Kuliah ke 9
Retensi air Tanah
Retensi Air Tanah
• Retensi air tanah (model pencelupan) (sponge
model).
• Molekul air berkutub berikatan sesamanya.
(cohesion)
• Molekul air bertarikan pada permukaan tanah
(adhesion)
• Air terpegang dalam ruang pori oleh kekuatan
itu
• Karena ukuran ruang pori meningkat, ruang
pori mengering.
• Ketersediaan air berhubungan dengan tekstur
tanah.
• Ruang pori tanah biasanjya sebagian keciil diisi air.
Ketika semua pori diisi air dikatakan tanah jenuh. Pada
kondisi tidak jenuh terjadi bila air sekarang hanya
berada dalam ruang pori lebih halus sedangkan pori
besar diisi oleh udara. Gejala ini dijelaskan dengan
mempertimbangkan proses kapilaritas. Ketika ruang pori
kapiler berukuran berbeda ditempati air, maka air akan
naik pada level paling tinggi pada ruang pori kapiler
yang paling kecil (Gambar 1). Lebih kecil ruang pori
kapiler maka lebih besar isapan yang perlu diadakan.
Ternayat dalam cara lain, head tekanan(h) lebih negatif
dalam ruang ruang kapiler lebih kecil. Lebih banyak
membutuhkan energi untuk memindahkan air dari ruang
pori kapiler lebih kecil daripada ruang pori lebih besar.
Hal ini penting mengetahui seberapa kekuatan air
dipegang oleh tanah oada waktu tertentu, karena ini
menguasai tidak hanya laju pergerakan air tetapi juga
ketersediaan air bagi tanaman
Gambar 1. Air tertarik kedalam pipa kapiler ketika ruang kapiler ditempatkan
dalam air. . Water is pulled up into a capillary when the capillary is placed in
water; Ini menggambarkan bahawa ruang pori kecil pada tanah tidak jenuh
memegang lebih banyak air dari ruang pori lebih besar. Pada gilirannya lebih
sulit memindahkan air dari ruang pori kecil dari ruang pori besar.
• Isapan paling baik diukur dengan
tensiometer, bentuk paling sederhana
terdiri dari air mengisi cawan keramik
berpori yang berkontak dengan tanah,
(Gambar 2). Pada pertama, level air
berada ujung terbuka dari tensiometer
menyesuaiakan dengan level air dari
cawan berpori. Secara berangsur, air akan
dukasai oleh tanah tidak jenuhy. Ini
menjadi lebih sulit karena level pada
ujuang terbuka dari tebsiometer
berkurang.
Gambar 2.Diagram skematik dari tensiometer paling sederhana. Pada
keseimbangan, air tanah sekitar cawan berpori mempunyai tekanan
setinggi h cm. Dalam pratek , tensiometer digunakan di lapang.
• Prinsip itu tidak hanya digunakan untuk mengukur
kondisi energi aktual, dengan tensiometert. Tetapi dapat
menghasilkajn data buatan dalam sampel tanah untuk
mrenentukan berapa banyak air dipegang pada tanah
berbeda pada level energi spesifik. Perbedaan antara
tanah adalah karena perbedaan distribusi ukuran pori.
Alat yang digunakan terdiri dari lempeng berpori yang
diatur tekanan atau isapan dengan berbagai seri
tekanan. Sampel tanah jenuh ditempatkan pada
lempeng tekanan dan kadar air tanah diukur pada
beberapa isapan. Kemudian didapatkan kurva ciri air
pada titik berbeda. (Gambar 3).
• Kadar air pada tiap beberapa isapan didapatkan dengan
memindahkan kembal sampel tanah dari alat lempeng
berpori dan timbang sampel sebelum dan sesudah
pengeringan oven untuk menentukan seberapa banyak
air yang dipegang oleh tanah pada isapan.
2.3.1 Kadar Kelembaban Tanah
• Kadar kelembaban tanah menunjukkan jumlah
persentase air dalam tanah.
• Nilai itu dinyatakan sebagai jumlah air ( dalam
mm kedalaman air) yang ada dalam kedalaman
satu meter tanah. Contoh : Bila sejumlah air
(dalam mm kedalaman )adalah 150 mm yang
ada dalam mkedalaman 1 meter tanah, kadar
kelembaban adalah 150 mm/m (lihat Gambar
36.)
Gambar . 36. Kadar air tanah adalah 150
mm/m
• Kadar air tanah juga dinyatakan dalam persen
volume. Pada contoh di atas 1m3 tanah
(umpama dengan kedalaman 1m, dan
kedalaman dan luas permukaan 1 m2
)mengandung 0,150 m3 air (dengan
kedalaman 150 = 0,150 mm dan luas
permukaan 1 m2). In hasil dalam kadar air tanah
dalam volume.
• Jadi kadar kelembaban 100mm/m sesuai
dengan kadar kelembaban 100 10 persen
v0lume.
Catatan : sejumlah air yang disimpan didalam
tanah tidak tetap dengan waktu, tetapi mungkin
bervariasi.
2.3.2 Kejenuhan
•
•
•
Selama hujan besar atau pemakaian irigasi, ruang pori akan berisi dengan
air. Jika semua pori diisi dengan air maka tanah tanah dikatakan
jenuh. Tidak ada uadar yang tinggal dalam tanah (lihat Gambar 37 a).
Ini mudah menentukannya di lapang jika tanah dijenuhkan. Jika
memegang tanah tanah jenuh akan (squeezed) , beberapa air air akan
keluar antara jari.
Tanaman membutuhkan udara dan air dalam tanah. Pada keadaan
jenuh, tidak ada udara dan tanaman akan terganggu. Banyak tanaman
tidak bisa berdiri pada kondisi tanah jenuh untuk periode waktu lebih
dari 2-5 hari. Tanaman padi merupakan satu tanaman pengecualian
dalam aturan ini. Pada periode jenuh dari lapisan atas biasanya tidak
beralngsung lama . Setelah hujan atau irigasi berhenti, bagian air yang
ada daqlam ruang pori besar akan bergerak ke bawah. Proses ini
dinamakan drainase atau perkolasi.
Air dikeringkan dari ruang pori digantikan oleh udara . Pada tanah
berekstur kasar(berpasir), drainse itu akan sempurna dengtan periode
waktu beberapa jam. Pada tanah bertekstur halus (berliat) drainse
dapat merncapai 2-3 hari.
2.3.3 Kapasitas Lapang
• Stelah drainase berhenti, maka ruang pori
tanah yang besar akan diisi dengan udara
dan air sedangkan ruang pori kecil masih
penuh beriswi air. Pada tahap ini , tanah
dikatakan berada pada kapasitas lapang.
Pada kapasitas lapang, kadar air dan
udara dipertimbangkan ideal bagi
pertumbuhan tanaman (lihat Gambar 37
b).
Gambar. 37. Ciri Ciri Kelembaban Tanah
2.3.4 Titik Layu Permanen
• Sedikit demi sedikit, air yang disimpan dalam tanah
diambi9l oleh akaqr tanaman.atau berevaporasi dari
lapisan atas ke atsmosfir, jika tidak ada air tambahan
diberikan ke tanah, maka air berangsur dikeringkan.
