AIR , TANAH & TANAMAN (Prof.Dr.Ir.Soemarno, M.S.) Oktober 2008

1. AIR ,TANAH & TANAMAN (Prof.Dr.Ir.Soemarno, M.S.) Oktober 2008

2. Proses fotosintesis memerlukan air

3. CO2 dari Udara Fotosintesis: CO2 + H2O ---- Karbohidrat (Glukosa) Glukosa Pati dan senyawa organik lain dalam buah dan biji Air dari tanah

4. CO2 dari Udara Fotosintesis: CO2 + H2O Karbohidrat (Glukosa) Glukosa Pati dan senyawa organik lain dalam biji Stomata: Pintu lalulintas CO2, O2, dan H2O Air dari tanah

5. Budidaya tanaman padi sawah memerlukan banyak air

6. KEBUTUHAN AIR TANAMAN A plant has different water needs at different stages of growth. While a plant is young it requires less water than when it is in the reproductive stage. When the plant approaches maturity, its water need drops. Curves have been developed that show the daily water needs for most types of crops. Kurva Penggunaan Air Musiman oleh Tanaman

7. Tanah subur yg ideal: Mineral 45% Organic matter 5% Water 25% Air 25% Komposisi tanah menurut volume

8. Tiga komponen tanah The soil system is composed of three major components: solid particles (minerals and organic matter), water with various dissolved chemicals, and air. The percentage of these components varies greatly with soil texture and structure. An active root system requires a delicate balance between the three soil components; but the balance between the liquid and gas phases is most critical, since it regulates root activity and plant growth process.

9. Plants develop the tension, or potential, to move soil water from the soil into the roots and distribute the water through the plant by adjusting the water potential, or tension, within their plant cells. The essence of the process is that water always moves from higher to lower water potential. For water to move from the soil, to roots, to stems, to leaves, to air the water potential must always be decreasing. Ilustrasi tentang penurunan potensial air untuk suatu tanaman

10. HUB. Tanah-Air-Tanaman Hub.TAT mrpk sistem dinamik dan terpadu dimana air mengalir dari tempat dengan tegangan rendah menuju tempat dengan tegangan air tinggi. Air kembali ke atmosfer (evapo-transpirasi) Hilang melalui stomata daun (transpirasi) Air dikembalikan ke tanah melalui hujan dan irigasi Penguapan Serapan bulu akar

11. AIR TANAH Kekuatan ikatan antara molekul air dengan partikel tanah dinyatakan dengan TEGANGAN AIR TANAH. Ini merupakan fungsi dari gaya-gaya adesi dan kohesi di antara molekul - molekul air dan partikel tanah Kohesi Adesi H2O Partikel tanah Air terikat Air bebas

12. Air Tersedia untuk pertumbuhan tanaman

13. ). Fine textured soils with small pores can hold the greatest amounts of PAW. Coarse textured sandy soils with large pores can hold the least amounts of PAW.

14. Status Air Tanah Perubahan status air dalam tanah, mulai dari kondisi jenuh hingga titik layu Jenuh Kap. Lapang Titik layu Padatan Pori 100g air 40g tanah jenuh air 100g 20g udara kapasitas lapang 100g 10 g udara koefisien layu 100g 8g udara koefisien higroskopis

15. TEGANGAN & KADAR AIR PERHATIKANLAH proses yang terjadi kalau tanah basah dibiarkan mengering. Bagan berikut melukiskan hubungan antara tebal lapisan air di sekeliling partikel tanah dengan tegangan air Bidang singgung tanah dan air Koef. Koef. Kapasitas padatan tanah higroskopis layu lapang 10.000 atm 31 atm 15 atm 1/3 atm 10.000 atm Mengalir krn gravitasi Tegangan air 1/3 atm tebal lapisan air

16. Representasi bola air yang menyelubungi partikel padatan tanah

17. JUMLAH AIR DALAM TANAH The amount of soil water is usually measured in terms of water content as percentage by volume or mass, or as soil water potential. Water content does not necessarily describe the availability of the water to the plants, nor indicates, how the water moves within the soil profile. The only information provided by water content is the relative amount of water in the soil. Soil water potential, which is defined as the energy required to remove water from the soil, does not directly give the amount of water present in the root zone either. Therefore, soil water content and soil water potential should both be considered when dealing with plant growth and irrigation. The soil water content and soil water potential are related to each other, and the soil water characteristic curve provides a graphical representation of this relationship.

