prinsip energi dan produktivitas

ASAS-ASAS DAN KONSEP EKOLOGI

1.    Prinsip Dasar Energi

Pada dasarnya energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja.sebagaimana yang di jelaskan pada asas 1 ilmu ingkungan bahwa “Semua energi yang memasuki jasad hidup, populasi atau ekosistem merupakan energi yang tersimpan atau yang terlepaskan” Namun jika kita melihat cara kerja dari energi itu sendiri ternyata Energi adalah bukan hanya yang bisa mengalir dan berpindah tempat tetapi juga menjelaskan tentang perubahan ukuran besar serta arah. Apabila benda bergerak lebih cepat maka benda tersebut memiliki energi kinetic yang tinggi dan apabila objek dipisahkan dari tanah maka dikatakan memiliki energi potensial yang lebih besar. Dalam pemindahan energi, sebagian menjadi panas dan yang lainnya mengalir ke lingkungan sekitar. Karena energi berpindah dari satu sistem ke sistem lain dengan pengaruh temperatur dan bila energi potensial nuklir berpindah dan mampu memUtarkan turbin. Energi memiliki sifat-sifat pemindahan energi seperti hukum kekekalan energi yang menyatakan “apabila system berpindah ke energy yang lebih tinggi maka system lain energinya akan berpindah ke lebih rendah”. Demikian juga dengan perubahannya, Perubahan apapun yang terjadi maka sebagian akan berubah menjadi panas dan sisanya di alirkan ke lingkungan. Cara penghitungannya adalah :  

Efisiensi = energi yang dipindahkan x 100 Jumlah seluruh energi.

Pada kenyatannya energi yang dipancarkan oleh matahari sangatlah besar namun yang sampai kebumi hanyalah seberapa kira-kira 2 kalori/cm kubik/menit. Tidak seluruh radiasi ini mampu mencapai bumi, sebagian diserap oleh gas yang ada di atmosper. Sebagian radiasi yang ada di atmosper tidak semua diserap gas udara ada yang terpencar ada juga yang diserap tanah. Hal ini i sebabkan oleh bentuk bumi yang berupa bola juga mampu mempengaruhi aliran energi maka tidak semua tempat pada permukaan disinari secara vertikal ada sinar yang datangnya miring.

Energi radiasi matahari melalui proses fotosintesis telah diubah menjadi energi kimia yang potensial bagi tumbuhan hijau sebagai sumber energi di ekosistem itu. Energi yang terkandung dalam tumbuh-tumbuhan itu menjadi sumber energi bagi makhluk hidup lain. Bahan-bahan organik dalam tubuh jasad makhluk hidup itu mengalami proses-proses yang mengubahnya menjadi enegri untuk tumbuh dan berkembang biak, menjalani metabolisme dan menjadi energi yang terbuang. Terbuang dalam arti tidak dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja. Energi yang tidak dapat dimanfaatkan oleh tubuh makhluk hidup akan dikeluarkan dari tubuh dalam bentuk panas untuk kemudian beradiasi ke atmosfer. 

Sesuai dengan hukum termodinamika maka “Energy hanya dapat berpindah dari satu bentuk mennjadi benntuk lain tapi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan”. Misalnya cahaya, adalah salah satu bentuk energi; untuk itu dia dapat diubah menjadi kerja, panas, atau energi potensial dari makanan. Tergantung pada keadaan, tetapi tak pernah berkurang jumlahnya.
Sebagian dari energi cahaya yang menjadi energi panas dari tanah, menjadi energi kinetik dari pergerakan angin yang dapat melakukan pekerjaan memompa air. Energi tidak hilang dengan menaikkan air, tetapi menjadi energi potensial karena energi laten (tersimpan) dalam air yang menyebabkan air dapat dinaikkan dapat diubah menjadi beberapa tipe energi dengan membiarkan air jatuh kembali ke dalam sumur.

Tapi mengapa piramida makanan semakin keatas semakin menyempit ? hal itu karena tidak semua energi yang disalurkann itu tersalurkan semua, sebagian digunakan untuk dirinya bertahan hidup dan juga tidak semua pemakan mampu memakan apa yang mereka makan.

