Pengembangan Sistem Pendugaan Cepat Kadar NH4+, NO3- dan N Total Tanah Berdasarkan Spektrum Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Tanah.

Abstract

Nitrogen (N) merupakan unsur hara makro primer yang dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhannya. Tanaman dapat menyerap dan menggunakan berbagai bentuk N seperti : N-amonium, N-nitrat, N-urea dan N-asam amino. N-amonium adalah bentuk N yang paling banyak dijumpai dan merupakan bentuk yang stabil pada tanah-tanah yang digenangi (wetland). Sedangkan N-nitrat paling banyak dijumpai pada lahan-lahan kering (upland). Pada umumnya rekomendasi pupuk nitrogen dihitung berdasarkan ketersediaan unsur N dalam tanah dan kebutuhan tanaman terhadap unsur N, sehingga memerlukan pengujian tanah secara terus menerus karena sifat unsur nitrogen yang cepat berubah. keberadaan unsur nitrogen dalam tanah selalu berubah-ubah akibat dari penguapan sebesar 4-60%, pencucian sebesar 3-35%, aliran permukaan sebesar 12-25% dan erosi sebesar 11%. Pengujian tanah secara konvensional memerlukan biaya analisa tanah yang relatif mahal dan waktu yang lama, disamping ketersediaan laboratorium uji tanah yang sangat terbatas. Hal ini menyebabkan rekomendasi pupuk untuk tanaman bersifat umum dan seragam untuk seluruh Indonesia. Pemupukan nitrogen dengan dosis yang tepat pada tanaman dapat dilakukan jika diketahui kadar nitrogen tanah secara spesifik lokasi. Pengujian tanah secara konvensional untuk mengukur kadar nitrogen tanah dilakukan di laboratorium uji tanah. Pengujian tersebut membutuhkan biaya yang relatif mahal dan waktu yang relatif lama. Identifikasi kadar nitrogen tanah harus dilakukan secara cepat dan murah, karena kehilangan kadar nitrogen tanah dapat terjadi setiap saat disebabkan penguapan, erosi, aliran permukaan dan pergiliran tanaman. Penggunaan gelombang elektromagnetik yang dapat berinteraksi secara elektromagnetik dengan ikatan nitrogen dalam tanah diperlukan untuk dapat mengukur kadar nitrogen tanah secara cepat. Secara umum tujuan penelitian ini melakukan pendugaan cepat kadar NH4+, NO3- dan N total berdasarkan spektrum Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) tanah dengan metode Support Vector Machine Regression (SVMR). Secara spesifik tujuan penelitian ini menentukan formulasi dan konfigurasi settingan Nd-YAG Laser model Q-Smart 850 dalam proses pengambilan spektra LIBS tanah, membangun model pendugaan NH4+, NO3- dan N total berdasarkan spektrum LIBS tanah menggunakan metode Support Vector Machine Regression (SVMR) dan membuat rancangan alat pendugaan kadar nitrogen tanah menggunakan spektrum Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) tanah yang portable dan ekonomis. Tahapan Penelitian ini dimulai dari persiapan sampel tanah dalam bentuk pelet dengan ukuran diameter 3.2 cm dan tebal 0.5 cm menggunakan manual hydraulic press dengan tekanan sebesar 29.272 MPa tanpa melalui proses pengeringan. Pengambilan spektrum Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) tanah menggunakan second harmonic (532 nm), pulse duration 5.5 ns, repitition rate 10 Hz, Q-switch delay 150 μs dan energi sebesar 15 mJ/pulsa. Preprocessing data spektrum Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) tanah menggunakan multiple scatter correction dan mean normalization. Sedangkan pendugaan kadar NH4+, NO3- dan N total menggunakan Support Vector Machine Regression (SVMR) dengan Mean Absolute Percentage Error (MAPE) sebagai ukuran akurasi model pada proses kalibrasi dan validasi. Tahapan akhir merupakan sebuah desain alat pendugaan kadar nitrogen tanah berdasarkan hasil setup Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) pada saat mengambil spektrum Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) tanah dan model pendugaan yang dibangun menggunakan metode Support Vector Machine Regression (SVMR). Penelitian ini menunjukkan bahwa pengambilan spektrum Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) tanah bisa dilakukan tanpa melalui proses pengayakan dan pengeringan dengan cara membuat sampel tanah dalam bentuk pelet menggunakan manual hydraulic press yang bertekanan 292.72 bar menggunakan second harmonic (532 nm), pulse duration 5.5 ns, repetion rate 10 Hz dan Q-switch delay 150 μs. Akurasi model pendugaan kadar nitrogen tanah dapat dilihat dari nilai Mean Absolute Percentage Error (MAPE). Selain itu Model kalibrasi untuk pendugaan NO3- masuk kategori Good dan NH4+ masuk kategori Reasonable, sedangkan N total masuk kategori Highly accurate. Sedangkan pada proses validasi NO3- dan NH4+ masuk kategori reasonable, sedangkan N masuk kategori Good. Model tersebut menunjukkan prediksi N total mempunyai akurasi model yang baik, sedangkan untuk NH4+ dan NO3- akurasinya masih rendah. Desain alat pendugaan kadar nitrogen tanah yang portable mengacu pada formulasi, konfigurasi dan utilisasi Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) untuk menganalisa partikel organik dalam sampel tanah. Alat pendugaan kadar nitrogen tanah terdiri atas generator laser pulsa dengan panjang gelombang 532 nm, lensa fokus, pompa vakum 12 V 5 Lpm, kamar sampel, lempeng sampel, lensa pengumpul dan filter 532 nm, spektrophotometer yang mempunyai range panjang gelombang 200-1100 nm, mikrokontroler, rangkaian pengatur daya, akumulator 12 V 5 Ah dan panel kontrol yang dilengkapi display, tombol power dan tombol proses.