Electronic Theses and Dissertation

RAICHAN IZZATI. Analisis penggunaan pupuk organik terhadap persistensi herbisida pada kebun kopi arabika rakyat di Dataran Tinggi Gayo, Provinsi Aceh dibimbing oleh Prof. Dr. Ir. Hasanuddin, M.S. selaku promotor, Prof. Dr. Ir. Abubakar Karim, M.S. selaku ko-promotor I, dan Dr. Ir. Hifnalisa, M.Si. selaku ko-promotor II.
Dataran Tinggi Gayo (DTG) memiliki curah hujan yang tinggi sehingga gulma mudah tumbuh dan berkembang dengan cepat. Gulma merupakan salah satu faktor pembatas dalam peningkatan hasil tanaman kopi arabika karena gulma tumbuh pada tempat yang tidak dikehendaki oleh petani dan akan merugikan petani baik langsung maupun tidak langsung. Keberadaan gulma dengan jumlah populasi cukup tinggi mengakibatkan kerugian besar bagi petani sehingga perlu dikendalikan. Kondisi ini mendorong petani menggunakan herbisida secara luas, terutama pada kebun-kebun kopi muda, untuk mengendalikan pertumbuhan gulma. Herbisida dengan bahan aktif glifosat memperoleh posisi unggul karena tingkat efisiensi dan efektivitasnya yang tinggi. Namun, penggunaan herbisida secara terus-menerus dan tidak sesuai aturan dapat menyebabkan akumulasi residu, di mana bahan aktif glifosat ditemukan pada biji kopi dengan kadar yang melebihi ambang batas. Hal ini menjadi tantangan dalam mempertahankan sistem kopi organik yang pada akhirnya mengakibatkan penolakan pembelian kopi oleh buyer di pasar internasional. Studi literatur menunjukkan bahwa herbisida dapat mengubah ekosistem alami dengan mempengaruhi berbagai komponen komunitas mikroba tanah dan air yang mempertahankan keseimbangan ekosistem ini. Beberapa hasil penelitian menunjukkan, herbisida telah terdeteksi di tanah, produk tanaman, dan mahluk hidup lainnya yang memakan produk tanaman, manusia, air, dan organisme. Kekhawatiran yang paling signifikan antara lain; (1) efek terhadap kesehatan tanaman, (2) efek terhadap interaksi tanaman dengan nutrisi tanaman, dan (3) resisten di lingkungan.
Hasil penelitian I mengungkapkan bahwa sebagian kebun kopi arabika mengendalikan gulma secara kimia melalui penggunaan herbisida. Pengendalian gulma menggunakan herbisida banyak diminati terutama pada lahan pertanian yang cukup luas dan pada kebun kopi arabika yang umurnya masih tergolong muda. Herbisida efektif membunuh dan mengendalikan gulma serta dapat menghemat biaya dan waktu yang dikeluarkan petani. Fakta di lapangan ditemukan hampir 50% modal yang harus dikeluarkan petani untuk mengendalikan gulma secara manual. Oleh karena itu, pilihan petani untuk menekan biaya pengendalian gulma digunakan herbisida yang relatif lebih murah dibandingkan pengendalian gulma dengan cara manual. Namun, penggunaan yang tidak terkendali menimbulkan permasalahan baru, yaitu ditemukannya residu bahan aktif glifosat pada kopi arabika Gayo dengan kadar yang melampaui ambang batas.
Hasil penelitian I menunjukkan bahwa dari 170 responden petani, sebanyak 101 petani menggunakan herbisida. Bahan aktif herbisida yang paling banyak digunakan adalah glifosat sebanyak 11 merk dagang, sedangkan hanya terdapat 1 merk dagang berbahan aktif parakuat. Dosis penggunaan herbisida yang dominan adalah 0,48 dan 0,96 kg b.a ha⁻¹, dengan frekuensi penyemprotan 1 hingga 2 kali tahun-1. Menariknya, terdapat 13 responden yang melakukan penyemprotan hingga 3 kali tahun-1. Temuan dari penelitian pertama ini selanjutnya diuji dalam penelitian kedua yang dilakukan pada ketinggian 985 m dpl dan 1.300 m dpl.
