5 TINJAUAN PUSTAKA Siklus Hidrologi Air merupakan benda alam yang paling berharga. Tidak ada air, tidak mungkin terdapat kehidupan. Air tidak saja perlu untuk kehidupan semua makhluk hidup, akan tetapi juga merupakan media untuk pengangkutan (transport), sumber energi, dan berbagai keperluan lainnya. Ilmu pengetahuan yang mempelajari proses penambahan, penampungan dan kehilangan air di bumi disebut hidrologi. Air yang jatuh ke bumi dalam bentuk hujan, salju, dan embun akan mengalami berbagai peristiwa, kemudian akan menguap ke udara menjadi awan dan dalam bentuk hujan, salju dan embun jatuh kembali ke bumi. Peristiwa yang terus berulang dan merupakan siklus tertutup ini dinamai siklus air. Tinjauan singkat mengenai fase-fase siklus air menunjukkan pentingnya peranan tanah dalam siklus air. Tanah merupakan suatu peubah yang kompleks dalam seluruh masalah tata air. Selanjutnya akan terlihat bahwa masalah konservasi tanah pada asasnya adalah pengaturan hubungan antara intensitas hujan dan kapasitas infiltrasi, dan pengaturan aliran permukaan (Arsyad, 2006). Infiltrasi Arsyad (2006) mendefinisikan infiltrasi sebagai peristiwa masuknya air ke dalam tanah, yang umumnya (tetapi tidak mesti) melalui permukaan dan secara vertikal. Jika cukup air, maka air infiltrasi akan bergerak terus ke bawah yaitu ke dalam profil tanah. Gerakan air ke bawah di dalam profil tanah disebut perkolasi. Sedangkan menurut Asdak (2002) infiltrasi adalah proses aliran air (umumnya
6 berasal dari curah hujan) masuk kedalam tanah. Perkolasi merupakan kelanjutan aliran air tersebut ke tanah yang lebih dalam. Menurut Asdak (2002) proses infiltrasi melibatkan tiga proses yang saling tergantung satu sama lain, yaitu: 1. Proses masuknya air hujan melalui pori-pori tanah 2. Tertampungnya air hujan tersebut di dalam tanah 3. Proses mengalirnya air tersebut ke tempat lain (bawah, samping dan atas) Tanah yang berbeda-beda menyebabkan air meresap dengan laju yang berbeda-beda. Setiap tanah memiliki daya resap yang berbeda, yang diukur dalam mm/jam. Jenis tanah berpasir umumnya cenderung mempunyai laju infiltrasi tinggi, akan tetapi tanah liat sebaliknya, cenderung mempunyai laju infiltrasi rendah. Untuk satu jenis tanah yang sama dengan kepadatan yang berbeda mempunyai laju infiltrasi yang berbeda pula. Makin padat makin kecil laju infiltrasinya (Wilson, 1993). Klasifikasi laju infiltrasi tanah dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1. Klasifikasi Infiltrasi Tanah Deskripsi Infiltrasi (mm/jam) Sangat lambat 1 Lambat 1 5 Sedang lambat 5 20 Sedang 20 65 Sedang cepat 65 125 Cepat 125 250 Sangat cepat 250 (Lee, 1990). Kapasitas infiltrasi adalah kemampuan tanah dalam merembeskan (menginfiltrasikan) air yang terdapat di permukaan atau aliran air permukaan kebagian dalam tanah tersebut, yang dengan sendirinya dengan adanya
7 perembesan itu aliran air permukaan akan sangat berpengaruh. Jelasnya semakin besar kapasitas infiltrasi maka aliran air di permukaan tanah makin berkurang. Sebaliknya, makin kecil kapasitas infiltrasi yang disebabkan banyaknya pori tanah yang tersumbat, maka aliran air permukaan bertambah atau meningkat (Kartasapoetra, 1989). Evaluasi Laju Infiltrasi Green-Ampt (1911) dalam Rohmat dan Soekarno (2006) mengemukakan bahwa laju infiltrasi merupakan fungsi dari parameter hidraulik tanah, permeabilitas, suction head, dan kelembaban tanah. Parameter-parameter tersebut mempunyai hubungan erat dengan karakteristik fisik tanah. Hubungan antara dua karakteristik tanah tersebut, dapat diformulasikan melalui penelitian empirik. Laju infiltrasi perlu diketahui untuk memperhitungkan maksimum infiltrasi pada suatu tanah yang disebut juga dengan kapasitas infiltrasi (daya serap). Dengan mengetahui besarnya kapasitas infiltrasi suatu tanah, maka dapat diperhitungkan besarnya air hujan yang mempunyai potensi untuk melimpas setelah mencapai permukaan tanah, yang dapat menyebabkan banjir dan erosi. Model laju infiltrasi (infiltration rate) menurut Philip merupakan persamaan empiris yang bergantung pada waktu (time dependent equation). Philip mengajukan model persamaan infiltrasi: fp = C + Dt 0,5... (1) Dimana: fp = kapasitas infiltrasi (mm/ menit) C, D = konstanta yang dipengaruhi oleh faktor lahan dan kadar air tanah awal.
