kompendium air – lengas tanah

Bahan kajian pada MK DASAR ILMU TANAH

AIR – LENGAS TANAH

Disarikan oleh: SMNO.jursntnhfpub.Sept2012

CIRI-CIRI TANAH• Tekstur Tanah

– Definition: relative proportions of various sizes of individual soil particles

– USDA classifications• Sand: 0.05 – 2.0 mm• Silt: 0.002 - 0.05 mm• Clay: <0.002 mm

– Textural triangle: USDA Textural Classes– Coarse vs. Fine, Light vs. Heavy– Affects water movement and storage

• Struktur Tanah– Definition: how soil particles are grouped or

arranged– Affects root penetration and water intake and

movement

USDA Textural TriangleSEGITIGA TEKSTUR

TANAH

• Bulk Density (b)

– b = soil bulk density, g/cm3

– Ms = mass of dry soil, g– Vb = volume of soil sample, cm3

• Typical values: 1.1 - 1.6 g/cm3

• Particle Density (p)

– P = soil particle density, g/cm3

– Ms = mass of dry soil, g– Vs = volume of solids, cm3

• Typical values: 2.6 - 2.7 g/cm3

b

sbVM

ps

s

MV

• Porositas tanah ()

• Nilai-nilai yang khas: 30 - 60%

volume of poresvolume of soil

1 100%b

p

AIR DALAM TANAH

• Kadar Air (Lengas) Tanah

– Mass water content (m)– m = mass water content (fraction)– Mw = mass of water evaporated, g

(24 hours @ 105oC)– Ms = mass of dry soil, g

s

wm

MM

• Kadar air volumetrik (v)

– V = volumetric water content (fraction)– Vw = volume of water– Vb = volume of soil sample– At saturation, V = – V = As m

– As = apparent soil specific gravity = b/w (w = density of water = 1 g/cm3)

– As = b numerically when units of g/cm3 are used• Ekuivalen kedalaman air (d)

– d = volume of water per unit land area = (v A L) / A = v L– d = equivalent depth of water in a soil layer– L = depth (thickness) of the soil layer

vw

b

VV

Kadar air volumetrik & Kedalaman ekuivalen

(g) (g)

(cm3)

(cm3)

Equivalent Depth

1 in.

0.50 in.

0.15 in.

0.20 in.

0.15 in.

Soil Solids (Particles): 50%

Total Pore Space: 50%

Very Large Pores: 15% (Gravitational Water)

Medium-sized Pores: 20% (Plant Available Water)

Very Small Pores: 15% (Unavailable Water)

Kadar air volumetrik & Kedalaman ekuivalen

Daya Simpan Air = Water-Holding Capacity of Soil

Effect of Soil Texture

Coarse Sand Silty Clay Loam

Gravitational WaterWater Holding CapacityAvailable WaterUnavailable Water

Dry Soil

POTENSIAL AIR TANAH

• DESKRIPSI– Ukuran dari status energi air tanah– Important because it reflects how hard plants must

work to extract water– Units of measure are normally bars or

atmospheres– Soil water potentials are negative pressures

(tension or suction)

– Water flows from a higher (less negative) potential to a lower (more negative) potential

Komponen

– t = total potensial air tanah– g = gravitational potential (force of gravity pulling on the

water)– m = matric potential (force placed on the water by the

soil matrix – soil water “tension”)– o = osmotic potential (due to the difference in salt

concentration across a semi-permeable membrane, such as a plant root)

– Matric potential, m, normally has the greatest effect on release of water from soil to plants

t g m o

POTENSIAL AIR TANAH

Kurva pelepasan air tanah :– Curve of matric potential (tension) vs. water content– Less water more tension– At a given tension, finer-textured soils retain more

water (larger number of small pores)

Height of capillary rise inversely related to tube diameter

Potential Matriks dan Tekstur TanahThe tension or suction created by small capillary tubes (small soil pores) is

greater that that created by large tubes (large soil pores). At any given matric potential coarse soils hold less water than fine-textured soils.

