MODEL DINAMIKA ATMOSFER DALAM PERUBAHAN IKLIM DAN PENGARUHNYA TERHADAP PRESIPITASI

PADA LINGKUNGAN PERTANIAN

PROGRAM STUDI AGROTEKNOLOGIFAKULTAS PERTANIAN

UNSA

Cuaca dan Iklim

• Pancaran Surya, bumi, atmosfer• Suhu udara dan tanah• Angin• Tekanan udara• Kelembaban udara dan tanah• Keawanan• Presipitasi• Evapotranspirasi

Unsur berubah menyeluruh: Perubahan Cuaca

Perubahan IKLIM

• Altitude• Latitude• Penyebaran daratan dan perairan• Tekanan daerah• Arus laut• Gangguan atmosfer

Dampak Perubahan Iklim

Kutub Utara Mencair Mengancam Kehidupan Polar Bear dan

Daratan

Kenaikan temperatur menyebabkan es dan gletser di Kutub Utara dan Selatan mencair. Peristiwa ini

menyebabkan terjadinya pemuaian massa air laut dan kenaikan permukaan air laut.

Climate Change

Global Warming

Perubahan iklim merujuk pada variasi rata-rata kondisi iklim suatu tempat atau pada variabilitasnya yang nyata secara statistik untuk jangka waktu yang panjang (biasanya dekade atau lebih) IPCC (2001) .Perubahan temperatur bumi dapat mengubah kondisi lingkungan.

Peningkatan rata-rata temperatur atmosfer yang dekat dengan permukaan bumi dan di troposfer, yang dapat berkontribusi pada perubahan pola iklim global. Pemanasan global terjadi sebagai akibat meningkatnya jumlah emisi Gas Rumah Kaca (GRK) di atmosfer. Naiknya intensitas efek rumah kaca yang terjadi karena adanya gas dalam atmosfer yang menyerap sinar panas yaitu sinar infra merah yang dipancarkan oleh bumi menjadikan perubahan iklim global (Budianto, 2000).

Definisi Iklim

• Sintesis kejadian cuaca selama kurun waktu yang panjang, yang secara statistik cukup dapat dipakai untuk menunjukkan nilai statistik yang berbeda dengan keadaan pada setiap saatnya (World Climate Conference, 1979).

• Konsep abstrak yang menyatakan kebiasaan cuaca dan unsur-unsur atmosfer disuatu daerah selama kurun waktu yang panjang (Glenn T. Trewartha, 1980).

• Peluang statistik berbagai keadaan atmosfer, antara lain suhu, tekanan, angin kelembaban, yang terjadi disuatu daerah selama kurun waktu yang panjang (Gibbs,1987).

Perubahan Iklim

Perubahan iklim adalah berubahnya kondisi fisik atmosfer bumi antara lain suhu dan distribusi curah hujan yang membawa dampak luas terhadap berbagai sektor kehidupan manusia (Kementerian Lingkungan Hidup, 2001). LAPAN (2002) mendefinisikan perubahan iklim adalah perubahan rata-rata salah satu atau lebih elemen cuaca pada suatu daerah tertentu. Sedangkan istilah perubahan iklim skala global adalah perubahan iklim dengan acuan wilayah bumi secara keseluruhan. IPCC (2001) menyatakan bahwa perubahan iklim merujuk pada variasi rata-rata kondisi iklim suatu tempat atau pada variabilitasnya yang nyata secara statistik untuk jangka waktu yang panjang (biasanya dekade atau lebih).

Dampak Perubahan Iklim

Sumber: Kompas.ComLokasi Jayapura-Puncak jaya

Topan Marokat –TaiwanAgustus 2009

Salju Abadi Mencair

Kebakaran Hutan

Kekeringan

Angin Topan

Banjir Kenaikan Muka Air Laut

Sumber Penelitian:Tobias Friedrich &Axel Timmerman (VOA, Amerika)

Perubahan Iklim Mengancam Ekosistem dan Kelestarian

Spesies

Iklim suatu SistemInteraksi dinamis antara sejumlah komponen sistem iklim seperti atmosfer, hidrofer (terutama lautan dan sungai), kriosfer, terestrial dan biosfer, dan pedosfer. Dengan demikian, dalam studi-studi mengenai perubahan iklim dibutuhkan penilaian yang terintegrasi terhadap sistem iklim atau sistem bumi.Studi perubahan iklim melibatkan analisis iklim masa lalu, kondisi iklim saat ini, dan estimasi kemungkinan iklim di masa yang akan datang (beberapa dekade atau abad ke depan).