8 t = waktu (menit) Infiltrasi kumulatif diperoleh dengan mengintegralkan peramaan (1) untuk periode tertentu, mulai dari t=0 sampai dengan t=t. t F = (Dt 0,5 + C ). dt = C. t + 2Dt 0.5...(2) 0 Sehingga persamaan infiltrasi kumulatif Philip dapat ditulis: F C. t = 2 Dt 0,5... (3) Proses pengepasan dari persamaan di atas dapat dilakukan dengan menggunakan data dari dua interval waktu, yaitu t 1 dan t 2 serta dua nilai dari infiltrasi kumulatif pada interval tersebut, yaitu F 1 dan F 2 sehingga: F 1 Ct 1 = 2 Dt 1 0,5... (4) F 2 Ct 2 = 2 Dt 2 0,5... (5) Untuk mendapatkan nilai D maka dilakukan eliminasi: (F 1 Ct 1 = 2 Dt 1 0,5 ) t 2 (F 2 Ct 2 = 2 Dt 2 0,5 ) t 1 F 1 Ct 1 t 2 = 2 Dt 1 0,5 t 2 F 1 Ct 1 t 2 = 2 Dt 2 0,5 t 1 F 1 t 2 F 2 t 1 = 2 D (t 1 0,5 t 2 t 2 0,5 t 1 ) Sehingga, D = F 1 t 2 F 2 t 1 0,5 0,5... (6) 2 (t 1 t2 t 2 t1 ) Nilai D lalu dimasukkan ke dalam persamaan (4) atau (5) hingga diperoleh nilai C. Nilai C dan D kemudian dimasukkan ke dalam persamaan Philip. (Purwowidodo, 1986 dalam Januar dan Nora, 1999)
9 Faktor- Faktor Yang Mempengaruhi Infiltrasi Tekstur Tanah Tekstur tanah menunjukkan perbandingan butir-butir pasir (2mm-50μ), debu (50-2µ), dan liat (<2μ) di dalam tanah. Kelas tekstur tanah dibagi dalam 12 kelas yaitu: pasir, pasir berlempung, lempung berpasir, lempung, lempung berdebu, debu, lempung liat, lempung liat berpasir, lempung liat berdebu, liat berpasir, liat berdebu, liat (Hardjowigeno, 1993). Yang secara lebih rinci dapat dilihat pada gambar segitiga USDA berikut. Gambar 1.Segitiga tekstur (Hillel, 1971). Kelas tekstur ditentukan atas dasar perbandingan massa dari ketiga fraksi tersebut. Tanah dengan proporsi pasir, debu, dan liat yang berbeda menunjukkan kelas tekstur yang berbeda (Hillel, 1987).