Hasil buangan organisme beserta bagian organisme yang telah mati masih memiliki energi potensial. Hal ini karena materi mengalir dari mata rantai makanan yang satu ke mata rantai yang lain. Apabila makhluk mati, tidak berarti aliran materi terhenti, melainkan makhluk yang mati menjadi makanan makhluk lainnya. Untuk itu proses seperti ini menimbulkan pertanyaan “Dapatkah energi ini kembali dimanfaatkan” ? jawabannya BISA salah satu contohnya yaitu usaha gas bio dimana susunan utama gas ini adalah gas metan yang sifatnya tidak berbau, berwarna, dan tidak berasa. Gas bio ini memanfaatkan sisa organik yang terdapat pada kotoran sampah hewan maupun manusia melalui beberapa proses.

Bio gas terbentuk bila bahan organic dari kotoran sampah hewan maupun manusia direndam dalam air dan diletakkan dalam ruangan yang kedap udara sehingga tercipta suatu keadaan anaerob yatu tidak adanya udara, namun proses pembusukan ini dapat juga menggunakan suatu wadah khusus agar dapat menciptakan gas metan yang bagus.

Jadi pada intinya energi tidak dapat di kurangi dan tidak dapat di tambah melainkan energi hanya bisa berpindah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, hal ini karena tidak semua energi yang di salurkan tersalurkan. Karena sebagian energi hanya di gunakan untuk bertahan hidup dan sebagiannya terbuang. Terbuang dalam hal ini bukan berarti tidak dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja. Energi yang tidak dapat dimanfaatkan oleh tubuh makhluk hidup akan dikeluarkan dari tubuh dalam bentuk panas untuk kemudian beradiasi ke atmosfer. Sehingga energi itu akan tetap ada tanpa berkurang dan bertambah.

2.    Lingkungan Energi

Lingkungan energi adalah lingkungan dimana organisme-organisme terendam dalam radiasi sinar matahari yang terus menerus berubah  dari permukaan-permukaan dii sekitarnya.  Hal tersebut  merupakan penyumbang utama terhadap perubahan iklim (tempratur, curah hujan). Komponen lain dari lingkungan energi, radiasi panas, datang dari permukaan atau apa saja yang berada pada tempratur di atas nol mutlak. Ini meliputi tidak saja tanah, air, dan vegetasi tetapi juga awan-awan, yang menyumbangkan sejumlah nyata energi panas yang dipancarkan ke bawah ekosistem.

Pada lapisan teratas atmosfer besarnya radiasi adalah kurang lebih 2 gcal/cm2/detik. Jumlah ini akan berkurang apabila melewati atmosfer, paling banyak 67 % (1,34 gcal/cm2/detik) yang dapat mencapai permukaan bumi pada tengah hari di musim panas.

Radiasi matahari pada lapisan atmosfer adalah konstan dibandingkan dengan:

a.       Radiasi matahari yang mencapai permukaan laut pada hari yang cerah.

b.      Sinar matahari yang menembus mendung sempurna.

c.       Cahaya yang menembus vegetasi

Jadi, radiasi matahari semakin berkurang dan terjadi perubahan spektrum energi bilamana ia melewati awan, air dan vegetasi.

Absorbsi di dalam atmosfer secara luas mengurangi cahaya nampak dan secara tidak beraturan mengurangi radiasi inframerah. Cahaya nampak tersebut sedikit berkurang ketika melewati awan yang tebal dan air, yang berarti bahwa fotosintesis dapat diteruskan pada hari yang berawan dan pada beberapa kedalaman air yang jernih. Vegetasi menyerap gelombang panjang cahaya nampak yang berwarna biru dan merah serta infra merah secara lemah.

Pada daerah perbukitan atau daerah pegunungan di belahan bumi utara, permukaan lereng di bagian selatan menerima radiasi lebih besar dan lereng bagian selatan lebih kecil dari pada yang diperoleh di permukaan datar; hal ini menyebabkan perbedaan dalam iklim setempat dan vegetasi.

