BAB II TANAH SEBAGAI BAHAN DISPERS BERFASE TIGA
II.1. Tiga fase tanah Sistem di dalam alam dapat terdiri atas satu atau lebih bahan dan atas satu atau lebih fasa. Suatu sistem yang tersusun dari hanya satu bahan dinamakan monofasik jika sifat-sifat fisikanya secara keseluruhan seragam. Sebagai contoh, suatu sistem adalah suatu tubuh air yang terdiri seluruhnya atas es. Sistem seperti ini disebut homogen. Suatu sistem yang terdiri atas satu senyawa kimia dapat juga heterogen jika bahan tersebut menunjukkan sifatsifat yang berbeda pada tiap wilayah dari sistem tersebut. Suatu wilayah di dalam suatu sistem yang seluruhnya secara fisika seragam disebut suatu fasa. Suatu campuran es dan air , misalnya, secara kimia seragam tetapi secara fisika heterogen, karena di dalamnya terdapat dua fasa (padat dan cair). Tiga fase yang umum terdapat di alam adalah padat, cair, dan gas.
Suatu sistem yang mengandung beberapa bahan dapat pula monofasik. Misalnya, suatu larutan garam dan air adalah suatu zat alir (liquid) yang homogen. Suatu sistem yang tersusun atas beberapa bahan jelas dapat disebut heterogen. Di dalam suatu sistem yang heterogen sifat-sifatnya dapat berbedabeda tidak saja berbeda antara fase yang satu terhadap yang lain, tetapi juga diantara bagian-bagian dakhil dari setiap fase dan batas antara fase tersebut dan fase tetangganya atau fase-fasenya. Bidangsinggung antar fase menunjukkan gejala khusus sebagai hasil salingtindak (interaksi) dari fase-fase tersebut. Arti penting dari gejala ini, yang termasuk diantaranya jerapan, tegangan muka, dan gesekan, bergantung kepada besarnya areal bidangsinggung per satuan volume dari sistem tersebut. Sistem yang di dalamnya paling sedikit terdapat satu dari fase-fase tersebut dipilahkan menjadi banyak sekali partikel renik (halus), yang secara bersama-sama menunjukkan suatu luasan bidangsinggung yang sangat besar per unit volumenya, dinamakan sistem dispers (sistem ceraiberai). Koloid-koloid sol, gel, emulsi, dan aerosol merupakan contohcontoh dari sistem dispers.
Tanah merupakan suatu sistem yang homogen, polifasik, berbutir, dispers (caraiberai), dan porus (berpori), yang di dalamnya lugs bidangsinggungnya per unit volume dapat sangat besar. Sifat dispers tanah dan akibat kegiatan bidangsinggungnya telah menimbulkan fenomena seperti jerapan air dan bahan kimia, pertukaran ion, adhesi, pembengkakan dan pengkerutan, dispersi (penceraiberaian) dan flokulasi (penjonjotan), dan kapileritas.
Universitas Gadjah Mada
1
Tiga fase umum di alam yang diwakili oleh tanah adalah sebagai berikut : fase padat yang menyusun matrik tanah ; fase cair terdiri atas air tanah, yang biasanya mengandung bahan-bahan terlarut sehingga paling tepat jika disebut dengan larutan tanah; dan fase gas adalah atmosfer tanah.
Gambar 2.1. Komposisi (berdasarkan volume) suatu tanah bertekstur sedang yang dianggap optimal bagi pertumbuhan tanaman. Perhatikan bahwa bahan padat menduduki 50% dan ruang pori 50% dari volume tanah, dan yang terakhir ini dibagi sama antara air dan udara. Tanda panah menunjukkan bahwa komponen-komponen tersebut dapat bervariasi sangat lugs. dan khususnya air dan udara berkorelas negatif sehingga keniakan yang satu diikuti oleh penurunan yang satunya.
Matrik padat tanah meliputi partikel-partilcel yang bervariasi susunan kimia dan mineraloginya maupun ukuran, bentuk, dan orientasinya (arah letak butirbutirnya). Matrik padat jugs mengandung bahan-bahan amorfus, terutama bahan organik yang melekat pada butir-butir mineral tersebut dan sexing mengikat butir-butir tersebut sehingga membentuk
agregat-agregat
(kelompok-kelompok).
Susunan
komponen
padat
ini
menentukan ciri khas bentuk ruang pori yang di dalamnya air dan udara akan dilewatkan dan ditambat. Air dan udara tanah bervariasi dalam hal komposisinya, baik itu mengikut waktu maupun ruang.
