FENOLOGI TANAMAN DAN GROWING DEGREE-DAYS

Gambar 1. Fase pertumbuhan dan perkembangan tanaman jagung (Zea mays L.)

Unsur cuaca dan iklim sangat berhubungan erat dengan tanaman. Tanaman dapat dipengaruhi unsur cuaca/ iklim oleh suhu rendah dan tinggi, intensitas dan jam sinar matahari, angin dan curah hujan. Pengaruh cuaca dan iklim terhadap tanaman dimulai oleh pengaruh langsung cuaca, terutama pengaruh sinaran dan suhu terhadap berbagai metabolisme dalam tanaman (fotosintesis, respirasi dan beberapa metabolisme dalam sel organ tanaman). Fotosintesis dan respirasi matahari proses biokimia yang memerlukan katalisator. Kecepatan prosesnya akan tergantung pada keaktifan pengkatalisa yang diatur oleh suhu. Pembahasan dimulai dengan radiasi matahari, yang menentukan intensitas dan lama penyinaran matahari, suhu udara, dan evapotranspirasi. Hal ini menyebabkan kelembaban udara dan tutupan awan, sehingga pemanasan udara tidak merata, menyebabkan gerakan angin dan perbedaan tekanan atmosfer (barometrik). Semua hal ini menyebabkan curah hujan, yang menyediakan air yang dibutuhkan untuk perkembangan dan pertumbuhan tanaman.

Fenologi adalah studi tentang hubungan antara perkembangan tanaman dengan perubahan iklim dan musim, seperti suhu dan lamanya pencahayaan per hari, terutama terhadap perubahan dalam bentuk fenomena yang periodik seperti proses pembentukan daun, bunga dan dormansi. Kata “fenologi” berasal dari bahasa Yunani. “Phaino” berarti menunjukkan/ memperlihatkan dan “logos” berarti ilmu. Fenologi adalah cabang ilmu agrometeorologi, berkenaan dengan hubungan antara cuaca (atau iklim) dan fenomena periode biologis seperti halnya fase perkembangan tanaman atau migrasi dari burung-burung. Badan Meteorologi di berbagai negara juga melakukan pengamatan fenologi ini secara reguler (bukan hanya pengamatan meteorologi saja). Fenologi cabang ilmu ekologi meliputi variasi lama penyinaran, presipitasi, suhu dan faktor pengatur lainnya. 

Suhu adalah salah satu faktor lingkungan yang menentukan perkembangan fenologi tanaman (Monteith dan Unsworth, 2013). Faktor suhu dapat menjelaskan perkembangan fenologi, apabila melibatkan lingkungan dan genotipe.  Suhu dapat dinyatakan dalam antara lain : derajat harian (degree days), masa termal (thermal unit) atau unit panas (heat unit), jumlah suhu-suhu rata-rata harian ( °C h) selama waktu semai hingga saat masak fisiologis. Konsep yang sering digunakan berkaitan dengan fenologi tanaman ialah konsep satuan panas (degree days). Konsep umum digunakan untuk menjelaskan pengaruh suhu terhadap perkembangan tanaman (fenologi) disebut pula thermal unit atau heat unit (Handoko, 1994). Tanaman secara fisiologis 'bekerja" tidak dengan menggunakan kalender hari tapi menggunakan "degree days". Setiap tanaman membutuhkan sejumlah satuan panas untuk menyelesaikan satu fase pertumbuhannya. Growing degree days (GDD) adalah cara menghitung perkembangan fisiologis tanaman. Hasil penelitian menunjukkan bahwa banyaknya satuan panas yang diperlukan tanaman mulai dari tanam sampai panen dapat diduga. GDD merupakan indikator berbasis cuaca untuk menilai perkembangan tanaman, dengan asumsi keadaan ekstrem tidak terjadi.

Satuan panas (heat unit) yang dinyatakan dalam derajat tumbuh harian (growing degree days = GDD) telah banyak digunakan untuk menggambarkan fenologi dan menentukan bila saatnya tanaman siap berbunga (maturity date).   Hasil perhitungan dengan heat unit dapat digunakan untuk memprediksi tanaman dan juga melihat perkembangan hama penyakit tanaman dalam rangka tanggal pemanenannya.