Kapasitas Lapang= Field Capacity (FC or fc)1. Soil water content where gravity drainage becomes negligible2. Soil is not saturated but still a very wet condition3. Traditionally defined as the water content corresponding to a

soil water potential of -1/10 to -1/3 bar

Titik Layu Permanen: Permanent Wilting Point (WP or wp)4. Soil water content beyond which plants cannot recover from

water stress (dead)5. Still some water in the soil but not enough to be of use to

plants6. Traditionally defined as the water content corresponding to -

15 bars of SWP

Relasi-relasi Lengas Tanah

Diunduh dari: Soil Water Phases - N. Sivakugan

Menghitung masa (atau bobot) dan volume dari tiga fase yang berbeda

soil

air

water

Vs

Va Ma=0

Ms

MwMt

Vw

Vv

Vt

Diagram Fase

NotationM = mass or weightV = volumes = soil grainsw = watera = airv = voidst = total

• Diunduh dari: Soil Water Phases - N. Sivakugan

DefinisiKadar air (w) merupakan ukuran air yang

ada dalam tanah.

soil

air

water

Vs

Va Ma=0

Ms

MwMt

Vw

Vv

Vt

Phase Diagram

S

W

MMw

Expressed as percentage.

Range = 0 – 100+%.

X 100%


Definisi:Void ratio (e) is a measure of the void volume.

soil

air

water

Vs

Va Ma=0

Ms

MwMt

Vw

Vv

Vt

Phase Diagram

S

V

VVe


Definisi:Porosity (n) is also a measure of the void volume, expressed as

a percentage.

soil

air

water

Vs

Va Ma=0

Ms

MwMt

Vw

Vv

Vt

Phase Diagram

T

V

VVn X 100%

Theoretical range: 0 – 100%


DefinisiDerajat kejenuhan (S): persentase pori yang terisi air .

soil

air

water

Vs

Va Ma=0

Ms

MwMt

Vw

Vv

Vt

Phase Diagram

V

W

VVS

Range: 0 – 100%

X 100%

DrySaturated


Contoh sederhana:

water

air

soil

Dalam ilustrasi ini:

e = 1

n = 50%

S = 50%


DefinisiBobot Isi (m) adalah kerapatan tanah dalam kondisi apa

adanya.

soil

air

water

Vs

Va Ma=0

Ms

MwMt

Vw

Vv

Vt

Phase Diagram

T

Tm V

M

Units: t/m3, g/ml, kg/m3


DefinisiSaturated density (sat) is the density of the soil

when the voids are filled with water.

Submerged density (’) is the effective density of the soil when it is submerged.

’ = sat - w


DefinisiKerapatan kering (d) : kerapatan tanah pada kondisi

kering.

soil

air

water

Vs

Va Ma=0

Ms

MwMt

Vw

Vv

Vt

Diagram Fase

T

Sd V

M

Units: t/m3, g/ml, kg/m3


DefinisiBulk, saturated, dry and submerged unit weights ()

are defined in a similar manner.

= g

Here, use weight (kN) instead of mass (kg).

Berat jenis (kerapatan jenis) partikel tanah (Gs) biasanya berkisar antara 2.6 dan 2.8.

kg/m3N/m3 m/s2


Hubungan FasePerhatikan fraksi tanah dimana Vs = 1.

soil

air

water

1 Gsw

SewSe

e

Diagram Fase

The other volumes can be obtained from the previous definitions.

Massa = Kerapatan x Volume

volumes masses

The masses can be obtained from:


Hubungan FaseDari definisi sebelumnya:

soil

air

water

1 Gsw

SewSe

e

Phase Diagram

SS

W

GSe

MMw

ee

VVnT

V

1


Hubungan Fase

soil

air

water

1 Gsw

SewSe

e

Diagram Fase

WS

T

Tm e

SeGVM

1

WS

T

Tsat e

eGVM

1

WS

T

Sd e

GVM

1


AIR TANAH TERSEDIA

• Definisi:1. Water held in the soil between field capacity and

permanent wilting point 2. “Tersedia” untuk digunakan oleh tanaman

Kapasitas Air Tersedia: Available Water Capacity (AWC)3. AWC = fc - wp

4. Units: depth of available water per unit depth of soil, “unitless” (in/in, or mm/mm)

5. Measured using field or laboratory methods (described in text)

Sifat Hidraulik Tanah & Tekstur Tanah

• Fraksi air-tersedia yang hilanbg dari tanah (fd)