Atmosfer

Eksosfer

MODEL Model iklim adalah representasi numerik dari persamaan-persamaan dasar yang menggambarkan perilaku sistem iklim dan interaksiModel cuaca menghitung kondisi atmosfer yang digambarkan oleh variabel-variabel atmosfer pada suatu saat di suatu wilayah misalnya sebuah kota. Model cuaca sangat bergantung dari input kondisi awal, kondisi skala global, dan membutuhkan resolusi grid yang tinggi untuk menghitung kondisi cuaca secara akurat.

Pengembangan Sistem Model Iklim

Berdasarkan Sintesa Kopel

Pemodelan Iklim: Untuk Apa

Masalahnya bukan apakah iklim akan berubah, tetapi menuju arah mana dan apa penyebabnya

Keadaan iklim menentukan kecendrungan terjadinya erosi yang mencerminkan keadaan pola hujan. Selain pola hujan, jenis dan pertumbuhan vegetasi serta jenis tanah juga mempengaruhi erosi di daerah tropis. Hujan merupakan merupakan faktor yang paling berpengaruh terhadap erosi di indonesia, dimana besarnya curah hujan, intensitas dan distribusi hujan menentukan kekuatan dispersi hujan terhadap tanah, jumlah dan kecepatan aliran permukaan dan kerusakan erosi (Arsyad, 1989).

Gas Rumah Kaca (GRK): CO2 (energi), CO2 (LULUCF/perubahan lahan dan kehutanan), CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6

Meningkatnya suhu bumi

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

14.48oC

14.68oC

14.88oC

15.08oC

15.28oC

15.48oC

15.68oC

Arendal-UNEP

Perkiraan dampak perubahan iklim

1°C 2°C 5°C4°C3°C

Kenaikan muka air laut di kota utama (Indonesia)

Gagal panen di banyak daerah, terutama di kawasan yang baru berproduksi

Pangan

Air

Ekosistem

Resiko dari perubahan mendadak & besar

Perubahan suhu global (relatif terhadap pre-industrial)0°C

Gagal panen di daerah biasa berproduksi

Kenaikan jumlah spesies yang punah

Naiknya resiko dari perubahan mendadak dari iklim global

Berkurangnya ketersediaan air di banyak daerah, terutama di Mediterrania dan Afsel

Glasier menghilang – ketersediaan air terancam

Kerusakan menyeluruh pada terumbu karang

Kejadian cuaca ekstrim

Naiknya intensitas badai, kebakaran hutan, kekeringan, banjir dan gelombang panas

Kemungkinan naiknya panen di daerah lintang tinggi

Sumber: Stern’s Slide

Dampak di Indonesia: Bencana

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

TahunJu

mla

h B

enca

na

Lain-lain

Suhu Ekstrim

Keba-karan

Hutan & Lahan

LongsorKekeringan

Angin Topan

Banjir

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Pers

en

tase

total jumlah bencana = 2,654

Sumber: Presentasi Rizaldi Boer

• 1993-2002: jumlah bencana ↑ (lingkungan- iklim)

• 2003-2005: 53,3% bencana di Indonesia terkait dengan lingkungan, iklim-hidrologi (banjir, longsor, kekeringan dan angin topan; Bakornas PB, 2006)

• Kerugian banjir Jakarta: Rp4,1 trilyun (Bappenas, 2007)

Perubahan Pola Hujan (Jawa)C

ura

h h

uja

n

Agt Des Mei

Resiko banjir meningkat

Resiko kekeringan meningkat

Sumber: Batisti et al (2006), presentasi R. Boer

Permasalahan Bidang Pertanian

Sumbawa

Tanaman Perubahan Iklim

Mengancam Ketahanan Pangan

Fenomena El Nino

Puso terutama tanaman jagung di lahan kering seluas 10.197 ha (Disperta, 2012)

