ABSTRAK
Strip filter vegetatif (VFS) banyak digunakan dalam pertanian untuk mengurangi erosi tanah dan pengangkutan sedimen selama hujan deras. Studi ini mengkaji efektivitasnya dalam mengendalikan limpasan permukaan dan pengangkutan sedimen dalam kondisi lapangan yang terkendali. Eksperimen dilakukan pada plot dengan panjang yang bervariasi (4 dan 8 m), lereng (5° dan 10°), dan tutupan vegetasi (rumput, tanah gundul, dan campuran). Suspensi pasir mikronisasi dan air (40 g·L −1 ) diaplikasikan pada laju aliran 0,5 L·s −1 untuk mensimulasikan limpasan permukaan. Hasilnya menegaskan bahwa tutupan vegetasi secara signifikan mengurangi limpasan (hingga 91%) dan pengangkutan sedimen (hingga 98%). Panjang plot memainkan peran dominan dalam pengurangan sedimen dan limpasan, sedangkan lereng memiliki efek minimal dalam rentang yang diuji. Limpasan dan pengangkutan sedimen secara signifikan lebih tinggi pada plot tanah gundul, memberikan bukti pentingnya vegetasi dalam pengendalian erosi. Kontribusi metodologis utama dari studi ini adalah diferensiasi efisiensi VFS berdasarkan metode perhitungan. Dua metrik efisiensi diterapkan: (1) RE (rasio aliran masuk ke aliran keluar), dan (2) RE2 (perbandingan dengan plot tanah kosong). Sementara pengurangan sedimen hanya sedikit berbeda (4,7%) antara metode, pengurangan limpasan bervariasi lebih signifikan (19,9%), menyoroti dampak dari metode perhitungan. Selain itu, VFS lebih suka menjebak sedimen yang lebih kasar, memungkinkan partikel yang lebih halus untuk melewatinya dan menghasilkan pengurangan ukuran butiran median (D 50 ) dari 33 menjadi 6 μm dalam material yang diangkut. Studi ini menggarisbawahi efektivitas VFS dalam mengurangi pengangkutan sedimen, menyoroti pentingnya tutupan vegetasi dan panjang strip filter. Ini lebih lanjut menekankan bahwa kinerja VFS dapat dioptimalkan melalui konsistensi metodologis, bahkan ketika hanya area lahan minimal yang dialokasikan untuk implementasi.
1 Pendahuluan
Vegetative Filter Strips (VFS), juga dikenal sebagai buffer atau grass strip, merupakan komponen integral dari pengendalian erosi tanah, pengelolaan air, dan konservasi lingkungan (Gambar 1 ). Mereka dikenal luas karena kemampuannya untuk mengurangi transportasi sedimen selama hujan erosif (Muñoz-Carpena dan Parsons 1999 ) dan kejadian banjir (Wilson 1967 ). Di luar pengendalian erosi, VFS dapat berkontribusi secara signifikan terhadap peningkatan kualitas air dengan menyaring sedimen, nutrisi berlebih (seperti nitrogen dan fosfor), dan agrokimia sebelum mencapai sistem air permukaan (Arpino et al. 2023 ; Lei et al. 2019 ; Yu et al. 2019 ). Dengan demikian, penggunaan VFS yang efektif di daerah tangkapan air mencegah eutrofikasi dan kontaminasi lingkungan perairan. Selain itu, VFS mendukung konservasi keanekaragaman hayati dengan menyediakan habitat bagi berbagai spesies tumbuhan dan hewan, termasuk penyerbuk dan serangga bermanfaat (Haddaway et al. 2016 ). Karena manfaat gabungan ini, VFS dianggap sebagai komponen kunci dari perencanaan dan pengelolaan penggunaan lahan berkelanjutan. Secara tradisional, desain VFS terdiri dari strip vegetatif selebar beberapa meter yang diposisikan di tepi ladang dan/atau sejajar dengan saluran drainase penerima. Para peneliti juga telah mengeksplorasi desain alternatif, seperti pagar rumput yang lebih sempit (Ritchie et al. 1997 ) dan penghalang rumput (Blanco-Canqui et al. 2004b ), yang biasanya lebarnya mencapai 1 m. Struktur ini, yang terdiri dari spesies tanaman yang kuat, tegak, dan berbatang tinggi, hemat ruang sambil tetap meningkatkan pengendapan sedimen dan pembentukan teras. Efektivitas VFS terutama dikaitkan dengan kemampuannya untuk meningkatkan kekasaran permukaan, yang memperlambat limpasan dan mengurangi pengangkutan partikel tanah (Lambrechts et al. 2014 ). Namun, dampaknya melampaui kekasaran permukaan saja. Sistem akar vegetasi menstabilkan tanah dengan mengikat partikel bersama-sama, mencegah erosi lebih lanjut dan membatasi pembentukan anak sungai dan parit. Selain itu, VFS memperbaiki struktur tanah di dalam zona perakaran, meningkatkan infiltrasi air dan mengurangi limpasan permukaan, yang membantu mencegah penyegelan dan pengerasan tanah (Krutz et al. 2017 ). Faktor kunci lain yang memengaruhi efisiensi VFS adalah efek aliran balik hidrolik, yang bergantung pada karakteristik medan. Efek ini mengurangi kecepatan limpasan, mendorong pengendapan sedimen pada tanah gundul tepat di hulu VFS (Ritchie et al. 1997 ; Shiono et al. 2005 ; Welle et al. 2006)). Seiring berjalannya waktu, sedimen yang diendapkan membentuk teras yang secara bertahap memperkecil kemiringan longitudinal, yang selanjutnya memperlambat limpasan dan meningkatkan efisiensi retensi sedimen (Ritchie et al. 1997 ). Oleh karena itu, karakteristik medan memengaruhi efisiensi penangkapan sedimen. Ghadiri et al. ( 2002 ) menemukan bahwa 92% sedimen tertahan di depan VFS pada kemiringan 1,6%, sedangkan hanya 63% yang tertahan pada kemiringan 5,1% yang lebih curam, yang menunjukkan pentingnya kemiringan dalam menentukan efektivitas VFS.
