TINJAUAN PUSTAKA Infiltrasi Infiltrasi adalah proses aliran air (umumnya berasal dari curah hujan) masuk ke dalam tanah. Perkolasi merupakan kelanjutan aliran air tersebut ke tanah yang lebih dalam. Dengan kata lain, infiltrasi adalah aliran air masuk ke dalam tanah sebagai akibat gaya kapiler (gerakan air ke arah lateral) dan gravitasi mengalir ke tanah yang lebih dalam sebagai akibat gaya gravitasi bumi dan dikenal sebagai proses perkolasi. Laju maksimal gerakan air masuk ke dalam tanah dinamakan kapasitas infiltrasi. Kapasitas infiltrasi terjadi ketika intensitas hujan melebihi kemampuan tanah dalam menyerap kelembaban tanah. Sebaliknya, apabila intensitas hujan lebih kecil dari kapasitas infiltrasi, maka laju infiltrasi sama dengan laju curah hujan. Laju infiltrasi umumnya dinyatakan dalam satuan yang sama dengan satuan intensitas curah hujan, yaitu millimeter perjam (Asdak, 1995). Faktor-faktor yang mempengaruhi laju infiltrasi adalah tekstur tanah, kerapatan massa (bulk density), permeabilitas, kadar air tanah dan vegetasi. Semakin rendah nilai kerapatan massa (bulk density) tanah, semakin besar volume pori tanah, dan semakin remah tanahnya maka laju infiltrasi akan semakin besar. Bila ditinjau dari sudut vegetasi maka semakin besar penetrasi akar, semakin besar daya serap akar, semakin tinggi akumulasi bahan organik tanah maka laju infiltrasi akan semakin besar. Secara umum laju infiltrasi tertinggi dijumpai pada tahap awal pengukuran, kemudian secara perlahan mengalami penurunan sejalan dengan bertambahnya waktu dan akhirnya akan mencapai kecepatan yang hampir 5
6 konstan. Hal ini terjadi karena semakin lama proses infiltrasi semakin meningkat. Artinya air semakin lama semakin banyak yang tertampung kedalam tanah, dan ketika tanahnya mulai jenuh pergerakan air ke bawah profil tanah hanya ditimbulkan oleh gaya tarik gravitasi (Hillel, 1987). Tanah yang berbeda-beda menyebabkan air meresap dengan laju yang berbeda-beda. Setiap tanah memiliki daya resap yang berbeda, yang diukur dalam millimeter perjam (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) Infiltrasi merupakan interaksi kompleks antara intensitas hujan, karakteristik dan kondisi permukaan tanah. Intensitas hujan berpengaruh terhadap kesempatan air untuk masuk ke dalam tanah. Bila intensitas hujan lebih kecil dibandingkan dengan kapasitas infiltrasi, maka semua air mempunyai kesempatan untuk masuk ke dalam tanah. Sebaliknya, bila intensitas hujan lebih tinggi dibandingkan dengan kapasitas infiltrasi, maka sebagian dari air yang jatuh di permukaan tanah tidak mempunyai kesempatan untuk masuk ke dalam tanah, dan
7 bagian ini akan mengalir sebagai aliran permukaan. Penutupan dan kondisi permukaan tanah sangat menentukan tingkat atau kapasitas air untuk menembus permukaan tanah, sedangkan karakteristik tanah, khususnya struktur internalnya berpengaruh terhadap laju air saat melewati masa tanah. Unsur struktur tanah yang terpenting adalah ukuran pori dan kemantapan pori (Kurnia, dkk, 2006). Sejumlah besar air yang jatuh diatas tanah hilang karena aliran permukaan. Dalam keadaan demikian ada dua hal yang perlu diperhatikan: (1) kehilangan air yang seharusnya masuk ke dalam tanah dan mungkin dapat digunakan tanaman; dan (2) hilangnya tanah yang biasa terjadi bila air hilang terlalu cepat. Lepas dan tesangkutnya tanah disebut erosi (Soepardi, 1983). Proses Terjadinya Infiltrasi Ketika air hujan menyentuh permukaan tanah, sebagian atau seluruh air hujan tersebut masuk ke dalam tanah melalui pori-pori permukaan tanah. Proses masuknya air hujan ke dalam tanah disebabkan oleh potensial gravitasi dan potensial matriks tanah. Laju air infiltrasi yang dipengaruhi oleh potensial gravitasi dibatasi oleh besarnya diameter pori-pori tanah. Di bawah pengaruh potensial gravitasi, air hujan mengalir tegak lurus ke dalam tanah melalui profil tanah. Pada sisi yang lain, potensial matriks bersifat mengalirkan air tersebut tegak lurus ke atas, ke bawah, dan ke arah horizontal. Potensial matriks tanah ini bekerja nyata pada tanah dengan pori-pori relatif kecil, pada tanah dengan poripori besar potensial ini dapat diabaikan pengaruhnya dan air mengalir ke tanah yang lebih dalam oleh pengaruh gravitasi. Dalam perjalanannya, air juga mengalami penyebaran ke arah lateral akibat tarikan gaya kapiler tanah, terutama ke arah tanah dengan pori-pori yang lebih kecil (Asdak, 1995).
