PENCEMARAN TANAH Pendahuluan Sifat fisik Sifat kimia Sumber referensi: V. Novotny and G. Chesters: Handbook of non-point pollution, Van Nostrand Reinhold Co., 1981 S. Hardjowigeno: Ilmu tanah, PT Medyatama Sarana Perkasa, 1987 K.H. Tan: Dasar-dasar kimia tanah, Gajah Mada University Press, 1982 S. Sosrodarsono: Hidrologi untuk pengairan, PTPradnya Paramita, 1978 Disiapkan oleh: Enri Damanhuri Enri.damanhuri@gmail.com Guru Besar pada Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan ITB Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 1
Tanah: pendahuluan (1) Terdapat dimana-mana, kepentingannya berbeda Sebagai media tumbuhnya tanaman darat; Hasil pelapukan batuan, bercampur sisa-sisa bahan organik dari hewan-vegetasi; Bahan penyusun: mineral, organik, air dan udara; terdapat pula mikroorganisme yang berkembang subur karena tersedianya makanan pada tanah; Air dalam tanah: berasal dari hujan, ditahan, meresap dsb; Dalam proses pembentukannya: terbentuk lapisan-lapisan (horizon-horozon); Definisi tanah: kumpulan benda alam di permukaan bumi, tersusun dalam horizon-horizon, terdiri dari campuran mineral, organik, air, dan udara; merupakan media untuk tumbuhnya tanaman. 2
Tanah: pendahuluan (2) Lapisan atas pada lahan bukan sawah (% volume), umumnya: Mineral: 45% Organik: 5% Udara: 20-30% Air: 20-30 Bahan mineral berasal dari pelapukan batuan Batuan: Batuan beku (vulkanik) Batuan endapan (sedimen) Batuan metamorfosa Batuan vulkanik Indonesia: kaya unsur hara Batuan sedimen dan metamorfosa: diendapkan berjuta tahun, rendah unsur hara Batuan metamorfosa: terbentuk dari batuan beku atau sedimen, karena tekanan, temperatur sangat tinggi berubah menjadi batuan lain. Misal marmer dari batu kapur karbonat, kwarsit dari batu pasir. 3
Tanah: pendahuluan (3) Bahan organik pada tanah: Umumnya ditemukan di permukaan; Jumlah: kecil (3-5%), tetapi berpengaruh pada sifat tanah: Sebagai granulator: memperbaiki struktur tanah Sumber hara C, N, P dan S Menambah kemampuan menahan air Menambah kemampuan menahan unusr hara kapasitar tukar kation menjadi lebih tinggi Sumber energi bagi mikroorganisme Terdiri dari: organik kasar, dan organik halus (humus); Humus: senyawa yang resisten, warna hitam-coklat, daya simpan air tinggi, berada pada lapisan atas (top soil), kapasitas tukar kation tinggi; Kompos bersifat sebagai humus; Tanah gambut pada daerah rawa: tanah organik lebih dari 20-30%, tebal lebih dari 40cm. 4
Tanah: pendahuluan (4) Air pada tanah: Terdapat dalam tanah karena ditahan (diserap), tertahan oleh lapisan kedap, atau karena drainase yang kurang baik; Berfungsi sebagai pelarut, dan pentransport unsur hara bagi tanaman, juga bahan pencemar dari luar Air ditahan tanah karena gaya-gaya adesi (tarik-menarik antara air dan tanah), kohesi (tarik-menarik anatar butir air), dan gravitasi; Akibat gaya-gaya tsb. air dalam tanah dibedakan menjadi: o Air higroskopik: air yang ada dalam tanah, tertahan secara kuat sehingga tidak dapat diambil akar tanaman adesi yang kuat; o Air kapiler: air dalam tanah dengan daya kohesi dan daya adesi yang lebih kuat dari gaya gravitasi; air ini dapat bergerak ke samping atau ke atas karena gaya kapiler, sehingga dapat diserap oleh akar tanaman; o Air yang bebas berada diantara butir-butir tanah. 5