Proporsi (perbandingan) relatif ketiga fase tersebut di dalam tanah selalu berubahubah, dan bergantung kepada variabel-variabel seperti cuaca, vegetasi, dan pengelolaan tanah. Gambar 1 menunjukkan komposisi fase-fase (berdasarkan perbandingan volume) di dalam suatu tanah yang bertekstur sedang, dan kondisi ini dianggap kurang lebih optimal bagi pertumbuhan tanaman. Universitas Gadjah Mada
2
II.2. Hubungan massa dan volume bagian-bagian tanah Sub-bab ini akan membahas tentang hubungan antara ketiga fase tersebut di dalam tanah, yakni fase padat, cair, dan gas, serta akan di berikan batasan beberapa parameter yang sangat bennanfaat bagi pemerian sifat-sifat fisika suatu tanah. Gambar 2 merupakan suatu pelukisan secara skematik dari suatu tanah hipotetik, yang menunjukkan volume dan massa ketiga fase tersebut, sebagai sebuah contoh. Massa-massa dari fase-fase tersebut ditunjukkan pada sisi sebelah kanan : massa udara Ma , yang dapat diabaikan bila dibandingkan massa bahan padat dan air; massa air Mw ; massa bahan padat Ms ; dan massa totalnya Mt . Massa-massa ini juga dapat diwujudkan dalam dalam beratnya (perkalian massa dengan percepatan gravitasi). Volume-volume komponen-komponen yang sama ditunjukkan pada sisi sebelah kiri dari diagram : volume udara Va , volume air Vw , volume pori-pori Vf = Va + Vw volume bahan padat VS , dan volume total yang mewakili tubuh tanah secara keseluruhan Vt. . Berdasarkan diagram di atas maka akan dapat diberikan batasan-batasan istilah yang umumnya digunakan untuk menyatakan salinghubungan kuantitatif dari ketiga penyusun utama tanah tersebut. 11.2.1. Kerapatan Jenis bahan padat (rerata kerapatan jenis), Ps ps = Ms / Vs ...................................................... (2.1) dalamnya air dan udara akan dilewatkan dan ditambat. Air dan udara tanah bervariasi dalam hal komposisinya, baik itu mengikut waktu maupun ruang.
Proporsi (perbandingan) relatif ketiga fase tersebut di dalam tanah selalu berubahubah, dan bergantung kepada variabel-variabel seperti cuaca, vegetasi, dan pengelolaan tanah. Gambar 2.1 menunjukkan komposisi fase-fase (berdasarkan perbandingan volume) di dalam suatu tanah yang bertekstur sedang, dan kondisi ini dianggap kurang lebih optimal bagi pertumbuhan tanaman. 11.2. Hubungan massa dan volume bagian-bagian tanah Sub-bab ini akan membahas tentang hubungan antara ketiga fase tersebut di dalam tanah, yakni fase padat, cair, dan gas, serta akan di berikan batasan beberapa parameter yang sangat bermanfaat bagi pemerian sifat-sifat fisika suatu tanah. Gambar 2.2 merupakan suatu pelukisan secara skematik dari suatu tanah hipotetik, yang menunjukkan volume dan massa ketiga fase tersebut, sebagai sebuah contoh. MassaUniversitas Gadjah Mada
3
massa dari fase-fase tersebut ditunjukkan pada sisi sebelah kanan : massa udara Ma , yang dapat diabaikan bila dibandingkan massa bahan padat dan air; massa air Mw, ; massa bahan padat MS ; dan massa totalnya Mt . Massa-massa ini juga dapat diwujudkan dalam dalam beratnya (perkalian massa dengan percepatan gravitasi). Volume-volume komponenkomponen yang sama ditunjukkan pada sisi sebelah kin dari diagram : volume udara Va, volume air Vw , volume pori-pori Vf = Va + Vw, , volume bahan padat VS , dan volume total yang mewakili tubuh tanah secara keseluruhan Vt. Berdasarkan diagram di atas maka akan dapat diberikan batasan-batasan istilah yang umumnya digunakan untuk menyatakan salinghubungan kuantitatif dari ketiga penyusun utama tanah tersebut. 11.2.1. Kerapatan Jenis bahan padat (rerata kerapatan jenis), ps ps = Ms / Vs
(2.1)
Hampir di dalam semua tanah mineral, rerata kerapatan partikel-partikel bahan padat tanah berada di sekitar 2,6-2,7 g/cm3, dan ini sangat mendekati nilai kerapatan jenis kuarsa (quartz), yang sering mendominasi bahan padat tanahtanah pasiran. Mineral-mineral lempung alumino-silikat mempunyai nilai kerapatan jenis sebesar ini juga. Kehadiran oksida-oksida besi, dan adanya berbagai mineral berat telah meningkatkan nilai rerata ps„ sedangkan kehadiran bahan organik telah menurunkan nilai rerata ini. Kerapatan jenis seringkali diartikan pula dengan berat jenis (specific gravity), yang merupakan nisbah kerapatan bahan tersebut terhadap air pada suhu 4°C dan pada tekanan udara luar. Di dalam sistem metrik, karena kerapatan air adalah satu pada suhu baku, sehingga berat jenis secara numerikal sama dengan kerapatan.