8 Evaluasi Laju Infiltrasi Arsyad (2000) menyatakan laju infiltrasi ditentukan oleh besarnya kapasitas infiltrasi dan laju penyediaan air. Selama intensitas hujan (laju penyediaan air) lebih kecil dari kapasitas infiltrasi, maka laju infiltrasi sama dengan intensitas hujan. 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. t = waktu (menit) Infiltrasi kumulatif diperoleh dengan mengintegralkan persamaan (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)
9 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. (Januar dan Nora, 1999). Curah Hujan Hujan merupakan faktor yang paling penting di daerah tropika sebagai agensi yang mampu merusak tanah melalui kemampuan energi kinetiknya yang dijabarkan sebagai intensitas, durasi, ukuran butiran hujan dan kecepatan jatuhnya. Faktor iklim dibedakan dalam dua kategori yakni bila curah hujan tahunan <2500 mm diperhitungkan daya rusaknya akan lebih kecil dari pada >2500 mm (Kementrian Lingkungan Hidup, 2008). Menurut Lee (1990), hujan mempengaruhi kapasitas infiltrasi dengan berbagai cara. Pemadatan oleh hujan secara drastis dapat mengurangi kemampuan tanah untuk menyerap air dengan menghilangkan pori kapiler. Curah hujan tinggi dalam suatu waktu mungkin tidak menyebabkan erosi jika intensitasnya rendah. Demikian pula bila hujan dengan intensitas tinggi tetapi
10 terjadi dalam waktu singkat. Hujan akan menimbulkan erosi jika intensitasnya cukup tinggi dan jatuhnya dalam waktu yang relatif lama. Ukuran butir hujan juga sangat berperan dalam menentukan erosi. Hal tersebut disebabkan karena dalam proses erosi energi kinetik merupakan penyebab utama dalam menghancurkan agregat-agregat tanah. Besarnya energi kinetik hujan tergantung pada jumlah hujan, intensitas dan kecepatan jatuhnya hujan. Kecepatan jatuhnya butir-butir hujan itu sendiri ditentukan ukuran butir-butir hujan dan angin (Utomo, 1989). Infiltrometer 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, 1995). Hal tersebut diperlukan pula agar air yang berinfiltrasi tidak menyebar secara lateral di bawah permukaan tanah (Seyhan, 1990). Faktor- faktor Yang Mempengaruhi Infiltrasi 1. Topografi Kondisi topografi juga mempengaruhi infiltrasi. Pada lahan dengan kemiringan besar, aliran permukaan mempunyai kecepatan besar, sehingga air kekurangan waktu untuk infiltrasi. Akibatnya sebagian besar air hujan menjadi aliran permukaan. Sebaliknya, pada lahan yang datar air menggenang sehingga mempunyai waktu cukup banyak untuk infiltrasi.