Pengeringan tanah menjadi berlangsung terus, maka
pegangan air sangat kuat dan sangat sulit akar
atanaman mengambilnya. Pada tahap ntertentu,
pengambilan air tidak mencukupi kebutuhan tanaman.
Tanaman kehilangan kesegarannya dan akan layu,
maka daun berobah dari hujai menjadi kuning. Akhirnya
tanaman mati.
• Kadar air pada tahap dimana tanamanmati dinamakan
titik layu permanen. Tanah masih mengandung
beberapa air, tetapi terlalu sedikit untuk perakaran
tanaman mengambilnya dari tanah. (Gambar 37 c).
2.4 Kadar air Tersedia
• Tanah dapat dibandingkan pada suatu reservoar air
untuk tanaman. Bila tanah itu jenuh, maka reseorvoar
juga penuh. Walaupun, beberapa air mengering secara
cepat kebawah zona perkaran sebelum tanaman dapat
menggunakannya. (Gambar 38 A) ).
• Bila air telah mengering keluar, tanah dikatakan
kapasitas lapang. Perakaran tanaman menarik air dari
air yang tinggal dalam rservoar (Gambar 38
• Bila tanah mencapai titik layu permanen, maka air yang
tinggal tidak lama tersedia bagi tanaman (lihat Gambar
38 C).
Gambar. 38a. Jenuh
Gambar. 38b. Kapasitas lapang
Gambar. 38c. Titik Layu Permanen
• Jumlah air sebenarnya tersedia bagi
tanaman adalah jumlah air yang disimpan
pada kapasitas lapang dikurangi air yang
tinggal dalam pada titik layu permanen Ini
digambarkan pada Gambar 39.
Gambar. 39. Kelembaban air tersedia
atau kadar air tersedia.
• Kadar air tersedia begantung sangat
kepada tekstur dan struktur tanah. Kisaran
nilainya beravariasi dengan jenis tanah
berbeda yang dilihat pada Tabel berikut:
• Kapasitas lapang, titik layu permanen, dan
kadar air tersedia dinamakan Ciri
kelembaban tanah. Ciri itu kosntan untuk
tanah tertentu, tetapi bervariasi besar dari
jenis tanah yang satu ke tanah lain.
• Kadar air tersedia = Kapar air pada
kapasitas lapang – kadar air pada titik layu
permanen.
Tanah
Air tersedia dalam mm kedalaman
air per m kedalam tanah (mm/m)
Pasir
25 to 100
Debu
100 to 175
Liat
175 to 250
Hisapan dan Tegangan
• Potensial matrik dan osmotik adalah negatif.
Kedua gaya pengikatan molekul air dalam
tanah tersebut menurunkan energi air tanah,
yang mengakibatkan adanya hisapan atau
tegangan yang dialami oleh air tanah.
Pengertian ini menunjukkan adanya tenaga
yang bertanggungjawab terhadap pengikatan air
di dalam tanah atau sebaliknya tenaga harus
dikeluarkan untuk mengambil air tanah. Istilah
hisapan lebih menguntungkan karena dapat
dinyatakan dalam satuan positif.
Status Kadar Air Tanah
• Status kadar air tanah paling baik
dinyatakan dalam istilah potensial air (PF
), karena kandungan air yang sama pada
tanah yang berbeda mempunyai derajat
ketersediaan air yang berbeda pula.
Tanah lempung mengandung air 20 %
volume akan menjadi kering, sedangkan
pada tanah pasir dengan kandungan 20 %
volume, tanah akan dibasahi sampai
basah
Kapasitas lapang ( KL)
• Jumlah air maksimum yang mengering secara bebas
dipegang secara biasa dinamakan kapasitas lapang (
KL). KL terjadi pada waktu hujan dan setelah drainase
bebas terhenti. Kapasitas lapang merupakan kadar air
yang unik pada keadaan dimana tanah mencapai dan
memelihara kandungan airnya setelah tanah dibasahkan
dan dibiarkan mengering bebas untuk satu atau dua
hari. Karena sebahagian besar tanah tidak mengering
pada kadar air tetap dan kemudian menjaganya secara
tidak tetap, kapasitas lapang merupakan suatu konsep
yang diidealisasikan.
Jumlah kandungan air kapasitas
lapang bergantung pada
• Distribusi partikel tanah; partikel tanah yang halus mempunyai
permukaan spesifik lebih besar dan lebih banyak air diserap.
• b. Struktur tanah. Lebih banyak pori-pori halus lebih tinggi
kandungan air kapiler.
• c. Kandungan bahan organik; mempunyai pengaruh spesifik lebih
tinggi dan pori lebih porous, lebih tinggi kadar air.
• d. Jenis koloid; Koloid humus memegang banyak air dari koloid liat.
• Humat> humin>fulvat
• Liat yang mengembang (monmorillonit>vermikulit>mineral transisi)
lebih banyak memegang air daripada mineral liat yang tak
mengembang (illit>khlorit>kaolinit).
• e. Jenis kation terserap; Perbedaan hidrasi antara kation tersebut
yang mengakibatkan perbedaan pada kandungan air kapasitas
lapangnya.
•
Na>K >Mg>Ca
Titik Layu Permanen (TLP)
• Ttitki Layu Permanen (TLP) adalah kandungan air yang banyak
tanaman layu secara permanen (kecuali tanaman xerophit dan
holophit). Hal ini terjadi karena tegangan turgor gagal untuk
menutup lagi bahkan bila dipindahkan dalam udara yang dijenuhkan
dengan air. Pada TLP = 15 bar (pF 4,2). Prosentase kadar air pada
titik layu permanen adalah kadar air yang unik dimana pada waktu
penyerapan air oleh tanaman telah berhenti.
• Jadi prosentase kadar air layu permanen merupakan konsep yang
diidealkan dan berdasarkan pada assumsi bahwa di bawah kadar
air tertentu tanaman akan layu dan tidak dapat hidup lagi. Kadar air
semua tanah pada titik layu permenen bervariasi antara jenis tanah,
tetapi diassumsikan bebas dari jenis tanaman.
• Pada kenyataannya. titik layu permanen itu tidak hanya bergantung
kepada tanah tetapi juga pada tanaman dan cuaca. Konsep yang
diidealisasikan itu merupakan pendekatan yang bagus untuk
sebagian tanah, tanaman dan kondisi iklim.
Kapasitas Air Tersedia (KAT)
• Kapasitas Air Tersedia (KAT) adalah jumlah air yang
dipegang antara KL dan TLP atau air tersedia tanaman.
Tanaman tak dapat mengambil air dalam melawan
tekanan isapan melebihi - 15 bar. Sedangkan diatas KL
terjadi kelebihan air yang berangsur secara gravitasi
pada tanah tanpa dihalangi oleh lapisan impermeabel.
Pada pF 0, tanah jenuh atau hampir jenuh air, dimana
pada saat ini semua ruang pori diisi penuh dengan air.
Seperti pada tanah hidromorfik sehingga aerase tanah
dipengaruhi dan pertumbuhan tanaman dibatasi. Tapi
begitu lama aerasi tak merugikan lagi karena air secara
lambat bergerak secara perkolasi sehingga dapat
dipertimbangkan suatu keadaan tersedianya air bagi
tanaman secara luas pada selang KAT yakni pF 1,7 (0,05 bar) sampai pF 4,2 (15 bar).
