman hijau per satuan waktu. NPP mengacu pada tingkat proses seperti jumlah produksi materi dedaunan NPP per hari, minggu, atau tahun. NPP adalah variabel ekologi dasar, hal ini tidak hanya karena NPP mengukur input energi dari biosfer dan asimilasi Karbon Dioksida daratan, tetapi juga karena NPP adalah faktor signifikan dalam indikasi area penutupan lahan dan luas jarak dalam proses ekologi. NPP adalah komponen penting dalam siklus karbon dan indikasi dari kualitas ekosistem. NPP dikendalikan oleh radiasi matahari dan dipengaruhi oleh cahaya, curah hujan, dan suhu udara. Imanda 2010. Clark 2001 menambahkan bahwa NPP terdiri dari semua bahan yang bersama-sama mewakili: 1 jumlah bahan organik baru yang diproduksi oleh tanaman pada akhir interval waktu, dan 2 jumlah materi organik baik yang dihasilkan atau dihilangkan oleh tanaman selama interval waktu yang sama. Hal yang sama di ungkapkan oleh Kloeppel et al . 2007 yang menyatakan bahwa Pengukuran produktivitas primer bersih NPP di ekosistem hutan menyajikan berbagai tantangan karena dimensi yang besar dan kompleksitas pohon serta kesulitan mengkuantifikasi beberapa komponen NPP. Secara umum, pengukuran NPP melibatkan penjumlahan dua set bahan organik yang berbeda: 1 yang ditambahkan dan ditahan oleh tanaman selama interval pengukuran selisih biomassa bersih dan 2 yang dihasilkan, namun hilang oleh tanaman selama selang yang sama. Gambar 7 NPP global dari vegetasi selama Januari sampai Februari 2010. sumber : http:earthobservatory.nasa.govGlobalMaps Gambar 7 memperlihatkan secara global, rata – rata tahunan NPP dari vegetasi selama Januari sampai Februari 2010. Dalam gambar ini, vegetasi digambarkan sebagai skala atau indeks kehijauan. Kehijauan didasarkan pada beberapa faktor yakni , jumlah dan jenis dari tanaman, seberapa rindang dan seberapa sehat tanaman tersebut. Di tempat dimana kerapatan daun – daunan dan pertumbuhan tanaman cepat, indeks menjadi tinggi, diperlihatkan dengan warna hijau yang tua. Wilayah dimana sedikit tanaman tumbuh memiliki indeks yang rendah, diperlihatkan dengan warna coklat. Pola yang dapat diperlihatkan pada gambar tersebut adalah, kehijauan vegetasi tinggi didekat khatulistiwa sepanjang tahun, dimana suhu, curah hujan, dan cahaya matahari melimpah. Antara khatulistiwa dan kutub, kehijauan vegetasi naik turun sesuai perubahan musim. Banyak model menyusun pendugaan NPP skala regional dan global dan model – model tersebut dapat di klasifikasikan dalam 3 tipe, yaitu model iklim, model proses, dan model efisiensi penggunaan energi. Model iklim menduga dengan menentukan hubungan statistik antara NPP dengan data iklim. Model proses menduga NPP berdasarkan fisiologi tanaman dan proses ekologi. Model efisiensi penggunaan energi menggunakan efisiensi penggunaan energi dan hubungan antara indeks vegetasi dengan fAPAR Fraction Of Photosynthetically Active Radiation untuk menduga radiasi yang diserap oleh tanaman untuk mengestimasi nilai NPP. Karena model efisiensi penggunaan energi adalah model yang paling sederhana dibandingkan dengan model lainnya dan mengggunakan data penginderaan jauh, model ini yang paling banyak digunakan untuk menduga NPP Imanda 2010. Perkembangan teknologi penginderaan jauh menunjukkan potensi untuk menduga nilai NPP Seaquist et al. 2003 dalam Lagergren et al 2005. Dengan mengkombinasikan model dan teknologi dari penginderaan jauh dan sistem informasi geografi, NPP dapat diduga di wilayah ekosistem yang