18. TEGANGAN vs kadar air Kurva tegangan - kadar air tanah bertekstur lempung Air kapiler Air Air tersedia higros- kopis Lambat tersedia Cepat tersedia Air gravitasi Zone optimum Tegangan air, bar 31 Koefisien higroskopis Koefisien layu Kapasitas lapang 0.1 Kap. Lapang maksimum persen air tanah

19. Hubungan antara kadar air tanah dan tegangan air tanah untuk tekstur lempung

20. STRUKTUR & CIRI POLARITAS Molekul air mempunyai dua ujung, yaitu ujung oksigen yg elektronegatif dan ujung hidrogen yang elektro-positif. Dalam kondisi cair, molekul-molekul air saling bergandengan membentuk kelompok-kelompok kecil tdk teratur. Ciri polaritas ini menyebabkan plekul air tertarik pada ion-ion elektrostatis. Kation-kation K+, Na+, Ca++ menjadi berhidrasi kalau ada molekul air, membentuk selimut air, ujung negatif melekat kation. Permukaan liat yang bermuatan negatif, menarik ujung positif molekul air. Kation hidrasi Tebalnya selubung air tgt pd rapat muatan pd per- mukaan kation. Rapat muatan = Selubung air muatan kation / luas permukaan

21. STRUKTUR & CIRI IKATAN HIDROGEN Atom hidrogen berfungsi sebagai titik penyambung (jembatan) antar molekul air. Ikatan hidrogen inilah yg menyebabkan titik didih dan viskositas air relatif tinggi KOHESI vs. ADHESI Kohesi: ikatan hidrogen antar molekul air Adhesi: ikatan antara molekul air dengan permukaan padatan lainnya Melalui kedua gaya-gaya ini partikel tanah mampu menahan air dan mengendalikan gerakannya dalam tanah TEGANGAN PERMUKAAN Terjadinya pada bidang persentuhan air dan udara, gaya kohesi antar molekul air lebih besra daripada adhesi antara air dan udara. Udara Permukaan air-udara air

22. ENERGI AIR TANAH Retensi dan pergerakan air tanah melibatkan energi, yaitu: Energi Potensial, Energi Kinetik dan Energi Elektrik. Selanjutnya status energi dari air disebut ENERGI BEBAS, yang merupakan PENJUMLAHAN dari SEMUA BENTUK ENERGI yang ada. Air bergerak dari zone air berenergi bebas tinggi (tanah basah) menuju zone air berenergi bebas rendah (tanah kering). Gaya-gaya yg berpengaruh Gaya matrik: tarikan padatan tanah (matrik) thd molekul air; Gaya osmotik: tarikan kation-kation terlarut thd molekul air Gaya gravitasi: tarikan bumi terhadap molekul air tanah. Potensial air tanah Ketiga gaya tersebut di atas bekerja bersama mempengaruhi energi bebas air tanah, dan selanjutnya menentukan perilaku air tanah, ….. POTENSIAL TOTAL AIR TANAH (PTAT) PTAT adalah jumlah kerja yg harus dilakukan untuk memindahkan secara berlawanan arah sejumlah air murni bebas dari ketinggian tertentu secara isotermik ke posisi tertentu air tanah. PTAT = Pt = perbedaan antara status energi air tanah dan air murni bebas Pt = Pg + Pm + Po + ………………………… ( t = total; g = gravitasi; m = matrik; o = osmotik)

23. Hubungan potensial air tanah dengan energi bebas Energi bebas naik bila air tanah berada pada letak ketinggian yg lebih tinggi dari titik baku pengenal (referensi) + Poten-sial positif Energi bebas dari air murni Potensial tarikan bumi 0 Potensial osmotik (hisapan) Menurun karena pengaruh osmotik Poten-sial negatif Potensial matrik (hisapan) Menurun karena pengaruh matrik - Energi bebas dari air tanah

