Penetapan Retensi Air Tanah di Laboratorium 167 15. PENETAPAN RETENSI AIR TANAH DI LABORATORIUM Sudirman, S. Sutono, dan Ishak Juarsah 1. PENDAHULUAN Penilaian kondisi fisik tanah di lapangan sebaiknya ditunjang oleh hasil analisis di laboratorium. Dari berbagai sifat fisik tanah yang dapat ditetapkan di laboratorium, daya menahan tanah terhadap air atau retensi air merupakan salah satu parameter yang penting untuk diketahui. Rentensi air, secara umum tergantung pada susunan atau distribusi ukuran partikel tanah, dan pengaturan atau struktur partikel butiran tanah. Kandungan bahan organik dan komposisi larutan juga berperan dalam menentukan fungsi retensi. Bahan organik mempunyai pengaruh: (1) langsung pada fungsi retensi, karena secara alami bersifat hidropilik dan (2) tidak langsung, karena berfungsi dalam memperbaiki struktur tanah. Untuk menetapkan retensi air tanah dapat dilakukan dengan memberikan tekanan pada contoh tanah jenuh air, dengan berbagai kekuatan tekanan pada selang waktu tertentu (biasanya 48 jam), sehingga mencapai titik keseimbangan, selanjutnya ditetapkan kadar air tanahnya. Berbagai kekuatan tekanan yang diberikan, pada dasarnya berhubungan dengan distribusi ukuran pori dan kapiler yang terdapat di dalam tanah. Semakin kecil ukuran pori dan kapiler, semakin besar tenaga yang dibutuhkan untuk mengeluarkan atau mengisap air yang terkandung didalamnya. Karakteristik sistem pori tanah penting artinya dalam hubungannya dengan penyimpanan serta pergerakan air dan udara di dalam tanah, perakaran tanaman, masalah perambatan dan retensi panas, serta daya tahan panas. Tekanan yang diberikan biasanya disetarakan dengan kemampuan tanah dalam meloloskan air secara alami, penyediaan air bagi tanaman, dan kadar air tanah dimana tanaman sudah tidak mampu menyerap air. Dengan demikian, secara umum hasil analisis retensi air ini sangat berguna dalam pengaturan dan efisiensi air irigasi, khususnya yang berhubungan dengan kebutuhan air untuk tanaman dan pengolahan tanah, dengan berpedoman pada kondisi kapasitas lapang, air tersedia, dan titik layu permanen.
168 Sudirman et al. 2. PRINSIP Contoh tanah yang diambil dari lapisan permukaan untuk menentukan hubungan antara kadar air pada berbagai hisapan matriks potensial (tegangan air) tanah atau kurva pf, sebaiknya dikemas kembali atau menggunakan contoh tanah dengan struktur alami. Struktur alami dari contoh tanah mempengaruhi retensi air, terutama pada tekanan yang rendah. Untuk itu disepakati, lebih baik menggunakan contoh tanah dengan struktur alami. Contoh tanah yang diambil dengan menggunakan ring akan memperoleh contoh tanah dengan struktur tak terganggu (undisturbed) disimpan di dalam selinder yang aman. Logam berdinding tipis dengan satu sisi yang dipertajam memungkinkan untuk ditekan atau dimasukkan ke dalam tanah (lihat bab pengambilan contoh tanah). Penggunaan contoh tanah yang dikemas kembali dapat memberikan hasil yang tidak mewakili contoh tanah di tempat asal, sekalipun tanah yang dikemas kembali itu kepadatannya sama dengan tanah di tempat asal. Penghancuran, pengeringan, dan pengayakan tanah dapat merubah struktur tanah. Seperti yang telah dikemukakan, retensi air tanah ditetapkan dengan memberikan tekanan pada