luas June et al. 2006. Konsep yang paling umum digunakan untuk menduga NPP dari data penginderaan jauh adalah dengan menggunakan Absorbed Photosynthetically Active Radiation APAR dan efisiensi penggunaan radiasi matahari Monteith 1972 dalam Lagergren et al. 2005. Penggunaan teknik penginderaan jauh untuk menduga NPP adalah dengan menggunakan model efisiensi penggunaan radiasi matahari yang menggunakan teknik penginderaan jauh dari fraksi radiasi fotosintesis yang diserap untuk memperkirakan nilai maksimum asimilasi karbon dan kemudian menyesuaikannya dengan kondisi iklim menggunakan serangkaian respon algoritma iklim sederhana. Luo et al., 2004 dalam Ollinger et al., 2007. Model efisien penggunaan radiasi matahari dibangun di atas dua asumsi mendasar Running et al. 2004 dalam Yuan et al. 2007 : 1 bahwa GPP ekosistem secara langsung berkaitan dengan radiasi Absorbed Photosymthetically Active Radiation APAR melalui efisiensi penggunaan radiasi matahari, dimana efisiensi penggunaan radiasi matahari didefinisikan sebagai jumlah karbon yang dihasilkan per unit APAR dan 2 bahwa efisiensi penggunaan radiasi matahari dapat dikurangi di bawah nilai potensi teoritis dengan tekanan lingkungan seperti suhu rendah atau kekurangan air Landsberg, 1986 dalam Yuan et al. 2007. Bentuk umum dari model efisiensi penggunaan radiasi matahari adalah : GPP = fAPAR x PAR x ε max x f Dimana PAR adalah Photosynthetically Active Radiation MJ m -2 per periode waktu hari atau bulan, fAPAR adalah fraksi PAR yang diserap oleh kanopi tanaman, ε max adalah efisiensi penggunaan radiasi matahari potensial g C m -2 MJ -1 APAR tanpa adanya stress lingkungan, f adalah skala variasi yang nilainya berkisar dari 0 – 1 memperlihatkan reduksi dari efisiensi penggunaan radiasi potensial dalam membatasi kondisi lingkungan. Pendekatan awal untuk menduga NPP pertama kali dilakukan oleh Monteith 1972;1974 yang menyatakan bahwa dCdt akumulasi karbon per unit waktu, saat unit waktu 1 tahun, maka dCdt adalah NPP sebagai hasil dari efisiensi kanopi e, mol CO 2 mol -1 PAR atau gC MJ -1 , fraksi PAR fAPAR yang diserap oleh kanopi dan PAR harian yang mencapai bagian atas kanopi, dirumuskan sebagai berikut : 365 NPP = Σ e fAPAR PAR i 1 Kemudian Ito dan Oikawa 2004 menjelaskan bahwa NPP merupakan salah satu indikasi yang mewakili fungsi ekosistem. NPP diduga berdasarkan hasil dari perbedaan antara Gross Primary Production GPP dengan respirasi tanaman autotrofik AR : NPP = GPP – AR Dengan demikian, rasio antara NPPGPP yang lebih besar dibandingkan besarnya kehilangan karbon akibat respirasi mengindikasikan efektifitas dari produksi bahan kering fotosintesis. Pengukuran NPP yang akurat sangat penting untuk pengembangan dan validasi model simulasi yang mampu memperluas skala temporal dan spasial dari prediksi dinamika ekosistem. Selain itu, pengukuran NPP dapat memberikan dasar perbandingan untuk pengukuran pertukaran karbon yang lebih aerodinamis dari sebuah ekosistem Goulden et al, 1996 dalam Fahey dan Knapp 2007. Simulasi GPP pada berbagai skala spasial dan temporal telah menjadi tantangan utama dalam mengukur siklus karbon global Canadell et al. 2000 dalam Yuan et al. 2007. Di antara semua metode pendugaan, model efisiensi penggunaan radiasi matahari paling memadai untuk menangani dinamika spasial dan temporal dari pendugaan GPP karena basis teoritis dan praktis Running et al. 2000 dalam Yuan et al. 2007.

2.7 Efisiensi Penggunaan Radiasi Matahari