Energi memiliki kualitas maupun kuantitas. Jumlah yang sama dari bentuk-bentuk energi yang berbeda bervariasi besar di dalam potensi kerjanya. Kualitas energi diukur dengan energi yang digunakan di dalam transformasi atau lebih spesifik dengan jumlah dari satu tipe energi yang diperlukan untuk membangun bentuk energi yang lain di dalam rantai transformasi energi seperti rantai makanan atau rantai konversi energi pembangkit tenaga listrik. Apabila kualitas yang dikonversi ke dalam bentuk-bentuk baru menurun, kualitas dari bagian yang dikonversi itu ditingkatkan secara proporsional pada tiap-tiap tahap. Dengan kata lain, apabila kuantitas menurun maka kualitas akan meningkat. Suatu faktor kualitas dapat didefinisikan sebagai jumlah kalori sinar matahari yang perlu digunakan untuk memproduksi satu kalori dari bentuk kualitas yang lebih tinggi (misalnya makanan atau kayu). Struktur kimia sumber energi menentukan kualitasnya sebagai sumber makanan bagi konsumer. Apakah energi potensial di dalam suatu komponen tersedia bagi konsumer, tergantung pada nilai kualitas sumber sebagai makanan.

3.    Produktivitas

Produktivitas merupakan laju pemasukan dan penyimpanan energi di dalam ekosistem. Produktivitas dapat dibedakan menjadi 2, yaitu:

1.      Produktivitas primer adalah pengubahan energi cahaya oleh produsen atau autotrof. Produktivitas primer merupakan laju penambatan energi yang dilakukan oleh produsen. Produktivitas primer dibedakan atas produktivitas primer kasar (bruto) yang merupakan hasil asimilasi total, dan produktivitas primer bersih (neto) yang merupakan penyimpanan energi di dalam jaringan tubuh tumbuhan. Produktivitas primer bersih ini juga adalah produktivitas kasar dikurangi dengan energi yang digunakan untuk respirasi.

2.      Produktivitas sekunder adalah penggunaan energi pada hewan dan mikroba (heterotrof). Produktivitas sekunder merupakan laju penambatan energi yang dilakukan oleh konsumen. Pada produktivitas sekunder ini tidak dibedakan atas produktivitas kasar dan bersih. Produktivitas sekunder pada dasamya adalah asimilasi pada aras atau tingkatan konsumen.

Dalam sebuah ekosistem, produktivitas primer menunjukkan simpanan energi kimia yang tersedia bagi konsumen. Pada sebagian besar produsen primer, produktivitas primer bersih dapat mencapai 50% – 90% dari produktivitas primer kotor. Produktivitas primer dapat dinyatakan dalam energi persatuan luas persatuan waktu (J/m²/tahun), atau sebagai biomassa (berat kering organik) vegetasi yang ditambahkan ke ekosistem persatuan luasan per satuan waktu (g/m²/tahun).

 Namun demikian, produktivitas primer suatu ekosistem hendaknya tidak dikelirukan dengan total biomassa dari autotrof fotosintetik yang terdapat pada suatu waktu tertentu, yang disebut biomassa tanaman tegakan (standing crop biomass). Produktivitas primer menunjukkan laju di mana organisme-organisme mensintesis biomassa baru. Meskipun sebuah hutan memiliki biomassa tanaman tegakan yang sangat besar, produktivitas primernya mungkin sesungguhnya kurang dari produktivitas primer beberapa padang rumput yang tidak mengakumulasi vegetasi (Campbell et al., 2002).

Karena produktivitas merupakan laju penambahan materi organik baru, maka satuan yang digunakan adalah:

a.       satuan energi (kkal) atau satuan biomasa(gram)

b.      satuan luas (persegi)

c.       satuan waktu (hari, minggu, bulan, tahun)

contoh satuan produktivitas : gram/m²/hari.

Dalam kajian ekologi tumbuhan yang dibahas hanya produktivitas primer.