II.2.2. Kerapatan bongkah kering, pb Pb = Ms / Vt = Ms / (Vs + Va + Vw)
.................................................... (2.2)
Kerapatan bongkah kering menyatakan nisbah dari massa tanah kering terhadap volume totalnya (bahan padat bersama pori-pori). Tampak jelas, bahwa pb selalu lebih kecil daripada ps , dan bila pori-pori menyusun separoh dari volume, pb separohnya ps , yakni 1,3-1,35 g/cm3. Di dalam tanah pasiran, pb dapat sebesar 1,6, sedangkan dalam tanah geluh yang teragregasi dan dalam tanah lempung, nilai ini dapat serendah hingga 1,1 g/cm 3. Kerapatan bongkah
dipengaruhi
oleh
struktur
tanah,
yakni,
kelonggarannya
atau
tingkat
kemempatannya, maupun oleh watak kembang dan kerutnya, yang bergantung kepada kandungan lempung dan kelembabannya. Bahkan, di dalam tanah yang sangat mampat, namun, kerapatan bongkah tetap lebih rendah dibandingkan Universitas Gadjah Mada
4
kerapatan butir *berat jenis), karena partikel-partikel tidak akan pernah saling berkait secara sempurna dan tanah tersebut tetap merupakan suatu tubuh yang porus, dan tidak pernah kedap sempurna. II.2.3. Kerapatan bongkah (lembab) total, pt Pt = Mt / Vt = (Ms+Mw) / (Vs + Va Vw) ........................ (2.3)
Ini merupakan perwujudan dari massa total suatu tanah lembab per unit volume. Kerapatan bongkah lembab lebih bergantung kepada kelembaban atau kandungan lengas dibandingkan kerapatan bongkah kering. II.2.4. Volume jenis kering, vb vb = Vt / Ms= 1 / Pb,
...................................................................... (2.4)
Volume dari suatu unit massa tanah kering (centimeter kubik per gram) merupakan indeks yang lain bagi derajad kelonggaran atau kemampatan suatu tanah..
Gambar 2.2. Diagram skematik tanah sebagai suatu sistem berfase tiga
II.2.5. Porositas, f f = V /Vt = (Va+ Vw) I (Vs+ Va Vw) ...................................................(2.5) Porositas adalah suatu indeks volume pori relatif di dalam tanah. Ini merupakan nilai yang umumnya berada pada kisaran 0.3-0.6 (30-60%). Tanahtanah bertekstur kasar cenderung kurang pores dibandingkan tanah-tanah bertekstur halus, walaupun ukuran rerata pori-pori individunya lebih besar di dalam tanah kasar. Di dalam tanah-tanah lempung porositasnya sangat bervariasi karena tanah tersebut secara bergantian mengalami pembengkakan, mengkerut, membentuk agregat, mendispersi, memampat, dan meretak.
Universitas Gadjah Mada
5
Umumnya istilah porositas didefinisikan sebagai bagian volume pori-pori, tetapi nilai ini hares sama, secara rerata, dengan porositas luasan (bagian pori dalam suatu pewakilan luas penampang melintang) maupun sama dengan rerata porositas linear (yang merupakan bagian panjang pori sepanjang suatu garis lurus yang melalui tanah dalam suatu arah). Porositas total, dalam berbagai keadaan, tidak menunjukkan apapun tentang agihan ukuran pori, yang akan dijelaskan lebih lanjut pada bagian berikutnya.