60
Soil water, %
50
Field moisture capacity
40
Available water
30
Permanent wilting
percentage
20
10
0
Loamy Loamy Sandy
sand
fine
loam
sand
Loam
Silt
loam
Silty
clay
loam
Soil Texture
Muck
Peat
• Kapasitas retensi maksimum (Maximum retentive capacity)
adalah jumlah air yang dipegang oleh tanah pada keadaan jenuh.
Semua pori diisi oleh air.
• Kapasitas lapang (Field capacity) adalah jumlah air yang
dipegang tanah setelah air berlebihan dikeringkan oleh gaya
gravitasi dan pergerakan kebawah telah berhenti.
• Keseimbangan kelembaban (Moisture equivalent) adalah jumlah
air yang dipegang tanah setelah kelebihan air dipindahkan oleh
gaya sentrifugal.
• Koefisien higroskopis (hygroscophic coefficient) adalah jumlah
air yang diserap oleh tanah dari atsmosfir kelembaban relatif
diketahui. Jumlah air bervariasi bergantung kepada metoda dan
kelembaban relatif pada saat ditentukan. Sebagian besar ahli tanah
di AS menggunakan 3,3 % H2SO4 yang memberikan kira-kira
kelembaban realtif 98 %.
• Kering udara (Air dry) adalah kelembaban pada tanah kering
udara atau tanah pada kseimbangan dengan atsmosfir.
• Kering oven (Oven dry) adalah kelembaban yang tinggal dalam
tanah setelah tanah dikeringkan dalam oven pada suhu 105-110 oC
sampai tidak ada lagi air hilang.
Klasfikasi Fisik kelembaban
tanah
• Konstanta kelembaban dan derajat
tegangan relatif telah digunakan untuk
mengklasifikasikannya. Seperti klasifikasi
dari banyak bentuk air tanah bardasarkan
titikpandang dari fisika murni yang hanya
berhubungan dengan derajat tegangan
atau dari titikpandang biologis yang
berhubungan dengan respon tanaman.
Klasifikasi fisik ada tiga bahagian yakni;
• Air bebas (Free water); adalah air dipegang antara pF 0
dan 2,54. Suatu tanah jenuh mengandung air bebas.
• Air kapiler (Capillary water) ; Air yang menempati
ruang pori mikro dan dinding-dinding pori makro. Air
yang dipegang pada pF 2,54 dan pF 4,5 atau air yang
dipegang antara kapasitas lapang dan koefisien
higroskopis (1/3 atm-31 atm). Air bergerak lambat
melalui penyesuaian tebal lapisan air. Air berfungsi
sebagai larutan tanah dan sebagian tersedia bagi
tumbuhan.
• Air higroskopis (Hygroscopic water); adalah air yang
dipegang pada koefisien higroskopis (pF 4,5). Air ini
menempati ruang pori sangat kecil dan menyelimuti
partikel tanah yang ditahan pada tegangan 31 – 10,000
atm. Air sebagain besar bersifat non cairan, bergerak
dalam bentuk uap dan tidak tersdia bagi tumbuhan.
• Klasifikasi biologi Kelembaban tanah
•
Klasifikasi biologi ditetapkan jenis air tanah
agak berbeda. Perbedaan yang sama dalam
beberapa dalam beberapa perhatian. Ada tiga
jenis air tanah dikenal dalam klasifikasi biologi;
• Air berlebihan (superfluous water) ; adalah air
pada tanah jenuh yang tidak berguna bagi
tanaman biasa. Air itu berhubungan dengan air
bebas. Air ini tidak berguna bagi tumbuhan
karena berpengaruh buruk antara lain
mengakibatkan keadaan aerasi yang buruk bagi
akar tumbuhan, bakteri-bakteri amonifikasi,
nitrifikasi N, serta pencucian hara ke lapisan
yang lebh dalam atau keluar profil tanah.
• Air tersedia (Availability water) adalah total jumlah air yang ada
dalam tanah pada kapasitas lapang dan titik layu permanen (atau
antara pF 2,54 dan pF 4,2). Air ini tersedia bagi tanaman. Sebagain
besar merupakan air kapiler. Apakah air ini tersedia dapat secara
langgeng dapat diambil tumbuhan, bergantung kepada jenis
tumbuhannya dan bagian profil tanah yang dijangkau akar.
• Kenyataan menunjukan bahwa untuk pertumbuhan optimum, air
sudah harus ditambahkan bila 50 sampai 85 % air tersedia telah
habis terpakai. Air yang tersedia berada dekat pF 2,54 dinamakan
air segera tersedia (air tersedia cepat), sedangkan air tersedia yang
berada dekat tegangan kelembaban pF 4,2 dinamakan air tersedia
lambat sehingga tidak bisa mengimbangi keperluan tumbuhan.
• Air tak tersedia (unavailability water) adalah air yang dipegang
pada lebih besar pF 4,2 atau jumlah air dibawah titik layu permanen.
Air ini tidak tersedia bagi sebagian besar tanaman biasa. Air meliputi
sebagian air kapiler dan seluruhnya air higroskopis.Air kapiler
tersebut sebagian masih dapat diambil oleh tanaman tetapi
jumlahnya terlalu sedikit untuk menghindari kelayuan, kecuali untuk
tumbuhan daerah kering. Kegunaan air ini untuk bakteri dan jamur
penting, tetapi pertumbuhannya tidak sebaik bila keadaan air lebih
baik.
Potensial Air Tanah
Berdasarkan dari banyak pengalaman dapat disimpulkan
bahwa penetapan kadar air tanah belum cukup hanya
menentukan seluruh status air dalam tanah saja, tetapi
juga ada satu kebutuhan untuk menentukan beberapa
sifat-sifat lain yang berhubungan dengan air tanah itu
karena antara lain;
Tanah yang telah diperlakukan dengan cara yang sama
mempunyai kadar air yang berbeda (lihat Tabel 5.8).
Tanaman sering tumbuh secara berbeda pada tanah
berbeda bahkan tanah itu mempunyai kadar air yang
sama.
Jika tanah dengan kadar air yang sama tetapi teksturnya
berbeda ditempatkan dalam hubungan satu dengan
lainnya, air biasanya akan mengalir dari tanah yang
satu ke tanah yang lain. Pada umumnya, air akan
mengalir dari tanah yang bertekstur kasar ke tanah
yang bertekstur halus.
. Potensial air Tanah Total
• Potensial air lebih mudah dimengerti jika kita
memecahnya menjadi komponen-komponen potensial.
Untuk potensial air, yw, kita tulis;
 yw =yp +ys+ym
• Dimana ; y w
=
Potensial air
•
yp
=
Potensial tekanan
•
y s = Potensial larutan (solute)
•
ym = Potensial matrik
• Jika potensial gravitasi, y z , dikombinasikan dengan
potensial air akan memberikan potensial air total, yt
 y t = y w + y g.
• Semua potensial ditetapkan dengan menganggap
satuan jumlah air; satuan potensial akan bergantung
kepada cara kita menentukan satuan jumlah air. Satuan
potensial sesuai dengan tiga metoda penentuan satuan
jumlah air yang diberikan di bawah sistem SI (Standard
International) adalah; .