11 2. Intensitas Curah Hujan Intensitas curah hujan juga berpengaruh terhadap kapasitas infiltrasi, jika intensitas curah hujan lebih kecil dari kapasitas infiltrasi, maka laju infiltrasi aktual adalah sama dengan intensitas hujan. Apabila intensitas hujan lebih besar dari kapasitas infiltrasi, maka laju infiltrasi aktual sama dengan kapasitas infiltrasi. Intensitas hujan merupakan faktor yang menentukan apakah suatu lokasi akan mengalami penggenangan atau banjir. Apakah banjir dikaitkan dengan laju infiltrasinya. Artinya bila intensiatas hujan lebih besar dari laju infiltrasinya. (Basak, 1999) 3. Tekstur Tanah Menurut Hardjowigeno (2007), kelas tekstur tanah menunjukkan perbandingan butir-butir pasir (0,005-2 mm), debu (0,002-0,005 mm), dan liat < 0,002 mm) di dalam fraksi tanah halus. Tekstur menentukan tata air, tata udara, kemudahan pengelolaan, dan struktur tanah. Penyusun tekstur tanah berkaitan erat dengan kemampuan memberikan zat hara untuk tanaman, kelengasan tanah, perkembangan akar tanaman, dan pengelolaan tanah. Berdasarkan persentase perbandingan fraksi-fraksi tanah, maka tekstur tanah dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu halus, sedang, dan kasar. Makin halus tekstur tanah mengakibatkan kualitas tanah semakin menurun karena berkurangnya kemampuan tanah dalam menghisap air. Tekstur tanah menunjukkan komposisi partikel penyusun tanah (separat) yang dinyatakan sebagai perbandingan proporsi (%) relatif antara fraksi pasir (sand) (berdiameter 2,00-0,20 mm atau 2000-200 μm, debu (silt) (berdiameter 0,20-0,002 mm atau 200-2 μm) dan liat (clay) (<2 μm) (Hanafiah, 2005).
12 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, 1971).Secara lebih rinci tekstur tanah digambarkan dalam segitiga USDA seperti yang terlihat dalam Gambar 1. 4. Kerapatan Massa (Bulk Density) Kerapatan massa adalah perbandingan dari massa tanah kering dengan volume total tanah (termasuk volume tanah dan pori) (Hillel, 1971). Setiap perubahan dalam struktur tanah mungkin untuk mengubah jumlah ruang-ruang pori dan juga berat per unit volume. Bila dinyatakan dalam g cm 3 kerapatan massa tanah-tanah liat yang ada di permukaan dengan struktur granular besarnya berkisar 1,0 sampai 1,3. Tanah-tanah di permukaan dengan tekstur kasar mempunyai kisaran 1,3 sampai 1,8. Perkembangan struktur yang lebih besar pada tanah-tanah dipermukaan dengan tekstur halus menyebabkan kerapatan massanya lebih rendah bila dibandingkan dengan tanah berpasir (Foth, 1991). ρ b = M s V t = Dimana : M s V s + Va+ V w... (7) ρ b = Kerapatan massa (bulk density) ( g cm 3 ) Ms = massa tanah (g) Vt = volume total tanah (volume ring)(cm 3 )
13 Gambar 1. Segitiga tekstur menunjukkan persentase liat (dibawah 0,002 mm), debu (0,002-0,05 mm) dan pasir (0,05-2,0 mm) pada dasar kelas tekstur (Hillel, 1971). Bulk density sangat berhubungan dengan particle density, jika particle density tanah sangat besar maka bulk density juga besar. Hal ini dikarenakan partikel density berbanding lurus dengan bulk density, namun apabila tanah memiliki tingkat kadar air yang tinggi maka partikel density dan bulk density akan rendah. Dapat dikatakan bahwa particle density berbanding terbalik dengan kadar air. Hal ini terjadi jika suatu tanah memiliki tingkat kadar air yang tinggi dalam menyerap air tanah, maka kepadatan tanah menjadi rendah karena pori-pori di dalam tanah besar sehingga tanah yang memiliki pori besar akan lebih mudah memasukkan air di dalam agregat tanah (Hanafiah, 2005).