Studi awal yang mengevaluasi efektivitas VFS terutama mengandalkan metodologi yang disederhanakan. Salah satu pendekatan pertama didasarkan pada pengukuran kekeruhan sampel limpasan permukaan (Wilson 1967 ), sementara yang lain menilai perbedaan laju aliran, ukuran partikel, dan konsentrasi sedimen (Barfield et al. 1975 ; Van Dijk et al. 1996 ). Seiring dengan kemajuan penelitian, penelitian bergeser ke arah analisis yang lebih rinci tentang proses sedimentasi dalam VFS, menggunakan pengukuran topografi pengendapan sedimen di sepanjang strip filter (Ritchie et al. 1997 ) atau memperkirakan panjang area sedimentasi di zona backwater (Ghadiri et al. 2000 ).
Untuk mengevaluasi efisiensi VFS berdasarkan pengukuran eksperimental, dua metode perhitungan utama umumnya digunakan: Pertama, dalam studi dengan masukan dan keluaran sedimen yang diketahui, efisiensi VFS dihitung sebagai proporsi sedimen masuk yang tertahan oleh strip filter (Abu-Zreig et al. 2001 ; Barfield et al. 1975 ; Lei et al. 2019 ; Luo et al. 2020 ; Pan et al. 2010 ; Wu et al. 2023 ; Zhang et al. 2023 ). Pan et al. ( 2010 ) menyebut koefisien ini sebagai “efisiensi penangkapan sedimen” (STE), yang didefinisikan sebagai persentase (%) sedimen yang terperangkap terhadap total sedimen yang memasuki area:
di mana S in merupakan masukan sedimen (kg) dan S out merupakan keluaran sedimen (kg).
Studi mereka melaporkan efisiensi VFS yang tinggi. STE menurun secara bertahap seiring dengan peningkatan kemiringan, namun masih mencapai 42% pada kemiringan 27%. Selain itu, nilai STE menurun seiring dengan peningkatan durasi limpasan permukaan.
Pendekatan kedua untuk menghitung efisiensi VFS didasarkan pada perbandingan langsung antara volume limpasan dan hasil sedimen dari plot dengan VFS dan plot kontrol tanpa VFS (Shiono et al. 2005 ). Efisiensi dihitung sebagai berikut:
di mana E (%) merupakan efisiensi penghilangan sedimen, SY ctl merupakan hasil sedimen dari plot kontrol (kg) dan SY vfs merupakan hasil sedimen dari plot strip filter (kg).
Dengan menggunakan pendekatan ini, efisiensi penghilangan sedimen dievaluasi pada kemiringan 2%, di mana strip VFS 1,5 m mengurangi pengangkutan sedimen hingga 54%, sementara strip 3 m mencapai pengurangan 73%. Peristiwa badai selama dua hari dengan curah hujan 149 mm menghasilkan efisiensi penghilangan sedimen yang serupa: masing-masing 51% dan 61% (Shiono et al. 2005 ). Pendekatan yang sebanding digunakan dalam penelitian lain (Bissonnais et al. 2004 ; Blanco-Canqui et al. 2004a ; Welle et al. 2006 ). Metrik efisiensi penghilangan sedimen juga relevan untuk menilai pengurangan limpasan, karena VFS berkontribusi pada tingkat infiltrasi yang lebih tinggi. Bissonnais et al. ( 2004 ) menunjukkan bahwa infiltrasi air meningkat hingga 80%–87% setelah melewati VFS, yang secara signifikan mengurangi limpasan permukaan.
Studi sebelumnya telah menekankan peran multifaset VFS dalam mengurangi dampak lingkungan, khususnya dengan secara selektif menjebak sedimen yang lebih kasar dan mengubah distribusi ukuran partikel material yang diangkut. VFS telah terbukti mengurangi ukuran butiran rata-rata sedimen dalam limpasan permukaan; misalnya, Ghadiri et al. ( 2000 ) melaporkan pengurangan dari 2,1 mm menjadi 0,8 mm, disertai dengan peningkatan konsentrasi karbon organik, nitrogen, dan fosfor yang terikat pada partikel yang lebih halus. Demikian pula, Bissonnais et al. ( 2004 ) menemukan bahwa VFS secara efektif menangkap fraksi pasir, mengurangi total beban sedimen sebesar 76%–98%, meskipun hal ini juga menyebabkan hampir dua kali lipat konsentrasi lempung dan lanau dalam aliran keluar.
Beberapa studi telah difokuskan pada identifikasi spesies tanaman yang paling efektif untuk pengendalian limpasan permukaan dan pengurangan sedimen di VFS. Wilson ( 1967 ) merupakan salah satu yang pertama kali menetapkan persyaratan vegetasi primer untuk VFS, dengan menyoroti perlunya sistem perakaran yang dalam, kepadatan tanaman yang tinggi, ketahanan terhadap banjir dan kekeringan, kemampuan untuk tumbuh kembali setelah sedimentasi, dan efektivitas biaya . Dalam studi tersebut, Bermudagrass diidentifikasi sebagai spesies yang sangat cocok, yang memenuhi semua kriteria ini. Persyaratan mereka kemudian dikonfirmasi oleh Lei et al. ( 2019 ) dan Sheng et al. ( 2021 ), yang juga menekankan pentingnya sistem akar yang padat dan tangguh untuk retensi sedimen yang efektif. Studi perbandingan telah mengevaluasi efektivitas spesies tanaman yang berbeda dalam retensi sedimen. Van Dijk et al. ( 1996 ) menganalisis perbedaan antara vegetasi lama (padang rumput yang sudah mapan) dan vegetasi yang baru ditanam (≤ 2 tahun), dan menemukan bahwa vegetasi yang lebih tua sedikit lebih efektif karena batangnya yang lebih kuat dan lebih tahan. Dalam studi serupa, Zhang et al. ( 2022 ) menyelidiki berbagai jenis rumput dan vegetasi asli, yang mengonfirmasi bahwa vegetasi yang sudah mapan meningkatkan efisiensi penangkapan sedimen.