• Jika jumlah air dinyatakan sebagai massa, maka satuan
potensial adalah ergs/gr.
• Jika jumlah air dinyatakan sebagai volume, maka satuan
potensial adalah dyne/cm2 (sama dengan satuan
tekanan).
• Jika jumlah air dinyakatan dengan satuan berat, maka
satuan potensial adalah cm air.
•
Konversi dari satu pasangan satuan ke satuan lain
diselesaikan dengan mengalikan atau membagi dengan
faktor konversi yang cocok.
Potensial Gravitasi -(yz )
• Berat adalah suatu metoda yang paling cocok dalam
menentukan satuan air. Dalam hal ini ,yz adalah
perbedaan elevasi dari satu titik tertentu dan titik
referensi. Jika titik tertentu itu diatas referensi, maka yz
adalah posistif.; jika titik itu berada di bawah referensi,
maka yz adalah negetif. Jadi potensial gravitasi itu
bebas dari sifat tanah; dan nilainya hanya bergantung
kepada jarak vertikal antara referensi dan titik itu.
Elevasi referensi biasanya dipilih tidak beraturan. ini
membuat besaran potensial gravitasi hampir kurang
berarti. Kita biasanya tertarik pada perbedaan potensial
antara dua titik pada kasus dimana membuatnya tidak
berbeda. dimana referensi yang dipilih
. Potensial Matrik, (ym ).
• Potensial matrik dihubungkan dengan kekuatan penyerapan matrik
tanah ( potensial matrik). Jika satuan jumlah air dinyatakan dengan
berat, maka ym pada titik berada pada jarak vertikal antara titik itu
dalam tanah dan permukaan air dari suatu manometer yang diisi
dengan air dan dihubungkan pada titik tertentu pada tanah melalui
cawan keramik (lihat Gambar 5.6a).
•
Potensial matrik dihubungkan dengan tarikan permukaan
padatan terhadap air yang sama dengan tarikan antara permukaan
molekul air sayu dengan lainnya. Potensial matrik juga dapat
dinamakan potensial kapiler.
•
Potensial matrik merupakan suatu sifat dinamis tanah. Pada
tanah jenuh, ym adalah nol. ( Dalam teori, ym adalah nol pada
tanah jenuh; walaupun kejenuhan tanah jarang yang sempurna dan
ym ,yang dalam praktek mempunyai nilai negatif). Hillel (1980)
menyatakan Potensial matrik dapat dirumuskan seperti persamaan
5.10.
 ym = -1/w . Im
 y m = potensial matrik; w = BD air dan
Im = Isapan matrik
• Dalam teori, potensial matrik dapat diukur
dengan alat tensiometer yang terlihat pada
Gambar 5.6.
•
• Suatu cawan keramik tak berkaca
ditanamkan dalam tanah yang
dihubungkan dengan manometer
membentuk sebuah tensiometer. Potensial
matrik air tanah pada cawan adalah jarak
vertikal dari pusat cawan ke level air di
manometer. Contoh situasi itu yang
digambarkan, dimana ym = -15 cm.
Hg
ym = - ZHg __________ + Z
•
w
•
Dimana ; Hg adalah kerapatan merkuri (BD)
(13,6 g/cm3) dan w adalah kerapatan air (BD)
(1,0 gr/cm3). Jadi rumus dapat ditulis
ym = - 13,6 ZHg + Z.
Potensial Tekanan (yp ).
• Dibawah kondisi lapang, potensial tekanan ,yp ,
menggunakan tanah hampir jenuh. Jika jumlah air
dinyatakan atas dasar berat, kemudian , yp adalah jarak
vertikal dari titik tertentu dalam tanah ke permukaan air
dari sebuah piezometer yang dihubungkan dengan titik
tertentu
Potensial Larutan (Solute)
• Potensial larutan timbul karena adanya bahan-bahan
terlarut seperti garam, dalam larutan tanah dan ada
membran semi permeable dalam sistem.
• Membran semi permeabel itu merupakan suatu bahan
yang mengizinkan air mengalir tetapi tidak mengizinkan
garam melewatinya. Pada sistem air tanah, ada dua
memberan semi permeabel yang penting.
• Dinding sel dalam akar; memberan itu tidak sempurna
karena beberapa garam dapat melewatinya, sehingga
masuk ke akar.
• Ruang antar air tanah; merupakan memberan hampir
sempurna.
Pengukuran Kadar Air dan
Potensial Air Tanah
Kadar air Tanah
•
Kadar air volume ditetapkan sebagai volume air
yang dihubungkan dengan volume tanah kering, θv
(biasanya 1 m3). Kadar air dapat dibandingkan
dengan kadar air massa (θm). Karena di lapang kita
memperkirakan sistem perakaran sebagai eksplorasi
kedalaman tanah tertentu, dan karena menyatakan
curah hujan sebagai kedalaman air (umpama dalam
mm hujan). Jadi sering dinyatakan dalam kadar air
volumetrik sebagai rasio kedalaman (kedalaman air
persatuan kedalaman tanah). Pengukuran
kandungan air ini dapat dilakukan dengan metoda
gravimetrik, blok tahanan listrik, penyebaran
neutron, metoda penyerapan dengan sinar gamma,
dan Time Domain Reflectometry
•
. Pengukuran
1. Metoda Gravimetrik
• Metoda gravimetrik ini merupakan metoda pengukuran kandungan
air langsung dan merupakan metoda yang standard untuk
mengkalibrasikasn semua metoda pengukuran tidak langsung. Air
ditentukan dari massa air terhadap massa tanah kering. Suatu
contoh tanah lembab ditimbang kemudian dikeringkan dalam oven
pada suhu 105 o C untuk selama 24 jam dan akhirnya ditimbang
lagi. Kehilangan berat mewakili air tanah.
• Metoda gravimetrik adalah metoda destruktif (contoh tanah harus
dipindahkan untuk tiap pengukuran) dan tidak dapat diukur secara
otomotis, oleh karena itu tidak cocok untuk memonitoring perobahan
kandungan air tanah. Berberapa metoda pengukuran kelembanban
tanah tidak langsung adalah tidak destruktif, mudah diukur secara
otomotis dan sangat berguna di lapangan.
• Kelemahan metoda ini; adalah banyak menemui kesalahan dalam
pengukuran yang tak dapat dielakkan karena penentuan berat yang
berulang-ulang pada periode waktu yang kurang dari 24 jam.
Kesalahan dapat dikurangi dengan memperbanyak jumlah contoh
tanah.
2. Metoda Blok Tahanan Listrik
• Metoda ini menggunakan blok kecil dari gypsum, nilon,
atau fiberglas berpori yang dipasang elektroda. Bila blok
ditempatkan pada tanah lembab, maka blok akan
menyerap air dalam proporsi yang sama dengan kadar
air tanah. Tahanan untuk mengalirkan listrik antara
elektroda yang dipasang berkurang secara proporsional.
Keakuratan dan kisaran kadar air yang diukur dengan
alat ini terbatas
• Walaupun alat itu tidak mahal dan dapat digunakan
untuk mengukur perobahan kadar air selama satu atau
lebih musim pertumbuhan. Alat dapat dihubungkan
dengan tombol elektronik dalam sistem irigasi yang
dapat dihidup dan dimatikan secara otomatis pada level
kelembaban tanah yang dipasang.