contoh tanah jenuh air dengan berbagai kekuatan tekanan. Pada dasarnya, kekuatan tekanan yang diberikan berhubungan dengan distribusi ukuran pori dan kapiler yang terdapat di dalam tanah. Persentase volume tanah yang tidak ditempati oleh bagian padat tanah disebut porositas tanah. Jumlah seluruh ruang pori yang ada di dalam massa tanah disebut dengan ruang pori total. Pada tanah kering mutlak, seluruh ruang pori terisi oleh udara, sebaliknya pada tanah jenuh air seluruh ruang pori terisi oleh air, sedangkan pada tanah lembap, sebagian pori terisi udara dan sebagian lagi terisi oleh air dalam perbandingan tertentu. Retensi air biasanya ditampilkan dalam bentuk kurva, dikenal dengan kurva pf. Dengan demikian, untuk satu contoh tanah perlu dilakukan penetapan kandungan air tanah pada berbagai tekanan. Sehubungan dengan perbedaan tekanan yang diberikan, maka diperlukan juga spesifikasi dan kapasitas peralatan yang digunakan. Menurut Klute (1986) terdapat tiga sistem, masing-masing sesuai untuk cakupan pengukuran yang diinginkan, yaitu (1) sistem bertekanan rendah (lowrange system), dimana sistem ini utamanya disesuaikan untuk pengukuran pada tinggi tekanan matriks potensial tanah antara 0 dan 200 cm kolom air; (2) sistem bertekanan sedang (med-range system) dengan
Penetapan Retensi Air Tanah di Laboratorium 169 cakupan pengukuran dengan besaran tekanan matriks potensial tanah antara 200 dan 1.000 cm tinggi kolom air; dan (3) sistem bertekanan tinggi (high-range system) yang mencakup untuk pengukuran 1.000-15.000 cm tinggi kolom air atau 1-15 atm. Besarnya tekanan biasanya dinyatakan dalam satuan atmosfer (atm) dan dapat juga dipadankan dengan tinggi kolom air (cm) serta nilai pf yang bersangkutan. Nilai pf adalah logaritma (log 10) dari tegangan air tanah yang dinyatakan dalam cm kolom air. Pada Tabel 1 ditampilkan hubungan antara ukuran pori-pori tanah dan tekanan yang diperlukan untuk mengeluarkan air dari dalam pori tersebut, yang disetarakan dengan cm tinggi kolom air, serta nilai pf untuk masing-masing hisapan matriks potensial. Tabel 1. Hubungan antara ukuran pori tanah dan tekanan yang disetarakan dengan tinggi kolom air serta nilai pf dari masingmasing tinggi kolom air No Penampang pori Tekanan Tinggi kolom air pf µ atm cm log tinggi kolom air 1 296,0 0,01 10 1,00 2 28,8 0,10 100 2,00 3 8,6 0,33 344 2,54 4 5,8 0,50 516 2,73 5 2,8 1,00 1.033 3,01 6 1,4 2,00 2.066 3,33 7 0,2 15,00 15.495 4,20 Pengetahuan tentang ukuran pori tanah lebih bermanfaat dibandingkan dengan hanya pori total. Dengan mengetahui ukuran pori tanah dapat dilakukan pengelompokan pori-pori tanah dalam hubungannya dengan kemampuan tanah memegang air yang dapat tersedia bagi tanaman. Berdasarkan pada keragaman dari penampang pori dan kapiler tanah, maka besarnya tekanan yang diperlukan untuk mengeluarkan air dari pori tersebut juga berbeda-beda. Menurut de Boodt (1972) pori-pori yang berdiameter kurang dari 0,2 mikron disebut pori tidak berguna, karena akar tanaman tidak dapat mengambil air dari dalam tanah dengan ukuran pori kurang dari 0,2 mikron tersebut. Air dari dalam pori-pori tanah berukuran kurang dari 0,2 mikron hanya dapat dikeluarkan dengan kekuatan atau tekanan hisap lebih dari 15 atm (pf 4,2).