10 Tata Guna Lahan Styczen and Morgan (1995) menyatakan dalam Arsyad (2006) bahwa vegetasi mempengaruhi siklus hidrologi melalui pengaruhnya terhadap air hujan yang jatuh dari atmosfir ke permukaan bumi, ke tanah dan batuan di bawahnya. Oleh karena itu ia mempengaruhi volume air yang masuk ke sungai dan danau, ke dalam tanah dan cadangan air bawah tanah. Bagian vegetasi yang ada di atas permukaan tanah, seperti daun dan batang, menyerap energi perusak hujan, sehingga mengurangi dampaknya terhadap tanah, sedangkan bagian vegetasi yang ada di dalam tanah, yang terdiri atas sistem perakaran, meningkatkan kekuatan mekanik tanah. Tanaman di atas permukaan tanah mempunyai dua fungsi, yaitu menghambat aliran air di permukaan sehingga kesempatan berinfiltrasi lebih besar, sedangkan yang kedua sistem perakaran tanaman yang dapat lebih menggemburkan struktur tanahnya, sehingga makin baik penutup tanaman yang ada, laju infiltrasi cenderung lebih tinggi (Harto, 1993). Kemampuan sistem lahan dalam meretensi air hujan sangat tergantung kepada karakteristik sistem tajuk dan perakaran tipe vegetasi penutupnya. Sistem tata guna lahan dengan vegetasi penutup bertipe pohon yang disertai dengan adanya tumbuhan penutup tanah adalah sistem lahan yang mempunyai kemampuan meretensi air hujan lebih baik dari pada sistem lahan tingkat semai/ semak atau tiang. Dengan demikian vegetasi tingkat pohon mempunyai fungsi yang lebih baik untuk meningkatkan kapasitas infiltrasi dan menyimpan air (Suharto, 2006).
11 Arsyad (2006) menjelaskan bahwa tanaman penutup tanah berperan (1) menahan atau mengurangi daya perusak butir-butir hujan yang jatuh dan aliran air di atas permukaan tanah, (2) menambah bahan organik tanah melalui batang, ranting dan daun mati yang jatuh, dan (3) melakukan transpirasi, yang mengurangi kandungan air tanah. Keberadaan tanaman dapat memperbesar kapasitas infiltrasi tanah, karena adanya perbaikan sifat fisik tanah, seperti pembentukan struktur dan peningkatan porositas. Selain itu juga berfungsi dalam pembentukan dan pemantapan agregat tanah (Suprayogo et al., 2003). Kapasitas infiltrasi umumnya akan meningkat seiring dengan bertambahnya umur tegakan/tanaman. Porositas Tanah Porositas total atau ruang pori total adalah volume seluruh pori dalam suatu volume tanah yang utuh yang dinyatakan dalam persen. Porositas total merupakan indikator awal yang paling mudah untuk mengetahui apakah suatu tanah mempunyai struktur baik atau jelek. Pengukuran porositas total dilakukan pada kedalaman 0-25 cm, dengan menggunakan persamaan : f = V f V t = V a + V w V s +V a + V w... (7) Dimana : f = ruang pori atau porositas tanah Vf = volume ruang pori (cm 3 ) Vt = volume total (volume ring) (cm 3 ) Hubungan porositas dengan kerapatan massa (bulk density), yaitu : f = ρ s ρ b ρ s = 1 ρ b ρ s... (8)
12 Kemampuan tanah menyimpan air tergantung dari porositas tanah. Pada porositas yang tinggi, maka tanah akan dapat menyimpan air dalam jumlah yang besar, sehingga air hujan yang datang akan dapat meresap atau mengalami infiltrasi dengan cepat tanpa terjadinya aliran permukaan (Suryatmojo, 2006). Kerapatan Massa (Bulk Density) Kerapatan massa adalah berat per unit volume tanah yang dikeringkan dengan oven yang biasanya dinyatakan dalam gram/cm 3. Setiap perubahan dalam struktur tanah mungkin untuk mengubah jumlah ruang-ruang pori dan juga berat per unit volume (Foth, 1994). Andosol adalah tanah-tanah yang umumnya berwarna hitam (epipedon mollik atau umbrik dan mempunyai horison kambik; bulk density) kerapatan