Air pada tanah (lanjutan): dikenal beberapa istilah o o Field capacity: o Jumlah air terbanyak yang ada tanah lembab yang dapat ditahan oleh tanah dari gaya gravitasi (keadaan alamiah); o Air tersebut dapat menguap (evaporasi, evapotranspirasi) dan diserap oleh akar tanaman; o Air tersebut tertahan sampai tegangan 1/3 bar Tanah: pendahuluan (5) Kandungan air Wilting Wilting point: o bila air pada field capacity di atas terus menerus diserap oleh akar atau menguap, sampai akar tidak dapat lagi mengambilnya. o Air tersebut terjadi pada tegangan 15 bar Saturasi Field Capacity Tanpa tanaman Dengan tanaman Waktu 6
Tanah: pendahuluan (6) Air pada tanah (lanjutan): dikenal beberapa istilah o Air yang tersedian untuk akar tanaman = air pada kondisi field capacity wilting point. o Kemampuan tanah menahan air dipengaruhi antara lain oleh tekstur-nya; tanah bertekstur kasar menahan air lebhih kecil dibanding yang bertekstur halus. Udara pada tanah: o Udara mengisi pori-pori tanah, umumnya kurang dari 50% dari volume tanah; o Tanah tergenang air: semua pori-porinya terisi air; o Susunan udara dalam tanah berbeda dengan di atmosfir: o Kandungan upa air lebih tinggi: tanah lembab mempunyai kelembaban nisbi, mendekati 100% o Kandungan CO2 lebih besar dari atmosfer o Kandungan O2 lebih kecil dibanding atmosfer. Salah satu sebab karena biodegradasi bahan organik atau respirasi organisme hidup dalam tanah akan mengambil O2 dan melepaskan CO2. 7
Tanah: sifat fisik (1) 1. Profil tanah: Biasanya dibagi menjadi beberapa lapis, dikenal sebagai horizon: Horizon O: organik, bangkai tanaman Horizon A: mikroflora, akumulasi humus, pelindian garam, nitrifikasi, adsorpsi. Pada layer ini sebagian besar pencemaran dan adsorspsi terjadi. Horizon B: Pelindian dari atasnya tersimpan di sini, deposisi garam dan clay, permeabiliras rendah. Akar tanaman terbatas tiba di layer ini. Horizon C: material induk penyusun batuan Horizon D: comsolidated rock 8
Tanah: sifat fisik (2) 1. Profil tanah (lanjut): Bentuk topografi dari batas horizon atas dapat berupa: rata, berombak, tidak teratur, terputus; 2. Warna: petunjuk beberapa sifat tanah: o Bagian permukaan: umumnya dipengaruhi oleh kandungan organik; makin tinggi organik, makin gelap warnanya (abuabu). o Lapisan bawah: kandungan organik rendah, warna dipengaruhi kandungan senyawa Fe. o Daerah selalu tergenang air: warna abu-abu karena dominan Fe 2+ o Daerah dengan drainase baik: warna kuning-coklat karena dominasi Fe 3+ seperti Fe 2 O 3 (hematit, warna merah) atau Fe 2 O 3. 3H 2 O (limonit, warna kuning-coklat); 9
Tanah: sifat fisik (3) 2. Warna (lanjut): o Bila kadang basah, kadang kering: disamping warna abuabu, di tempat udara dapat masuk, terdapat warna bercak merah-kuning, karena Fe 2+ menjadi Fe 3+ 3. Tekstur: Terdiri dari butir-butir berbagai ukuran; tekstur menunjukkan kasar-halusnya tanah; Tanah berukuran lebih dari 2 mm = bahan kasar, yaitu kerikil (gravel: 2 15 mm) sampai batu. Tanah berukuran 2 mm atau kurang dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu sand (pasir), debu (silt) dan liat (clay): Sand (pasir): 0,075-2,0 mm Silt (debu): 0,002 0,075 mm Clay (liat): kurang dari 0,002 mm (2µ) 10