Konsep GDD ini berlaku untuk tanaman netral, yang tidak responsif terhadap panjang hari. Konsep ini menganggap faktor seperti halnya panjang hari tidak berpengaruh, laju perkembangan tanaman berbanding lurus dengan suhu (T) di atas dari suhu dasar (To). Laju perkembangan tanaman  merupakan bagian dari fungsi suhu. Konsep ini mengasumsikan adanya hubungan yang lurus antara perkembangan dan suhu (Gambar 2)

Gambar 2. Laju perkembangan (Growing days) dan suhu udara 

GD (Growing Days) didefinisikan sebagai suhu harian rata-rata  (suhu rata-rata antara suhu maksimum dan suhu minimum) di atas dari ambang suhu yang terakumulasi. GD dihitung setiap hari sebagai suhu maksimum ditambah suhu minimum dibagi 2 (atau suhu rata-rata), dikurangi suhu dasar. GDD diakumulasikan dengan menambahkan kontribusi GD setiap hari seiring berjalannya musim. Jika suhu rata-rata di bawah suhu dasar, nilai hari derajat pertumbuhan pada hari itu adalah nol. GDD dihitung sejak awal pertumbuhan tanaman.

Penjumlahan satuan panas untuk derajat hari pertumbuhan (Growing Degree Days, GDD) dihitung menggunakan persamaan:

1. Metode degree-days yang standar 

Dimana (Tmax + Tmin)/2 adalah suhu udara harian rata-rata. Tbase atau To adalah suhu dasar tanaman (suhu ambang batas minimum bagi tanaman)

2. Metode rata-rata yang maksimum

3. Metode batas tertinggi yang dikurangi, 

Dimana  maka :

Atau saat,  maka :

Bila suhu maksimum (Tmax) lebih besar daripada suhu ambang/batas (Tbatas) maka Tmax sama dengan Tbatas dikurangi perbedaan antara Tmax dan Tbatas.

Fase pertumbuhan dan perkembangan tanaman dapat dibagikan menjadi fase vegetatif dan fase generatif. Fase vegetatif adalah fase berkembangnya bagian vegetatif dari suatu tanaman. Bagian vegetatif dari tanaman adalah akar, batang dan daun. Fase vegetatif merupakan fase awal pertumbuhan tanaman dari perkecambahan hingga primordia bunga (pembentukan malai). Fase generatif atau produktif adalah fase pertumbuhan yang menimbun sebagian besar karbohidrat dari proses fotosintesis. Karbohidrat tersebut digunakan untuk pembentukan bunga, buah, dan biji, atau pembesaran/pendewasaan struktur penyimpanan atapun cadangan makanan Fase ini masa di mana tanaman menjelang berbunga sampai berbuah.

Tabel 1. Tahapan fase vegetatif dan generatif pada tanaman

Fase vegetatif	Fase Generatif
Perkecambahan	Induksi bunga
Kemunculan bibit di atas tanah	Inisiasi bunga
Pembentukan akar dan daun	Pertumbuhan primordia bunga
Inisiasi anakan/ cabang	Kemunculan bunga
Perpanjangan daun	Pembentukan bunga jantan
Perpanjangan batang	Pertumbuhan organ produktif
Akhir perpanjangan batang dan pembentukan daun	Maturasi tanaman

Penggunaan dan Kelemahan Konsep Growing Degree-Days

Penggunaan GDD dapat dimanfaatkan berbagai perhitungan. Dengan menggunakan Degree Days anda dapat menghitung suhu dasar perkembangan serangga OPT, burung dan juga tanaman melalui basis fenologi dan model dinamik populasi. Kemudahan metode ini membuat banyak dipergunakan dalam memberikan petunjuk operasional pertanian dan penggunaan perencanaan lahan. Kebanyakan penggunaan GDD untuk memprakirakan tanggal masaknya tanaman, panen dan jumlahnya. Dari sisi ekonomi dapat memprakirakan berapa tenaga yang diperlukan dan mengurangi biaya pemanenan dan pabrik. Pengaplikasian dapat menjelaskan daerah potensial apabila suatu tanaman dapat ditanam secara berhasil, walaupun belum pernah ditanam di sana sebelumnya. Penggunaan GDD juga dapat diaplikasikan pada varietas yang sudah diseleksi dari berbagai varietas tanaman ditanam di suatu areal yang baru. Penggunaannya juga dapat diterapkan untuk mengubah atau modifikasi mikroklimatologi dalam konteks untuk mendapatkan kondisi yang mendekati maksimum pada siklus perkembangan tanaman. Selain ini, konsep ini juga dapat diterapkan pada tanaman selain tanaman yang ditanam dan menghitung pertumbuhan dan perkembangan serangga, penyakit tanaman dan hewan-hewan lainnya.