Penelitian sebelumnya telah menunjukkan potensi VFS dalam mengurangi erosi tanah dan pengangkutan sedimen, tetapi metodologi dan pengaturan eksperimen yang bervariasi untuk evaluasi efektivitas membuat perbandingan langsung menjadi sulit. Perbedaan dalam dimensi plot, sistem simulasi limpasan, dan metode pencampuran sedimen menyebabkan ketidakkonsistenan dalam mengevaluasi efisiensi VFS. Selain itu, metode perhitungan untuk pengurangan sedimen dan limpasan bervariasi, yang selanjutnya mempersulit standardisasi, seperti yang disebutkan dalam tinjauan oleh Reichenberger et al. ( 2007 ).
Studi saat ini memperluas kumpulan data penelitian yang ada dengan memperkenalkan eksperimen lapangan terkontrol yang dirancang untuk membandingkan efektivitas VFS di berbagai panjang lereng, kemiringan, dan kondisi vegetasi. Dengan memanfaatkan metodologi yang konsisten dan pengaturan eksperimen yang terstandarisasi, studi ini memberikan wawasan tentang kinerja VFS. Tujuan utamanya adalah:
- Untuk mengembangkan dan menguji sistem praktis untuk simulasi limpasan permukaan dan pengangkutan sedimen.
- Untuk mengukur efisiensi VFS dalam berbagai panjang, kemiringan, dan kondisi vegetasi menggunakan dua metode evaluasi yang berbeda.
- Untuk menganalisis pengaruh VFS pada distribusi ukuran butiran sedimen.
2 Metodologi
Metodologi untuk eksperimen lapangan dalam studi ini guna mengevaluasi dampak VFS terhadap limpasan permukaan dan erosi tanah dirangkum di bawah ini. Suspensi buatan digunakan untuk mensimulasikan limpasan permukaan, yang diaplikasikan pada tiga kondisi permukaan lahan: (1) tutupan rumput, (2) tanah gundul, dan (3) kombinasi tanah gundul dengan tutupan rumput. Dalam studi ini, lahan pertanian dengan padang rumput digunakan sebagai area studi VFS.
2.1 Lokasi Percobaan
Pengukuran eksperimental dilakukan di dua lokasi di Wilayah Bohemia Tengah Republik Ceko, dengan kondisi lereng yang identik tetapi dengan spesies vegetasi yang berbeda. Eksperimen pertama (Exp1) dilakukan pada bulan Agustus 2019 di Okrouhlice (49.789° LU, 14.742° BT), diikuti oleh dua eksperimen tambahan (Exp2 dan Exp3) pada bulan April 2020 di Smečno (50.195° LU, 14.026° BT). Kedua lokasi tersebut terletak di padang rumput yang terawat.
Plot untuk Exp1 terletak di padang rumput yang luas di daerah kering, didominasi oleh campuran Lolium perenne , Dactylis glomerata , Trifolium pratense , Capsella bursa-pastoris , dan Lamium purpureum . Lokasi ini terletak pada ketinggian 307 m di atas permukaan laut, diklasifikasikan sebagai CfB menurut klasifikasi iklim Köppen-Geiger, dengan suhu tahunan rata-rata 9,6°C dan curah hujan tahunan 510,3 mm (Zepner et al. 2021 ). Tanah diklasifikasikan sebagai lempung lanau, dengan massa jenis terukur 1,58 ± 0,06 g cm −3 dan kadar air volumetrik tanah awal 28,0% ± 2,6%. Tutupan tajuk adalah 89,0% ± 5,8%. Plot untuk Exp2 dan Exp3 terletak di daerah kering di lahan yang telah ditanami 1 tahun sebelumnya dan kemudian diubah menjadi padang rumput intensif, didominasi oleh rumput lebat seperti Festuca rubra , Plantago lanceolata , dan Achillea millefolium . Lokasi ini juga diklasifikasikan sebagai CfB menurut klasifikasi iklim Köppen-Geiger, terletak pada ketinggian 437 m di atas permukaan laut, dengan suhu tahunan rata-rata 8,7°C dan curah hujan tahunan 655,7 mm (Zepner et al. 2021 ). Tanahnya lempung berpasir dengan massa jenis terukur 1,43 ± 0,07 g cm −3 . Kadar air volumetrik tanah lapisan atas awal adalah 24,0% ± 6,7% untuk Exp2 dan 23,5% ± 2,3% untuk Exp3. Tutupan tajuk di areal berumput adalah 77,0% ± 6,2%.
2.2 Pengaturan Eksperimen
Plot dengan dua panjang lereng yang berbeda digunakan dalam percobaan (Gambar 2 ). Plot selebar 1 m, dengan panjang 4 m (plot pendek) dan 8 m (plot panjang) searah lereng. Lembaran logam yang ditancapkan ke tanah melapisi sisi plot, mengarahkan limpasan permukaan ke bagian bawah, di mana ia dikumpulkan melalui corong yang dipasang di ujung bawah plot miring. Sisi atas plot terbuka dan dilengkapi dengan pipa luapan distribusi untuk pembuangan air yang seragam. Plot pendek dan panjang diuji pada lereng 5° dan 10° di setiap lokasi, dengan tiga kali ulangan per kombinasi lereng dan panjang plot. Pengaturan ini digunakan dalam percobaan Exp1 dan Exp2. Percobaan Exp3 dilakukan secara berbeda, dengan plot pendek 4 m secara khusus diolah untuk menciptakan kondisi tanah gundul. Untuk mencapai hal ini, tanah awalnya diolah hingga kedalaman 10 cm menggunakan pembudidaya kebun. Area tersebut kemudian dipersiapkan dengan cermat dengan cara menyingkirkan tanah secara manual, menggemburkan tanah, dan memadatkannya dengan rol taman standar seberat 50 kg. Metode ini, yang umum digunakan dalam percobaan serupa, memastikan kondisi tanah yang konsisten dan dapat direproduksi (Kavka et al. 2018 ; Stašek et al. 2023 ). Untuk plot sepanjang 8 m, hanya bagian atas 4 m yang diolah untuk membuat tanah kosong, sedangkan bagian bawah 4 m mempertahankan vegetasi asli. Pengaturan percobaan ini secara khusus dirancang untuk mengevaluasi proses erosi alami pada tanah kosong dan efek transisi dari tanah kosong ke tutupan rumput, yang umum terjadi di area pertanian yang terdegradasi atau dalam tahap pemulihan.