Faktor-faktor yang mempengaruhi produksi primer:

a.         Proses Fotosintesis

Dalam proses ini hanya sebagian kecil energi cahaya yang dimanfaatkan. Diperkirakan dari sejumlah energi cahaya yang sampai pada tumbuhan, hanya 1-5% dapat diubah menjadi energi kimia. Pemanfaatan energi cahaya untuk membentuk karbohidrat dalam fotosintesis meliputi beberapa proses kimia yang sangat kompleks termasuk dengan biokalalisatornya yang berupa enzim. Secara sederhana reaksi fotosintesis dapat dituliskan sebagai berikut.    

6CO_{2 +} 6H₂O + energy radiasi → 6C₆H₁₂O₆ + O₂

                           a    b             c                     d           e

a.       dari udara atau hasil respirasi

b.      dari tanah

c.       diabsorpsi oleh pigmen dalam dalam daun (klorofil)

d.      gula dalam sel tumbuhan

e.       dilepas keudara atau dipakai dalam respirasi

Gula yang di hasilkan dalam fotosintesis mempunyai berbagai kemungkinan yaitu, dimanfaatkan kembali dalam proses respirasi untuk menghasilkan ATP; dikonversi menjadi bentuk senyawa organik lain; dan dikombinasi dengan gugus tertentu menjadi asam amino dan selanjutnya diubah menjadi protein.

b.        Proses Respirasi

Pada kondisi optimum kecepatan fotosintesis dapat mencapai 30 kali dari respirasi terutama pada tempat terendah cahaya matahari. Umumnya karbohidrat yang digunakan antara 10-75% tergantung jenis dan usia tumbuhan.

c.         Faktor Lingkungan

Faktor lingkungan ada 2 yaitu faktor eksternal dan faktor internal. Faktor internal meliputi struktur dan komposisi komunitas, jenis dan usia tumbuhan, serta peneduhan. Adapun faktor lain yang mempengaruhi produktivitas primer yaitu faktor eksternal seperti ; cahaya, karbohidrat, air, nutrisi, suhu, dan tanah.

1)        Cahaya

Cahaya merupakan sumber energi primer bagi ekosistem. Cahaya memiliki peran yang sangat vital dalam produktivitas primer. Oleh karena hanya dengan energi cahaya tumbuhan dan fitoplankton dapat menggerakkan mesin fotosintesis dalam tubuhnya. Hal ini berarti bahwa wilayah yang menerima lebih banyak dan lebih lama penyinaran cahaya matahari tahunan akan memiliki kesempatan berfotosintesis yang lebih panjang sehingga mendukung peningkatan produktivitas primer.

2)        Karbondioksida

Karbondioksida diambil secara pasif dan dipengaruhi terutama oleh kadar karbondioksida yang ada diluar dan dalam tumbuhan.

3)        Air

Jumlah air yang tidak memadai menghambat semua proses metabolisme termasuk fotosintesis karena stomata tertutup dan tumbuhan menjadi layu.  Air merupakan bahan dasar dalam proses fotosintesis, sehingga ketersediaan air merupakan faktor pembatas terhadap aktivitas fotosintetik.

4)    Nutrisi

Nutrien untuk sejumlah klorofil dan enzim yang berperan aktif dalam proses fotosintesis. Produktivitas dapat menurun bahkan berhenti jika suatu nutrien spesifik atau nutrien tunggal tidak lagi terdapat dalam jumlah yang mencukupi.

4)        Suhu

Secara langsung suhu berperan dalam mengontrol reaksi enzimatik dalam proses fotosintetis, sehingga tingginya suhu dapat meningkatkan laju maksimum fotosintesis. Sedangkan secara tidak langsung, misalnya suhu berperan dalam membentuk stratifikasi kolom perairan yang akibatnya dapat mempengaruhi distribusi vertikal fitoplankton.

5)        Tanah

Tanah merupakan tempat sebagian besar tumbuhan untuk hidup terutama tumbuhan darat. Di dalam tanah mengandung berbagai macam zatatau senyawa yang dibutuhkan oleh tumbuhan. Salah satunya kandungan hidrogen.

Beberapa cara penentuan produktivitas primer adalah sebagai berikut :

1.      Metode penuaian

Cara ini di tentukan berdasarkan berat pertumbuhan dari tumbuhan. Dapat dinyatakan secara langsung berat keringnya atau kalori yang terkandung, tetapi keduanya dinyatakan dalam luas dan priode waktu tertentu. Metode ini mengukur produktivitas primer bersih.