Walaupun konsep GDD simpel dan sangat berguna, mempunyai kekurangan dari sisi teori dan sejumlah kelemahan (Harval dan Tupper, 2004). Di antaranya kondisi tahapan fisiologis tanaman tidak dijelaskan, kesalahan asumsi dan proses saat memprakirakan tingkat perkembangan dan ambang batas, ataupun juga kelemahan dari data cuaca yang sangat terbatas. Walaupun ada kelemahannya konsep GDD, tetap dapat menjawab sejumlah pertanyaan dalam fenologi dan pertumbuhan tanaman dan serangga (Ahmad et al., 2021). Beberapa kelemahan konsep GDD adalah :

• Mengasumsikan hubungan yang linier antara suhu dan perkembangan tanaman padahal hubungan yang sebenarnya adalah kurva linier (melengkung)
• Menyatakan suhu udara lebih penting, meskipun merugikan pertumbuhan
• Variasi diurnal tidak dipertimbangkan, walaupun memiliki pengaruh yang cukup besar bagi pertumbuhan tanaman
• Tak ada kelonggaran dalam perubahan suhu dasar tanaman dengan kemajuan fase perkembangan tanaman. 
• Saat GDD kondisi fisiologis dan matematisnya terkadang terlupakan dalam hasil interpretasi.
• Tidak ada pembedaan kombinasi musiman.
• Kecuali untuk persamaan modifikasi, terlalu banyak bobot diberikan pada suhu yang tinggi
• Rentang suhu udara harian tidak diambil, padahal pada titik ini terkadang lebih signifikan daripada hanya menggunakan suhu udara rata-rata harian.
• Respons pertumbuhan dan perkembangan tanaman  bisa jadi berbeda dengan suhu yang diukur pada saat di sangkar meteorologi. Walaupun perbedaannya kecil, efek kumulatif pada seluruh periode pertumbuhan akan sangat besar.
• Efek topografi, ketinggian, lintang pada pertumbuhan tanaman tidak dapat dimasukkan dalam perhitungan
• Angin, hujan es, serangga dan penyakit mungkin mempengaruhi satuan panas, tetapi tak dapat dihitung.
• Kesuburan tanah mungkin menyebabkan kematangan tanaman, tetapi tak dapat dijelaskan dalam konsep ini.

Gambar 3. Respons tanaman terhadap panjang hari (tanaman hari pendek, tanaman hari panjang dan tanaman netral)

Menghitung GDD menggunakan aplikasi R

Perhitungan GDD dapat dilakukan dengan berbagai cara. Salah satu yang direkomendasikan dapat menggunakan aplikasi R. Di dalam aplikasi R terdapat package pollen yang dapat digunakan untuk menghitung akumulasi panas yang menjadi dasar GDD dalam menentukan tahapan perkembangan tanaman atau hewan. Contoh langkah perhitungan aplikasi tersebut dapat diklik di sini.

Langkah awal dengan menginstall paket "pollen" dan menggunakan library yang diperlukan :

install.packages("pollen")

library(pollen)
library(ggplot2)
library(tidyr)

Fenologi tanaman yang merupakan deskripsi fase tumbuh tanaman dapat dikuantifikasikan melalui GDD. GDD adalah prasyarat untuk membuat model tanaman yaitu pendugaan yang tepat waktu perkembangan tanaman dengan suhu udara yang merupakan regulator utama dari perkembangan tersebut. Perkembangan tanaman tak dapat terpisahkan dari pertumbuhan tanaman. Tanaman dalam siklus hidupnya tak hanya terjadi pertumbuhan yang kuantitatif (pertambahan sel, pertambahan biomassa dan luas daun) tapi juga terjadi perubahan kualitatif (fenologi). Maka dalam pertumbuhan tanaman hendaknya mengikutkan fenologi tanaman. 

Berikut sedikit informasi tentang fenologi tanaman, bisa dibaca sebagai berikut :

PENGAMATAN FENOLOGI from Khairullah Khairullah

Sumber : 

https://farmwest.com/climate/calculator-information/gdd/ diakses 15 Februari 2020

https://cran.r-project.org/web/packages/pollen/vignettes/gdd.html/ diakses 16 Februari 2020

https://www.syngentaturf.com.au/growing-degree-days-calculator diakses 20 Februari 2020

Ahmad, L, Kanth RH, Parvaze S, Mahdi, SS. 2017. Experimental Agrometeorology: A Practical Manual. Springer, Nature. Switzerland.

Handoko. 1994. Dasar Penyusunan dan Aplikasi Model Simulasi Komputer untuk Pertanian. Jurusan Geofisika dan Meteorologi FMIPA IPB. Bogor.

Harpal S., Graeme J. Tupper. 2004.  Agrometeorology: Principles and Applications of Climate Studies in Agriculture [1 ed.]. CRC Press. Boca Raton. Florida. USA.

Monteith, J. and Unsworth, M. 2013. Principles of Environmental Physics: Plants, Animals, and the Atmosphere. Academic Press, USA.