Ada 2 pendekatan utama dalam menjelaskan model iklim terhadap tanaman. Melalui pendekatan efisiensi air (WUE/ Water Use Efficiency) dan pendekatan radiasi matahari (RUE / Radiation Use Efficiency). Model iklim yang digunakan dalam penelitian pertanian dan ekologi sering kali mencoba memperhitungkan berbagai faktor termasuk radiasi matahari dan ketersediaan air. 

Radiasi surya pada kisaran gelombang PAR (Photosynthecally Active Radiation) bermanfaat untuk proses fotosintesis. Laju fotosintesis dapat meningkat pada titik kejenuhan cahaya dengan bertambah tingginya kerapatan fluks radiasi matahari. Energi radiasi matahari yang sampai ke permukaan bumi mengalami pengurangan, tergantung jarak dan sifat ruang yang dilewatinya (kondisi atmosfer). Semakin jauh dari matahari maka energi radiasi matahari akan berkurang, secara eksponensial menurut jarak yang ditempuhnya. Selain jarak matahari - bumi tersebut, pengurangan juga dipengaruhi oleh parameter penyinaran berupa koefisien pemadaman.


Pengertian RUE, intersepsi radiasi matahari dan manfaatnya

RUE dapat sebagai pembantu meningkatkan pertumbuhan dan perkembangan tanaman, serta memperbaiki efisiensi penggunaan radiasi matahari, air dan nutrisi tanaman. 

Intersepsi radiasi matahari adalah besarnya radiasi surya yang tertahan oleh tajuk/ kanopi tanaman yang tidak sampai ke permukaan tanah atau kanopi tanaman tersebut. Intersepsi cahaya adalah proses di mana tajuk tanaman menangkap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi untuk fotosintesis. Fraksi yang diintersepsi itu dapat dipantulkan kembali atau diabsorbsi atau dipancarkan oleh bagian-bagian tanaman dalam tajuk komunitas tanaman tersebut. Radiasi yang sampai pada tanaman  diefisienkan untuk tumbuh, berkembang dan melakukan produksi sedangkan beberapa dipantulkan dan ditansmisikan ke permukaan. Transmisi radiasi dipengaruhi oleh struktur kanopi, jenis tanaman, ukuran luas daun, angin dan sudut datang matahari. Besarnya radiasi yang diintersepsi tanaman tergantung pada radiasi matahari yang sampai pada permukaan tajuk tanaman. Efisiensi penggunaan cahaya merupakan komponen penentu pada pertumbuhan dan perkembangan tanaman yang dihubungkan dengan produksi dan akumulasi biomassa dari intersepsi energi. Salah satu cara untuk menentukan kinerja individu tanaman adalah dengan menghitung jumlah intersepsi cahaya oleh tanaman.

Gambar 1. Peristiwa yang berhubungan dengan radiasi matahari di sekitar tanaman diantaranya intersepsi radiasi matahari 

Besarnya efisiensi radiasi matahari yang diterima oleh daun tidaklah sama, karena tidak semua daun mendapat radiasi langsung. Terdapat daun yang berada di bawah bayangan. Semakin rapat kanopi tanaman maka makin banyak daun-daun lain yang saling menaungi. Daun yang berada di bagian bawah akan menerima radiasi lebih sedikit untuk proses fotosintesis daripada daun-daun lainnya yang berada di atasnya.

Monteith (1977) menjelaskan hubungan antara akumulasi bahan kering tanaman dan intersepsi radiasi surya.  Efisiensi radiasi matahari (RUE) digambarkan sebagai slope/kemiringan antara regresi linier intersep 0 antara biomassa dan PAR yang diintersepsi oleh tanaman. RUE sangat dipengaruhi faktor abiotik dan ketersediaan hara pada tanaman. Variabilitas iklim juga mempengaruhi efisiensi penggunaan radiasi (RUE) dan pengaruh defisit air tanah dapat dihubungkan secara langsung dengan RUE, pertumbuhan tanaman dan hasil tanaman.