lindak kurang dari 0.85 gr/cm 3 ; banyak mengandung bahan amorf, atau lebih dari 60 % terdiri dari abu vuklanik vitrik, cinders, atau bahan pryroklasik lain (Mega, dkk, 2010). ρ b = M s V t = Dimana : M s V s + Va+ V w... (9) ρ b = Kerapatan massa (bulk density) ( g cm 3 ) Ms = massa tanah (g) Vt = volume total tanah (volume ring)(cm 3 ) Sarief (1989) dalam Januardin (2008) mengemukakan bahwa semakin tinggi kepadatan tanah, maka infiltrasi akan semakin kecil. Kepadatan tanah ini dapat disebabkan oleh adanya pengaruh benturan-benturan hujan pada permukaan tanah. Tanah yang ditutupi oleh tanaman biasanya mempunyai laju infiltrasi lebih
13 besar daripada permukaan tanah yang terbuka. Hal ini disebabkan oleh perakaran tanaman yang menyebabkan porositas tanah lebih tinggi, sehingga air lebih banyak dan meningkat pada permukaan yang tertutupi oleh vegetasi, dapat menyerap energi tumbuk hujan dan sehingga mampu mempertahankan laju infiltrasi yang tinggi. Kerapatan Partikel (Particel Density) kerapatan partikel (ρ s ) = Ms g Vs cm 3...(10) Dimana, Vs = volume tanah (cm 3 ) Berat jenis butir adalah berat bagian padat dibagi dengan volume bagian padat dari tanah tersebut. Berat jenis butir tanah pada umumnya berkisar antara 2,6-2,7 g cm 3. Dengan adanya kandungan bahan organik pada tanah maka nilai menjadi lebih rendah. Istilah kerapatan ini sering dinyatakan dalam istilah berat jenis atau specific gravity, yang berarti perbandingan kerapatan suatu benda tertentu terhadap kerapatan air pada keadaan 4ºC dengan tekanan udara biasa, yaitu satu atmosfer (Sarief, 1986). Kadar Air Tanah Tidak semua kadar air tanah tersedia secara efektif untuk tanaman. Air tersedia biasanya dianggap berkisar antara kapasitas lapang dan titik layu permanen. Kapasits lapang, adalah jumlah air yang ditahan dalam tanah sesudah air yang berlebihan di drainase keluar dan kecepatan bergerak kebawah tellah sangat diperlambat. Kapasitas lapang tidak tetap dan dipengaruhi oleh tekstur, struktur, kandungan bahan organik, keseragaman dan kedalaman lahan. (Guslim, 2008).
14 Selanjutnya Hasibuan (2006) menyatakan bahwa nilai-nilai pf yang penting bagi pertumbuhan tanaman adalah berkisar dari 2-4. Pada pf 2,0 keadaan air terlalu basah, keadaan udara mulai terbatas dan air mulai turun merembes. Pada pf 2,54 adalah keadaan air pada kapasitas lapang, sedang pada pf 4,2 atau 15 atm keadaan kritis, akar mulai tidak dapat mengisap air dan mulai layu secara permanen (titik layu permanen). Air yang tersedia bag tanaman adalah pada keadaan diantara pf 2,54-pF 4,2. Bahan Organik Tanah Menurut Hasibuan (2006) bahan organik adalah segala bahan-bahan atau sisa-sisa yang berasal dari tanaman, hewan dan manusia yang terdapat di permukaan atau di dalam tanah dengan tingkat pelapukan yang berbeda-beda. Jumlah dan ciri dari lantai hutan bergantung pada keberlangsungan tingkat dekomposisi sampah organik. Laju penguraian dari material lantai dipengaruhi oleh bahan kimia dan fisika, dari lapisan teratas berupa: aerasi, temperatur, dan kondisi kelembaban lantai hutan. Dan jenis serta jumlah mikroflora yang hidup. Karena proses dekomposisi pada uumnya terjadi secara biologi, pada tahap ini mempengaruhi faktor yang sama yang melibatkan aktifitas mikroorganisme (Pritchett, 1979). Pengaruh bahan organik pada sifat fisika tanah a. Kemampuan menahan air meningkat b. Warna tanah menjadi coklat hingga hitam c. Merangsang granulasi agregat dan memantapkannya d. Menurunkan plastisitas, kohesi dan sifat buruk lainnya dari liat. (Hakim, dkk, 1986).