24. POTENSIAL AIR TANAH POTENSIAL TARIKAN BUMI = Potensial gravitasi Pg = G.h dimana G = percepatan gravitasi, h = tinggi air tanah di atas posisi ketinggian referensi. Potensial gravitasi berperanan penting dalam menghilangkan kelebihan air dari bagian atas zone perakaran setelah hujan lebat atau irigasi Potensial matrik dan Osmotik Potensial matrik merupakan hasil dari gaya-gaya jerapan dan kapilaritas. Gaya jerapan ditentukan oleh tarikan air oleh padatan tanah dan kation jerapan Gaya kapilaritas disebabkan oleh adanya tegangan permukaan air. Potensial matriks selalu negatif Potensial osmotik terdapat pd larutan tanah, disebabkan oleh adanya bahan-bahan terlarut (ionik dan non-ionik). Pengaruh utama potensial osmotik adalah pada serapan air oleh tanaman Hisapan dan Tegangan Potensial matrik dan osmotik adalah negatif, keduanya bersifat menurunkan energi bebas air tanah. Oleh karena itu seringkali potensial negatif itu disebut HISAPAN atau TEGANGAN. Hisapan atau Tegangan dapat dinyatakan dengan satuan-satuan positif. Jadi padatan-tanah bertanggung jawab atas munculnya HISAPAN atau TEGANGAN.

25. Cara Menyatakan Tegangan Energi Tegangan: dinyatakan dengan “tinggi (cm) dari satuan kolom air yang bobotnya sama dengan tegangan tsb”. Tinggi kolom air (cm) tersebut lazimnya dikonversi menjadi logaritma dari sentimeter tinggi kolom air, selanjutnya disebut pF. Tinggi unit Logaritma Bar Atmosfer kolom air (cm) tinggi kolom air (pF) 10 1 0.01 0.0097 100 2 0.1 0.0967 346 2.53 0.346 1.3 1000 3 1 10000 4 10 9.6749 15849 4.18 15.8 15 31623 4.5 31.6 31 100.000 5 100 96.7492

26. KANDUNGAN AIR DAN TEGANGAN KURVA ENERGI - LENGAS TANAH Tegangan air menurun secara gradual dengan meningkatnya kadar air tanah. Tanah liat menahan air lebih banyak dibanding tanah pasir pada nilai tegangan air yang sama Tanah yang Strukturnya baik mempunyai total pori lebih banyak, shg mampu menahan air lebih banyak Pori medium dan mikro lebih kuat menahan air dp pori makro Tegangan air tanah, Bar 10.000 Liat Lempung Pasir 0.01 10 Kadar air tanah, % 70

27. Tekstur tanah dan air tersedia

28. Hubungan antara kadar air tanah dengan tegangan air tanah

29. Jelaskan bagaimana tektur tanah mempengaruhi jumlah air tersedia bagi tanaman? Sebanyak 250 kata

30. Jelaskan tanah-tanah yang tekturnya halus mampu menahan lebih banyak air dibandingkan dgn tanah-tanah yang teksturnya kasar? Sebanyak 250 kata

31. Kapasitas air tersedia dalam tanah yang teksturnya berbeda-beda

32. Gerakan Air Tanah Tidak Jenuh Gerakan tidak jenuh = gejala kapilaritas = air bergerak dari muka air tanah ke atas melalui pori mikro. Gaya adhesi dan kohesi bekerja aktif pada kolom air (dalam pri mikro), ujung kolom air berbentuk cekung. Perbedaan tegangan air tanah akan menentukan arah gerakan air tanah secara tidak jenuh. Air bergerak dari daerah dengan tegangan rendah (kadar air tinggi) ke daerah yang tegangannya tinggi (kadar air rendah, kering). Gerakan air ini dapat terjadi ke segala arah dan berlangsung secara terus-menerus. Pelapisan tanah berpengaruh terhadap gerakan air tanah. Lapisan keras atau lapisan kedap air memperlambat gerakan air Lapisan berpasir menjadi penghalang bagi gerakan air dari lapisan yg bertekstur halus. Gerakan air dlm lapisan berpasir sgt lambat pd tegangan