Hasil penelitian 2 menunjukkan bahwa glifosat menimbulkan tekanan selektif pada komunitas mikroba tanah, yaitu; (1) mikroba yang sensitif seperti Trichoderma mengalami tekanan akibat glifosat, sedangkan mikroba degrader seperti Pseudomonas dan Azotobacter menunjukkan adaptasi dan bahkan proliferasi; (2) pupuk organik sangat berperan dalam mempercepat pemulihan mikroba dan menyediakan substrat alternatif untuk pertumbuhan; (3) pada ketinggian 1.300 m dpl cenderung lebih mendukung keberlangsungan mikroba degrader, meskipun adaptasi terjadi lebih lambat; dan (4) pemanfaatan mikroba degrader sebagai agen bioremediasi menjanjikan solusi ekologis untuk memperbaiki tanah yang tercemar glifosat dan mendukung kesuburan tanah secara hayati.
Lebih lanjut, setelah aplikasi herbisida glifosat berulang, hasil penelitian menunjukkan bahwa populasi mikroorganisme tanah bervariasi menurut ketinggian tempat dan kombinasi perlakuan. Pada ketinggian tempat 985 m dpl, populasi mikroba lebih tinggi pada dosis herbisida tinggi 0,96 kg b.a ha-1, sedangkan di 1.300 m dpl lebih tinggi pada perlakuan tanpa herbisida dengan pupuk organik 12 ton ha-1. Mikroba pelarut fosfat, Pseudomonas, dan Azotobacter umumnya menurun akibat herbisida, tetapi meningkat kembali dengan penambahan pupuk organik, khususnya pada dosis tinggi yaitu 12 ton ha-1. Aktivitas mikroba tanah pada ketinggian tempat 1.300 m dpl (8–10 mg C-CO₂ kg⁻¹ hari⁻¹) lebih tinggi dibandingkan pada ketinggian tempat 985 m dpl (5–6 mg C-CO₂ kg⁻¹ hari⁻¹), dengan respirasi tertinggi pada kombinasi pupuk organik dosis tinggi 12 ton ha-1. Residu glifosat di tanah tidak terdeteksi menggunakan metode LC-MSMS (Liquid Chromatography–Tandem Mass Spectrometry) setelah 290 hari, namun masih ditemukan pada biji kopi, terutama pada ketinggian tempat 985 m dpl dengan perlakuan herbisida 0,48 kg b.a ha-1 dan tanpa pupuk organik yaitu 1,1903 mg kg-1, sedangkan pemberian pupuk organik dosis tinggi 12 ton ha-1 terbukti menekan akumulasi residu baik pada ketinggian tempat 985 m dpl maupun pada ketinggian tempat 1.300 m dpl.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa kandungan C-organik tanah meningkat pada semua perlakuan baik pada ketinggian tempat 985 m dpl maupun pada ketinggian tempat 1.300 m dpl, dengan kenaikan tertinggi pada kombinasi herbisida dosis tinggi dan pupuk organik maksimum yaitu 5,50% (naik 1,46%) pada ketinggian tempat 985 m dpl dan 8,66% (naik 3,35%) pada ketinggian tempat 1.300 m dpl. Produksi kopi arabika menunjukkan variasi antar ketinggian. Di ketinggian 985 m dpl, produksi tertinggi dicapai pada perlakuan herbisida 0,96 kg b.a ha-1 dan dosis pupuk organik 4 ton ha-1 yaitu 1.549,37 kg ha-1, sedangkan di ketinggian 1.300 m dpl produksi tertinggi terdapat pada herbisida 0,48 kg b.a ha-1 dan tanpa pemberian pupuk organik yaitu 1.388,10 kg ha-1. Produksi terendah pada kedua lokasi terjadi pada perlakuan herbisida dosis tinggi tanpa pupuk organik (herbisida 0,96 kg b.a ha-1 dan tanpa pemberian pupuk organik). Mutu fisik biji kopi menunjukkan variasi antar perlakuan; pada ketinggian tempat 985 m dpl mutu biji normal kering terdapat pada perlakuan herbisida 0,96 kg b.a ha-1 dan pupuk organik 4 ton ha-1 yaitu 54,6 g, sedangkan pada ketinggian tempat 1.300 m dpl tertinggi pada perlakuan herbisida 0,48 kg b.a ha-1 dan pupuk organik dosis 12 ton ha-1 yaitu 191,8 g. Biji spesial seperti peaberry, longberry, dan kuping gajah hanya muncul dalam jumlah kecil, namun tertinggi masing-masing ditemukan pada perlakuan tanpa herbisida dengan dosis pupuk organik 12 ton ha-1 untuk peaberry yaitu 1,4 g dan longberry sebanyak 2,2 g pada ketinggian 985 m dpl, serta pada perlakuan tanpa herbisida dan pupuk organik dosis 4 ton ha-1 yaitu sebanyak 10,6 g peaberry. Perlakuan herbisida 0,48 kg b.a ha-1 dan pupuk organik dosis 4 ton ha-1 yaitu sebanyak 7,0 g longberry, dan perlakuan tanpa herbisida dan tanpa pupuk organik yaitu sebanyak 42,8 g kuping gajah pada ketinggian tempat 1.300 m dpl.
