MODIFIKASI FAKTOR TANAMAN DALAM MODEL ANSWERS UNTUK MEMPREDIKSI EROSI DI DAERAH TROPIKA BASAH (Studi Kasus DAS Nopu Hulu, Sulawesi Tengah)

Transkripsi

1 MODIFIKASI FAKTOR TANAMAN DALAM MODEL ANSWERS UNTUK MEMPREDIKSI EROSI DI DAERAH TROPIKA BASAH (Studi Kasus DAS Nopu Hulu, Sulawesi Tengah) YAYAT HIDAYAT SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

2 PERNYATAAN DISERTASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Modifikasi Faktor Tanaman dalam Model ANSWERS untuk Memprediksi Erosi di Daerah Tropika Basah (Studi Kasus DAS Nopu Hulu Sulawesi Tengah) adalah karya saya dengan arahan dari Komisi Pembimbing dan karya tersebut belum pernah diajukan dalam bentuk apapun ke perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini. Bogor, Nopember 2009 Yayat Hidayat NIM. A

3 ABSTRACT YAYAT HIDAYAT. Modification of Crop Factor in ANSWERS Model to Predict Soil Erosion in Humid Tropical Region (Case Study of Nopu Upper Catchment Central Sulawesi). Under supervised by NAIK SINUKABAN, HIDAYAT PAWITAN and KUKUH MURTILAKSONO ANSWERS model is one of soil erosion models that have been widely used in Indonesia to predict soil erosion from a watershed and to evaluate the effectiveness of various soil and water conservation techniques to control soil erosion and to reduce surface runoff. The model was developed based on USLE model which combined with sediment transportation model. The ANSWERS model is event based model, while USLE is long term model (annual model). This different paradigm will cause the application of C-USLE factor in ANSWERS model is subject to debate. This research was carried out to: a) study C-ANSWERS factors as input parameter of ANSWERS model, b) establish an ANSWERS model to PCRaster models and utilize the model to simulate land use changes and soil and water conservation techniques, and c) study the impact of rainforest conversion on surface runoff, soil erosion and nutrients losses. Daily measurement of surface runoff and soil erosion were conducted on erosion plots which were installed on primary forest, secondary forest, open areas, maize, peanut, young cocoa, medium cocoa, old cocoa, and intercropping between young cacao, maize, banana and cassavas land uses. In watershed outlet surface runoff discharge were determined through measurement of water height and stream velocity using automatic water level recorder and current meter. Sediment concentration was determined in soil laboratory using sediment samples that were collected regularly. Crop and management factor (C-factor) for ANSWERS model (C-ANSWERS) is C-factors that were determined from current soil loss ratio on each plant growth phases. Using C-ANSWERS factors in ANSWERS showed better performance to predict soil erosion than those using USLE C-factors. The PCRaster type of ANSWERS model (ANSWER-PCRaster) is more accurate to predict soil erosion and surface runoff than ANSWERS model (ANSWERS- Fortran) particularly on high rainfall intensity. Rainforest conversion to agricultural areas increased surface runoff, soil erosion and nutrients losses. Eventhough nutrient content on sediment and surface runoff from natural forest were higher than those from agricultural areas, but total nutrients losses from natural forest were lower. Agroforsetry systems and ridge terraces are very important on agricultural areas to control surface runoff and soil erosion to ensure sustainability of agriculture and watershed functions. Simulation of these best management practices reduced surface runoff and sediment volume effectively up to %. Key words: ANSWERS-Fortran, ANSWERS-PCRaster, C-ANSWERS, C-USLE, Nutrient loss, Rainforest conversion, Soil erosion, Surface runoff.