Evapotranspirasi dan cekaman lengas tanah

Efek kekeringan terhadap ketersediaan lengas tanah bagi tanaman tergantung pada kapasitas tanah untuk menyimpan air

Tingkat kerugian yang dialami oleh tanaman akibat kekeringan biasanya tergantung pada beberapa faktor: kapan waktunya tanaman mengalami kekurangan air, dan lamanya waktu kekurangan air

Pemanfaatan Agroekosistem

Produksi turun

Water Scarity

Beberapa penelitian terdahulu

Peningkatan variabilitas iklim memiliki konsekuensi dan berpotensi mempengaruhi produksi tanaman, kesulitan dalam menentukan waktu menabur benih dan panen, pemilihan tanaman yang sesuai dengan jangka waktu yang berbeda-beda, berkurangnya ketersediaan air, curah hujan yang ekstrim, hilangnya air melalui peningkatan run off, kehilangan tanaman akibat kejadian ekstrim, penurunan kesuburan tanah, perubahan risiko hama dan penyakit, perubahan total curah hujan musiman, serta variabilitas suhu (Gregory et al., 2005; Thomas et al., 2007; Rowhani et al., 2011)

Hujan Sumber Air Lahan Kering

Tidak Sinkron dengan kebutuhan air tanaman, distribusi tidak seragamcepat, eratik, sebagian air hilang dipermukaan, sehingga tidak tersedia pada hari tanpa hujan

Ketersediaan air dipengaruhi oleh

kemampuan tanah menahan air (WHC)

Air langka untuk sektor pertanian

Ketersediaan lengas pada lahan kering merupakan faktor yang mempengaruhi keberhasilan usaha pertanian

Tanah mempunyai peran yang besar dalam menyimpan air dalam bentuk lengas tanah dan air tanah.

Lengas tanah (soil moisture) merupakan air yang tidak bebas yang berada dalam ruang pori. Air yang terikat oleh gaya adhesi dan kohesi (gaya serap matrik tanah) yang pada kondisi tertentu hanya bisa dimanfaatkan secara langsung oleh tanaman.

Lengas Tanah

Air yang berinfiltrasi ke dalam tanah dapat mengalir secara cepat sebagai aliran dalam (interflow), berperkolasi ke lapisan batuan di bawahnya dan reservoir air tanah, atau disimpan sementara waktu sebagai lengas tanah.

• Lengas tanah memainkan fungsi-fungsi yang vital dalam melarutkan unsur-unsur hara dan menyokong kehidupan tanaman.

• Secara hidrologis, lengas tanah merupakan suatu reservoir simpan yang naik turun secara cepat akibat penyerapan air oleh akar-akar tanaman untuk transpirasi dan evaporasi langsung dari permukaan.

• Setelah kapasitas pada daerah perakaran terpenuhi, air akan mengalami perkolasi dan menjadi air tanah.

Proses Simpanan Lengas Tanah

Neraca Lengas Tanah

Neraca Air didalam Tanah

• Penafsiran kuantitatif dari daur hidrologi dapat dicapai melalui suatu persamaan umum yang disebut neraca air, persamaan yang menggambarkan prinsip bahwa selama selang waktu tertentu harus sama dengan keluaran total ditambah perubahan bersih dalam cadangan (Seyhan, 1995), perimbangan yang terjadi antara curah hujan (P) dan laju evapotranspirasi potensial (ETP) (Jackson, 1977), jumlah air yang masuk ke, yang tersedia di, dan yang keluar dari sistem hidrologi (Harto, 2000; Mori, 2006; Jenifa et al., 2010; Hadisusanto, 2010).

• Neraca air merupakan penjelasan tentang hubungan antara aliran ke dalam (in flow) dan aliran ke luar (out flow) di suatu periode tertentu dari proses sirkulasi air.