170 Sudirman et al. Daya hisap maksimum akar tanaman untuk mengambil air dari dalam tanah adalah 15 atm. Jika pada suatu saat dalam tanah terdapat air dalam pori-pori berdiameter kurang dari 0,2 mikron, maka tanaman akan layu dan akhirnya mati. Kandungan air pada tekanan 15 atm atau pf 4,2 disebut titik layu permanen atau permanent wilting point. Pori-pori tanah yang berdiameter lebih dari 0,2 mikron disebut pori berguna, dan secara umum pori-pori tersebut terbagi atas tiga kelompok, terdiri atas: a. Pori pemegang air, yaitu pori yang berdiameter antara 0,2 dan 8,6 mikron (pf 4,2-2,54). b. Pori drainase lambat, yaitu pori yang berdiameter antara 8,6 dan 28,8 mikron (pf 2,54-2,0) c. Pori drainase cepat, yaitu pori yang berdiameter lebih dari 28,8 mikron (pf 2,0). Air yang berada dalam pori pemegang air disebut air tersedia bagi tanaman, berada antara titik layu (pf 4,2) dan kapasitas lapang (pf 2,54). Pada umumnya kapasitas lapang ditetapkan pada tekanan 0,33 atm atau pf 2,54, jika air tanah lebih dalam dari 1 m. Jika air tanah kurang dari 1 m, maka kapasitas lapang ditetapkan pada tekanan 100 cm kolom air atau pf 2,0. Adapun jumlah air yang melebihi kapasitas lapang, yaitu pada pf 2,54 atau pf 2,0 (jika air tanah kurang dari 1 m), maka air akan turun ke lapisan tanah lebih dalam karena gaya gravitasi. Untuk pertumbuhan yang baik, tanaman memerlukan oksigen dan aerasi yang cukup, sehingga pori drainase cepat dan pori drainase lambat jangan terlalu lama diisi oleh air. 3. METODE Penetapan retensi air tanah di laboratorium dilakukan mengikuti cara-cara yang telah dirintis oleh Richards dan Fireman (1943), dan Richards (1947). Tekanan yang diberikan biasanya terdiri atas 0,01 atm (pf 1,0); 0,1 atm (pf 2,0); 0,33 atm (pf 2,54); dan 15 atm (pf 4,2). Peralatan yang digunakan merupakan seperangkat alat, terdiri atas satu buah kompresor otomatis, tiga buah panci yang disebut pressure plate apparatus, dan satu buah panci yang disebut pressure membrane apparatus. Keempat panci tersebut dilengkapi dengan piringan keramik sebagai tempat menjenuhkan dan memberikan tekanan pada contoh tanah. Kompresor dihubungkan dengan keempat panci melalui pipa dan
Penetapan Retensi Air Tanah di Laboratorium 171 selang, dimana tekanan yang diberikan kepada keempat panci tersebut dapat diatur. Pada Gambar 1 dapat dilihat seperangkat peralatan untuk analisis pf, yang terdiri atas kompresor, dan piringan keramik. Tekanan yang diberikan pada masing-masing panci disesuaikan dengan nilai pf yang diinginkan, seperti berikut: a. Untuk pf 1,0 digunakan panci pressure plate apparatus, dan diberikan tekanan 0,01 atm atau 10 cm tinggi kolom air. b. Untuk pf 2,0 digunakan panci pressure plate apparatus dan diberikan tekanan 0,1 atm atau 100 cm tinggi kolom air. c. Untuk pf 2,54 digunakan panci pressure plate apparatus dan diberikan tekanan 1/3 atm atau 344 cm tinggi kolom air. d. Untuk pf 4,2 digunakan panci pressure plate apparatus dan diberikan tekanan 15 atm atau 15.495 cm tinggi kolom air, dan dapat pula digunakan pressure membrane apparatus dengan tekanan yang sama. e. Peralatan dan bahan lain yang diperlukan dalam analisis ini antara lain adalah: - contoh tanah tidak terganggu (diambil menggunakan ring dari bahan kuningan) - alat-alat untuk mengeluarkan contoh dari dalam ring dan memotongnya - neraca analitis - oven, dan lain-lain Gambar 1. Alat untuk penetapan kadar air tanah pada berbagai tegangan (pf)
