PERGERAKAN AIR TANAH(SOIL WATER MOVEMENT)

Tiga alasan air tanah sangat penting dalam kehidupan :a. Air esensial bagi semua kehidupan di bumi termasukkehidupan tanaman dan organisme dalam tanah

b. Air diperlukan untuk pelapukan tanah. Daerah dengancurah hujan tinggi umumnya mempunyai tanah-tanahyang telah melapuk lanjut

c. Air tanah adalah media untuk semua hara tanaman

Air tanah, kadang-kadang bisa merupakan larutan tanah,yang mengandung bahan organik dan inorganik terlarutdan yang mengangkut hara terlarut, seperti N, P, K, andCa, menuju akar tanaman untuk diserap oleh tanaman.

• Jumlah air dalam tanah tergantung pada duafaktor :

1. berkaitan erat dengan iklim, atau pola curahhujan dalam jangka panjang, di suatuwilayah

2. seberapa banyak air dapat ditahan olehtanah

1. Polaritas molekul airSuatu molekul polar adalah molekul yang netral atau tidak bermuatan, tetapi mempunyai sebaran muatan internal yang asimetris, sehingga sebagian dari molekul air bersifat positif (pada hidrogen) dan negatif (pada okigen), membentuk sudut.

SIFAT-SIFAT AIR

Sifat polar air menjadikannya sebagai pelarut yangbaik untuk ion-ion atau molekul polar (ada interaksielektrostatik)

* Kapilaritas : H2O naik dalam tabung kapiler Gerakan kapiler adalah kombinasi dari kohesi/adhesi dan gaya-gaya tegangan permukaan

Aksi kapiler ditunjukkan oleh gerakan air ke atas melalui kolom yang sempit melawan gaya gravitasi Aksi kapiler terjadi ketika gaya-gaya adhesiantarmolekul antara suatu cairan, seperti air, danpermukaan padatan dari kolom lebih kuat daripadagaya kohesi antarmolekulAkibat kapilaritas, terbentuk meniskus cekung dimana cairan berkontak dengan permukaan vertikal

2. Kapilaritas

Kenaikan kapiler adalah ketinggian naiknya airdalam kolom, dan kenaikan kapiler berkurangdengan bertambahnya diameter kolom pori.Makin kecil kolom pori, kenaikan air kapiler makintinggi.

Fenomena kapilaritas juga terjadi dalam tanah :Dengan cara yang sama, air bergerak ke atasmelalui pori-pori tanah, atau ruang-ruang antarapartikel-partikel tanah.

Kenaikan kapiler :2t

h = ρw g r

h = tinggi kenaikan kapiler (m) t = tegangan permukaan larutan tanah (0,073 Nm–1) ρw = kerapatan airg = percepatan gravitasi (9,8 Nkg–1)r = jari-jari kolom

Aksi kapiler : pergerakan air dalam ruang-ruang dari suatu bahan berpori akibat gaya-gaya adhesi, kohesi dan tegangan permukaan

Kapasitas menahan air tergantung pada :• Aksi kapiler, dan • Ukuran pori yang ada di antara partikel-pertikel tanah à Tanah berpasir mempunyai kemampuan

menahan air lebih kecil daripada tanah-tanah berklei

Selain retensi air, kapilaritas dalam tanah juga memung-kinkan pergerakan air ke atas dan secara horisontal di dalam profil tanah, blawanan dengan pergerakan ke bawah karena gravitasi --> penting karena air diserap oleh akar.

SOIL WATER

Pergerakan air horisontal

Pergerakan air vertikal

* Ikatan hidrogen : ikatan H+ dengan O-2

- ikatan energi rendah antara atom oksigen yang elektronegatif dari satu molekul air dan atom hidrogen yang elektropositif dari molekul air yang lain.