• Tiga model neraca air yang didasarkan pada tujuan penggunaannya sebagai berikut:

(1) neraca air umum, disusun menurut konsep klimatologi dan bermanfaat untuk mengetahui berlangsungnya periode basah (surplus air) dan periode kering (kekurangan air) pada suatu wilayah secara umum;

(2) neraca air lahan (pertanian), yaitu analisis dengan memperhatikan sifat dan perilaku tanah terhadap atmosfer, dan sebagai penunjangnya diperlukan data fisik tanah terutama kandungan air pada tingkat kapasitas lapang dan pada titik layu permanen;

(3) (3) neraca air lahan tanaman, ruang lingkup pemakaiannya lebih sempit, karena berlaku hanya untuk jenis tanaman tertentu selama periode pertumbuhannya.

• Soemarno (2011), menyatakan bahwa metodologi neraca air untuk menduga kebutuhan air irigasi, adalah: (1) Precipitation (P); (2) Actual evapotranspiration (AE); (3) Potential evapotranspiration (PE); (4) Simpanan lengas tanah (ST, Soil moisture storage); (5) Perubahan simpanan lengas tanah (ΔST, change in soil moisture storage).

• Analisis neraca air digunakan untuk memantau cekaman air pada tanaman (Doraiswamy et al., 1982), mengevaluasi dinamika air tanah dan penggunaan air oleh tanaman secara kuantitatif (Lascano, 1991; Brisson et al., 1992; Lascano, 2000), memberikan keterangan penting tentang jumlah air yang dapat diperoleh untuk menentukan periode surplus atau defisit air lahan, air yang tidak dapat tertampung dan kapan saat terjadinya (Nasir, 1993), mengevaluasi penerapan sistem pertanian irigasi pada kondisi iklim tertentu (Binh et al., 1994), menduga dinamika kadar air tanah selama pertumbuhan tanaman, khususnya pada periode-periode kritis dimana kadar air tanah sangat rendah (Handoko dan Irsal Las, 1995), terdapat parameter-parameter yang sulit diukur dilapangan terutama yang berhubungan dengan parameter pada air tanah, tetapi pada perumusannya sering dilakukan penyederhanaan sesuai dengan kondisi lapangan setempat Hadisusanto (2010).

Pentingnya mempelajari

Neraca Air Metode Thornwaite and Mather

• Menurut Thornthwaite and Mather (1957), pada suatu daerah tangkapan, perhitungan neraca air dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan

• P = ET + St△Dimana: P = presipitasi (mm/bulan); ET = evapotranspirasi (mm/bulan); St = perubahan △cadangan air (mm/bulan).

• Perhitungan neraca air persamaan Thornthwaite dapat memberikan gambaran curah hujan lebih (CH lebih) dan defisit air pada suatu kawasan. Setelah simpan air mencapai kapasitas cadangan lengas tanah (water holding capacity), kelebihan curah hujan akan dihitung sebagai CH lebih. Air ini merupakan kelebihan setelah air tanah terisi kembali, dengan demikian CH lebih dihitung sebagai nilai curah hujan dikurangi dengan nilai evapotranspirasi dan perubahan kadar air tanah. Selanjutnya, CH lebih akan menjadi limpasan dan pengisian air tanah. Surplus air dapat ditentukan dengan persamaan (2).

• S = P – ETP - ΔSt ………………………………………………..................……… (2)• dimana : S = surplus/ CH lebih (mm/bulan)• • Jika curah hujan yang turun lebih kecil dari evapotranspirasi aktual, akan terjadi

defisit air. Nilai defisit air merupakan jumlah air yang perlu ditambahkan untuk memenuhi keperluan evapotrasnpirasi potensial (ETP) tanaman.

• Tanah akan mengatuskan air hingga kapasitas lapang pada saat terjadinya hujan lebat. Kapasitas lapang merupakan jumlah air yang dapat ditahan melawan gaya gravitasi, atau jumlah air yang masih tertahan dalam tanah pada saat drainase.

• Penurunan kandungan zone perakaran disebabkan sejumlah air diserap akar-akar tanaman sehingga akan menurunkan energi potensial dan semakin sulit untuk diserap oleh tanaman hingga pada satu titik (kondisi lengas tanah) yaitu tanaman tidak dapat lagi menyerap air dari tanah.