Tanah: sifat fisik (4) 3. Tekstur (lanjut): Versi USDA (US Dept of Agriculture) Versi USCS (Unified Soil Classification System) Sieve # 10 Sieve # 200 2 mm 0,075 mm 0,002 mm 11
Tanah: sifat fisik (5) 3. Tekstur (lanjut): Berdasarkan kandungan sand, silt dan clay, tanah dikelompokkan menjadi: Kasar Agak kasar Sedang Sand Loamy sand Sandy loam Sandy loam (fine) Sandy loam (very fine) Loam Silt loam Silt Agak halus Halus Clay loam Sandy clay loam Silty clay loam Sandy clay Silty clay clay Sand = pasir Loam = lempung Silt = debu Clay = liat 12
3. Tekstur (lanjut): Tanah: sifat fisik (6) Klasifikasi berdasarkan USDA didasarkan atas analisa distribusi ukuran partikel, membagi tanah atas sand, silt dan clay. 20% silt Sand: bila paling tidak terdapat 70% pasir Clay: bila paling tidak terdapat 35% clay Loam: bila ketiga komponen tersebut berimbang 6% clay 74% sand 74% sand, 20% silt dan 6% clay = sandy loam 13
Tanah: sifat fisik (7) 4. Struktur: Merupakan gumpalan kecil butir-butir tanah, mempunyai bentuk, ukuran, ketahanan (kemantapan) yang berbeda; Terjadi karena butir-butir sand, silt dan clay terikat satu sama lain oleh perekat organik, oksida besi, dsb; Bentuk: seperti lempeng, prisma, tiang, gumpal bersudut, gumpal membulat, granular, remah; Ukuran berbeda sesuai bentuk; Kemantapan: mudah hancur, agak sukar hancur, sukar hancur; Tanah tidak berstruktur: bila tidak melekat satu sama lain, atau saling melekat menjadi satuan yang masif; Tanah dengan struktur baik (granular, remah) mempunyai tata-udara yang baik, unsur hara mudah tersedia, mudah diolah. 14
Tanah: sifat fisik (8) 5. Konsistensi: Kekuatan kohesi atau adesi butir tanah dengan benda lain; Tanah dengan konsistensi baik mudah diolah. Dalam keadaan kering: konsistensi lunak sampai keras; Dalam keadaan lembab: bisa dalam kondisi gembur (mudah diolah) sampai teguh (sulit dicangkul); Dalam keadaan basah: dibedakan dari sifat plastisitasnya (plastis sampai tidak plastis), dan kelekatannya (lekat sampai tidak lekat) Konsistensi: bagian dari rheologi, ilmu yang mempelajari bentuk (deformation) dan aliran (flow) suatu benda; Sifat rheologi tanah: antara lain diukur dengan angka Atterberg; Nilai Atterberg: nilai (angka) kadar air tanah pada beberapa keadaan, digunakan sebagai dasar dalam mengolah tanah tsb (contoh: liner, pelapis dasar landfill). 15
Tanah: sifat fisik (9) 5. Konsistensi (lanjutan): Angka Atterberg (%): Liquid limit (LL) atau batas mengalir: jumlah air terbanyak yang dapat ditahan tanah; bila air lebih banyak dari nilai tsb, tanah (bersama air) akan mengalir. Batas melekat: kadar air dimana tanah tidak melekat pada benda lain. Bila kadar air lebih kecil dari nilai tsb, tanah tidak melekat pada benda. Bila lebih tinggi, tanah mudah melekat. Bila tanah yang telah mencapai batas mengalir atau batas melekat tersebut dapat dibentuk seperti gulungan yang tidak patah saat digolek-golekkan, disebut tanah plastis. Plastic limit (PL) atau batas plastis: kadar air dimana gulungan tsb bila digolek-golekkan akan pecah. 16