– (fc - v) = soil water deficit (SWD)– v = current soil volumetric water content

• Fraksi air-tersedia yang tertinggal (fr)

– (v - wp) = soil water balance (SWB)

wpfc

vfcdf

wpfc

wpvrf

• Total Air Tersedia: Total Available Water (TAW)

TAW = (AWC) (Rd)1. TAW = total available water capacity within the plant

root zone, (inches)2. AWC = available water capacity of the soil,

(inches of H2O/inch of soil)3. Rd = depth of the plant root zone, (inches)4. If different soil layers have different AWC’s, need to sum up

the layer-by-layer TAW’s

TAW = (AWC1) (L1) + (AWC2) (L2) + . . . (AWCN) (LN) - L = thickness of soil layer, (inches) - 1, 2, N: subscripts represent each successive soil layer

Horizontal movement due to capillarityVertical movement

due largely to gravity

Gravity vs. Capillarity

Infiltrasi Air :Masuknya air ke dalam tanah

Faktor-faktor yang mempengaruhi:• Tekstur tanah• Kandungan-awal lengas tanah• Kerak permukaan (structure, etc.)• Soil cracking• Praktek pengolahan tanah• Metode aplikasi air (e.g., Basin vs. Furrow)• Suhu air.

Infiltrasi Kumulatif vs. Tekstur Tanah

Laju Infiltrasi vs. WaktuUntuk tekstur tanah yang berbeda

Laju Infiltrasi dan Tekstur Tanah

Laju infiltrasi vs. Laju irigasi konstan

Laju infiltrasi vs. Laju irigasi beragam

Kedalaman Penetrasi Air

1. Can be viewed as sequentially filling the soil profile in layers

2. Deep percolation: water penetrating deeper than the bottom of the root zone

3. Pencucian : transport of chemicals from the root zone due to deep percolation

Simpanan lengas (air) dalam profil tanah yang berlapis-lapis

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

Partikel tanahH2O

Adesi Kohesi

Air terikat Air bebas 43

Air Tersedia untuk pertumbuhan tanaman

Status Air Tanah

Perubahan status air dalam tanah, mulai dari kondisi jenuh hingga titik layu

Jenuh Kap. Lapang Titik layu

100g 8g udara

Padatan Pori

100g 20g udara

100g 10 g udara

100g air 40g tanah jenuh air

kapasitas lapang

koefisien layu

koefisien higroskopis 45

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. Kapasitaspadatan 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

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.47

TEGANGAN vs

kadar air

Kurva tegangan - kadar air tanah bertekstur lempung

Tegangan air, bar

31 Koefisien higroskopis

Koefisien layu

Kapasitas lapang 0.1 Kap. Lapang maksimum

persen air tanah

Air kapilerAir Air tersediahigros-kopis Lambat tersedia Cepat tersedia Air gravitasi

Zone optimum

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

STRUKTUR &

CIRI

POLARITASMolekul 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 tgtpd rapat muatan pd per-mukaan kation.

Rapat muatan = Selubung air muatan kation / luas permukaan

50

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. ADHESIKohesi: ikatan hidrogen antar molekul airAdhesi: ikatan antara molekul air dengan permukaan padatan lainnyaMelalui 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.

UdaraPermukaan air-udara

air

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 berpengaruhGaya matrik: tarikan padatan tanah (matrik) thd molekul air; Gaya osmotik: tarikan kation-kation terlarut thd molekul airGaya gravitasi: tarikan bumi terhadap molekul air tanah.

