© 2003 Suhatmono Makalah Falsafah Sains (PPS 702) Program Pasca Sarjana / S3 Institut Pertanian Bogor Desember 2003
Posted: 3 December 2003
Dosen: Prof Dr Ir Rudy C Tarumingkeng (Penanggung Jawab) Prof Dr Ir Zahrial Coto
KONSEP SISTEM MONITORING NITRAT TERBUANG DARI LAHAN SAWAH BERIRIGASI (Concept of monitoring system of unused nitrate from irrigated paddy field)
Oleh Suhatmono (
[email protected])
Abstract Nitrate is one of essential plant nutrients categorized in a group of nutrients that needed in large of volume. In an irrigated paddy field system, nitrate is easily available whether in a natural process or by market fertilizer application. Yet, such nutrient is easily moved out due to both surface run off and/or caused by leaching process. Nitrate balance in an irrigated field system is functional to detect the availability of the nutrient and even to predict the missing of such nutrient from the paddy field due to surface drainage process. Another system that should be measured in detecting the nutrient availability and nutrient loss in a paddy field system is water balance. This is because of water has a special role in dispersing and or moving the nutrient in the system of irrigated paddy field. Such nitrate loss is an interesting object to study in order to monitor the level of efficiency of nitrate usage or even to monitor the level of water pollution due to unused nitrate. Moreover, relating with water, it is necessary to highline the role of chemical characteristics effects on the dispersion or movement of fertilizer as a chemical substance. As a chemical substance, fertilizers follow the characteristics process of
2
decaying since mixing in the soil-water system. Thus, by adopting the chemical process system, the fertilizer habit in the soil-water system might be detected better. This paper will discuss about how to detect mathematically the potential unused nitrate from both serial and parallel of irrigated paddy field system caused by surface drainage process. Key words : unused nitrate, surface drainage, irrigated paddy field.
PENDAHULUAN Latar Belakang Pengembangan bidang pertanian telah menempatkan sistem lahan sawah beririgasi pada kondisi yang kontradiktif. Pada satu sisi lahan sawah harus mampu mensuplai pangan terutama padi seiring dengan peningkatan jumlah penduduk, sedangkan di sisi lain aplikasi pupuk, yang sesuai dengan kebijakan intensifikasi pertanian, mempunyai resiko pada kelebihan nutrisi pupuk di lahan atau saluran drainase. Secara matematis terdapat hubungan yang positif antara kebutuhan nutrisi dengan tahap pertumbuhan tanaman. Kecenderungan peningkatan kebutuhan nutrisi tanaman dari tahap pertumbuhan sampai dengan pembentukan buah dan biji, harus diikuti dengan peningkatan penambahan nutrisi dalam bentuk peningkatan volume aplikasi pupuk pada lahan. Aplikasi pupuk dengan dosis pemupukan yang tidak tepat berakibat pada terjadinya kekurangan atau kelebihan nutrisi pada lahan. Hasil penelitian Ishikawa (1988), memperlihatkan bahwa semakin besar input nitrogen pada lahan sawah beririgasi akan meningkatkan jumlah nitrogen output. Hal ini didukung oleh Anwar dan Partoharjono (1987), yang menyatakan bahwa tingkat serapan pupuk-N oleh padi sawah pada kondisi tertentu relatif rendah, sehingga efisiensi pemupukan semakin menurun dengan meningkatnya jumlah pemupukan. Berdasar pada uraian di atas maka diperlukan sebuah kajian untuk mendeteksi kelebihan nutrisi (pada aplikasi pemupukan) dari sistem persawahan beririgasi sebagai tindakan antisipasi terhadap konservasi tanah-air. Tujuan
Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
3
Penelitian ini bertujuan untuk membuat program simulasi nilai nitrat terbuang dari lahan sawah beririgasi. Guna mencapai tujuan tersebut maka diperlukan beberapa tahapan kajian : (a). mengkaji persamaan matematis proses peluruhan nutrisi pupuk drainase permukaan, (b). memanfaatkan hasil kajian point (a) untuk simulasi deteksi nitrogen terbuang pada hamparan sawah beririgasi (c). memodifikasi beberapa komponen simulasi dalam sistem persawahan untuk tujuan konservasi tanah-air. Manfaat penelitian Hasil penelitian diharapkan dapat dipergunakan sebagai informasi dasar bagi para petani maupun perancang lahan sawah pertanian, dalam pengaturan sistem aplikasi pupuk dan perancangan struktur lahan sawah guna meningkatkan efisiensi pemupukan dan konservasi tanah-air.