- ikatan H juga terjadi dengan atom-atom elektronegatif lainnya, misal : N

3. Ikatan Hidrogen

Ikatan H mengakibatkan air memiliki :• titik didih yang tinggi (100 ºC)• titik beku yang tinggi (0 ºC)• panas jenis yang tinggi (4,1813 J g–1 K–1)• mengembang bila dibekukan :

– Struktur air mengerut sampai suhu 4 ºC– mengembang dari 4 ºC sampai 0 ºC

• Sifat-sifat ini menghasilkan daya sangga panas (thermal buffering), es mengapung

4. Kohesi dan Adhesi

* Kohesi : ikatan antar molekul yang sejenis (antara molekul air dengan molekul air lainnya) - H2O dg H2O

* Adhesi : tarikan air pada bahan atau permukaan lainnya

• menghasilkan kemampuan tanah menahan air • menghasilkan pergerakan air dalam tanah

* Ikatan dengan molekul yang tidak sejenis - H2O dengan padatan tanah

* Tarikan dan interaksi dengan ion-ion, senyawa polar,dan permukaan mineral :• Ion-ion, terutama kation-kation, terhidrasi• Mengakibatkan pelarutan mineral tanah; ion-ion

memiliki afinitas terhadap air lebih kuat daripadabila sendirian

Al(OH)3 + 3H3O+ → Al(H2O)63+

• Gaya tarik yang kuat antara ion-ion dan molekul air• Molekul air membentuk suatu cangkang (mantel) di

sekitar ion yang disebut lapisan hidrasi primer(primary hydration sphere)

• Molekul-molekul air pada lapisan hidrasi primer membentuk ikatan dengan molekul-molekul air lainnya yang kemudian membentuk lapisan hidrasi sekunder

• Kekuatan ikatan-ikatan berkurang dengan meningkatnya jarak dari ion sampai ikatan ekuivalen dengan gaya-gaya ikatan dalam bulk air

• Kekuatan hidrasi dari suatu ion tergantung pada ukuran dan valensi ion

Hidrasi adalah proses di mana ion dikelilingi oleh molekul-molekul air yang tersusun dalam keadaan tertentu. Hidrasi membantu menstabilkan ion-ion dalam larutan dan mencegah kation untuk bergabung kembali dengan anion.

Tegangan permukaan : H2O dg H2O vs H2O dg udaraudara (gas)

permukaan cairan

cairan

Gaya kohesi molekul air dalam cairan sama ke segala arah, sedangkan Gaya kohesi molekul-molekul air pada permukaan cairan lebih besar daripada gaya kohesi molekul udara

5. Tegangan Permukaan (Surface Tension)

• molekul A yang ada di dalam cairan ditarik ke segalaarah dengan gaya kohesif yang sama,

• molekul B yang ada di permukaan cairan (padaantarmuka cairan-udara) ditarik ke fase cairan yanglebih rapat (densitas lebih tinggi) oleh gaya yang lebihbesar daripada gaya yang menariknya ke fase gas

• Tegangan permukaan juga bergantung pada suhu,umumnya menurun hampir linier denganmeningkatnya suhu.

• Bahan terlarut dapat memengaruhi teganganpermukaan :

- bila afinitas bahan terlarut terhadap airlebih besardaripada terhadap sesam molekul air, maka bahanterlarut cenderung ditarik dari larutan sehinggategangan permukaan meningkat (misal elektrolit)

- bila afinitas molekul air terhadap sesama molekul airlebih besar daripada terhadap bahan pelarut, makalebih banyak bahan terlarut cenderung mengumpul dipermukaan sehingga menurunkan tegangannya(misal: deterjen)

ENERGI AIR TANAH

* Air tanah mengandung energi dalam jumlah dan bentuk yang berbeda.

* Fisika klasik, dua bentuk utama energi : - Energi kinetik (Ek) pergerakan air sangat lambat -

diabaikan - Energi potensial (Ep) karena posisi atau kondisi

internalnya, Ep penting dalam menentukan tingkat air dalam tanah

→

→

• Air dalam tanah ditahan oleh permukaan dengan gaya-gaya tarik - adhesi

• Dengan meningkatnya luas permukaan tanah, semakin besar jumlah air yang dapat ditahan oleh tanah

• Kekuatan air yang ditahan dapat diukur dengan konsep energi

• Berkaitan dengan energi bebas air - kemampuan melakukan kerja

* Perbedaan energi potensial antara satu titik dengan titik lainnya meningkatkan kecenderungan air untuk mengalir dalam tanah :

Suatu satuan volume atau massa air cenderung bergerak dari energi potensial tinggi ke energi potensial rendah, sampai tercapai keseimbangan dengan lingkungannya (Ep sama).