RUE merupakan suatu konsep untuk mengukur efisiensi penggunaan radiasi matahari dalam menghasilkan biomasa tanaman. RUE dapat dihitung dengan mengukur jumlah biomasa yang dihasilkan oleh tanaman dalam satu unit radiasi matahari yang dicapai. Tanaman di lapangan nilai RUE dapat dinyatakan dengan nisbah penambahan massa tanaman (dw) dan jumlah radiasi yang diintersepsi oleh tanaman (Qint). Radiasi intersepsi adalah selisih antara radiasi surya yang datang dan yang diteruskan oleh tajuk tanaman. Digambarkan dalam persamaan berikut :

Qint = Q0 – Q

Persamaan lain yang dapat digunakan untuk menduga besarnya intersepsi radiasi matahari melalui Hukum Beer. Hukum Beer berbunyi sebagai berikut : " Intensitas radiasi matahari yang diterima oleh suatu tempat di permukaan bumi mengalami penurunan secara eksponensial menurut jarak yang ditempuh". 


Qint = Q0 x (1 – exp(-k x ILD))

k = ln (Q0/Q) / ILD

ILD = Ld/Lh


Dimana Qint adalah jumlah radiasi yang diintersepsi  (MJ/m2). Q adalah radiasi yang diterima di bawah tajuk (MJ/m2). Q0  adalah radiasi yang diterima di atas tajuk (MJ/m2). k adalah koefisien pemadaman. ILD adalah indeks luas daun (LAI) dengan  Ld yaitu luas daun (m2) dan Lh yaitu luas lahan  (m2).

Koefisien pemadaman (extinction coefficient) menyatakan  radiasi yang jatuh pada tajuk tanaman yang dapat dipadamkan oleh komunitas tersebut dengan asumsi sumber radiasi datang hanya dari atas tajuk dan melalui tegakan tajuk tersebut. Pengurangan radiasi terjadi secara eksponensial dengan asumsi yang berperan dalam proses pengurangan ini terutama oleh daun. Faktor-faktor yang mempengaruhi koefisien pemadaman adalah sudut datang surya, indeks luas daun, sudut daun, distribusi dari daun-daun tegak. Nilai k yang mendekati angka 1 menunjukkan penutupan kanopi semakin rapat.

Indeks Luas Daun (ILD) adalah salah satu parameter penting dalam analisis pertumbuhan tanaman yang mengukur total luas daun per unit luas terhadap proyeksi lahan di bawahnya. ILD berfungsi untuk menghitung banyaknya radiasi matahari yang diserap daun untuk menentukan produksi biomassa tanaman. Peningkatan jumlah populasi tanaman atau semakin rapat, maka luas tanah yang dicakup oleh tanaman tersebut akan semakin kecil sehingga akan meningkatkan ILD. 

Efisiensi pengunaan radiasi surya merupakan nisbah  antara energi yang digunakan untuk membentuk bahan kering dengan total energi surya yang diterima pada masa pertumbuhan tanaman. Persamaannya yaitu :

ε = dW / Qint


Ɛ adalah efisiensi pemanfaatan radiasi matahari (g/ MJ dan  dw adalah penambahan biomassa tanaman (g/m2).




Gambar 2. Kerapatan tanaman jagung 
Sumber : https://homecare24.id/tumbuhan-jagung/

Peningkatan kerapatan tanaman dapat meningkatkan persentase intersepsi cahaya matahari. Selain itu, intersepsi radiasi matahari juga berkaitan dengan efisiensi penggunaan radiasi. 

Variasi nilai RUE pada tanaman C3 dan C4

Nilai RUE bervariasi pada masing-masing spesies tanaman tergantung pada kejenuhan cahaya pada laju fotosintesis daun. Tanaman legum (kacang-kacangan) memiliki RUE yang lebih rendah daripada spesies C3 non-legum.

Kebutuhan radiasi surya akan berbeda-beda tergantung pada jenis tanaman. Tanaman Kedelai (Glycine max L. Merr.) misalnya termasuk tanaman C3 yang tidak memerlukan cahaya penuh untuk kelangsungan hidupnya. Tanaman C3 memiliki titik kompensasi cahaya yang rendah yang dibatasi oleh fotorespirasi.