Untuk mereplikasi limpasan permukaan yang membawa partikel tanah yang terkikis, sistem khusus (Gambar 3 ) dikembangkan untuk mencampur sedimen buatan dan memastikan distribusinya yang merata di atas plot percobaan, mengikuti prinsip-prinsip yang digunakan dalam penelitian serupa (Lambrechts et al. 2014 ; Lei et al. 2019 ; Pan et al. 2010 ; Van Dijk et al. 1996 ; Wu et al. 2023 ; Zhang et al. 2023 ). Konsentrasi sedimen 40 g/L −1 dan laju aliran 0,5 L/s −1 dipilih untuk pengukuran eksperimental. Nilai-nilai ini diperoleh dari pengukuran limpasan kondisi mapan yang diperoleh selama percobaan simulator curah hujan lapangan di lahan pertanian kosong yang tandus. Simulator menghasilkan intensitas curah hujan ekuivalen 60 mm/h −1 di atas area seluas 16 m 2 , yang mewakili aliran erosif yang cukup besar (Davidová et al. 2015 ; Jeřábek et al. 2022 ; Kavka et al. 2018 ; Stašek et al. 2023 ). Tepung silika giling mikro (ST2) dengan ukuran butiran rata-rata katalog 27 μm (Sklopísek Střeleč, Republik Ceko) dipilih sebagai sedimen buatan yang paling menyerupai sedimen alami dari eksperimen simulator curah hujan. Pengukuran difraktometer laser mengungkapkan ukuran butiran rata-rata 33 μm, terdiri dari 5,8% lempung, 62,5% lanau, dan 31,7% pasir. Set-up percobaan mencakup tangki air 1 m 3 , di mana volume air dan berat sedimen diberi dosis yang tepat untuk mempertahankan konsentrasi suspensi konstan sebesar 40 g/L −1 dan pembuangan air yang konstan ke dalam plot selama percobaan. Pompa lumpur memastikan pencampuran yang terus-menerus. Suspensi dikirim melalui selang ke sistem distribusi yang terletak di tepi atas plot percobaan. Katup bola pada selang outlet digunakan untuk mengatur laju aliran keluar target sebesar 0,5 L·s −1 . Laju aliran diverifikasi menggunakan metode volumetrik dan disesuaikan sebelum setiap rangkaian percobaan (Exp1, Exp2, dan Exp3). Dalam setiap percobaan, sampel tambahan dikumpulkan untuk memverifikasi laju aliran. Konsentrasi aliran masuk dipantau selama setiap pengulangan dengan mengambil sampel dari selang masuk pada awal dan akhir pengukuran. Pengambilan sampel dimulai pada awal limpasan permukaan dari plot dan dilakukan pada interval satu menit dengan durasi total 10 menit, menghasilkan 10 sampel per percobaan. Sampel dikumpulkan dalam wadah 1 atau 2 L, tergantung pada laju aliran, dengan pencatatan durasi pengambilan sampel yang tepat untuk memastikan penentuan laju aliran yang akurat.
2.4 Analisis Laboratorium Limpasan dan Sedimen
Sampel limpasan permukaan yang dikumpulkan dianalisis untuk mengukur volume limpasan permukaan, dan setelah pemrosesan lebih lanjut, konsentrasi sedimen, total beban sedimen, dan distribusi ukuran butiran ditentukan. Debit limpasan permukaan dihitung berdasarkan volume sampel dan durasi pengambilan sampel. Di laboratorium, sampel disaring dan dikeringkan untuk mendapatkan berat sedimen kering. Dengan menggunakan nilai ini dan volume limpasan yang diukur, konsentrasi sedimen dan pengiriman sedimen dihitung untuk setiap interval. Distribusi ukuran butiran dianalisis dari sampel yang dikumpulkan pada aliran masuk plot (pada awal dan akhir setiap replikasi) dan pada aliran keluar, menggunakan sampel limpasan permukaan yang diambil pada menit ke-5 dan ke-9 percobaan. Sampel dianalisis menggunakan difraktometer laser Mastersizer 3000 (Malvern, Inggris). Hasilnya termasuk kurva distribusi ukuran butiran dan ukuran butiran rata-rata D 50 , indikator distribusi ukuran butiran material yang banyak digunakan (Malvern 2015 ; Reichenberger et al. 2023 ).
2.5 Penilaian Efisiensi Pengurangan Limpasan dan Sedimen
Efisiensi VFS dievaluasi menggunakan nilai limpasan dan sedimen kumulatif dari eksperimen 10 menit yang direplikasi. Untuk tujuan ini, efisiensi reduksi dalam % (RE) dihitung berdasarkan prinsip yang sama dengan efisiensi penangkapan sedimen (STE) (Persamaan 1 ), menggunakan nilai aliran masuk dan keluar yang terukur (Persamaan 3 ). Metode ini diterapkan secara konsisten pada semua pengukuran dari eksperimen Exp1, Exp2, dan Exp3.
di mana In sed (In w ) – jumlah total sedimen yang masuk (aliran air masuk) dan Out sed (Out w ) – jumlah total sedimen yang keluar (aliran air keluar).