Simpulan utama penelitian ini adalah bahwa aplikasi pupuk organik dan herbisida glifosat berpengaruh nyata terhadap komunitas mikroba degrader, akumulasi residu, serta produksi dan mutu fisik biji kopi arabika. Respons berbeda pada ketinggian tempat 985 m dpl dan ketinggian tempat 1.300 m dpl menegaskan bahwa strategi pengelolaan harus disesuaikan dengan karakteristik agroekosistem setempat. Residu glifosat cenderung menumpuk ketika herbisida diaplikasikan tanpa pupuk organik, seperti pada perlakuan herbisida 0,48 kg b.a ha-1 di ketinggian tempat 985 m dpl yang meninggalkan residu 1,19 mg kg-1, sedangkan pemberian pupuk organik dosis tinggi 12 ton ha-1 terbukti efektif menurunkan residu hingga 0 mg kg-1 pada banyak kombinasi perlakuan. Pupuk organik berperan ganda sebagai sumber hara dan biostimulan mikroba degrader, sehingga mendukung proses bioremediasi alami.
Komunitas mikroba tanah, terutama Pseudomonas, Azotobacter, dan mikroba pelarut fosfat, menunjukkan respons positif terhadap pemberian pupuk organik, dengan populasi dan aktivitas respirasi lebih tinggi pada ketinggian tempat 1.300 m dpl dibandingkan pada ketinggian tempat 985 m dpl. Perlakuan kombinasi herbisida dosis rendah hingga sedang dengan pupuk organik dosis sedang 8 ton ha-1 atau dosis tinggi 12 ton ha-1 mampu menjaga populasi degrader tetap stabil sambil menekan residu. Sebaliknya, perlakuan tanpa pupuk organik (herbisida 0,48 kg b.a ha-1 tanpa pupuk organik dan herbisda 0,96 kg b.a ha-1 tanpa pupuk organik) konsisten menurunkan kualitas ekosistem tanah dan meninggalkan residu berbahaya.
Berdasarkan keseluruhan hasil, rekomendasi operasional untuk perkebunan kopi arabika di Dataran Tinggi Gayo adalah; (1) pada ketinggian 1.300 m dpl: kombinasi perlakuan 0,96 kg b.a ha-1 herbisida glifosat + 8 ton ha-1 pupuk organik) menjadi pilihan paling seimbang, sedangkan kombinasi perlakuan 0,48 kg b.a ha-1 herbisida glifosat + 12 ton ha-1 pupuk organik optimal untuk menekan residu; (2) pada ketinggian 985 m dpl: kombinasi perlakuan 0,48 kg b.a ha-1 herbisida glifosat + 8 ton ha-1 pupuk organik efektif memulihkan populasi mikroba dan menekan residu. Dalam kondisi tekanan gulma berat, kombinasi perlakuan herbisida glifosat 0,96 kg b.a ha-1 dan pupuk organik 12 ton ha-1 dapat digunakan dengan monitoring residu ketat; (3) Pilihan terbaik untuk keberlanjutan: tanpa herbisida + 12 ton ha-1 pupuk organik, meskipun memerlukan pengendalian gulma mekanis atau mulsa tambahan; (4) Perlakuan yang harus dihindari: herbisida glifosat 0,48 kg b.a ha-1 tanpa pupuk organik dan herbisida glifosat 0,96 kg b.a ha-1 tanpa pupuk organik karena terbukti meninggalkan residu tinggi sekaligus menekan mikroba degrader tanah.