Mayoritas tanaman menggunakan fotosintesis C3, di mana senyawa karbon pertama yang dihasilkan mengandung tiga atom karbon. Dalam proses ini, karbondioksida masuk ke dalam tanaman melalui stomata (pori-pori mikroskopis pada daun tanaman), di mana di tengah-tengah serangkaian reaksi yang kompleks, enzim Rubisco mengikat karbon menjadi gula melalui siklus Calvin-Benson. Namun, dua pembatasan utama memperlambat fotosintesis.  Fotorespirasi menghabiskan energi tanaman yang seharusnya dapat digunakan untuk berfotosintesis.Ketika stomata terbuka untuk membiarkan karbon dioksida masuk, stomata juga membiarkan uap air keluar, membuat tanaman C3 dirugikan dalam kekeringan dan lingkungan bersuhu tinggi.

Contoh lainnya tanaman jagung (Zea mays L.) (Gambar 4) termasuk dalam jenis tanaman C4 yang sangat efisien dalam memanfaatkan energi radiasi matahari bagi pertumbuhannya. Tanaman C4 memiliki titik kompensasi cahaya yang tinggi, sampai dengan cahaya terik yang tidak dibatasi oleh fotorespirasi. Tanaman jagung mempunyai laju fotosintesis yang tinggi sehingga hasil produksi tanamannya juga tinggi.  Tanaman C4 memisahkan asupan dan fiksasi CO2 dari siklus Calvin, secara efektif mencegah Rubisco salah memfiksasi O2 dan bukan CO2 (Gambar 3). Peristiwa ini memerlukan energi, namun tidak sebanding dengan manfaat energi dalam mencegah fotorespirasi pada suhu yang lebih tinggi. Tanaman C3 tidak memiliki struktur anatomi (tidak ada sel selubung bundel) atau kelimpahan PEP karboksilase untuk menghindari fotorespirasi seperti tanaman C4. 


Gambar 3. Perbedaan Siklus tanaman C3 dan C4 dalam fotosintesis

Gambar 4.  Efisiensi radiasi matahari (RUE) pada beberapa tanaman : jagung, padi dan kacang kedelai

Beberapa teknik budidaya dapat meningkatkan efisiensi radiasi matahari pada tanaman meliputi penggunaan mulsa sebagai reflektor radiasi matahari, pengaturan naungan, dan perbaikan struktur kanopi tanaman. Penggunaan mulsa mampu mempengaruhi neraca radiasi tanaman dengan meningkatkan distribusi penerimaan radiasi pada tanaman, sementara pengaturan naungan dapat mempengaruhi jumlah radiasi matahari yang diterima oleh tanaman. Selain itu, perbaikan struktur kanopi tanaman juga dapat meningkatkan efisiensi penggunaan radiasi matahari.


Gambar 5. Modifikasi petani di lapangan untuk peningkatan efisiensi radiasi matahari

Sumber :

Web :

https://ag.fmc.com/ca/en/fmc-news/soybeans-just-need-behave-more-corn

https://ripe.illinois.edu/blog/difference-between-c3-and-c4-plants?

https://homecare24.id/tumbuhan-jagung/

Jurnal :

Choirul, Rizal. 2013. Karakteristik Intersepsi Radiasi Matahari dan Produksi Tanaman Jagung Manis pada Arah Baris dan Kerapatan Berbeda. FMIPA. IPB : Bogor.

Handoko, 2005. Quantitative Modeling of System Dynamics for Natural Resources Management. Seameo Biotrop, Bogor.

Monteith, J.L. 1977. Climate and Efficiency of Crop Production in Britain. Philosophical Transactions of the Royal Society London B, 281, 277-294.

Mubarak, S., Impron, T. June. 2018. Efisiensi penggunaan radiasi matahari dan respon tanaman kedelai (Glycine max L.) terhadap penggunaan mulsa reflektif. J. Agron. Indonesia 46:247-253.