• Kandungan air tanah diatas kapasitas lapang akan mengalir secara gravitasi dan tidak dapat ditahan oleh tanah, kadar air dibawah titik layu tidak dapat diserap oleh akar sehingga total air tersedia dalam zona perakaran adalah perbedaan antara kandungan air kapasitas lapang dengan titik layu.

Total Available Water

TAW = 1000 ( FC- WP) Zr (82)

dimana: TAW = Total air tersedia dalam zona perakaran; FC = Kandungan air tanah pada kapasitas lapang (m3m-3); WP = Kandungan air tanah pada titik layu (m3m-3); Zr = Kedalaman zone akar tanaman (m).

• TAW merupakan banyaknya air yang dapat diserap oleh tanaman dari zone perakarannya, dan jumlahnya tergantung pada karakteristik tanah dan kedalaman perakaran.

Lengas Tanah dalam Mintakat Perakaran

Brady dan Weil (2002) menyatakan bahwa total ketersediaan air tanah di lapangan adalah fungsi dari kedalam perakaran tanaman dan jumlah air yang berada antara kapasitas lapang dan titik layu permanen setiap horizon yang dijangkau oleh akar tanaman

Nilai Kapasitas Cadangan Lengas Tanah Pada Beberapa Kombinasi Tekstur Tanah dan Klasifikasi Tanaman (Thornthwaite and Mather, 1957)

Klasifikasi tanaman Tekstur tanah Air tersedia(mm/m)

Daerahperakaran

(m)

Cadanganlengas tanah

(mm)

Tanaman berakardangkal

Pasir halus Lempung berpasir halus Lempung berdebu Lempung berliat Liat

100150200250300

0,50,5

0,620,400,25

5075

10010075

Tanaman berakarsedang

Pasir halus Lempung berpasir halus Lempung berdebu Lempung berliat Liat

100150200250300

0,751,001,000,800,50

75150200200150

Tanaman berakardalam

Pasir halus Lempung berpasir halus Lempung berdebu Lempung berliat Liat

100150200250300

1,001,001,251,000,67

100150250250200

• Ketersediaan lengas-tanah dalam zone perakaran tanaman selama musim pertumbuhan sangat menentukan keberhasilan pertumbuhan dan produksi tanaman.

• Hasil penelitian Padilla dan Pugnaire (2007) menunjukkan bahwa keberhasilan pertumbuhan awal tanaman (kecambah) ditentukan oleh kedalaman perakarannya dan kandungan lengas-tanah.

• Spesies yang perakarannya dapat mencapai lapisan tanah yang lembab (basah) mampu bertahan terhadap kondisi kekeringan, sedangkan jenis-jenis yang perakarannya dangkal lebih sering mati akibat kekeringan.

• Soemarno (2011) menjelaskan bahwa tingkat ketersediaan air tanah dihitung berdasarkan neraca air lahan tanaman yang merupakan pengurangan curah hujan dan evapotranspirasi untuk menentukan kandungan air tanah, hingga diperoleh ketersediaan air tanah.

Ketersediaan Air

• Tingkat ketersediaan air tanah di suatu tempat ditentukan berdasarkan kedalaman jelajah akar tanaman, yaitu antara 0 % (pada titik layu permanen) dan 100 % (pada kapasitas lapang), dengan asumsi lahan tadah hujan (tidak ada irigasi). Tingkat ketersediaan air dalam tanah dikelompokkan menjadi tiga kategori, yaitu: (1) Cukup (Kadar air sedalam jelajah akar tanaman >60 %); (2) Sedang (Kadar air sedalam jelajah akar tanaman 40 %-60 %); dan (3) Kurang (Kadar air sedalam jelajah akar tanaman <40 %).

• Jumlah lengas-tanah yang tersedia untuk diserap oleh akar tanaman ditentukan oleh kandungan lengas-tanah tersedia dan volume tanah yang dapat dijelajah oleh akar tanaman.