Potensial air tanahKetiga 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)

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)

+

0

-

Poten-sial

positif

Poten-sial

negatif

Energi bebas dari air murni Potensial tarikan bumi

Menurun karena pengaruh osmotik

Menurun karena pengaruh matrik

Energi bebas dari air tanah

Potensial osmotik (hisapan)

Potensial matrik (hisapan)

POTENSIAL AIR TANAH

POTENSIAL TARIKAN BUMI = Potensial gravitasi

Pg = G.hdimana 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 OsmotikPotensial matrik merupakan hasil dari gaya-gaya jerapan dan kapilaritas.Gaya jerapan ditentukan oleh tarikan air oleh padatan tanah dan kation jerapanGaya kapilaritas disebabkan oleh adanya tegangan permukaan air.Potensial matriks selalu negatifPotensial 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.

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 Atmosferkolom 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 110000 4 10 9.674915849 4.18 15.8 1531623 4.5 31.6 31100.000 5 100 96.7492

55

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 samaTanah yang Strukturnya baik mempunyai total pori lebih banyak, shg mampu menahan air lebih banyakPori medium dan mikro lebih kuat menahan air dp pori makro

Tegangan air tanah, Bar 10.000

Liat

Lempung

Pasir

0.0110 Kadar air tanah, % 70

Tekstur tanah dan air tersedia

Hubungan antara kadar air tanah dengan tegangan air tanah

58

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

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

Kapasitas air tersedia dalam tanah yang teksturnya berbeda-beda

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

62

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

63

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

64

PERKOLASI

Jumlah air perkolasiFaktor yg berpengaruh:

1. Jumlah air yang ditambahkan2. Kemampuan infiltrasi permukaan tanah3. Daya hantar air horison tanah4. 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 & medium2. Liat tipe 2:1 yang mengembang-mengkerut sangat berperan

65

LAJU GERAKAN

AIR TANAH

Kecepatan gerakan air dlm tanah dipengaruhi oleh dua faktor:1. Daya dari air yang bergerak2. Hantaran hidraulik = Hantaran kapiler = daya hantar

i = k.fdimana 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 bawah2. 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 tanah2. Besarnya tegangan untuk menahan air

Pada gerakan jenuh, tegangan airnya rendah, shg hantaran hidraulik berbanding lurus dengan ukuran poriPd tanah pasir, penurunan daya hantar lebih jelas kalau terjadi penurunan kandungan air tanahLapisan pasir dlm profil tanah akan menjadi penghalang gerakan air tidak jenuh

66

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, hariSumber: Gardner & Widtsoe, 1921.

Pengukuran Air Tanah

• Metode Gravimetrik1. Mengukur kandungan massa air (m)2. Take field samples weigh oven dry weigh3. Advantages: accurate; Multiple locations4. Kelemahan: memerlukan tenaga dan waktu

• Metode Perasaan: Feel and appearance1. Take field samples and feel them by hand2. Advantages: low cost; Multiple locations3. Disadvantages: experience required; Not highly

accurate

• Pencaran neutron (attenuation)– Measures volumetric water content (v)– Attenuation of high-energy neutrons by hydrogen nucleus– Advantages:

• samples a relatively large soil sphere • repeatedly sample same site and several depths • accurate

– Disadvantages: • high cost instrument • radioactive licensing and safety • not reliable for shallow measurements near the soil surface

• Konstante dielektrik1. A soil’s dielectric constant is dependent on soil moisture2. Time domain reflectometry (TDR)3. Frequency domain reflectometry (FDR)4. Primarily used for research purposes at this time


Pengukuran Air Tanah: Neutron Attenuation

• Tensiometer– Measure soil water potential (tension)– Practical operating range is about 0 to 0.75 bar of tension

(this can be a limitation on medium- and fine-textured soils)

• Electrical resistance blocks– Measure soil water potential (tension)– Tend to work better at higher tensions (lower water

contents)

• Thermal dissipation blocks– Measure soil water potential (tension)– Require individual calibration


Tensiometer untuk mengukur potensial air tanah

Porous Ceramic Tip

Vacuum Gauge (0-100 centibar)

Water Reservoir

Variable Tube Length (12 in- 48 in) Based on Root Zone Depth

Electrical Resistance Blocks & Meters

kompendium air – lengas tanah

Documents