Dengan menggunakan metodologi dari Exp2 dan Exp3, yang dilakukan pada plot dengan dan tanpa vegetasi, koefisien efisiensi pengurangan tambahan dalam % (RE2) dihitung (Persamaan 2 ). RE2 hanya membandingkan keluaran sedimen dan limpasan dari plot rumput dan tanah kosong. RE2 dihitung secara eksklusif untuk plot 4-m di Exp2 dan Exp3 (Persamaan 4 ), di mana pengukuran yang sebanding dilakukan.
di mana OutSed bare (OutW bare ) – jumlah total keluaran sedimen dari plot tanah gundul dan OutSed grass (OutW grass ) – jumlah total keluaran sedimen dari plot yang ditutupi rumput.
2.6 Analisis Statistik
Semua analisis statistik dilakukan menggunakan Python v3.12. Normalitas data dinilai menggunakan uji Shapiro–Wilk (SW) dan Kolmogorov–Smirnov (KS). Uji statistik dilakukan pada distribusi replikasi berdasarkan rata-rata untuk setiap jenis eksperimen ( n = 36), panjang plot, jenis plot, dan derajat kemiringan. Uji parametrik diterapkan ketika asumsi normalitas terpenuhi, sedangkan uji non-parametrik digunakan untuk data yang tidak normal. Signifikansi statistik ditetapkan pada p < 0,05. Untuk mengevaluasi efek panjang plot (4 dan 8 m) dan kemiringan (5° dan 10°) pada limpasan permukaan, ANOVA dua arah dilakukan untuk kumpulan data yang memenuhi asumsi normalitas. Uji HSD Tukey digunakan untuk beberapa perbandingan di mana perbedaan signifikan terdeteksi. Untuk kumpulan data yang tidak memenuhi asumsi normalitas, uji Kruskal-Wallis digunakan untuk menilai efek panjang plot dan kemiringan pada limpasan dan pengiriman sedimen. Jika uji Kruskal-Wallis menunjukkan perbedaan yang signifikan, uji post hoc Dunn dengan koreksi Bonferroni digunakan untuk mengidentifikasi perbedaan berpasangan. Selain itu, untuk membandingkan plot kosong dengan plot berumput (Eksperimen 1, 2, dan 3), uji Kruskal-Wallis diikuti oleh uji post hoc Dunn diterapkan, karena data tidak terdistribusi secara normal.
3 Hasil
Hasilnya diperoleh dengan merata-ratakan data di tiga replikasi untuk setiap kombinasi kemiringan, panjang plot, dan penutup tanah. Konsentrasi sedimen tersuspensi di saluran masuk plot diukur pada 37,3 ± 5,0 g·L −1 , dengan laju pembuangan 0,52 ± 0,03 L·s −1 . Untuk memastikan perhitungan efisiensi reduksi yang akurat dan tidak bias, variasi dalam konsentrasi input dan pembuangan diperhitungkan dalam penilaian input dan aliran masuk sedimen. Pengujian normalitas menggunakan uji SW dan KS menghasilkan hasil yang beragam. Sementara uji KS menunjukkan distribusi normal untuk data limpasan, uji SW tidak; oleh karena itu, uji parametrik (ANOVA dua arah diikuti oleh analisis post hoc) diterapkan. Sebaliknya, data pengiriman sedimen tidak terdistribusi normal dalam kedua pengujian, jadi pendekatan non-parametrik (uji Kruskal-Wallis dengan analisis post hoc) digunakan. Perbandingan berdasarkan kelompok selanjutnya mengungkapkan normalitas yang bervariasi di berbagai kondisi eksperimen.
3.1 Limpasan Permukaan
Grafik pada Gambar 4a–d menunjukkan nilai rata-rata limpasan permukaan dari 3 replikasi percobaan menurut panjang dan kemiringan plot. Pada akhir percobaan pada plot 4-m, limpasan permukaan stabil pada tingkat yang sama di Exp1 dan Exp2, meskipun ada perbedaan dalam vegetasi dan kondisi tanah. Namun, limpasan yang lebih tinggi diamati di Exp3_bare, di mana tutupan rumput dihilangkan sepenuhnya, mencapai rata-rata 0,50 L·s −1 , dibandingkan dengan 0,32 L·s −1 di Exp1 dan Exp2. Di Exp3, aliran keluar mencapai hampir 100% dari nilai aliran masuk pada menit ke-5 percobaan, dan pada menit-menit percobaan uji terakhir, bahkan melebihi nilai aliran masuk target. Dalam kasus ini, pengukuran kontrol mendeteksi nilai aliran masuk yang sedikit lebih tinggi untuk Exp3. Untuk plot 8-m, trennya kurang konsisten. Nilai limpasan stabil di Exp1 dan Exp2 berbeda sebesar 0,1 L·s −1 pada kemiringan 5° dan 0,22 L·s −1 pada kemiringan 10°, dengan nilai yang lebih tinggi di Exp1. Exp3_bare/grass, yang menggabungkan tanah gundul dan tutupan rumput, menunjukkan limpasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan Exp2, dengan perbedaan sebesar 0,20 L·s −1 pada kemiringan 5° dan 0,23 L·s −1 pada kemiringan 10°.
3.2 Konsentrasi Sedimen dan Pengiriman
Grafik pada Gambar 6a–d menunjukkan nilai rata-rata konsentrasi sedimen dari tiga replikasi percobaan menurut panjang dan kemiringan plot. Grafik tersebut menunjukkan bahwa konsentrasi sedimen aliran tetap tertinggi, sekitar 37 g·L −1 , tercatat dalam percobaan yang dilakukan pada plot 4 m tanpa tutupan rumput (Exp3_bare). Percobaan lain berkisar antara 4 dan 15 g·L −1 , dengan nilai yang lebih tinggi teramati pada tanah yang sebagian gundul (Exp3_bare/grass). Dalam semua kasus, konsentrasi sedimen tertinggi tercatat selama interval pengukuran pertama, ketika pengangkutan partikel tanah gembur oleh limpasan permukaan mencapai puncaknya. Fenomena ini paling menonjol pada plot Exp3, dengan rata-rata 47 g·L −1 pada tanah yang benar-benar gundul dan 16 g·L −1 pada plot yang sebagian tertutup rumput.