Tanah: sifat fisik (10) 5. Konsistensi (lanjutan): Angka Atterberg (%) (lanjut): Pengertian Batas mengalir (LL) Indek platisitas (IP) Sangat rendah < 20 0-5 1-3 Rendah 20-30 6-10 4-8 Sedang 31-45 11-17 9-15 Tinggi 46-70 18-30 16-25 Sangat tinggi 71-100 31-43 26-40 Esktrim tinggi >100 >43 >40 Jangka olah Clay liner landfill yang dianggap baik bila berada pada posisi rendah sampai sedang 17
6. Tanah: sifat fisik (11) 7. 18
Tanah: sifat fisik (12) 19
8. Pori-pori (Porositas): Tanah: sifat fisik (13) Bagian tanah yang tidak berisi padatan, tetapi terisi udara atau air Pori-pori makro: berisi udara atau air gravitasi Pori-pori mikro: berisi udara atau air kapiler Porositas (lanjut): tipikal nilai porositas tanah (%) Kerikil (gravel) kasar = 28 Kerikil menengah = 32 Kerikil halus = 34 Pasir (sand) kasar = 39 Pasir menengah = 39 Pasir halus = 43 Silt = 46 Clay = 42 Limestone = 30 20
Tanah: sifat fisik (14) 9. Potensi mengembang-mengerut: Beberapa tanah mempunyai sifat mengembang (bila basah) dan mengerut (bila kering) pada musim kering pecah, contoh tanah clay; Sifat ini disebabkan adanya kandungan mineral claymontmorillonit. Besaran pengembangan dan pengerut dinyatakan: Coefficient of linear extensibility COLE (bidang ilmu tanah), atau Potential volume change-pvc (bidang engineering geoteknik) 21
Tanah: sifat kimia (1) 1. Asam-basa (ph tanah): Pada tanah asam, jumlah ion H+ lebih tinggi dibanding OHdemikian; sebailknya. Di Indonesia, tanah umumnya mempunyai ph 4,0-5,5. Di daerah rawa ph tanah < 3, disebut tanah sulfat karena asam sulfat yang tinggi; Di daerah arid (kering) ph tanah bisa mencapai 9, karena banyak mengandung garam Na. ph tanah banyak menentukan: Mudah tidaknya unsur hara diserap akar tanaman. Kebanyakan unsur hara larut dalam air pada ph netral; Kemungkinan adanya unsur racun bagi tanaman (dan mahluk hidup lainnya); pada ph asam, unsur mikro, mineral, logam berat mudah larut pada air sehingga lebih mudah diakses oleh akar. Unsur-unsur tersebut menjadi racun bagi tanaman bila terlalu tinggi. 22
Tanah: sifat kimia (2) 2. Koloid tanah: Bahan mineral dan organik yang sangat halus, umumnya bermuatan negatif. Ion bermuatan positif (seperti logam berat) akan ditarik oleh koloid tsb, membentuk lapisan ganda ion (inonic double layer); Koloid tanah merupakan bagian tanah yang sangat aktif dalam reaksi kimia-fisika dalam tanah; Mineral liat: mineral berukuran kurang dari 2µ, tersusun oleh Al, Si dan O, dibedakan atas: Mineral liat Al-silikat: seperti kaolinit, haloisit, montmorillonit, ilit. Umumnya bermuatan negatif, mempunyai kapasitas kation (KTK) tinggi (> 4 me/100gr) Oksida-oksida Fe dan Al: seperti gibsit, goetit, limonit. Umumnya bermuatan positif, bersifat amorf, mempunyai KTK rendah (< 4 me/100gr). Koloid organik, seperti humus, tersusun oleh C-H-O, disusun oleh asam fulvik, asam humik dan humin. 23
Tanah: sifat kimia (3) 3. Kapasitas tukar kation (KTK): Salah satu parameter kimia tanah yang penting adalah Kapasaitas Tukar Kation (KTK) atau Cation Exchange Capacity (CEC), yaitu kemampuan tanah atau sedimen untuk menukarkan kation yang ada padanya dengan kation lain dari luar, misalnya berasal dari pencemar logam berat. Mineral (clay) tanah dapat melakukan penukaran kation: Clay bermuatan negatif, mampu menarik kation (terjerap); Sebuah atom kation yang ada padanya, yang mempunyai jumlah atom dengan tingkat oksidasi lebih kecil (misalnya Mg 2+ ), dapat digantikan oleh kation dari luar yang mempunyai atom dengan tingkat oksidasi lebih tinggi (misalnya Al +3 ). Material organik tanah: Walaupun pada dasarnya mempunyai muatan negatif, tetapi dia mempunyai gugus karboksil dan gugus fenol yang aktif, sehingga mampu menarik kation; 24