Blok Tahanan Listrik
3. Metoda Penyebaran neutron (Neutron
Scattering Method)
• Sebuah probe penyebaran neutron, yang direndahkan ke dalam
tanah melalui tabung akses yang terpasang lebih dahulu
mengandung sumber netron cepat dan sebuah detector untuk
mencatat neutron lambat. Ketika neutron cepat bertumburukan
dengan atom hydrogen (bagian dari molekul air), maka
kecepatan neutron akan berkurang dan menyebar menjadi
neutron lambat. Jumlah neutron lambat tercatat pada detector
sama dengan kadar air tanah. Alat ini dikalibrasikan dengan
kadar air tanah untuk jenis tanah tertentu, maka alat itu cocok
dan memberikan hasil yang akurat untuk tanah mineral (Tabel
5.8). Walaupun, pada tanah organik, metoda itu kurang tepat
karena neutron bertubrukan dengan banyak atom hydrogen
yang berkombinasi dengan bahan organik lebih suka daripada
dalam air.
Neutron Probe
Neutron Probe
Metoda penyerapan dengan Sinar
Gamma
•
•
•
•
Penggunaan metoda ini dapat menentukan kadar air tanah dan bobot isi
tanah setiap waktu pada kedalaman tanah yang kita inginkan. Alat ini terdiri
dari dua bahagian yang terpisah yakni;
Probe atau sumber neutron, biasanya probe ini mengandung Cesium
radioaktif ( 137Cs) yang selalu memancarkan sinar Gamma dengan energi
0,661 me V (milli electron Volt).
Detektor; alat untuk mencatat jumlah kilatan yang dihubungkan dengan
fotomultiflier dan pre amplifier.
Jika pemancaran sangat giat dan menyebar secara radial, ruangan antara
sumber kosong dan jarak persatuan satuan konstan, maka fraksi radiasi
yang disebarkan akan diterima oleh detector. Banyaknya radiasi yang
diterima akan bergantung kepada sudut perpotongannya, jaraknya dan
ukuran dari satuan kilatan sinar tersebut. Dengan kata lain radiasi yang
diterima bergantung ruang antara bahagian yang diisi dengan beberapa
bahan, fraksi radiasi yang dicatat detector akan diserap dari massa bahan
tadi (ketebalan bahan). Bahan yang ditempatkan antara sumber neutron
dan detector adalah tubuh tanah yang konstan kerapatannya, maka
intensitas radiasi yang dipindahkan akan bervariasi dengan perobahan
kadar air tanah.
5. Time-Domain Reflectometry.
• Suatu teknik yang relatif baru yang dikenal sebagai TimeDomain Reflectometry (TDR) mengukur dua parameter ; 1)
Waktu yang menyebabkan getaran(gelombang)
elektromagnetik bergerak turun pada dua kawat transmisi
logam yang sejajar yang dibenamkan dalam tanah, dan 2)
Derajat keluaran getaran sebagai dampaknya dengan tanah
pada ujung dari garis itu. Waktu pemindahan dihubungkan
dengan konstanta dielektrik tanah sebenarnya, yang mana
pada putaran adalah prporsi jumlah air dalam tanah. Keluaran
sinyal dihubungkan dengan level garam dalam larutan tanah.
Jadi TDR ini dapat mengukur kelembaban dan salinitas tanah.
• Gelombang TDR adalah portable (dimasukan ke dalam tanah
untuk tiap pembacaan) atau dapat dipasang dalam tanah pada
berbagai kedalaman dan dihubungkan dengan kawat pada
sebuah kotak yang dihubungkan dengan pencatat data
komputer untuk memonitor kandungan air tanah.
Time-Domain Reflectometry
Pengukuran Potensial Air Tanah
• Metoda-metoda yang tersedia untuk mengukur
potensial matrik sama dengan metoda
pengukuran potensial air tanah. Untuk
mengukur potensial matrik di lapang digunakan
alat tensiometer dan di laboratorium sering
menggunakan pressure plate apparatus dan sel
ekstraksi tekanan udara. Total potensial air
didapat dari pengukuran keseimbangan tekanan
udara dari air tanah yang diukur dengan alat
Thermocouple Psychrometer.
1. Tensiometer
• Tensiometer terdiri dari cawan keramik berpori dan dihubungan
dengan sebuah tabung ke manometer. Semua bagian tabung diisi
air. Bila cawan keramik ditempatkan di dalam tanah untuk
melakukan pengukuran, maka jumlah air yang ada di sisi cawan
keramik menjadi penghubung hidrolik dan cendrung
menyeimbangkan potensialnya dengan air tanah melalui pori-pori
dinding keramik. Bila pada mulanya cawan kermik ditempkan di
dalam tanah, maka air yang dikandung tensiometer biasanya
bertekanan 1 atsmosfir.
• Tekanan air tanah umumnya di bawah 1 atsmofir dan
menggunakan isapan untuk mengeluarkan sejumlah air
tertentu dari tensiometer, sehingga akan menyebabkan berada
pada tekanan hidrostatikanya. Tekanan ditunjukkan oleh
manometer atau tabuing yang berbentuk U yang diisi dengan
air raksa atau manometer vakum.
Pengukuran Kadar Air dan
Potensial Air Tanah
• . Pengukuran Kadar air Tanah
•
Kadar air volume ditetapkan sebagai volume air yang
dihubungkan dengan volume tanah kering, θv (biasanya 1 m3).
Kadar air dapat dibandingkan dengan kadar air massa (θm).
Karena di lapang kita memperkirakan sistem perakaran sebagai
eksplorasi kedalaman tanah tertentu, dan karena menyatakan
curah hujan sebagai kedalaman air (umpama dalam mm hujan).
Jadi sering dinyatakan dalam kadar air volumetrik sebagai
rasio kedalaman (kedalaman air persatuan kedalaman tanah).
Pengukuran kandungan air ini dapat dilakukan dengan metoda
gravimetrik, blok tahanan listrik, penyebaran neutron, metoda
penyerapan dengan sinar gamma, dan Time Domain
Reflectometry
1. Metoda Gravimetrik
• Metoda gravimetrik ini merupakan metoda pengukuran kandungan
air langsung dan merupakan metoda yang standard untuk
mengkalibrasikasn semua metoda pengukuran tidak langsung. Air
ditentukan dari massa air terhadap massa tanah kering. Suatu
contoh tanah lembab ditimbang kemudian dikeringkan dalam oven
pada suhu 105 o C untuk selama 24 jam dan akhirnya ditimbang
lagi. Kehilangan berat mewakili air tanah.
• Metoda gravimetrik adalah metoda destruktif (contoh tanah harus
dipindahkan untuk tiap pengukuran) dan tidak dapat diukur secara
otomotis, oleh karena itu tidak cocok untuk memonitoring perobahan
kandungan air tanah. Berberapa metoda pengukuran kelembanban
tanah tidak langsung adalah tidak destruktif, mudah diukur secara
otomotis dan sangat berguna di lapangan.
• Kelemahan metoda ini; adalah banyak menemui kesalahan dalam
pengukuran yang tak dapat dielakkan karena penentuan berat yang
berulang-ulang pada periode waktu yang kurang dari 24 jam.