3.3 Efisiensi Pengurangan
Gambar 8a–d menunjukkan nilai efisiensi reduksi (RE) terhitung untuk semua percobaan (Exp1, Exp2, dan Exp3) berdasarkan Persamaan ( 3 ). Dari grafik pada Gambar 8a,b , terlihat jelas bahwa tutupan rumput (Exp1_rumput dan Exp2_rumput) mencapai efisiensi tinggi dalam mengurangi limpasan dan sedimen dibandingkan dengan plot tanah gundul (Exp3_gundul). Pada plot yang tertutup rumput, efisiensi pengurangan limpasan (RE) rata-rata 47,6% ± 6,2%, sedangkan pada plot tanah gundul, hanya 18,5% ± 7,4%. Untuk pengurangan sedimen, efisiensinya bahkan lebih tinggi pada 87,3% ± 1,7% pada plot yang tertutup rumput, dibandingkan dengan hanya 16,7% ± 7,5% pada plot tanah gundul. Untuk plot 8-m yang lebih panjang, plot yang tertutup rumput dibandingkan dengan plot gabungan dengan tanah gundul dan tutupan rumput. Efisiensi pengurangan limpasan adalah 70,3% ± 6,2% pada petak berumput dan 52,4% ± 2,3% pada petak gabungan. Efisiensi pengurangan sedimen adalah 96,3% ± 0,3% untuk petak berumput dan 82,5% ± 1,9% untuk petak gabungan. Hasil ini menunjukkan bahwa bahkan pada petak dengan tanah kosong, limpasan permukaan dan sedimen dapat dikurangi secara signifikan dengan menyertakan setidaknya satu area yang sama panjangnya dengan tutupan rumput.
Hasil percobaan kami dan perbandingan perhitungan menggunakan kedua metode RE dan RE2 yang berbeda disajikan pada Tabel 1 .
| Perhitungan efisiensi pengurangan | 5° | 10° | |
|---|---|---|---|
| Limpasan (%) | ULANG | 47,8 ± 6,3 | 60,8 ± 0,8 |
| RE2 | 40,3 ± 8,4 | 46,2 ± 6,0 | |
| Sedimen (%) | ULANG | 84,7 ± 3,2 | 89,6 ± 1,5 |
| RE2 | 81,1 ± 4,6 | 85,0 ± 0,6 |
Perbandingan hasil menunjukkan perbedaan yang jelas antara kedua metode perhitungan. Dalam semua kasus, nilai efisiensi yang lebih tinggi diperoleh dengan menggunakan metode RE untuk pengurangan limpasan dan sedimen. Untuk pengurangan limpasan, metode RE2 menghasilkan nilai efisiensi yang rata-rata 19,9% lebih rendah daripada yang diperoleh dengan menggunakan metode RE. Dalam kasus pengurangan sedimen, perbedaannya lebih kecil, dengan nilai RE2 rata-rata 4,7% lebih rendah daripada nilai RE. Meskipun perbedaan ini tidak ekstrem, terutama untuk pengurangan sedimen, perbedaan ini tetap harus dipertimbangkan saat membandingkan hasil di berbagai penelitian.
3.4 Distribusi Ukuran Butiran
Grafik pada Gambar 10a–d menunjukkan ukuran butiran rata-rata D50 pada aliran masuk dan keluar plot.
4 Diskusi
4.1 Sistem Pencampuran dan Luapan
Desain eksperimen dalam studi ini yang memanfaatkan sistem pencampuran dan luapan memberikan pendekatan yang terkendali dan berulang untuk mengevaluasi perilaku sedimen dan limpasan di VFS. Tidak seperti eksperimen yang mengandalkan presipitasi dan limpasan alami (Bissonnais et al. 2004 ; Welle et al. 2006 ), sistem eksperimen ini memungkinkan sejumlah besar pengukuran yang dapat diulang dengan parameter yang dapat dikontrol dalam waktu yang relatif singkat. Sementara eksperimen simulator curah hujan juga menawarkan kontrol atas variabel input, eksperimen tersebut secara teknis rumit dan sering dibatasi oleh pasokan sedimen dari area sumber (Blanco-Canqui et al. 2004b ). Sebaliknya, sistem sedimen tersuspensi yang disiapkan yang digunakan dalam studi ini memberikan pengaturan eksperimen yang lebih sederhana dan lebih terkendali, menghilangkan kebutuhan akan area sumber sedimen alami, yang memungkinkan eksperimen in situ dalam kondisi nyata.
Pengaturan eksperimen serupa telah berhasil digunakan dalam studi sebelumnya (Van Dijk et al. 1996 ; Wu et al. 2023 ), yang menunjukkan kontrol konsentrasi sedimen yang konsisten dan kondisi pengukuran yang andal. Beberapa studi bahkan telah menggunakan konsentrasi aliran masuk target sekitar 40 g·l −1 , yang selaras dengan konsentrasi yang dicapai dalam eksperimen kami (Luo et al. 2020 ; Zhang et al. 2023 ). Hasil metode aplikasi sedimen dan air manual kami menghasilkan konsentrasi aliran masuk sebesar 37 ± 5 g·L −1 , dengan deviasi standar sekitar 13%, yang menunjukkan sistem yang stabil dan andal untuk pengiriman sedimen yang terkendali. Deviasi serupa dilaporkan dalam Pan et al. ( 2010 ) di mana sistem pencampuran otomatis menghasilkan deviasi standar sebesar 13%.