15 Infiltrometer Subagyo (1990) dalam Januardin (2008) mengemukakan bahwa infiltrometer merupakan suatu tabung baja silindris pendek, berdiameter besar (suatu batas kedap air lainnya) yang mengitari suatu daerah dalam tanah. Infiltrometer konsentrik yang merupakan tipe biasa, terdiri dari dua cincin konsentrik yang ditekan ke dalam permukaan tanah. Kedua cincin tersebut digenangi (karena itu disebut infiltrometer tipe genang) secara terus menerus untuk mempertahankan tinggi yang konstan. Masing-masing penambahan air untuk mempertahankan tinggi yang konstan ini hanya diukur (waktu dan jumlah) pada cincin bagian dalam. Bagian luar digunakan untuk mengurangi pengaruh batas dari tanah sekitarnya yang lebih kering. Kalau tidak air yang berinfiltrasi yang dapat menyebar secara lateral di bawah permukaan tanah. Alat infiltrometer yang biasa digunakan adalah jenis infiltrometer ganda (double ring infiltrometer), yaitu satu infiltrometer silinder ditempatkan di dalam infiltrometer silinder lain yang lebih besar. Infiltrometer silinder yang lebih kecil mempunyai ukuran diameter sekitar 30 cm dan infiltrometer yang besar mempunyai ukuran 46 hingga 50 cm. Pengukuran hanya dilakukan pada silinder yang kecil. Silinder yang lebih besar berfungsi sebagai penyangga yang bersifat menurunkan efek batas yang timbul oleh adanya silinder (Asdak, 2002). Potensial Air Tanah Potensial air tanah merupakan jumlah kerja yang mesti dilakukan per unit air murni untuk mengangkut sejumlah air dari suatu tempat air murni pada elevasi
16 dan tekanan atmosfer. Total potensial air tanah dapat dikatakan sebagai penjumlahan dari beberapa faktor, yaitu: ψ t = ψ g +ψ p +ψ o +... (11) Dimana ψ t adalah potensial total air tanah, ψ g adalah potensial gravitasi, dan ψ p merupakan potensial tekanan (matriks) dan ψ o adalah potensial osmotik. Potensial gravitasi penting dalam tanah jenuh dan ditunjukkan oleh kecenderungan air untuk mengalir ke elevasi yang lebih rendah. Potensial matriks adalah hasil tenaga adhesi dan kohesi yang berhubungan dengan jaringan partikel tanah atau matriks tanah. Potensial osmosis disebabkan terutama oleh daya tarik molekul air terhadap ion-ion yang dihasilkan oleh garam yang dapat larut. Biasanya, pada tanah yang tercuci potensi osmosisnya kecil dan merupakan faktor minor dalam penyerapan air (Foth, 1978). Potensial air dan tanah (potensial hidrolik) yang berperan dalam tanah akan bergantung pada kondisi tanahnya. Pada kondisi tanah jenuh yang berperan adalah potensial tekanan dan potensial gravitasi, dan pada tanah tidak jenuh yang berperan adalah potensial matriks. Jumlah air yang ditahan oleh tanah dengan isapan matriks yang rendah antara 0-1 bar, terutama bergantung pada pengaruh kapilaritas, distribusi ukuran pori, dan bergantung pada struktur. Makin besar daya isap tanah, makin besar pengaruh adsorbsi dan makin berkurang pengaruh struktur (makin kering tanah).yang paling berpengaruh yaitu tekstur dan permukaan spesifik partikel tanah. Keuntungan utama konsep total potensial adalah mendapatkan suatu ukuran yang sama mengenai status energi air tanah dalam berbagai waktu dan tempat dalam hubungan tanah, tanaman, dan atmosfer (Hillel, 1987).
17 Tensiometer Tensiometer adalah alat praktis untuk mengukur kandungan air tanah, tinggi hidrolik, dan gradient hidrolik. Alat ini terdiri atas cawan sarang, secara umum terbuat dari keramik yang dihubungkan melalui tabung ke manometer, dengan seluruh bagian diisi air. Saat cawan diletakkan di dalam tanah pada waktu pengukuran hisapan dilaksanakan, air total di dalam cawan melakukan kontak hidrolik, dan cenderung untuk seimbang dengan air tanah melalui pori-pori pada dinding keramik. Pada saat tensiometer diletakkan di permukaan tanah, air yang terdapat dalam tensiometer umumnya berada pada tekanan atmosfer, sedangkan air tanah secara umum mempunyai tekanan lebih kecil dari tekanan atmosfer, sehingga terjadi hisapan dari alat tensiometer karena perbedaan tekanan, dan air dari alat itu keluar, serta tekanan dalam alat turun yang ditunjukkan oleh manometer (Kurnia, dkk, 2006). Dengan tensiometer dimungkinkan mengukur tegangan yang mengikat air, tetapi tidak mengukur jumlah absolut air dalam tanah. Prinsipnya : air dalam tensiometer akan berekuilibrium dengan air tanah melalui ujung yang porous, sehingga tegangan air tanah sama dengan tegangan potentiometer (alat pengukur tegangan pada tensiometer) (Hakim,dkk, 1986).