14 5. Kerapatan Partikel (Particel Density) Tanah permukaan (top soil) biasanya mempunyai kerapatan yang lebih kecil dari sub-soil, karena berat bahan organik pada tanah permukaan lebih kecil daripada berat benda padat tanah mineral dari sub soil dengan volume yang sama, dan top soil banyak mengandung bahan organik sehingga particle densitynya rendah. Oleh karena itu partikel density setiap tanah merupakan suatu tetapan dan tidak bervariasi menurut jumlah partikel. Untuk kebanyakan tanah mineral partikel densitynya rata-rata sekitar 2,6 g/cc (Foth, 1994). Kerapatan partikel dapat dihitung dengan persamaan berikut: kerapatan partikel (ρ s ) = Ms g Vs cm 3...(8) 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). 6. Ruang Pori atau Porositas Porositas adalah proporsi ruang pori total (ruang kosong) yang dapat ditempati oleh udara dan air, serta merupakan indikator kondisi drainase dan aerasi tanah. Pori-pori tanah dapat dibedakan menjadi pori-pori kasar (makro) dan pori-pori halus (mikro). Pori-pori kasar berisi udara atau air gravitasi (air yang mudah hilang karena gaya gravitasi), sedangkan pori-pori halus berisi air kapiler atau udara. Tanah-
15 tanah pasir mempunyai pori-pori kasar lebih banyak daripada tanah liat. Tanah yang banyak mengandung pori-pori kasar sulit menahan air sehingga tanahnya mudah kekeringan. Tanah liat mempunyai pori total (jumlah pori-pori makro ditambah poripori mikro), lebih tinggi daripada tanah pasir (Hardjowigeno 2007). 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 = Dimana : V a + V w V s +V a + V w... (9) 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... (10) 7. Bahan Organik Tanah Tanah tersusun oleh bahan padatan, air dan udara.bahan padatan ini meliputi bahan mineral berukuran pasir, debu, dan liat, serta bahan organik.bahan organik tanah biasanya menyusun 5% bobot total tanah, meskipun hanya sedikit tetapi memegang peran penting dalam menentukan kesuburan tanah, baik secara fisik, kimiawi maupun secara biologis tanah.komponen tanah yang berfungsi sebagai media tumbuh, maka bahan organik juga berpengaruh secara langsung terhadap perkembangan dan pertumbuhan tanaman dan mikrobia tanah, yaitu
16 sebagai sumber energi, hormon, vitamin, dan senyawa perangsang tumbuh lainnya.secara fisik bahan organik berperan dalam menentukan warna tanah menjadi coklat-hitam, merangsang granulasi, menurunkan plastisitas dan kohesi tanah (Brady, 1984), memperbaiki struktur tanah menjadi lebih remah sehingga laju infiltrasi lebih tinggi, dan meningktakan daya tanah menahan air sehingga drainase tidak berlebihan, kelembaban dan temperatur tanah menjadi stabil (Hanafiah, 2005). Tata Guna Lahan 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). Lahan yang bervegetasi pada umumnya lebih menyerap karena serasah permukaan mengurangi pengaruh-pengaruh pukulan tetesan hujan, dan bahan organik, mikroorganisme serta akar-akar tanaman cenderung meningkatkan porositas tanah dan memantapkan struktur tanah.vegetasi juga menghabiskan kandungan air tanah hingga kedalaman yang lebih besar, meningkatkan peluang penyimpanan air dan menyebabkan laju infiltrasi yang lebih tinggi, pengaruhpengaruh ini lebih tegas pada penutupan hutan dimana akar-akar berpenetrasi lebih dalam dan laju-laju evapotranspirasi adalah lebih besar (lee, 1990).
17 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 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. Kandungan energi atau energi bebas air tanah dinyatakan sebagai potensi air. Potensi air mempunyai tiga komponen atau subpotensi.komponen atau potensi gravitasi penting dalam tanah jenuh dan ditunjukkan oleh kecenderungan air untuk mengalir ke elevasi yang lebih rendah.potensi 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, 1994). 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
18 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 tanahdalam berbagai waktu dan tempat dalam hubungan tanah, tanaman, dan atmosfer (Hillel, 1987). Tensiometer Tensiometer adalah alat praktis untuk mengukur kandungan air tanah, tinggi hidrolik, dan gradien 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 atmosefer, sedangkan air tanah secara umum mempunyai tekanan lebih kecil dari tekanan atmosefer, 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).