Kesalahan dapat dikurangi dengan memperbanyak jumlah contoh
tanah.
2. Metoda Blok Tahanan Listrik
• Metoda ini menggunakan blok kecil dari gypsum, nilon,
atau fiberglas berpori yang dipasang elektroda. Bila blok
ditempatkan pada tanah lembab, maka blok akan
menyerap air dalam proporsi yang sama dengan kadar
air tanah. Tahanan untuk mengalirkan listrik antara
elektroda yang dipasang berkurang secara proporsional.
Keakuratan dan kisaran kadar air yang diukur dengan
alat ini terbatas
• Walaupun alat itu tidak mahal dan dapat digunakan
untuk mengukur perobahan kadar air selama satu atau
lebih musim pertumbuhan. Alat dapat dihubungkan
dengan tombol elektronik dalam sistem irigasi yang
dapat dihidup dan dimatikan secara otomatis pada level
kelembaban tanah yang dipasang.
3. Metoda Penyebaran neutron (Neutron
Scattering Method)
• Sebuah probe penyebaran neutron, yang direndahkan ke dalam
tanah melalui tabung akses yang terpasang lebih dahulu
mengandung sumber netron cepat dan sebuah detector untuk
mencatat neutron lambat. Ketika neutron cepat bertumburukan
dengan atom hydrogen (bagian dari molekul air), maka
kecepatan neutron akan berkurang dan menyebar menjadi
neutron lambat. Jumlah neutron lambat tercatat pada detector
sama dengan kadar air tanah. Alat ini dikalibrasikan dengan
kadar air tanah untuk jenis tanah tertentu, maka alat itu cocok
dan memberikan hasil yang akurat untuk tanah mineral (Tabel
5.8). Walaupun, pada tanah organik, metoda itu kurang tepat
karena neutron bertubrukan dengan banyak atom hydrogen
yang berkombinasi dengan bahan organik lebih suka daripada
dalam air.
Metoda penyerapan dengan Sinar
Gamma
•
•
•
•
Penggunaan metoda ini dapat menentukan kadar air tanah dan bobot isi
tanah setiap waktu pada kedalaman tanah yang kita inginkan. Alat ini terdiri
dari dua bahagian yang terpisah yakni;
Probe atau sumber neutron, biasanya probe ini mengandung Cesium
radioaktif ( 137Cs) yang selalu memancarkan sinar Gamma dengan energi
0,661 me V (milli electron Volt).
Detektor; alat untuk mencatat jumlah kilatan yang dihubungkan dengan
fotomultiflier dan pre amplifier.
Jika pemancaran sangat giat dan menyebar secara radial, ruangan antara
sumber kosong dan jarak persatuan satuan konstan, maka fraksi radiasi
yang disebarkan akan diterima oleh detector. Banyaknya radiasi yang
diterima akan bergantung kepada sudut perpotongannya, jaraknya dan
ukuran dari satuan kilatan sinar tersebut. Dengan kata lain radiasi yang
diterima bergantung ruang antara bahagian yang diisi dengan beberapa
bahan, fraksi radiasi yang dicatat detector akan diserap dari massa bahan
tadi (ketebalan bahan). Bahan yang ditempatkan antara sumber neutron
dan detector adalah tubuh tanah yang konstan kerapatannya, maka
intensitas radiasi yang dipindahkan akan bervariasi dengan perobahan
kadar air tanah.
5. Time-Domain Reflectometry.
• Suatu teknik yang relatif baru yang dikenal sebagai Time-Domain
Reflectometry (TDR) mengukur dua parameter ; 1) Waktu yang
menyebabkan getaran(gelombang) elektromagnetik bergerak turun
pada dua kawat transmisi logam yang sejajar yang dibenamkan
dalam tanah, dan 2) Derajat keluaran getaran sebagai dampaknya
dengan tanah pada ujung dari garis itu. Waktu pemindahan
dihubungkan dengan konstanta dielektrik tanah sebenarnya, yang
mana pada putaran adalah prporsi jumlah air dalam tanah. Keluaran
sinyal dihubungkan dengan level garam dalam larutan tanah. Jadi
TDR ini dapat mengukur kelembaban dan salinitas tanah.
• Gelombang TDR adalah portable (dimasukan ke dalam tanah
untuk tiap pembacaan) atau dapat dipasang dalam tanah pada
berbagai kedalaman dan dihubungkan dengan kawat pada
sebuah kotak yang dihubungkan dengan pencatat data
komputer untuk memonitor kandungan air tanah.
Time-Domain Reflectometry
Pengukuran Potensial Air Tanah
• Metoda-metoda yang tersedia untuk mengukur
potensial matrik sama dengan metoda
pengukuran potensial air tanah. Untuk
mengukur potensial matrik di lapang digunakan
alat tensiometer dan di laboratorium sering
menggunakan pressure plate apparatus dan sel
ekstraksi tekanan udara. Total potensial air
didapat dari pengukuran keseimbangan tekanan
udara dari air tanah yang diukur dengan alat
Thermocouple Psychrometer.
1. Tensiometer
• Tensiometer terdiri dari cawan keramik berpori dan dihubungan
dengan sebuah tabung ke manometer. Semua bagian tabung diisi
air. Bila cawan keramik ditempatkan di dalam tanah untuk
melakukan pengukuran, maka jumlah air yang ada di sisi cawan
keramik menjadi penghubung hidrolik dan cendrung
menyeimbangkan potensialnya dengan air tanah melalui pori-pori
dinding keramik. Bila pada mulanya cawan kermik ditempkan di
dalam tanah, maka air yang dikandung tensiometer biasanya
bertekanan 1 atsmosfir.
• Tekanan air tanah umumnya di bawah 1 atsmofir dan
menggunakan isapan untuk mengeluarkan sejumlah air
tertentu dari tensiometer, sehingga akan menyebabkan berada
pada tekanan hidrostatikanya. Tekanan ditunjukkan oleh
manometer atau tabuing yang berbentuk U yang diisi dengan
air raksa atau manometer vakum.
Menghitung Air Tanah
• Sifat fisik tanah, termasuk kemampuannya menyimpan air,
dihubungkan dengan fraksi atau prosentase total volume tanah yang
ditempati oleh padatan dan fraksi atau prosentase ruang pori.
Jumlah fraksi atau prosentase ruang pori yang ditempati oleh air
dan fraksi atau prosentase yang mengandung udara adalah faktor
yang sangat penting bagi pertumbuhan dan perkembangan
tanaman (lihat Gambar 5.3).
•
Konsep penghitungan air tanah dapat dinyatakan secara
kuantitatif dengan menentukan porositas tanah dan kadar air tanah.
Kadar air dapat dinyatakan atas dasar volume (volume air per
satuan volume tanah lembab), atas dasar berat (berat air per satuan
berat padatan tanah), atau atas dasar berat basah (berat per satuan
berat tanah basah). Selanjutnya , kadar air juga dapat dinyatakan
dengan prosentase, tetapi sering diberikan sebagai fraksi. Untuk
mengkonversi antara satuan berat dan satuan volume, digunakan
kerapatan tanah. Oleh karena itu kerapatan tanah juga harus
ditentukan
Kadar air massa dan kadar air volume
dihubungkan oleh persamaan 5.3.