Dalam hal stabilitas aliran masuk limpasan, sistem eksperimen studi ini mencapai laju aliran masuk yang sedikit lebih tinggi daripada nilai yang ditargetkan. Sementara laju aliran masuk yang dimaksudkan adalah 0,5 L·s −1 , sistem menghasilkan aliran masuk rata-rata 0,52 ± 0,026 L·s −1 , yang menunjukkan deviasi sekitar 5%. Perbedaan ini paling jelas terlihat pada Exp3, di mana nilai aliran keluar mencapai hingga 0,56 L·s −1 . Nilai aliran masuk awal pada Exp3 adalah 0,49 L·s −1 , yang menunjukkan bahwa pemeliharaan level air yang tidak konsisten di dalam tangki atau manipulasi katup kontrol yang tidak disengaja terjadi selama percobaan. Meskipun demikian, tingkat akurasi ini sebanding dengan eksperimen terkontrol lainnya, seperti Lei et al. ( 2019 ), di mana aliran masuk yang ditargetkan sebesar 0,2 L·s −1 mengakibatkan deviasi sekitar 3%, atau Pan et al. ( 2010 ), di mana aliran masuk sebesar 15 L·m −1 menghasilkan deviasi standar sebesar 14%. Sebaliknya, studi yang mengandalkan kejadian curah hujan alami (misalnya, Al-Wadaey et al. 2012 ) memberikan representasi proses hidrologi alami yang lebih realistis. Namun, karena kurangnya kontrol atas intensitas, durasi, dan frekuensi presipitasi, studi-studi ini biasanya mengalami variabilitas yang tinggi. Misalnya, deviasi standar dalam limpasan permukaan di berbagai kejadian curah hujan di Al-Wadaey et al. ( 2012 ) dilaporkan setinggi 74%, yang menunjukkan variabilitas signifikan yang terkait dengan eksperimen presipitasi alami. Secara unik, ini menyoroti keuntungan utama dari pengaturan eksperimen yang terkontrol, seperti yang digunakan dalam studi ini, di mana replikasi sistematis dan kontrol parameter memungkinkan hasil yang lebih tepat dan sebanding.
Secara keseluruhan, temuan kami menekankan pentingnya kondisi eksperimen yang terkontrol dalam studi sedimen dan limpasan, yang memastikan bahwa variabilitas diminimalkan sekaligus mempertahankan reproduktifitas dan akurasi. Sementara studi curah hujan alami tetap berharga untuk menangkap kondisi dunia nyata, sistem eksperimen terkontrol seperti milik kami memberikan pelengkap yang berharga dengan memungkinkan penilaian sistematis terhadap variabel tertentu dalam kondisi yang konsisten dan berulang.
4.2 Dampak Panjang dan Kemiringan Plot terhadap Limpasan dan Retensi Sedimen
Efek dari panjang plot dan kemiringan dianalisis secara eksklusif untuk plot yang ditutupi rumput (Exp1 dan Exp2) untuk menghilangkan pengaruh plot tanah subur yang gundul di Exp3. Metode statistik non-parametrik diterapkan karena distribusi data yang tidak normal ( p < 0,05 untuk limpasan dan pengiriman sedimen). Uji Kruskal-Wallis menunjukkan efek yang signifikan dari karakteristik plot pada limpasan ( H = 56,94, p < 0,0001) dan pengiriman sedimen ( H = 164,34, p < 0,0001). Uji post hoc Dunn mengonfirmasi bahwa plot 8-m menunjukkan limpasan yang signifikan lebih rendah ( p = 4,49 × 10 −14 ) dan pengiriman sedimen ( p = 1,27 × 10 −37 ) dibandingkan dengan plot 4-m, yang menyoroti peran panjang plot dalam mengurangi limpasan dan pengangkutan sedimen. Namun, kemiringan tidak memberikan pengaruh yang signifikan, hal ini menunjukkan bahwa dalam rentang yang diuji (5°–10°), panjang plot merupakan faktor dominan dalam mengendalikan limpasan dan retensi sedimen.
Kesimpulan serupa dicapai oleh Abu-Zreig et al. ( 2001 ), yang menguji plot sepanjang 2, 5, 10, dan 15 m. Studi mereka menemukan bahwa efisiensi penangkapan sedimen bervariasi dari 65% pada VFS sepanjang 2 m hingga 92% pada filter sepanjang 10 m. Namun, tidak ada peningkatan lebih lanjut dalam efisiensi penghilangan sedimen yang diamati untuk VFS yang lebih panjang. Kisaran lereng terbatas yang diuji dalam studi ini mungkin memainkan peran penting dalam hasil yang diamati. Misalnya, Pan et al. ( 2010 ), dalam percobaan yang dilakukan pada plot sepanjang 5 m, mencapai efisiensi pengurangan sedimen sebesar 42% pada lereng 15° dan hingga 70% pada lereng 3°. Temuan mereka, berdasarkan rentang lereng yang lebih luas, menunjukkan bahwa lereng memiliki pengaruh yang signifikan terhadap efektivitas VFS. Studi terbaru lebih lanjut mendukung pengamatan ini. ( 2015 ) menganalisis retensi air, sedimen, dan nutrisi di VFS asli di Brasil Selatan dan menemukan bahwa plot yang lebih panjang secara konsisten mengurangi limpasan dan kehilangan sedimen, tetapi lereng yang lebih curam sedikit mengurangi efisiensi retensi karena peningkatan kecepatan aliran. Demikian pula, Zhang et al. ( 2022 ) menunjukkan bahwa VFS mengimbangi efek lereng curam dengan meningkatkan pengendapan sedimen, terutama ketika sistem akar yang padat hadir. Selain itu, Zhang et al. ( 2023 ) menyelidiki efektivitas VFS di lanskap konstruksi yang curam dan menemukan bahwa strip penyangga secara signifikan mengurangi transportasi sedimen, dengan panjang memainkan peran dominan atas variasi lereng. Secara keseluruhan, hasil ini mengonfirmasi bahwa efisiensi VFS terutama ditentukan oleh panjang plot daripada lereng dalam rentang yang diuji. Namun, di medan yang lebih curam atau di bawah curah hujan intensitas tinggi, efek lereng mungkin menjadi lebih jelas. Temuan ini berkontribusi pada semakin banyaknya bukti bahwa VFS yang lebih panjang lebih efektif dalam retensi sedimen dan pengurangan limpasan.