33. Gerakan Jenuh (Perkolasi) Air hujan dan irigasi memasuki tanah, menggantikan udara dalam pori makro - medium - mikro. Selanjutnya air bergerak ke bawah melalui proses gerakan jenuh dibawah pengaruh gaya gravitasi dan kapiler. Gerakan air jenuh ke arah bawah ini berlangsung terus selama cukup air dan tidak ada lapisan penghalang Lempung berpasir Lempung berliat cm 0 15 mnt 4 jam 30 60 90 1 jam 24 jam 120 24 jam 48 jam 150 30 cm 60 cm Jarak dari tengah-tengah saluran, cm

34. Pola Penetrasi dan Pergerakan Air pada tanah Berpasir dan tanah Lempung-liat

35. Pola pergerakan air gravitasi dalam tanah

36. Pengaruh struktur tanah terhadap pergerakan air tanah ke arah bawah

37. PERKOLASI Jumlah air perkolasi Faktor yg berpengaruh: 1. Jumlah air yang ditambahkan 2. Kemampuan infiltrasi permukaan tanah 3. Daya hantar air horison tanah 4. Jumlah air yg ditahan profil tanah pd kondisi kapasitas lapang Keempat faktor di atas ditentukan oleh struktur dan tekstur tanah Tanah berpasir punya kapasitas ilfiltrasi dan daya hantar air sangat tinggi, kemampuan menahan air rendah, shg perkolasinya mudah dan cepat Tanah tekstur halus, umumnya perkolasinya rendah dan sangat beragam; faktor lain yg berpengaruh: 1. Bahan liat koloidal dpt menyumbat pori mikro & medium 2. Liat tipe 2:1 yang mengembang-mengkerut sangat berperan

38. LAJU GERAKAN AIR TANAH Kecepatan gerakan air dlm tanah dipengaruhi oleh dua faktor: 1. Daya dari air yang bergerak 2. Hantaran hidraulik = Hantaran kapiler = daya hantar i = k.f dimana i = volume air yang bergerak; f = daya air yg bergerak dan k = konstante. Daya air yg bergerak = daya penggerak, ditentukan oleh dua faktor: 1. Gaya gravitasi, berpengaruh thd gerak ke bawah 2. Selisih tegangan air tanah, ke semua arah Gerakan air semakin cepat kalau perbedaan tegangan semakin tinggi. Hantaran hidraulik ditentukan oleh bbrp faktor: 1. Ukuran pori tanah 2. Besarnya tegangan untuk menahan air Pada gerakan jenuh, tegangan airnya rendah, shg hantaran hidraulik berbanding lurus dengan ukuran pori Pd tanah pasir, penurunan daya hantar lebih jelas kalau terjadi penurunan kandungan air tanah Lapisan pasir dlm profil tanah akan menjadi penghalang gerakan air tidak jenuh

39. Gerakan air tanah Gerakan air tanah dipengaruhi oleh kandungan air tanah Penetrasi air dari tnh basah ke tnh kering (cm) 18 Tanah lembab, kadar air awal 29% Tanah lembab, kadar air awal 20.2% Tanah lembab, kadar air awal 15.9% 0 26 156 Jumlah hari kontak, hari Sumber: Gardner & Widtsoe, 1921.

40. GERAKAN UAP AIR Penguapan air tanah terjadi internal (dalam pori tanah) dan eksternal (di permukaan tanah) Udara tanah selalu jenus uap air, selama kadar air tanah tidak lebih rendah dari koefisien higroskopis (tegangan 31 atm). Mekanisme Gerakan uap air Difusi uap air terjadi dlm udara tanah, penggeraknya adalah perbedaan tekanan uap air. Arah gerapan menuju ke daerah dg tekanan uap rendah Pengaruh suhu dan lengas tanah terhadap gerapan uap air dalam tanah Lembab Dingin Kering Dingin Kering Panas Lembab Panas