•
• v
•
b
=
_______ m
w
Moisture effects on nutrient
availability
• Deficiency
• Reduced microbial activity
• Reduced mass flow delivery of nutrients
• Reduced plant metabolism
– Excess
• Denitrification of nitrate-N
• Reduced aeration lowers K uptake
Kurva energi-Kadar air Tanah.
• Jika tingkat energi air tanah pada berbagai tingkat kadar air tanah
ditetapkan, maka didapatkan kurva hubungan tegangan (energi air
tanah) dengan kadar air tanah. Gambar 5.5. memperlihatkan
contoh kurva pada berbagai tekstur tanah.
• Kurva tegangan-kadar air tanah tersebut menunjukan perubahan
berangsur antara dua titik ekstrim. Jadi sebenarnya tidak mungkin
membuat pemisahan yang jelas klasifikasi air tanah atas dasar unit
energi (tegangan).
• Dari Gambar 5.5 dapat ditelaah bahwa bentuk kurva berbeda-beda
antara tekstur tanah. Tanah bertekstur halus menahan air lebih
banyak pada seluruh selang energinya dibandingkan dengan tanah
bertekstur kasar. Hal ini disebabkan karena tanah bertekstur halus
mempunyai bahan koloidal, ruang pori dan permukaan adsortif yang
lebih banyak.
• Menurut Tan (1994) Nilai tegangan kelembaban air di dalam tanah
(cm air) berkisar dari 0 sampai 10.000.000 cm. Tegangan
kelembaban 0 cm menunjukkan tidak ada tegangan yang ditunjukan
oleh adanya kelebihan air dalam tanah. Tegangan kelembaban
10.000.000 cm berarti air dipegang tanah dengan kekuatan sangat
besar, dengan kata lain tidak banyak air dalam tanah (tanah kering)
Satuan cm air dapat dikonversi menjadi bar dengan membagi 1000.
• 0 cm air = 0/1000 bar = 0 bar
• 10.000.000 cm air = 10.000.000/1000 = 10.000 bar
• Satuan pF juga diturunkan dari tegangan kelebaban dalam cm air
dengan mengambil logaritma sebagai berikut
• pF = log tinggi cm air
(5.12)
•
• Nilai maksimum untuk cm air digunakan dalam persamaan
logaritma adalah tegangan kelembaban 1cm ; pF = log 1 = 0. Nilai
maksimum adalah pF = log 10.000.000 = 7
•
PF adalah sifat tanah yang unik dalam menyatakan kandungan
air (kelembaban), ataupun menggunakan atm atau bar. Istilah pF
adalah log isapan matrik bila isapan itu dinyatakan dalam cm air,
jadi log negatif potensial matrik atas dasar berat.
Status Kadar Air Tanah
• Status kadar air tanah paling baik
dinyatakan dalam istilah potensial air (PF
), karena kandungan air yang sama pada
tanah yang berbeda mempunyai derajat
ketersediaan air yang berbeda pula.
Tanah lempung mengandung air 20 %
volume akan menjadi kering, sedangkan
pada tanah pasir dengan kandungan 20 %
volume, tanah akan dibasahi sampai
basah.
a. Kapasitas lapang ( KL)
• Jumlah air maksimum yang mengering secara bebas
dipegang secara biasa dinamakan kapasitas lapang (
KL). KL terjadi pada waktu hujan dan setelah drainase
bebas terhenti. Kapasitas lapang merupakan kadar air
yang unik pada keadaan dimana tanah mencapai dan
memelihara kandungan airnya setelah tanah dibasahkan
dan dibiarkan mengering bebas untuk satu atau dua
hari. Karena sebahagian besar tanah tidak mengering
pada kadar air tetap dan kemudian menjaganya secara
tidak tetap, kapasitas lapang merupakan suatu konsep
yang diidealisasikan.
Gambar 5.6. Kadar air volume dari tanah yang diidealkan dan dua
tanah sebagai fungsi dari waktu penjenuhan. Tanah yang diidealkan
mencapai kapasitas lapang setelah 1.5 hari. Tanah 1 mempunyai
kapasitas lapang lebih baik, sedangkan tanah 2 masih mengering
setelah 5 hari.
Ta na h 1
Ta na h 2
Ta na h d iid e a lka n
k a d a r a ir (F ra k s i)
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
W a ktu se te la h p e n je n u h a n (h a ri)
5
6
Oleh karena itu banyak prinsip ini harus dimodifikasi bila
dipakai pada tanah yang mengembang.
Jumlah kandungan air kapasitas lapang bergantung pada :
• .a. Distribusi partikel tanah; partikel tanah yang halus mempunyai
permukaan spesifik lebih besar dan lebih banyak air diserap.
• b. Struktur tanah. Lebih banyak pori-pori halus lebih tinggi
kandungan air kapiler.
• c. Kandungan bahan organik; mempunyai pengaruh spesifik lebih
tinggi dan pori lebih porous, lebih tinggi kadar air.
• d. Jenis koloid; Koloid humus memegang banyak air dari koloid liat.
• Humat> humin>fulvat
• Liat yang mengembang (monmorillonit>vermikulit>mineral transisi)
lebih banyak memegang air daripada mineral liat yang tak
mengembang (illit>khlorit>kaolinit).
• e. Jenis kation terserap; Perbedaan hidrasi antara kation tersebut
yang mengakibatkan perbedaan pada kandungan air kapasitas
lapangnya.
•
Na>K >Mg>Ca
Klasifikasi Air Tanah
• Beberapa nilai kelembaban tanah sering
dinamakan kontanta kelembaban tanah
yang telah diperkenalkan pada derajat
relatif tegangan kelebaban tanah.
Konstanta kelembaban tanah berkisar dari
jenuh sampai kering oven.
• Klasifikasi air tanah seperti tertera pada
Tabel 5.7.
Tabel 5.7. Kontanta kadar air tanah
Konstanta Kelembaban Cm Air (H2O)
tanah
Bars
PF
Kapasitas retensi
maksimum
0
0
0
Kapasitas lapang
346
0,3
2,54
Keseimbangan
kelembaban
100
1
3
Ttitk layu
15849
15
4,2
Koefisien higroskopis
31623
31
4,5
Tanah kering udara
1 x 106
1000
6
Tanah kering oven
1 x 107
10.000
7
Controlling excess water
• Surface water
– Structures to safely remove water (e.g. diversions,
waterways)
– Surface inlets to drain tile (e.g. risers, curtain drains)
– Land forming on soils with poor internal drainage
• Soil water
– Drain tile: Soil must be saturated for water to enter tile
– Requires an outlet or ditch to connect to surface
water channel
Water movement in soils
– Saturated conditions: Water moves in
response to gravity. Most moves
downward through large pores.
– Unsaturated conditions: Water moves in
any direction in response to a moisture
gradient (wet to dry).
– Textural layers impede movement.
Water movement in soils
– Saturated conditions: Water moves in
response to gravity. Most moves
downward through large pores.
– Unsaturated conditions: Water moves in
any direction in response to a moisture
gradient (wet to dry).
– Textural layers impede movement.