TINJAUAN PUSTAKA Nitrogen merupakan nutrisi yang sangat penting bagi tanaman, terutama tanaman golongan rumput-rumputan, karena dibutuhkan dalam jumlah yang banyak. Bila terjadi kekurangan suplai nitrogen akan berakibat pada penurunan nilai produksi. Manajemen yang salah dalam pemanfaatan nitrogen telah andil dalam menurunkan nilai efisiensi pemupukan. Menurut Allison (1965) dalam Godwin (1991), rata-rata pemanfaatan nitrogen, yang disebar di atas tanah, oleh tanaman yang hanya 50 persen. Sedangkan Power (1981) dalam Godwin (1991) juga menyatakan bahwa pemanfaatan nitrogen oleh tanaman berkisar antara 20 – 90 %. Kehilangan
nitrogen
terutama
disebabkan
oleh
adanya
penguapan
(volatilization), denitrifikasi (denitrification), pencucian (leaching), atau menjadi tidak tersedia karena immobilisasi (immobilization). Namun pada lahan sawah, karena nitrogen mudah larut dalam air, maka dimungkinkan komponen penyebab kehilangan nitrogen terbesar adalah adanya proses pencucian dan aliran drainase. Berdasar pada sistem aliran drainase pada lahan sawah, terdapat dua tipe struktur petak sawah yaitu petak sawah tipe seri dan tipe paralel. Petak berstruktur seri aliran air yang berasal dari petak atas mengalir ke petak bawahnya secara berturutan.
Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
4
Sehingga pada suatu blok petak sawah, air irigasi untuk petak-petak pada posisi di bawah berasal dari aliran drainase petak-petak di atasnya. Air drainase pada petak struktur paralel, mengalir dari masing-masing petak menuju satu saluran drainase samping yang akhirnya menuju saluran drainase utama. Untuk tipe ini air drainase dari masing-masing petak sawah tidak digunakan lagi oleh petak-petak sawah berikutnya. METODOLOGI Kerangka pemikiran Proses penentuan konsentrasi akhir nitrogen pada aliran air drainase didasarkan pada konsep peluruhan. Konsep ini digunakan karena kemudahan pupuk larut dalam air dan terdispersi secara kimiawi saat mengalir bersama air drainase. Dalam proses peluruhan kandungan nutrisi pada proses pengaliran sepanjang satu satuan jarak (x) mengikuti persamaan : dN = kN dx
/1/
dengan intregasi diperoleh : N x = N o .e − kx
/2/
Dengan persamaan /2/ akan dapat ditentukan nilai konsentrasi nutrisi pada berbagai titik pengamatan dengan memperhitungkan nilai x (unit jarak). Untuk sawah tipe seri penerapan persamaan /2/ dapat digambarkan sebagai berikut :
Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
5 N(0)
1 N(1)=N(0).e-kx 2 N(2)=N(1).e-kx 3 N(3)=N(2).e-kx n-1 -kx
N(n-1)=N(n-2).e n
N(n)=N(n-1).e-knx
Gambar 1. Model perhitungan nilai konsentrasi nitrat terbuang dari petak tipe seri knx Nilai terakhir dari outlet petak sawah terakhir sebesar N (n) = N (n − 1).e ,
seperti disajikan pada Gambar 1., merupakan nilai nitrat terbuang yang masuk ke saluran drainase. Pada sistem ini diasumsikan bahwa pemupukan hanya dilakukan sekali yaitu pada petak pertama. Untuk sawah tipe paralel pemanfaatan persamaan /2/ dapat digambarkan secara skematis sebagai berikut :
Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
6
n-1
n-2
…
1
N(1)=N(0).e-kx
N(n-1)=N(0)e-k(n-1)x N(n)=N(0).e-knx
2
Saluran drainase utama
n
N(n-2)=N(0)e-k(n-2)x
N(2)=N(0)e-k2x
Gambar 2. Model perhitungan nilai konsentrasi nitrat terbuang dari petak tipe paralel. Pada tipe paralel, nitrat yang terbuang dari hamparan petak dan masuk pada saluran drainase utama merupakan jumlah semua konsentrasi nitrat setelah sampai di saluran drainase. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasar penelitian yang telah dilakukan oleh Suhatmono (2003) dengan laju pemupukan pada petak sebesar 150 kg/ha yang dilakukan sekali dalam masa tanam, diperoleh bahwa nilai konsentrasi nitrat yang masuk Nilai konsentrasi nitrat terbuang (unused nitrate) dari masing-masing outlet petak dapat dilakukan dengan menggunakan program MS Excel. Untuk sawah tipe seri dengan 30 petak dan lebar petak 3 meter dan 5 meter, nitrat terbuang minimum terjadi mulai petak ke 28 dan 22 (disajikan pada Gambar 3), sedangkan nilai konsentrasi masing-masing outlet petak disajikan pada Lampiran 1.
Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
7
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 no petak Seri 30-3
Seri 30-5
Gambar 3. Penurunan nilai konsentrasi nitrat terbuang dari outlet tiap petak Dengan simulasi ini dapat dideteksi konsentrasi nitrat terbuang dari outlet masing-masing petak, sehingga dapat diperoleh informasi awal nitrat terbuang yang dapat dimanfaatkan oleh petak-petak berikutnya. Informasi nitrat terbuang inilah yang dapat diharapkan dapat dipergunakan untuk perancangan pada sistem sawah tipe seri dalam aplikasi pemupukan serta meningkatkan efisiensi pemupukan dengan meminimumkan nitrat terbuang. Untuk sawah tipe paralel simulasi perhitungan dengan program MS Excel, nilai konsentrasi outlet masing-masing petak disajikan pada Lampiran 1, sedangkan untuk sawah 30 petak dan lebar petak 3 meter dan 5 meter, diperoleh nitrat terbuang pada saluran drainase sebesar 13.716 kg-N/masa tanam dan 10.758 kg-N/masa tanam. Dengan
prosedur
yang
sama
dapat
juga
dilakukan
simulasi
untuk
meminimumkan total konsentrasi nitrat terbuang dengan mengubah parameterparameter jumlah petak dan lebar petak. Berdasar simulasi ini didapatkan kemungkinan efisiensi pemupukan optimum yang dipergunakan sebagai informasi dasar dalam perancangan petak sawah yang berwawasan lingkungan, dimana efisiensi pemupukan tinggi dan rendah polusi. DAFTAR PUSTAKA Anonimus, 2001. Studi Kualitas Air dan Prospek Konservasi Air Irigasi pada Daerah Irigasi Asem Siketek Kabupaten dan Kota Pekalongan. Fakultas Teknologi Pertanian IPB Bogor. Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
8
Bittinger, ML., 1976. Calculus : Modeling Approach. Addison-Wesley Publishing Co. California-London-Sydney. Ishikawa, M.,1989. Maximizing and Controlling the Function of Nitrogen Removal in Watershed. Proceeding of International Workshop on Sustainable Resource Management for Cidanau Watershed. July 25th,1999. Jain, CK., 2000. Application of Chemical Mass Balance Approach to determine Nutrient Loading. In Hydrological Science Journal. Vol. 45 No. 4. International Association of Hydrological Science (IHAS) Press, Center of Ecology and Hydrology, Wallingword, Oxfordhire OX10BB, UK. Stroud, KA., 1996. Matematika Untuk Teknik. Penerbit Erlangga, Jakarta. Suhatmono, 2003. Model Pendugaan Nitrat dan Fosfat Terbuang dari Petak Sawah Beririgasi. Tesis PascaSarjana IPB (tidak dipublikasikan). Wallach, R., 1993. Approximate Analytical Solution for Soil Chemical Transfer to Runoff : A Modified Boundary Condition. Water Resources Research, Vol. 29. No. 5., The Seagram Center for Soil and Water Science, Faculty of Agriculture, The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot, Israel. Wilrich, TL., and Geroge E Smith., 1970. Agricultural Practices and Water Quality. The Iowa State University Press, IOWA. Lampiran 1. Konsentrasi nitrat terbuang dari masing-masing outlet petak sawah.
Petak ke
Konsentrasi Nitrat Terbuang PARALEL (30 petak) SERI (30 petak) Lebar Lebar Lebar Lebar 5 3 meter meter 3 meter 5 meter
1
4.16
4.16
3.58
3.239
2
3.58
3.239
3.081
2.523
3
2.6525
1.965
2.652
1.965
4
1.6913
0.928
2.283
1.53
5
0.928
0.341
1.965
1.191
6
0.4384
0.0978
1.691
0.928
7
0.1782
0.021
1.455
0.722
8
0.06238
0.003
1.252
0.562
9
0.0187
1.078
0.438
10
0.00487
0.928
0.341
11
0.00108
0.789
0.265
12
0.000208
0.687
0.207
13
3.45E-05
0.591
0.161
14
4.91E-06
0.509
0.125
15
6.01E-07
0 5.41E05 4.44E06 2.84E07 1.41E08 5.48E10 1.66E11
0.438
0.097
Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
9
16
6.34E-08
17
5.75E-09
18
4.49E-10
19
3.02E-11
20
1.74E-12
21
8.69E-14
22
3.72E-15
23
1.37E-16
24
4.38E-18
25
1.19E-19
26
2.80E-21
27
5.67E-23
28
9.88E-25
29
1.48E-26
30
1.91E-28
3.89E13 7.13E15 1.02E16 1.13E18 9.77E21 6.59E23 3.46E25 1.41E27 4.50E30 1.11E32 2.15E35 3.23E38 3.79E41 3.45E44 2.45E47
0.377
0.076
0.324
0.059
0.279
0.046
0.24
0.035
0.207
0.028
0.178
0.021
0.153
0.017
0.132
0.013
0.113
0.01
0.097
0.008
0.084
0.006
0.072
0.004
0.062
0.003
0.053
0.002
0.046
0.002
Paper Mandiri untuk Matakuliah Falsafah Sains PPS 702 (diasuh oleh : Prof. Dr. Rudy Ch. Tarumingkeng)