41. KAPASITAS RETENSI MAKSIMUM adalah: Kondisi tanah pada saat semua pori terisi penuh air, tanah jenuh air, dan tegangan matrik adalah nol. KAPASITAS LAPANG: air telah meninggalkan pori makro, mori makro berisi udara, pori mikro masih berisi air; tegangan matrik 0.1 - 0.2 bar; pergerakan air terjadi pd pori mikro/ kapiler RETENSI AIR TANAH KOEFISIEN LAYU: siang hari tanaman layu dan malam hari segar kembali, lama-lama tanaman layu siang dan malam; tegangan matrik 15 bar. Air tanah hanya mengisi pori mikro yang terkecil saja, sebagian besar air tidak tersedia bagi tanaman. Titik layu permanen, bila tanaman tidak dapat segar kembali KOEFISIEN HIGROSKOPIS Molekul air terikat pada permukaan partikel koloid tanah, terikat kuat sehingga tidak berupa cairan, dan hanya dapat bergerak dlm bentuk uap air, tegangan matrik-nya sekitar 31 bar. Tanah yg kaya bahan koloid akan mampu menahan air higroskopis lebih banyak dp tanah yg miskin bahan koloidal.

42. Klasifikasi Air Tanah Klasifikasi Fisik: 1. Air Bebas / air gravitasi (drainase) 2. Air Kapiler 3. Air Higroskopis Air Bebas (Drainase): a. Air yang berada di atas kapasitas lapang b. Air yang ditahan tanah dg tegangan kurang dari 0.1-0.5 atm c. Tidak diinginkan, hilang dengan drainase d. Bergerak sebagai respon thd tegangan dan tarika gravitasi bumi e. Hara tercuci bersamanya AIR KAPILER: a. Air antara kapasitas lapang dan koefisien higroskopis b. Tegangan lapisan air berkisar 0.1 - 31 atm c. Tidak semuanya tersedia bagi tanaman d. Bergerak dari lapisan tebal ke lapisan tipis e. Berfungsi sebagai larutan tanah AIR HIGROSKOPIS : a. Air diikat pd koefisien higroskopis b. Tegangan berkisar antara 31 - 10.000 atm c. Diikat oleh koloid tanah d. Sebagian besar bersifat non-cairan e. Bergerak sebagai uap air

43. Agihan air dalam tanah Berdasarkan tegangan air tanah dapat dibedakan menjadi tiga bagian: Air bebas, kapiler dan higroskopis Koef. Higroskopis Kap. Lapang Jml ruang pori kurang lebih 31 atm kurang lebih 1/3 atm Lapisan olah Air higros- Air Kapiler Ruang diisi udara kopik Peka thd gerakan Biasanya jenuh uap air Hampir tdk kapiler, laju pe- Setelah hujan lebat menunjukkan nyesuaian me- sebagian diisi air, sifat cairan ningkat dg me- tetapi air cepat hi- ningkatnya ke- lang krn gravitasi lembaban tanah bumi Lapisan bawah tanah Karena pemadatan ruang pori berkurang Strata bawah (jenuh air) Kolom tanah Jumlah ruang pori

44. Klasifikasi Biologi Air tanah Klasifikasi berdasarkan ketersediaannya bagi tanaman: 1. AIR BERLEBIHAN: air bebas yg kurang tersedia bagi tanaman. Kalau jumlahnya banyak berdampak buruk bagi tanaman, aerasi buruk, akar kekurangan oksigen, anaerobik, pencucian air 2. AIR TERSEDIA: air yg terdapat antara kap. Lapang dan koef. Layu. Air perlu ditambahkan untuk mencapai pertumbuhan tanaman yang optimum apabila 50 - 85% air yg tersedia telah habis terpakai. Kalau air tanah mendekati koefisien layu, penyerapan air oleh akar tanaman tdk begitu cepat dan tidak mampu mengimbangi pertumbuhan tanaman 3. AIR TIDAK TERSEDIA: AIR yg diikat oleh tanah pd TITIK LAYU permanen, yaitu air higroskopis dan sebagian kecil air kapiler. KH KL KP 100 % pori 31 atm 15 atm 1/3 atm Air Air Ruang udara dan Higroskopis Kapiler air drainase Tdk tersedia Tersedia Berlebihan Daerah Optimum

