Ketika air, melalui hujan atau irigasi, mulai memenuhi tanah, ia akan menggantikan sebagian besar gas yang menempati ruang di antara partikel-partikel tanah. Meskipun beberapa mungkin terperangkap, sebagian besar air mendorong gas atmosfer ke permukaan dan mencegah gas baru menyusup ke dalam tanah. Yang merupakan berita buruk bagi semua tumbuhan, mikro-fauna, dan bakteri yang senang menghirup oksigen. Ketika oksigen hampir habis, kimia tanah berubah total. Degradasi bahan organik sebagian besar berhenti, contoh utamanya adalah rawa gambut dan perannya dalam pembuatan batu bara. Juga, akar tanaman bisa mati lemas, karena kebanyakan tanaman tidak memobilisasi oksigen dari satu bagian ke bagian lain. Bakteri di dalam tanah akan mencari pengganti oksigen dalam siklus respirasinya dan bagi banyak bakteri, pengganti ini adalah nitrat, NO3–. Proses ini, yang disebut denitrifikasi, pada akhirnya menghasilkan konversi gas NO3– menjadi N2, dan hilangnya nitrogen dari tanah. Nitrat juga merupakan bentuk nitrogen yang diserap sebagian besar tanaman, dan konversi serta kehilangannya mencegah tanaman menerima nutrisi penting dan membuang-buang uang petani yang menyuburkan tanah dengan biaya yang cukup besar.
Secara keseluruhan, jelas bahwa petani sangat ingin mengetahui seberapa sering dan seberapa dalam tanah menjadi jenuh dan sejauh mana kondisi oksigen rendah dapat terbentuk. Kabar baiknya adalah ada instrumen seperti piezometer dan sensor oksigen yang dapat memberi tahu kita fakta tersebut. Kabar buruknya adalah bahwa mereka dapat menghabiskan banyak uang untuk membeli dan menggunakan, dan membutuhkan waktu dan pelatihan yang signifikan untuk menjalankannya, yang membuat sebagian besar petani kembali ke titik awal. Rata-rata petani Amerika tidak dikenal karena waktu senggang atau penghasilan mereka yang cukup.
Dalam upaya untuk membantu petani menghasilkan informasi tentang kandungan O2 tanah mereka, tim yang dipimpin oleh Phillip Owens, ahli pedologi dari Universitas Purdue, mungkin telah menemukan jawabannya. Dorong paku besi ke dalam tanah, dan perhatikan bagaimana mereka berkarat. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 20081, Owens mengejar pertanyaan itu jauh lebih jauh daripada yang mungkin disarankan oleh ringkasan satu kalimat saya. Mereka menemukan bahwa paku yang ditempatkan di tanah yang terus-menerus tergenang air akan mengalami sedikit atau tidak ada karat.
Tetapi mereka juga menemukan bahwa kandungan mineral tanah juga akan secara signifikan mempengaruhi jenis dan tingkat karat pada kuku, (misalnya perbedaan antara lapisan tebal, berlubang, oranye terang dan film kemerahan,) menunjukkan bahwa kuku berkarat ini dapat membantu kami mencirikan kimia redoks yang mendominasi di tanah yang berbeda. Dengan mengkorelasikan kualitas kualitatif karat ini dengan pembacaan dari semua alat analitik terbaru dan paling keren, para peneliti dapat mengukur, sampai taraf tertentu, apa yang dikatakan karat tentang air, oksigen, dan sifat kimiawi tanah. Saat penelitian dilakukan dan disempurnakan, (dan mungkin yang lebih penting, divalidasi di tanah pertanian penting lainnya yang tak terhitung jumlahnya yang ada di dunia), petani akan dapat menggunakan pasokan yang tersedia untuk memperluas pengetahuan mereka tentang bidang mereka secara eksponensial, (Owens membeli paku untuk penelitian di toko perangkat keras Illinois).
Ada dua alasan penelitian ini sangat penting. Pertama, banyak bidang dicirikan berdasarkan pengukuran dari satu lokasi di bidang itu. Namun, dalam beberapa dekade terakhir ini, para peneliti telah mengungkap sejauh mana variabilitas intra-lapangan2 di bidang pertanian, dan dampak nyata dan signifikan dari variasi ini terhadap hilangnya nutrisi dan limpasan serta pemborosan ekonomi. (Demikian pula, mengurangi konsumsi pupuk nitrogen dapat sangat mengurangi emisi gas rumah kaca.) Ini adalah cara yang murah untuk menemukan dan memetakan variabilitas di lapangan, yang pada gilirannya akan memungkinkan strategi yang lebih halus untuk aplikasi pupuk.
Saya telah menyinggung alasan kedua penelitian ini penting– murahnya dan ketersediaan alat diagnostik utama. Di Amerika Serikat, dan sebagian besar dunia barat, kami memiliki kesempatan untuk mengakses alat analisis yang canggih. Tetapi mayoritas dunia tidak dapat mengklaim hak istimewa yang sama. Menerapkan teknik yang sama ini pada tanah dengan karakteristik regional, kemudian menyebarkan informasi kepada petani subsisten akan memungkinkan mereka mengkarakterisasi lahan mereka dengan cara yang sebelumnya tidak tersedia. Informasinya tidak sebaik yang dapat kami buat dengan semua peralatan terbaik, tetapi beberapa pengetahuan tentang ketersediaan O2 dan potensi redoks di tanah Anda jauh lebih baik daripada tidak sama sekali. Dan tentu saja, tempat-tempat yang sama, di mana ketersediaan karakterisasi tanah sulit didapat, adalah tempat-tempat di mana pupuk dan bahkan air irigasi bisa sangat sulit didapat, membuat pengetahuan ini semakin penting.
Meskipun alat diagnostik ini dikembangkan untuk penggunaan umum dan mulai berdampak pada kehidupan orang-orang di seluruh dunia, mengukur dampaknya dalam hal nyawa yang diselamatkan atau kualitas hidup yang dijalani tidak akan mungkin dilakukan. Tetapi banyak sains dilakukan tanpa koneksi yang sudah dibuat. Tidak banyak orang yang merasakan pancaran ledakan Trinity melalui gambar MRI mereka, tetapi ada garis lurus seribu menit langkah di antara keduanya. Ini hanya satu langkah yang mirip, tetapi harus saya akui, saya sangat bersemangat tentang itu.
1.) Owens P, Wilding L, Miller W, Griffin R. 2008. Menggunakan Batang Besi untuk menyimpulkan status oksigen dalam tanah jenuh musiman. Deretan. 73:197-203.
2.) Finka, P. 1992. Variabilitas Skala Lapangan struktur tanah dan dampaknya terhadap pertumbuhan tanaman dan pelindian nitrat dalam analisis skenario pemupukan. Geoderma, 60:89-107.