Metode ini merupakan metode paling awal dalam mengukur produktivitas primer. Caranya adalah dengan memotong bagian tanaman yang berada diatas permukaan tanah, baik pada tumbuhan yang tumbuh di tanah maupun yang didalam air. Bagian yang di potong selanjutnya dipanaskan sampai seluruh airnya hilang atau beratnya konstan. Materi tersebut ditimbang, dan prodiktivitas primer di nyatakan dalam biomassa per unit area per unit waktu, misalnya sebagai gram berat kering/ m² /tahun.metode ini menunjukkan perubahan berat kering selama priode waktu tertentu.

Metode penuian tidak cocok untuk mengukur produktivitas primer fitoplankton, karena ada beberapa kesalahan misalnya perubahan biomasa yang terjadi tidak hanya diakibatkan oleh produktivitas tetapi juga berkurangnya fitoplankton oleh hewan – hewan pada  tropik diatasnya, atau mungkin jumlah fitoplankton berubah karena gerakan air dan pengadukan.  

Metode penuaian ini sangat sederhana, meskipun memiliki potensi – potensi kesalahan- kesalahan : sistim akar harus termasuk dalam perhitungan, dan adanya hewan herbivora. 

2.      Metode penentuan oksigen

Metode ini sangat cocok dalam menentukan produktivitas primer ekosistem perairan, dengan fitoplankton sebagai produsennya. Dua contoh air yang mengandung ganggang di ambil pada kedalaman yang relatif sama.

Satu contoh di simpan di dalam botol bening dan satunya lagi pada botol yang di cat hitam. Kandungan oksigen dari kedua botol tadi sebelumnya ditentukan, kemudian di simpan dalam air yang sesuai dengan kedalaman dan tempat pengambilan air tadi. Kedua botol tadi di biarkan selama satu sampai 12 jam. Selama itu akan terjadi perubahan kandungan oksigen di kedua botol tadi. Pada botol yang hitam terjadi proses respirasi yang menggunakan oksigen, sedangkan pada botol yang bening akan terjadi baik fotosintesis maupun respirasi. Diasumsikan respirasi pada kedua botol relatif sama. Dengan demikian produktivitas pada ganggang dapat di tentukan.

Metode – metode ini memiliki kelemahan – kelemahan, yaitu hanya dapat di lakukan pada produsen mikro dan asumsi respirasi pada kedua botol tadi sama adalah kurang tepat.

3.      Metode pengukuran karbondioksida

Metode ini cocok untuk tumbuhan darat dan dapat di pakai pada suatu organ daun, seluruh bagian tumbuhan dan bahkan satu komunitas tumbuhan.

Ada dua tehnik atau metode utama yaitu :

  Metode ruang tertutup

Metode ini biasanya di gunakan untuk sebagian atau seluruh tumbuhan kecil(herba,perdu pendek). Dua contoh di pilih dan di usahakan satu sama lainnya relatif sama. Satu contoh di simpan dalam kontainer bening dan satunya lagi di simpan dalam kontainer gelap(tertutup lapisan hitam). Udara dibiarkan keluar- masuk pada keedua kontainer melalui pipa yang sudah di atur sedenikian rupa dan mempergunakan pengisapan udara dengan kecepatan aliran udara tertentu. Konsentrasi karbondioksida yang masuk dan keluar kontainer di pantau.

Dengan cara ini karbondioksida yang di pakai dalam fotosintesis dapat dihitung, yaitu sama dengan jumlah yang di hasilkan dalam kontainerr gelap di tambah dengan jumlah yang di pakai dalam kontainer bening /terang. Dalam kontainer gelap terdapat produksi karbondioksida sebagai hasil respirasi,dan pada kontainer bening karbondioksida di pakai dalam proses fotosintesis daan juga adanya produksi akibat adanya respirasi. Metode ini juga memiliki kelemahan seperti pada metode dengan penentuan oksigen dan meningkatnya suhu dalam kontainer (seperti rumah kaca)sehingga mempengaruhi proses fotosintesis dan respirasi.