172 Sudirman et al. 4. PROSEDUR Adapun prosedur penetapan pf adalah sebagai berikut (LPT, 1979): 1. Contoh tanah adalah contoh tanah utuh (tidak terganggu) yang diambil dari lapangan menggunakan ring (tabung) kuningan. 2. Tanah dari dalam ring dikeluarkan, dan diambil setebal 1 cm dari bagian tengah ring. 3. Tanah setebal 1 cm tersebut dibagi menjadi empat, masing-masing untuk pf 1,0 (tekanan 10 cm kolom air), pf 2,0 (tekanan 100 cm kolom air), pf 2,54 (tekanan 1/3 atm), dan pf 4,2 (tekanan 15 atm). Contoh tanah untuk penetapan kadar air pada pf 4,2 dikeringudarakan, ditumbuk, dan disaring dengan ayakan 2 mm. 4. Tanah untuk penetapan pf 1,0; pf 2,0; dan pf 2,54 diletakkan di atas piringan (plate) dalam pressure plate apparatus, sedangkan tanah untuk penetapan pf 4,2 diletakkan di atas piringan dalam pressure membrane apparatus. Pada Gambar 2 dapat dilihat cara persiapan contoh tanah. 5. Contoh tanah dalam piringan dijenuhi dengan air sampai berlebihan, dan direndam selama 48 jam. 6. Masukkan piringan berisi contoh tanah ke dalam panci dan ditutup rapat-rapat. 7. Berikan tekanan sesuai denga pf yang dikehendaki. 8. Keseimbangan akan tercapai setelah sekitar 48 jam tekanan-tekanan tersebut bekerja. 9. Keluarkan contoh tanah dari dalam panci dan tetapkan kandungan airnya. 10. Adapun cara mengeluarkan contoh tanah dari dalam ring (butir 2 dan 3) adalah sebagai berikut: a. Tanah di dalam ring ditekan dengan kayu pada permukaan ring yang satu, dan tanah yang muncul keluar dari permukaan ring lainnya setebal 1 cm dipotong dan dipisahkan. b. Tanah di dalam ring ditekan lagi pada permukaan ring yang satu dengan kayu, dan tanah yang muncul keluar dari permukaan ring lainnya setebal 1,5 cm dipotong atau diambil, dan dibagi menjadi empat bagian. c. Masing-masing bagian ditempatkan di atas piringan pf 1,0; pf 2,0; dan pf 2,54. Sedangkan tanah untuk penetapan pf 4,2 dikeringkan, ditumbuk, dan disaring dengan ayakan 2 mm.
Penetapan Retensi Air Tanah di Laboratorium 173 Gambar 2. Persiapan contoh tanah untuk penetapan pf 5. PERHITUNGAN a. Ruang pori total Ruang pori total adalah volume seluruh pori-pori di dalam suatu volume tanah yang dinyatakan dalam persentase. Ruang pori total dihitung menggunakan rumus sebagai berikut: (1 - berat isi) Ruang pori total = x 100 (1) Berat jenis butiran Berat isi atau berat volume dapat dihitung, yaitu berat kering tanah dibagi dengan volume tanah (lihat bab 3). Berat jenis butiran atau berat jenis partikel adalah perbandingan antara komponen mineral dan bahan organik tanah. Tanpa memperhatikan banyaknya besi dan mineral-mineral tanah, berat jenis butiran tanah mineral diambil rata-rata 2,65. Untuk bahan organik yang ada pada tanah mineral (bukan gambut) diambil rata-rata 1,45. Jika banyaknya bahan organik lebih dari 1%, maka berat jenis butiran harus dikurangi dengan 0,02 untuk setiap persen bahan organik. Sedangkan untuk mendapatkan berat jenis butiran dari tanah gambut perlu dilakukan pengukuran secara langsung di lapangan. Analisis berat jenis butiran atau berat jenis partikel tanah dibahas dalam bab 4.