Implementasi praktis di lapangan meliputi aplikasi pupuk organik matang berkualitas sebelum musim hujan, penggunaan herbisida dalam dosis minimum efektif dan rotasi antar blok, serta integrasi dengan teknik non-kimia seperti mulsa organik, bioherbisida, dan penyiangan selektif. Monitoring berkala residu (

RAICHAN IZZATI. Analysis of Organic Fertilizer Application on Herbicide Persistence in Smallholder Arabica Coffee Plantations in the Gayo Highlands, Aceh Province. Supervised by Prof. Dr. Ir. Hasanuddin, M.S. as Promotor; Prof. Dr. Ir. Abubakar Karim, M.S. as Co-Promotor I; and Dr. Ir. Hifnalisa, M.Si. as Co-Promotor II. The Gayo Highlands are characterized by high rainfall, which promotes rapid weed growth and development. Weeds constitute one of the limiting factors in increasing Arabica coffee productivity because they grow in undesirable locations and cause both direct and indirect losses to farmers. High weed population densities result in significant economic losses; therefore, effective control is necessary. This condition has encouraged farmers to widely apply herbicides, especially in young coffee plantations, to suppress weed growth. Herbicides containing glyphosate as the active ingredient have gained prominence due to their high efficiency and effectiveness. However, continuous and improper use of herbicides may lead to residue accumulation, with glyphosate residues detected in coffee beans exceeding permissible limits. This poses a challenge to maintaining organic coffee systems and has resulted in rejection by international buyers. Literature studies indicate that herbicides can alter natural ecosystems by affecting various components of soil and aquatic microbial communities that maintain ecological balance. Several studies have detected herbicides in soils, crop products, organisms consuming these products, humans, water, and other living organisms. Major concerns include: (1) effects on plant health, (2) interference with plant nutrient interactions, and (3) environmental resistance. Results of Study I revealed that a considerable proportion of Arabica coffee plantations control weeds chemically using herbicides. Herbicide-based weed control is particularly favored on large-scale farms and in young coffee plantations. Herbicides effectively eliminate weeds while reducing labor costs and time. Field data indicated that nearly 50% of farmers’ production costs are allocated to manual weed control. Consequently, farmers opt for herbicides as a more economical alternative. However, uncontrolled use has created new problems, namely the detection of glyphosate residues in Gayo Arabica coffee exceeding maximum residue limits. Study I further showed that out of 170 farmer respondents, 101 used herbicides. Glyphosate was the most widely used active ingredient, represented by 11 commercial brands, while only one brand contained paraquat. The dominant application rates were 0.48 and 0.96 kg a.i. ha⁻¹, with spraying frequencies of one to two times per year. Notably, 13 respondents sprayed up to three times per year. These findings were subsequently tested in Study II conducted at elevations of 985 m above sea level (asl) and 1,300 m asl. Results of Study II demonstrated that glyphosate exerted selective pressure on soil microbial communities: (1) sensitive microbes such as Trichoderma experienced suppression, whereas degrader microbes such as Pseudomonas and Azotobacter exhibited adaptation and even proliferation; (2) organic fertilizer played a crucial role in accelerating microbial recovery and providing alternative substrates for growth; (3) the elevation of 1,300 m asl tended to better support degrader microbial persistence, although adaptation occurred more slowly; and (4) the utilization of degrader microbes as bioremediation agents offers a promising ecological solution for restoring glyphosate-contaminated soils and supporting biological soil fertility. Following repeated glyphosate applications, soil microbial populations varied according to elevation and treatment combinations. At 985 m asl, microbial populations were higher under the high herbicide dose (0.96 kg a.i. ha⁻¹), whereas at 1,300 m asl they were higher under the no-herbicide treatment combined with 12 tons ha⁻¹ organic fertilizer. Phosphate-solubilizing microbes, Pseudomonas, and Azotobacter generally declined following herbicide application but increased again with organic fertilizer addition, particularly at the high rate of 12 tons ha⁻¹. Soil