45. Faktor yg mempengaruhi Air Tersedia Faktor yg berpengaruh: 1. Hubungan tegangan dengan kelengasan 2. Kedalaman tanah 3. Pelapisan Tanah TEGANGAN MATRIK : tekstur, struktur dan kandungan bahan organik mempengaruhi jumlah air yg dapat disediakan tanah bagi tanaman TEGANGAN OSMOTIK: adanya garam dalam tanah meningkatkan tegangan osmotik dan menurunkan jumlah air tersedia, yaitu menaikkan koefisien layu. Persen air Sentimeter air setiap 30 cm tanah 10 18 Kap. Lapang Air tersedia Koef. Layu 5 6 Air tidak tersedia Pasir Sandy loam Loam Silty-loam Clay-loam Liat Tekstur semakin halus

46. SUPLAI AIR ke TANAMAN Dua proses yg memungkinkan akar tanaman mampu menyerap air dlm jumlah banyak, yaitu: 1. Gerakan kapiler air tanah mendekati permukaan akar penyerap 2. Pertumbuhan akar ke arah zone tanah yang mengandung air LAJU GERAKAN KAPILER Bulu akar menyerap air Tegangan air tanah meningkat Jumlah air tanah berkurang Terjadi perbedaan Tegangan dg air tanah di sekitarnya Terjadi gerakan kapiler air menuju bulu akar Laju gerakan tgt perbedaan tegangan dan daya hantar pori tanah Gerakan kapiler 2.5 cm sagt penting LAJU PERPANJANGAN AKAR Selama masa pertumbuhan tanaman, akar tanaman tumbuh memanjang dengan cepat, sehingga luas permukaan akar juga tumbuh terus. Jumlah luas permukaan akar penyerap yang bersentuhan langsung dengan sebagian kecil air tanah (yaitu sekitar 1-2%)

47. KEHILANGAN UAP AIR DARI TANAH HADANGAN HUJAN OLEH TUMBUHAN Tajuk tumbuhan mampu menangkap sejumlah air hujan, sebagian air ini diuapkan kembali ke atmosfer. Vegetasi hutan di daerah iklim basah mampu menguapkan kembali air hujan yg ditangkapnya hingga 25%, dan hanya 5% yg mencapai tanah melalui cabang dan batangnya. Awan hujan Pembentukan Awan presipitasi transpirasi evaporasi Run off infiltrasi Tanah permukaan perkolasi Sungai - laut Groundwater Batuan

48. Hadangan hujan oleh tanaman semusim Sekitar 5 - 25% dari curah hujan dihadang tanaman dan dikembalikan ke atmosfer. Besarnya tergantung pada kesuburan tanaman dan stadia pertumbuhan tanaman . Dari curah hujan 375 mm, hanya sekitar 300-350 mm yang mencapai tanah. Hadangan curah hujan oleh jagung dan kedelai Keadaan hujan Persen dari curah hujan total untuk: Jagung Kedelai Langsung ke tanah 70.3 65.0 Melalui batang 22.8 20.4 Jumlah di tanah 93.1 85.4 Yang tinggal di atmosfer 6.9 14.6 Sumber: J.L.Haynes, 1940.

49. HUBUNGAN ENERGI LTTA: Perubahan tegangan air pd saat bergerak dari tanah melalui akar, batang, daun , ke atmosfer Atmosfer Daun Batang Akar Tanah Tanah berkadar air rendah Tanah berkadar air tinggi 500 300 100 25 20 15 10 5 0 Potensial negatif air (Tegangan air)

50. EVAPO-TRANSPIRASI Kehilangan uap air dari tanah: 1. EVAPORASI: penguapan air dari permukaan tanah 2. TRANSPIRASI: Penguapan air dari permukaan tanaman 3. EVAPOTRANSPIRASI = Evaporasi + Transpirasi Laju penguapan air tgt pd perbedaan potensial air = selisih tekanan uap air = perbedaan antara tekanan uap air pd permukaan daun (atau permukaan tanah) dengan atmosfer Faktor Iklim dan Tanah: 1. Energi Penyinaran 2. Tekanan uap air di atmosfer 3. Suhu 4. Angin 5. Persediaan air tanah Air tanah Evapotranspirasi (cm: Jagung Medicago sativa Tinggi 17.7 24.4 Sedang 12.7 20.5 Sumber: Kelly, 1957.