• Hasil penelitian Taylor dan Klepper (1979) menunjukkan bahwa setiap spesies tanaman mempunyai ciri-khas bentuk dan ukuran system perakarannya, serta pola penyerapan air dari dalam tanah.

• Tanaman dikotil mempunyai sistem perakaran “tunggang”, sedangkan tanaman monokotil mempunyai system perakaran “serabut”.

Bentuk Perakaran Tanaman

• Model arsitektur perakaran tanaman mempunyai peran sangat besar dalam proses penyerapan air dan menentukan jumlah air yang dapat diserap dari dalam tanah. Salah satu model perakaran tanaman adalah “Hydraulic Tree Model”, model ini dapat digunakan untuk mensimulasi penyerapan air tanah oleh akar tanaman berdasarkan arsitektur akar dan Hukum Pergerakan (Aliran) Air.

• Hasil peneletian Doussan, Vercambre dan Page (1998) menunjukkan bahwa selama pendewasaan jaringan akar terjadi penurunan konduktivitas radial dan peningkatan konduktivitas aksial.

• Distribusi konduktivitas dalam system perakraan ini mengakibatkan munculnya gradient potensial air dalam akar, baik pada akar-akar utama maupun pada akar-akar cabangnya. Pada tanaman jagung, kontribusi akar-akar cabang ini dalam penyerapan air dapat mencapai 90%.

Kesetimbangan air dinyatakan sebagai perbedaan antara jumlah yang masuk dengan jumlah yang keluar, dari sudut pandang pertanian, perhitungan kesetimbangan dilakukan di zone perakaran per unit luas lahan.

• Kesetimbangan di zone perakaran dinyatakan dalam bentuk persamaan (7).

• Perubahan simpanan = Penambahan - Kehilangan• S+V = (P+I+U)-(R+D+E+T)• Dimana: S = perubahan simpanan air di zone

perakaran; V = perubahan kandungan air dalam tanaman; P = hujan; I = irigasi; U = kenaikan kapiler; R = aliran Permukaan; D = drainase; E = evaporasi dari muka tanah; T = transpirasi tanaman.

•

• Kehilangan air terbesar melalui proses evapotranspirasi pada konsep ETo yang ditentukan oleh penyediaan energi pada permukaan tanah oleh matahari, yang merupakan ciri cuaca disuatu daerah atau lokasi. Faktor ke dua, berhubungan dengan arah, hadap dan kecepatan angin.

• Untuk masa yang cukup panjang (misalnya musim), perubahan kandungan air pada daerah perakaran cukup kecil dibandingkan dengan kesetimbangan air total, jumlah hujan (P+I) hampir sama dengan jumlah air yang hilang melalui evapotranspirasi dan perkolasi (Et+D),

• Fluktuasi simpanan lengas-tanah menurut ruang dan waktu sangat penting dalam kaitannya dengan pertumbuhan dan produksi tanaman di suatu hamparan lahan; fluktuasi ini ada hubungannya dengan karakteristik tanah, hujan dan evapotranspirasi.

• Hasil penelitian Timm et al. (2011) menunjukkan bahwa estimasi simpanan lengas tanah ditentukan oleh hujan sebelumnya, evapotranspirasi, dan kandungan lengas-tanah.

• Hasil penelitian Moiwo, Fulu, dan Wenxi (2011) menunjukkan bahwa ada persesuaian yang sangat bagus antara simpanan lengas-tanah hasil estimasi dengan hasil pengukuran di lapangan. Metode ini juga dapat digunakan untuk menduga perubahan simpanan lengas-tanah secara temporer. Perubahan simpanan lengas-tanah ini ada hubungannya dengan jumlah irigasi atau hujan dan evapotranspirasi.

• Simpanan lengas tanah berfluktuasi secara temporer dan beragam secara spasial, hal ini ada kaitannya dengan perubahan faktor lingkungan dan topografi. Hasil penelitian Salvador et al. (2012) menunjukkan bahwa simpanan lengas dalam tanah mempunyai pola perilaku yang baku, nilainya lebih besar pada lapisan tanah yang lebih dalam dibandingkan dengan tanah lapisan permukaan.

TERIMAKASIH