174 Sudirman et al. 2. Kandungan air pada berbagai tekanan (pf) Setelah keempat bagian contoh tanah (pf 1,0; pf 2,0 pf 2,54; dan pf 4,2) diberi tekanan dan dikeluarkan dari dalam panci, selanjutnya ditetapkan kandungan airnya. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut: Kandungan air = (BTB BTK) x 100% (2) BTK dimana, BTB = berat tanah basah, dan BTK = berat tanah kering. Untuk keperluan praktis, persen kandungan air atas dasar berat kering dapat diubah menjadi atas dasar volume tanah, yaitu dengan mengalikan kandungan air dengan berat volume. Dari hasil analisis ruang pori total dan keempat nilai pf tersebut dapat dibuat grafik yang menghubungkan antara kandungan air dan pf. Grafik tersebut dikenal dengan kurva tegangan air (pf). Contoh kurva tegangan air dapat dilihat pada Gambar 3. Berdasarkan nilai kandungan air tanah yang sudah ditetapkan pada berbagai tekanan, maka dapat dihitung: a. Pori-pori drainase, yang terdiri atas pori drainase cepat atau pori aerasi, dan pori drainase lambat. - Pori drainase cepat adalah selisih kandungan air pada ruang pori total dan pf 2,0. Bilamana contoh tanah diambil dalam keadaan kandungan air tanah jauh di bawah kapasitas lapang, maka untuk tanah-tanah yang bersifat mudah mengembang dan mengkerut, persentase ruang pori total akan lebih rendah daripada pori pada pf 1,0. Dalam hal ini pori drainase cepat adalah selisih kandungan air pada pf 1,0 dan pf 2,0. - Pori drainase lambat adalah selisih kandungan air pada pf 2,0 dan pf 2,54. b. Pori air tersedia adalah selisih kandungan air antara pf 2,54 (kapasitas lapang) dan pf 4,2 (titik layu permanen). Adapun kriteria kemampuan pori-pori di dalam tanah memegang air disajikan dalam Tabel 2.
Penetapan Retensi Air Tanah di Laboratorium 175 Tabel 2. Kriteria kemampuan pori-pori tanah memegang air (LPT, 1980) Pori drainase (% volume) < 5 5 10 10 15 > 15 Pori air tersedia (% volume) < 5 5 10 10 15 15 20 > 20 Kriteria Sangat rendah Rendah Sedang Tinggi Sangat rendah Rendah Sedang Tinggi Sangat tinggi pf Gambar 3. Kurva tegangan air (pf)
176 Sudirman et al. 6. DAFTAR PUSTAKA De Boodt, M. 1972. Soil Physics. International Training Center for Post Graduate in Soil Scineces. State University of Ghent, Belgia. Klute, A. 1986. Water Retention: Laboratory Methods. Methods of Soil Analysis. Part 1. Madison, Wisconsin, USA. Lembaga Penelitian Tanah. 1979. Penuntun Analisa Fisika Tanah. LPT, Bogor. Lembaga Penelitian Tanah. 1980. Term of Reference (TOR) Tipe A Pemetaan Tanah, Proyek Penelitian Pertanian Menunjang Transmigrasi (P3MT), Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian, Bogor. Richards, L. A., and L. A. Fireman. 1943. Pressure plate apparatus for measuring moisture sorption and transmission by soils. Soil Sci. 56: 395-404. Richards, L. A. 1947. Pressure membrane apparatus, construction and use, Agric. Eng. 28: 451-454.