• Air mengalir dari energi bebas tinggi ke energi bebas rendah H2O movement

tanah basah tanah keringPori-pori besar Pori-pori kecil

Energi bebas air lebih tinggi energy bebas air lebih rendah

Perbedaan (gradien) energi bebas menyebabkan air bergerak

Potensial air : potensial kimia air dalam suatu sistem atau bagian sistem, dinyatakan dalam satuan tekanan dan dibandingkan dengan potensial kimia air murni pada tekanan atmosfer dan pada suhu serta ketinggian yang sama dengan potensial air murni (yang ditetapkan = 0)

Konsep Energi

* Ep adalah ukuran banyaknya kerja dari suatu benda yang bekerja dengan energi yang tersimpan didalamnya, sehingga dengan mengetahui tingkat energi potensial air dalam tanah dan tanaman dapatmembantu kita menduga banyaknya tenaga yang harus dikeluarkan oleh tanaman untuk mengekstrak suatu satuan jumlah air

* semua air tanah (bukan sebagian) dipengaruhi olehmedan gravitasi, sehingga klasifikasi bentuk-bentukair tanah spt air gravitasi, air kapiler, air higroskopik,digantikan dengan konsep Potensial Air.

* Potensial air tanah yang tidak jenuh adalah negatif

* Besaran potensial air tanah tergantung pada tekananhidrostatik, elevasi (thd elevasi acuan)konsentrasibahan terlarut, suhu.

* Air tanah adalah subyek terhadap medan gaya, yangmenyebabkan potensialnya berbeda dari potensialair murni dan bebas

• Air yang terjerap dalam tanah kurang bebas bergerak relatif terhadap air yang ada dalam pool :– Air tanah mempunyai energi bebas yang lebih

kecil daripada air dalam pool (air bebas) – Energi yang diperlukan untuk menggerakkan air

dari tanah ke pool

* Istilah energi, satuannya adalah kPa atau MPa :– Air bebas (free pool) = 0 kPa– Air terjerap = kPa bernilai negatif– kisaran dari 0 sampai < –100,000 kPa– makin negatif = makin kuat air ditahan

• Potensial air tanah adalah suatu istilah ENERGI, bukan volume

Potensial air Kerja untuk mengakses air Kandungan air

> 0 kPa tidak ada tergenang (ponded)0 tidak ada jenuh

-33 sangat rendah kapasitas lapang-1.500 tinggi titik layu permanen

-100.000 sangat tinggi kering udara< -800.000 sangat tinggi sekali kering oven

Faktor yang menimbulkan perbedaan potensial energi dari suatu satuan air dalam tanah : 1. Gaya gravitasi bumi

Air dalam tanah cenderung bergerak ke bawah karena gravitasi - Potensial gravitasi (ψg)

2. Tarikan permukaan tanah terhadap air (Potensial matriks, ψm)

Gaya tarik permukaan tanah terhadap molekul air dan terhadap molekul air itu sendiri (gaya adhesi dan kohesi)

3. Bila suatu tanah dijenuhi, sumber potensial energi yang ketiga potential dapat berada dalam bentuk tekanan luar seperti yang dilakukan oleh suatu pompa atau lapisan/genangan air di daerah yang tergenang (tekanan hisdrostatik, ψp)

Total Potensial air :ψt = ψg + ψp + ψm + ψo + …. [1]

ψt = total potensial, ψg = potensial gravitasi, ψp = potensial tekanan, ψm = potensial matriks, ψo = potensial osmotik, dan titik-titik menandakan bahwa istilah tambahan dimungkinkan secara teori.

Potensial gravitasi (ψg)

• menghasilkan pergerakan air ke bawah sebagai respon terhadap gravitasi bumi

• selalu positif• Air dalam pori makro merespon potensial gravitasi

ini • Air dalam pori mikro dipengaruhi tetapi potensial matriks lebih penting

• Sangat penting dalam kondisi aliran jenuh (saturated flow)

• bebas dari kondisi kimia dan tekanan air tanah, dan hanya tergantung pada elevasi relatif

Potensial tekanan (ψp)

• merupakan tekanan hidrostatik, yaitu tekanan yang diakibatkan oleh gaya yang ada pada zat cair terhadap suatu luas bidang tekan pada kedalaman tertentu (berlaku pada zat cair yg tidak bergerak)

• Jika potensial tekanan hidrostatik > tekanan atmosfer, maka ψp bernilai POSITIF, dan sebaliknya.