Tanah: sifat kimia (4) 3. Kapasitas tukar kation (lanjut): Kation bermuatan positif seperti Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, NH +, H +, Al 3+ terlarut dalam air tanah, atau terjerap (sorpsi) oleh koloid-koloid tanah; Kation yang terjerap tsb sukar larut akibat air gravitasi, tetapi dapat diganti oleh kation lain dengan mekanisme penukaran kation tsb. Penentuan nilai KTK: Tanah atau sedimen (diketahui berat keringnya, gr) yang akan dievaluasi dilarutkan pada larutan garam amonium (diketahui volumenya), sehingga tanah tersebut bermuatan NH + ; Lalu tukar ion NH+ tersebut dengan larutan Na + (garam NaCl); Hitung banyaknya ion NH + yang dapat ditukar oleh ion Na + tsb, sehingga diperoleh nilai KTK-NH + (me/100gr). 25
Tanah: sifat kimia (5) 3. Kapasitas tukar kation (lanjut): Satuan KTK: mili-ekivalen yang dapat dijerap per-100 gr tanah (me/100gr): 1 me H = 1 mg H (BA H = 1); 1 me K = 39 mg K (BA K = 39); 1 me Na = 23 mg (BA Na = 23, valensi 1); 1 me Ca = 40/2 (BA Ca = 40, valensi 2); 1 me Mg = 24/2 (BA Mg = 24/2, valensi 2). Konversi data me/100 gr ke ppm: Bila Ca = 21,5 me/100gr: artinya = (21,5*40/2)/100gr = 430mg/100gr = 4.300 mg/1.000.000 mg = 4.300 ppm. 26
Tanah: sifat kimia (4) 3. Kapasitas tukar kation (KTK) lanjutan: Beberapa nilai CEC tanah (me/100gr): Material organik (humus) = 100 300 Mineral clay: Montmorilonit = 10 40 Illit = 10 40 Kaolinit = 3-15 Nilai KTK dapat digunakan untuk berbagai keperluan, misal: Imobilisasi pencemar logam berat: tanah clay dengan KTK tinggi (misalnya yang dilapiskan pada bagian bawah landfill) akan mampu menahan logam berat dari lindi yang melaluinya; Tanah dengan KTK tinggi mampu menyerap dan menyediakan unsur hara bagi tanaman yang lebih baik daripada tanah dengan KTK rendah. 27
Tanah: sifat kimia (5) 3. Kapasitas tukar kation (lanjut): beberapa nilai (me/100gr) Humus= 100-300 Montmorilonit = 80-40 Ilit = 10-40 Kaolinit = 3-15 4. Kapasita tukar anion (KTA): Disamping KTK, dalam tanah terdapat pula KTA, walau dalam jumlah jauh lebih sedikit dibanding KTK; Banyak dijumpai pada liat amorf, liat Al, dan Fe-oksida; Bila tanah banyak mengandung muatan positif: Terjadi penjerapan anion seperti NO 3-, Cl -, dsb Kation-kation tidak terjerap, dan berada pada air tanah Tanah mempunyai daya fikasasi kuat pada P, maka ketersediaan P sangat rendah. 28
PENCEMARAN TANAH Isoterm sorpsi Koefisien oktanol-air, koefisien distribusi tanah Hukum Darcy Reaksi pencemar dalam tanah Sumber referensi: V. Novotny and G. Chesters: Handbook of non-point pollution, Van Nostrand Reinhold Co., 1981 R.J. Watts: Hazardous waste, John Wiley & Sons, Inc., 1997 S. Sosrodarsono: Hidrologi untuk pengairan, PTPradnya Paramita, 1978 Disiapkan oleh: Enri Damanhuri Enri.damanhuri@gmail.com Guru Besar pada Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan ITB Enri Damanhuri - FTSL ITB 2013 29