4 RINGKASAN YAYAT HIDAYAT. Modifikasi Faktor Tanaman dalam Model ANSWERS untuk Memprediksi Erosi di Daerah Tropika Basah (Studi Kasus DAS Nopu Hulu Sulawesi Tengah) di bawah bimbingan NAIK SINUKABAN, HIDAYAT PAWITAN, dan KUKUH MURTILAKSONO. Model ANSWERS (Areal Non point Source Watershed Environment Response Simulation) merupakan model prediksi erosi berdasar proses dengan pendekatan parameter terdistribusi berbasis kejadian hujan. Model tersebut mempunyai struktur model relatif sederhana dan telah digunakan pada beberapa penelitian dan perencanaan pengelolaan DAS di Indonesia. Model ANSWERS dikembangkan berlandaskan model USLE (Universal Soil Loss Equation) dikombinasikan dengan model transportasi sedimen. Penggunaan parameter faktor C (faktor pengelolaan tanaman) pada sub model produksi sedimen dalam model ANSWERS yang diadopsi dari model USLE kontradiktif dengan filosofis model ANSWERS yang mensimulasikan erosi per-kejadian hujan. Nilai faktor C-USLE merupakan nilai faktor C rataan tahunan yang ditentukan berdasarkan hasil pengamatan erosi jangka panjang dengan berbagai variasi jumlah dan intensitas hujan serta variasi jenis dan pola tanam. Penelitian bertujuan untuk: a) mendefinisikan faktor C-ANSWERS untuk meningkatkan keakuratan model ANSWERS dalam memprediksi erosi di daerah tropika basah, b) menyusun script model ANSWERS-PCRaster yang mampu mensimulasikan penerapan teknik konservasi tanah dan air dan perubahan penggunaan lahan, dan c) mengkaji dampak perambahan hutan terhadap aliran permukaan, erosi dan kehilangan unsur hara. Serangkaian penelitian telah dilakukan di lapangan dan laboratorium. Penelitian lapang terdiri atas pengukuran erosi dan aliran permukaan pada skala plot (plot erosi) dan skala DAS (outlet DAS/Sub DAS) serta pengukuran dan pengamatan parameter input model ANSWERS (karakteristik tanah, penggunaan lahan, topografi dan hidrologi). Pengukuran erosi harian dilakukan pada plot erosi yang dibangun pada lahan hutan primer, hutan sekunder, lahan terbuka, jagung, kacang tanah, kakao muda, kakao sedang, kakao dewasa, serta tumpang sari kakao muda dengan jagung, ketela pohon dan tanaman pisang. Pada skala DAS debit

5 aliran permukaan ditentukan melalui pengukuran tinggi muka aliran dan kecepatan aliran menggunakan automatic water level recorder (AWLR) dan current meter. Volume sedimen ditentukan melalui pengambilan sampel sedimen pada berbagai tinggi muka aliran. Karakteristik tanah yang diamati meliputi kedalaman profil tanah dan zona kontrol infiltrasi, tekstur (pipet), bobot isi (gravimetri), porositas total, kadar air kapasitas lapang dan permeabilitas tanah (guelph permeameter). Parameter penggunaan lahan terdiri dari jenis penggunaan lahan, tutupan tajuk vegetasi (analisis citra digital), kekasaran permukaan (profilometer) dan faktor pengelolaan tanaman. Karakteristik hidrologi terdiri atas curah hujan (penakar hujan otomatis), intersepsi hujan, dimensi saluran dan koefisien kekasaran Manning. Penelitian laboratorium terdiri dari analisis sifat fisik dan kimia tanah, sedimen dan aliran permukaan, serta penyusunan model ANSWERS-PCRaster. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai faktor C-ANSWERS adalah nilai faktor C yang nilainya ditentukan berdasarkan nisbah erosi harian pada setiap fase pertumbuhan tanaman dari plot erosi dengan penggunaan lahan dan pengelolaan tertentu terhadap erosi dari plot erosi terbuka yang diolah bersih dan tidak ditanami secara terus menerus. Pada tanaman semusim (jagung dan kacang tanah) nilai faktor C-ANSWERS bervariasi sejalan dengan pertumbuhan tanaman. Ketika tutupan tajuk tanaman masih rendah (periode awal pertumbuhan tanaman) nilai faktor C-ANSWERS relatif tinggi. Nilai tersebut menurun sejalan dengan meningkatnya tutupan tajuk tanaman sampai tutupan tajuk tanaman maksimum, dan meningkat kembali akibat penurunan tutupan tajuk tanaman akibat fase pematangan dan panen. Nilai faktor C-ANSWERS juga bervariasi dengan tutupan basal diatas permukaan tanah dan jumlah curah hujan yang jatuh pada setiap hari hujan. Model ANSWERS dengan parameter input faktor C-ANSWERS memberikan keluaran erosi yang lebih akurat dengan koefisien determinasi (R 2 ) sebesar 0.89 dan efisiensi model (Nash-Sutcliffe coefficient) sebesar Model ANSWERS-PCRaster dapat memprediksi erosi yang lebih baik dibanding dengan model ANSWERS-Fortran seperti ditunjukkan oleh nilai root mean square error (RMSE) sebesar (ANSWERS-PCRaster) dan (ANSWERS- iv