microbial activity at 1,300 m asl (8–10 mg C-CO₂ kg⁻¹ day⁻¹) was higher than at 985 m asl (5–6 mg C-CO₂ kg⁻¹ day⁻¹), with the highest respiration observed under 12 tons ha⁻¹ organic fertilizer. Glyphosate residues in soil were undetectable using LC-MS/MS (Liquid Chromatography–Tandem Mass Spectrometry) after 290 days; however, residues were still detected in coffee beans, especially at 985 m asl under 0.48 kg a.i. ha⁻¹ without organic fertilizer (1.1903 mg kg⁻¹). The application of high-dose organic fertilizer (12 tons ha⁻¹) effectively suppressed residue accumulation at both elevations. Soil organic carbon increased across all treatments at both elevations, with the highest increases observed under the combination of high-dose herbicide and maximum organic fertilizer: 5.50% (increase of 1.46%) at 985 m asl and 8.66% (increase of 3.35%) at 1,300 m asl. Arabica coffee yield varied by elevation. At 985 m asl, the highest yield (1,549.37 kg ha⁻¹) was achieved with 0.96 kg a.i. ha⁻¹ herbicide and 4 tons ha⁻¹ organic fertilizer. At 1,300 m asl, the highest yield (1,388.10 kg ha⁻¹) was obtained with 0.48 kg a.i. ha⁻¹ herbicide without organic fertilizer. The lowest yields at both sites occurred under high-dose herbicide without organic fertilizer. Physical bean quality also varied among treatments. At 985 m asl, the highest normal dry bean weight (54.6 g) occurred under 0.96 kg a.i. ha⁻¹ herbicide and 4 tons ha⁻¹ organic fertilizer. At 1,300 m asl, the highest value (191.8 g) was recorded under 0.48 kg a.i. ha⁻¹ herbicide and 12 tons ha⁻¹ organic fertilizer. Specialty beans such as peaberry, longberry, and “elephant ear” beans appeared in small quantities. The highest peaberry (1.4 g) and longberry (2.2 g) at 985 m asl were observed under no herbicide with 12 tons ha⁻¹ organic fertilizer. At 1,300 m asl, the highest peaberry (10.6 g) was found under no herbicide with 4 tons ha⁻¹ organic fertilizer; longberry (7.0 g) under 0.48 kg a.i. ha⁻¹ with 4 tons ha⁻¹ organic fertilizer; and elephant ear beans (42.8 g) under no herbicide without organic fertilizer. The main conclusion of this research is that organic fertilizer and glyphosate application significantly influence degrader microbial communities, residue accumulation, and Arabica coffee yield and physical bean quality. Differences between 985 m and 1,300 m asl confirm that management strategies must be adapted to local agroecosystem characteristics. Glyphosate residues tended to accumulate when herbicides were applied without organic fertilizer, whereas high-dose organic fertilizer (12 tons ha⁻¹) effectively reduced residues to 0 mg kg⁻¹ in many treatment combinations. Organic fertilizer functions both as a nutrient source and as a biostimulant for degrader microbes, thereby supporting natural bioremediation processes. Soil microbial communities, particularly Pseudomonas, Azotobacter, and phosphate-solubilizing microbes, showed positive responses to organic fertilizer, with higher populations and respiration activity at 1,300 m asl compared to 985 m asl. Combinations of low-to-moderate herbicide doses with medium (8 tons ha⁻¹) or high (12 tons ha⁻¹) organic fertilizer maintained degrader stability while suppressing residues. In contrast, treatments without organic fertilizer consistently reduced soil ecosystem quality and left hazardous residues. Based on the overall findings, operational recommendations for Arabica coffee plantations in the Gayo Highlands are: (1) At 1,300 m asl: 0.96 kg a.i. ha⁻¹ glyphosate + 8 tons ha⁻¹ organic fertilizer as the most balanced option; 0.48 kg a.i. ha⁻¹ + 12 tons ha⁻¹ optimal for residue suppression. (2) At 985 m asl: 0.48 kg a.i. ha⁻¹ + 8 tons ha⁻¹ effective for microbial recovery and residue reduction; under severe weed pressure, 0.96 kg a.i. ha⁻¹ + 12 tons ha⁻¹ may be used with strict residue monitoring. (3) The best sustainability option: no herbicide + 12 tons ha⁻¹ organic fertilizer, combined with mechanical or mulching weed control. (4) Treatments to avoid: 0.48 kg a.i. ha⁻¹ without organic fertilizer and 0.96 kg a.i. ha⁻¹ without organic fertilizer due to high residues and suppression of degrader microbes. Practical field implementation includes the application of well-matured, high-quality organic fertilizer before the rainy season, use of minimum effective herbicide doses with block rotation, and integration with non-chemical methods such as organic mulching, bioherbicides, and selective weeding. Periodic monitoring of residues (