  Metode aerodinamika

Metode ini maksudnya menutupi kelemahan – kelemahan pada metode ruang tertutup. Karbondiaksida yang diukur diambil dari sensor yang di pasang pada tabung tegak dalam komunitas, dan satunya lagi di pasang lebih tinggi dari tumbuhan. Perubahan konsentrasi karbondioksida di atas dan didalam komunitas dapat di pakai sebagai indikasi dari produktivitas. Pada malam hari konsentrasi karbondioksida akan meningkat akibat terjadi respirasi, sedangkan pada siang hari konsentrasi akan menurun akibat proses fotosintesis. Perbandingan konsentrasi ini merupakan indikasi berapa banyak karbon dioksida yang di manfaatkan dalam fotosintesis.

4.   Metode kesamaan

Dalam ekosistem air,kesamaan akan berpengaruh terhadap kelarutan karbondioksida.perubahan kesamaan dapat dipakai sebagai indeks dari produktivitas.

Metode ini mempunyai potensi kesalahan,sepeti kandungan nutrisi mempunyai pengaruh juga terhadap kesamaan air.

5.    Kehilangan material dasar

Produktivitas dapat ditentukan berdasarkan laju kehilangan material seperti nitrat dan posfat.metoda ini menentukan produktivitas primer bersih dari ekosistem.teknik ini sangat berguna untik ekosistem perairan yang luas,sepertidanau dan lautan,tetapi haya berlaku bagi daerahyang beriklim musim (terjadinya penumpukan selama musim dingin dan dimanfaatkan pada musim semi).

6.        Metode radioaktif

Materi aktif yang dapat di identifikasi radiasinya di masukkan dalam sistem. Misalnya karbon aktif (C¹⁴) dapat di introduksi melalui suplai karbondioksida yang nantinya di asimilasikan oleh tumbuhan dan di pantau untuk mendapatkan perkiraa produktivitas. Tehnik ini sangat mahal dan memerlukan peralatan yang canggih, tetapi memiliki kelebihan dari metode lainya, yaitu dapat di pakai dalam berbagai tipe ekosistem tanpa melakukan penghancuran terhadap ekosistem.  

7.        Metode penentuan klorofil

Konsentrasi klorofil dapat ditentukan berdasarkan cara yang sederhana, yaitu dengan cara mengekstraksi pigmen tumbuhan. Mula–mula dilakukan pencuplikan daun dengan ukuran tertentu. Untuk sampling fitoplankton dilakukan dengan pengambilan sampel air dalam volume tertentu. Organisme selain fitoplankton harus di pisahkan dari sampel. Samel selanjutnya di saring dengan menggunakan filter khusus fitoplankton pada pompa vakum dengan tekanan rendah. Filter yang mengandung klorofil dilarutkan pada aseton 85% , kemudian dibiarkan semalam, dan selanjutnya di sentrifuse. Supernatannya dibuang dan pelet yang mengandung klorofil di keringkan dan di timbang beratnya. Berat klorofil di ukur dalam mg klorofil/unit area. Pengukuran klorofil juga bisa di lakukan dengan spektrofotometer dengan panjang gelombang 665 nm. Bila rasio asimilasi, kadar klorofil, dan jumlah energi cahaya di ketahui, maka produktivitas primer kotor dapat diketahui. Metode ini dapat di terapkan pada berbagai tipe ekosistem.

Cara-cara di atas sangat penting mengingat proses ini memiliki arti ekologi yang sangat nyata. Sebagian besar pengukurannya di lakukan secara tidak langsung , berdasarkan pada : jumlah substansi yang di hasilkan, atau jumlah matrial yang di pakai, atau jumlah hasil sampingannya. Satu hal yang perlu di ingat bahwa  proses fotosintesis berada dalam keseimbangan dengan respirasi.

Produktivitas harus diukur selama waktu yang tepat , karena terdapat perbedaan metabolisme selama siang dan malam hari. Perbedaan metabolisme juga terjadi antar musim, oleh sebab itu disarankan pengukuran energi ini dalam skala tahunan.