6 Fortran), walaupun secara statistik keluaran kedua model tersebut tidak berbeda nyata dengan koefisien determinasi dan efisiensi model Model ANSWERS-PCRaster memberikan hasil prediksi yang cukup akurat pada curah hujan tinggi. Pada kisaran curah hujan > mm keluaran model hanya mengalami penyimpangan sekitar % untuk debit puncak DRO, % (volume DRO), % (debit puncak sedimen) dan % untuk volume sedimen. Konversi hutan menjadi lahan pertanian menyebabkan peningkatan aliran permukaan, erosi, dan kehilangan unsur hara sebagai akibat berkurangnya/hilangnya tutupan tajuk vegetasi, berkurangnya intersepsi air hujan dan menurunnya kapasitas infiltrasi tanah. Walaupun konsentrasi unsur hara dalam sedimen dan aliran permukaan dari lahan hutan lebih tinggi dibanding lahan pertanian, total kehilangan unsur hara dari lahan pertanian jauh lebih tinggi dibanding dari lahan hutan. Kalsium merupakan kation hara dominan yang hilang melalui sedimen dan kalium melalui aliran permukaan. Simulasi model ANSWERS-PCRaster menunjukkan penerapan teknik agroforestry yang dikombinasikan teras gulud pada lahan pertanian merupakan best management pactice terpilih untuk mempertahankan dan meningkatkan fungsi-fungsi hidrologi DAS Nopu Hulu. Simulasi tersebut pada AGFTG12.5 (kombinasi agrofoerstry dan teras gulud dengan interval 12.5 m) efektif menurunkan debit puncak DRO, volume DRO, debit puncak sedimen dan volume sedimen masing-masing sebesar 68.5, 58.4, 74.6 dan 68.2%. v

7 Penguji pada Ujian Tertutup: Dr. Ir. Suria Darma Tarigan, MSc. Prof. Dr. Ir. Asep Sapei, MS Penguji pada Ujian Terbuka: Prof. Dr.Ir. Asep Sapei, MS Dr. Ir. Undang Kurnia, MS

8 MODIFIKASI FAKTOR TANAMAN DALAM MODEL ANSWERS UNTUK MEMPREDIKSI EROSI DI DAERAH TROPIKA BASAH (Studi Kasus DAS Nopu Hulu, Sulawesi Tengah) YAYAT HIDAYAT Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Ilmu Pengelolaan Daerah Aliran Sungai SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

9 Judul Disertasi Nama NIM : Modifikasi Faktor Tanaman dalam Model ANSWERS untuk Memprediksi Erosi di Daerah Tropika Basah (Studi Kasus DAS Nopu Hulu, Sulawesi Tengah) : Yayat Hidayat : A Disetujui Komisi Pembimbing Prof. Dr. Ir. Naik Sinukaban, M.Sc. Ketua Prof. Dr. Ir. Hidayat Pawitan, M.Sc. Anggota Dr. Ir. Kukuh Murtilaksono, M.S. Anggota Mengetahui Ketua Program Studi Ilmu Pengelolaan DAS Dekan Sekolah Pascasarjana Prof. Dr.Ir. Naik Sinukaban, M.Sc Prof. Dr.Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S Tanggal Ujian : 25 Agustus 2009 Tanggal Lulus:

10 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Illahi Robbi, atas karunia, rahmat dan hidayah-nya penelitian dan penulisan disertasi ini berhasil diselesaikan. Disertasi dengan judul Modifikasi Faktor Tanaman dalam Model ANSWERS untuk Memprediksi Erosi di Daerah Tropika Basah (Studi Kasus DAS Nopu Hulu Sulawesi Tengah) merupakan hasil penelitian lapang, analisis laboratorium dan penyusunan model yang dilaksanakan sejak Juli 2004 sampai dengan Desember Model prediksi erosi merupakan salah satu model yang digunakan sebagai alat bantu dalam pengelolaan daerah aliran sungai (DAS). Model tersebut terutama digunakan dalam proses penyusunan perencanaan, monitoring dan evaluasi program-program konservasi tanah dan air yang diterapkan dalam suatu DAS agar sumberdaya lahan dan lingkungan dalam DAS tersebut dapat dimanfaatkan secara optimal, dan secara bersamaan fungsi-fungsi hidrologi, ekologi dan ekonomi DAS dalam menunjang dinamika kehidupan dapat dilestarikan. Pendefinisian nilai faktor C-ANSWERS yang sesuai dengan karakteristik model ANSWERS sangat diperlukan untuk meningkatkan keakuratan model tersebut dalam memprediksi erosi tanah, sehingga keluaran model dapat dijadikan sebagai landasan pertimbangan bagi pihak-pihak terkait dengan penerapan teknik konservasi tanah dan air serta pengelolaan DAS. Selain itu, perbaikan dan pengembangan model yang sesuai dengan karakteristik biofisik lahan di Indonesia dan peningkatan kemampuannya untuk mensimulasikan teknik konservasi tanah dan air adaptif di daerah tropika basah sangat membantu pengembangan dan penggunaan model prediksi erosi di Indonesia. Semoga hasil penelitian ini bermanfaat bagi semua pihak yang memerlukannya. Bogor, Nopember 2009 Yayat Hidayat