II.2.6. Nisbah rongga, e
e = (V.+ KJ I V, = Vf I (V,- Vf) ............................................................ (2.6) Nisbah rongga adalah juga suatu indeks bagian volume pori tanah, tetapi ini dikaitkan dengan volume rongga terhadap volume bahan padat dan bukannya terhadap volume total tanah. Keunggulan indeks ini dibandingkan terhadap indeks sebelumnya (f) adalah bahwa suatu perubahan pada volume pori akan mengubah numerator saja, sedangkan suatu perubahan volume pori dalam arti porositas akan mengubah baik numerator maupun denominator dari persamaan (2.6). Nisbah rongga umumnya lebih disukai dalam perekayasaan dan mekanika tanah, sedangkan porositas merupakan indeks yang lebih sering digunakan di dalam fisika tanah untuk pertanian. Umumnya, e berkisar antara nilai 0,3 dan 2,0. II.2.7. Kebasahan tanah Kebasahan, atau kandungan lengas nisbi, tanah dapat diwujudkan dalam berbagai cara : nisbi terhadap massa bahan padat, nisbi terhadap massa total, nisbi terhadap volume bahan padat, nisbi terhadap volume total, dan nisbi terhadap volume pori. Berbagai indeks didefinisikan sebagai berikut (yang paling umum digunakan adalah dua yang pertama).
a. Kebasahan massa, w w = Mw / Ms
..................................................... (2.7)
Ini adalah massa air nisbi terhadap massa zarah-zarah tanah kering, seringkali disebut kandungan air gravimetris. Istilah tanah kering umumnya didefinisikan sebagai suatu tanah yang dikeringkan hingga seimbang di dalam suatu oven pada suhu 105 °C, walaupun lempung seringkali akan menahan sejumlah air yamh cukup pada keadaan tersebut. Kebasahan massa seringkali dinyatakan sebagai suatu bagian decimal namun lebih seringkali dinyatakan sebagai suatu persentase. Tanah yang dikeringkan dalam udara sekeliling (keadaan kamar) mungkin umumnya akan mengandung beberapa persen lebih Universitas Gadjah Mada
6
banyak dibandingkan tanah kering oven, gejala demikian yang disebabkan jerapan uap sering disebut sebagai hiroskopisitas tanah. Dalam tanah-tanah mineral w dapat berkisar antara 25 dan 60% bergantung kepada kerapatan bongkah (lindak) nya. Kandungan air tanah keadaan jenuh untuk tanah lempungan umumnya lebih tinggi dibandingkan untuk tanah-tanah pasiran. Pada tanahtanah organik, misalnya gambut atau ladu (muck), kandungan air keadaan jenuh berdasarkan massa dapat lebih daripada 100%.
b. Kebasahan volume, 0 0 = Vm /Vt = Vw / (Vs + Vf)
............................
(2.8)
Kebasahan volume seringkali juga disebut landungan volumetrik atau bagian volume air tanah. Ini umumnya dihitung lebih sebagai persentase volume totak tanah dibandingkan terhadap dasar volume zarah-zarah saja. Pada tanah-tanah pasiran, nilai 0 pada keadaan jenuh berkisar antara 40-50%; pada tanah-tanah bertekstur sedang kira-kira 50%; pada tanah-tanah lempungan dapat hingga 60%. Pada tanah-tanah lempungan
Vw = Vw / Vs
............................................................ (2.9)
Untuk tanah-tanah yang membengkak, yang porositasnya, dan juga volume totalnya, berubah secara nyata mengikuti kebasahannya, lebih baik diartikan sebagai volume air yang ada terhadap volume zarah daripada terhadap volume total.
c. Tingkat kejenuhan, s S =
Vw / Vf= Vw / (Va+Vw) .................... ............................... (2.10)
Ini merupakan indeks yang menyatakan volume kandungan air dalam tanah nisbi terhadap volume pori. Indeks s berkisar dari 0 dalam tanah kering hingga 1 (100%) dalam tanah yang jenuh sempurna. Sayangnya, jenuh sempurna sangat jarang ditemukan di lapangan, karena adanya udara terperangkap dalam tanah yang sangat basah volume relatif pada keadaan jenuh dapat melebihi porositas tanah kering, karena tanah-tanah lempungan dapat membengkak bila basah. Kebasahan volume, 0, seringkali lebih disukai danipada w karena lebih dapat digunakan untuk menghitung aliran volume (flux) dan jumlah air yang ditambahkan ke tanah secara irigasi atau hujan dan kepada jumlah yang diharapkan dari
Universitas Gadjah Mada
7
tanah oleh evapotranspirasi atau drainase. Juga, 0, dapat menggambarkan nisbah jeluk terhadap air tanah yakni, jeluk air per unit jeluk tanah.
C. Nisbah volume air, Vw 11.2.8. Porositas berisi udara (kandungan bagian udara), fa fa
=
= Va/(Vs + Va+Vw) ..............
(2.10)
Ini merupakan kandungan udara nisbi tanah, merupakan kriteria penting dalam aerasi tanah. Indeks ini berkaitan terbalik dengan tingkat kejenuhan s (yakni fa= f- s).
Universitas Gadjah Mada
8