Texture
• Relative proportion of sand, silt, and clay that
lends a distinct feel to the soil
– Relative size difference
– Clay particles have greatest effect on soil
management
– Heavy soil relates to power required for tillage
– Hand texture
Properties of sand, silt, and clay-sized soil
particles
Particle size
Physical properties
Coarse sand
Loose, non-sticky, gritty
Fine & very fine
sand
Loose, non-sticky
5,000 acres
Coarse, medium,
fine silts
Smooth and floury, slightly
sticky
50,000 acres
Coarse, medium,
fine clay
Sticky and plastic when wet;
hard and cohesive when dry
aIncludes
Surface area of soil
particles in an acre
plowed 7 in. deep
500 acres
25,000,000 acresa
both external surfaces and surfaces between crystal plates.
Soil texture is difficult to change
• 2 million pounds/acre-plow layer (1000
tons)
• Example:
– Change a clay (50% clay, 30% silt, 20% sand)
into a loam (20% clay, 30% silt, 50% sand)
– Add 300 ton sand/acre ??
– End up with a clay loam (40% clay, 20% silt,
40% sand
– Only part of the story - particles must
aggregate
Bulk density
•
•
•
•
•
Mass of soil/volume of soil (g/cc)
Water = 1 g/cc (62.4 lb/ft3)
Affected by texture
Modify by tillage (short term)
Enhance aggregation
Relationship between soil texture, bulk
density, and pore space
Soil texture
Sand
Bulk density
Pore space
--------g/cc------ ---------%--------1.6
39
Loam
1.3
50
Silt loam
1.2
54
Clay
1.1
58
0.7-1.1
variable
Muck and
Peat
Aeration
• Affected by texture and structure
• Provides O2 to roots and soil microorganisms
• Important for nutrient uptake and nutrient
transformations
• Associated with soil porosity and drainage
Structure
• The arrangement of primary soil particle
into aggregates of a definite shape and
size
– Affects water movement, root growth, aeration
– Destroyed by traffic abuse, raindrop impact, or
high sodium
– Not found in sand or loamy sand
– Particles attached by a combination of clay
surface effects, humus, bacterial secretions,
iron, and aluminum oxides
Structure type
 Granular = surface
Platy = between surface and subsoil
Blocky = upper subsoil
Prismatic or columnar = deep
subsoil
Soil tilth
Tilth is the physical condition of the soil with
respect to plant growth
A soil is ~ 50 % solid and 50 % pore space
 ~95 % of the solid is mineral; the rest is organic
 ~50 % of the pore space is air-filled, the rest is wa
Tilth is affected by soil type
and management
Improving structure
– Traffic management
– Limit load
– Stay off wet soils
– Rotating to forage legumes/sod crops
– Organic additions
– Natural effects
Physical or chemical destruction of
structure
– Caused by force (usually wheel traffic)
– Crushes and rearranges aggregates
– Sodium additions disperse clay
– Reduces porosity
– Increases root penetration resistance and
can affect nutrient uptake
– Symptoms include irregular or stunted
growth, nutrient deficiency, poor internal
drainage
Soil compaction defined
Compression of the soil
from an applied
force that first rearranges and then
destroys aggregates
increasing bulk
density and
reducing porosity
• Wheel traffic from
field operations
• Tillage
• Livestock
Load
Moisture
Structure
Strength
Tillage History
Texture
Soil compacts when load-bearing
strength of soil is less than load being
applied.
“Compactability” influenced by water
content
• Varies by soil
• Maximum near field
capacity
• Dry soil has more strength
• Saturated soil not as
compactable
Proctor Test Results
Compaction is a process
Db = 1.0
Db = 1.3
Db = 1.6
• Large aggregates
• Loose condition
• Many large pores
• Well aerated
• Just after tillage
• Few large pores
• Firm condition
• Moderate aeration
• Typical silt loam
• Following normal
traffic
• Very tight, compact
• No large pores
• Small pores are
water-filled
• Crushed aggregates
Which is worse – pressure or load?
High PSI, but small load
Low PSI, but large load
THE GREATER THE LOAD THE
DEEPER THE COMPACTION EFFECT
There really are days you shouldn’t be
in the field !
Most compaction occurs in the first
pass
• Plano silt loam
• Soil near field capacity
(34 – 38%)
• 2007 NT w. wheat
2006 NT corn silage
following alfalfa
• Chisel vs. None
• No traffic or 1, 2, 4, and 6
passes with a 14.5 ton
combine
• 6 measurements per
treatment
Arlington Evaluation
Effect of number of wheel traffic passes on
soil compaction
Not Plowed
Chisel Plowed
Cone Index (MPa)
Depth (in)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Cone Index (MPa)
1.2
1.4
1.6
1.8
0
0
0
4
4
8
8
12
12
16
16
20
20
No Traffic
1 Pass
2 Passes
4 Passes
6 Passes
0.2
0.4
No Traffic
0.6
0.8
1 Pass
1
2 Passes
1.2
1.4
4 Passes
1.6
1.8
6 Passes
2
Quantifying compaction
• CROP AND SOIL SYMPTOMS
• PENETRATION RESISTANCE
– Moisture dependent
– No absolute value
– Note depth and
relative force
– Compare good and
bad areas
• BULK DENSITY
– Mass per volume
– Calculate porosity
– Texture dependent
“Cloddy” soil following corn silage harvest
Cloddiness re-defined
Stunted, uneven growth is often
the first symptom
The shovel is an excellent
diagnostic tool
Excavated
plow layer
Measuring penetration resistance
Hand-held penetrometer
Soil probe
Measuring parental patience
CU Italian Major
May 2007
Constant-rate recording
penetrometer
Cone Index (MPa)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
5
Compaction/Subsoiling
10
Depth (cm)
15
20
No/No
No/Yes
Yes/No
Yes/Yes
Series1
Series2
Series3
Series4
25
30
35
40
45
50
Response of a Plainfield sand to
compaction and deep tillage, Hancock, Wis.
Conventional tillage can remove shallow
compaction
PENETROMETER RESISTANCE FOLLOWING TILLAGE
OF A “LIGHTLY” COMPACTED SILT LOAM SOIL
RESISTANCE (MPa)
2,5
None
MB
CH
NT
ST
2
1,5
1
0,5
0
3
6
9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45
DEPTH (cm)
Arlington, Wis., 2002 (6 t vehicle)
Don’t count on mother nature to correct
compaction
Wadsworth Trail, Minnesota
8-10 in
6-8 in
4-6 in
2-4 in
0-2 in
Sharratt et al., 1998
O
UT
SI
D
E
RU
TS
IN
RU
TS
10-12 in
0,8 0,9
1
1,1
1,2 1,3
SOIL BULK DENSITY (g/cc)
Guidelines for managing compaction:
1. Stay off wet soils
Guidelines for managing compaction:
2. Control traffic – No shortcuts
Guidelines for managing compaction:
3. Limit load weight – Practical
considerations
Tips for building and maintaining the
soil physical condition
• Be kind to your soil - avoid compaction
– Control traffic, stay off wet soil, limit load
• Limit “recreational tillage”
• Incorporate organic residues
– Beware of weed seeds
– C:N of material
• Grow the best crop you can
– Soil test and add lime and recommended
nutrients
– Maintain plant health and control pests