• Potensial hidrostatik dalam xilem bernilai negatif sehingga air dari tanah (potensial hidrostatiknya lebih besar) tertarik ke atas melalui akar dan menuju ke daun.

Potensial matriks (ψm)

• Potensial matriks adalah berasal dari gaya kapiler dan gaya jerapan matriks tanah

• Gaya tarik permukaan tanah terhadap air dan gaya tarik molekul air terhadap molekul air lainnya (gaya-gaya adhesi dan kohesi)

• selalu negatif• Dengan mengeringnya tanah, energi bebas air turun

(Ψm turun) • menyebabkan pergerakan air dari tanah yang lembab

ke tanah yang kering (dari potensial air tinggi ke potensial air yang rendah)

Potensial osmotik (ψo)• Menggambarkan penipisan air dan pengikatan air oleh

bahan terlarut yang larut dalam air• selalu negatif• dengan meningkatnya konsentrasi, energi bebas air

berkurang • Air bergerak dari wilayah dengan kandungan garam

(konsentrasi rendah, energi bebas air tinggi) ke daerah dengan konsentrasi garam tinggi (energi bebas airrendah)

• Penting di daerah kering, semi-arid, dan tanah-tanah yang dipengaruhi garam

• Diperlukan membran semipermeable untuk pergerakan air, jika tidak bahan terlarut juga terbawa

1. Pergerakan /Aliran air jenuh2. Pergerakan/Aliran air tidak jenuh3. Pergerakan uap air

Pergerakan air jenuh :• Menggambarkan bagaimana air (genangan air) akan

bergerak ke dalam tanah (kering udara)• Pergerakan air terutama ke bawah karena gravitasi

bumi• Terjadi ketika pori-pori tanah sudah sepenuhnya terisi

air• terjadi pada potensial air lebih besar dari –33 kPa

Pergerakan Air Tanah

Pergerakan Air Jenuh• Dimulai dengan infiltrasi, di mana air bergerak ke

dalam tanah ketika air hujan atau air irigasi ada dipermukaan tanah

• Ketika profil tanah dibasahi, pergerakan lebih banyak air yang mengalir melalui tanah yang basah disebut Perkolasi

Perkolasi penting karena : i) merupakan satu-satunya sumber pengisian air

tanah (groundwater) yang dapat digunakan melalui sumur untuk irigasi

ii) Air perkolasi membawa hara bagi tanaman ke bawah dan sering keluardari jangkauan (zona) akar tanaman (pencucian)

Pergerakan Air Jenuh

• Perkolasi tergantung dari curah hujan• Tanah-tanah berpasir mempunyai perkolasi yang lebih

tinggi daripada tanah-tanah berklei• Vegetasi dan muka air tanah yang tinggi (high water

table) mengurangi kehilangan melalui perkolasi

Pergerakan Air Jenuh

Pergerakan Air tidak Jenuh • Menggambarkan bagaimana air (tetesan air) akan

bergerak ke dalam tanah (yg kering udara). Air bergerak ke samping dan ke bawah pada laju yang sama. Hal ini karena gaya adhesi dan kohesi.

• Air bergerak dari muka air tanah (water table level) ke atas (dari potensial air tinggi ke potensial air rendah) melalui pori mikro

• gerakan air terjadi ke segala arah dan berlangsung secara terus-menerus

• Pelapisan tanah (lapisan keras atau lapisan kedap) memperlambat gerakan air

Pergerakan Air tidak Jenuh

• Sebagian besar pergerakan air terjadi sebagai aliran air tidak jenuh, melalui pori-pori kapiler

• Pergerakannya lambat karena ketidakberaturan pori-pori dan udara dalam pori-pori

• Lebih banyak aliran air tidak jenuh dalam tanah berklei daripada tanah berpasir

• Gaya dorongnya adalah gradien potensial matriks