4.3 Efisiensi Pengurangan VFS
Tinjauan atas studi yang ada (Reichenberger et al. 2007 ; Yu et al. 2019 ) menyoroti variabilitas tinggi dalam efisiensi pengurangan limpasan dan sedimen VFS, dengan nilai yang dilaporkan berkisar dari 0% hingga 100%. Dalam percobaan kami, pengurangan limpasan berkisar dari 25% hingga 92%, sementara pengurangan sedimen bervariasi antara 81% hingga 99%. Untuk mengevaluasi efisiensi pengurangan, dua metrik perhitungan yang berbeda diterapkan: (1) RE—Membandingkan konsentrasi sedimen aliran masuk dan keluar, dan (2) RE2—Membandingkan keluaran sedimen dari plot yang ditutupi rumput dan plot tanah kosong kontrol. Reichenberger et al. ( 2007 ), dalam analisis mereka atas 14 studi berbeda tentang efisiensi VFS, mengidentifikasi dua isu metodologis utama. Isu pertama menyangkut komparabilitas hasil efisiensi yang diperoleh dengan menggunakan metode yang berbeda. Untuk mengatasi masalah ini, penelitian ini memberikan kontribusi penting dengan menyoroti dampak berbagai metode perhitungan terhadap evaluasi efisiensi VFS, dengan menekankan perlunya konsistensi dan keterbandingan di seluruh penelitian terkait. Perbandingan dua metode perhitungan efisiensi (RE dan RE2) menunjukkan perbedaan yang mencolok: sementara perbedaan efisiensi untuk pengurangan sedimen relatif kecil (4,7%), perbedaan untuk pengurangan limpasan jauh lebih besar (19,9%).
Masalah kedua yang diangkat dalam tinjauan mereka melibatkan potensi ketidakakuratan dalam menghitung efisiensi berdasarkan plot kontrol tanah bervegetasi versus tanah kosong (metrik RE2). Ketidakakuratan ini dapat muncul karena variabilitas tanah dan vegetasi di berbagai lokasi pengujian. Namun, dalam penelitian ini, faktor variabilitas ini diminimalkan dengan melakukan kedua kondisi eksperimen di lokasi yang sama. Dalam Exp2 dan Exp3, plot 4-m yang sama pertama kali diuji dengan tutupan rumput, dan pada hari berikutnya, vegetasi disingkirkan, dan percobaan diulang pada tanah kosong. Pendekatan eksperimental ini unik, karena sebagian besar penelitian yang sebanding memposisikan plot tanah tertutup rumput dan tanah kosong berdampingan, memperkenalkan potensi bias dari perbedaan struktur tanah, kapasitas infiltrasi, dan mikrotopografi. Dari perspektif ini, menghitung efisiensi menggunakan nilai input dan output dari plot eksperimen yang sama (RE) tampaknya memberikan hasil yang lebih akurat. Namun, banyak studi menggambarkan pengaturan eksperimen di mana metode RE langsung ini tidak dapat diterapkan, seperti saat menggunakan simulator curah hujan atau curah hujan alami, di mana konsentrasi sedimen aliran masuk tidak dapat diukur secara langsung (Blanco-Canqui et al. 2004a ; Shiono et al. 2005 ). Dalam kasus seperti itu, metode penilaian efisiensi alternatif, seperti RE2, mungkin masih memberikan wawasan komparatif yang berharga, bahkan jika mereka memperkenalkan ketidakpastian tambahan karena perbedaan kondisi tanah dan vegetasi antara plot kontrol dan perlakuan. Meskipun ketepatan perhitungan ini, rentang efisiensi keseluruhan VFS sangat luas yang menggambarkan variabilitas hasil eksperimen. Dosskey et al. ( 2008 ) menggarisbawahi variabilitas tinggi, menunjukkan bahwa VFS selebar 4 m dalam beberapa kasus menjebak hingga 100% sedimen, sedangkan dalam kondisi yang berbeda, bahkan strip selebar 30 m menangkap sedikitnya 10% sedimen.
Dalam studi ini, efisiensi pengurangan sedimen di area yang ditumbuhi vegetasi penuh berkisar antara 84% hingga 98%. Dalam percobaan di mana 4 m tanah gundul mendahului VFS 4 m, efisiensinya sedikit menurun tetapi tetap tinggi (81%–84%). Sebaliknya, di area tanpa VFS, efisiensi pengurangan sedimen jauh lebih rendah, rata-rata 4% hingga 20%. Ini menunjukkan bahwa bahkan area yang tidak ditumbuhi vegetasi mampu memerangkap beberapa sedimen buatan; namun, nilai negatif dalam beberapa kasus menunjukkan bahwa erosi terjadi di dalam area pengujian, yang selanjutnya memperkuat pentingnya VFS dalam retensi sedimen.
4.4 Penutupan Vegetasi
Spesies rumput penggembalaan umum digunakan dalam studi eksperimental, dengan Lolium perenne menjadi spesies dominan selama Exp1, mirip dengan studi lain (Lambrechts et al. 2014 ; Pan et al. 2010 ), sementara Festuca rubra dominan selama Exp2. Selain spesies rumput itu sendiri, perbedaan utama antara kedua eksperimen adalah jenis tutupan vegetasi. Sementara Exp1 dilakukan pada padang rumput yang sudah lama berdiri, Exp2 dilakukan pada padang rumput yang telah menjadi ladang budidaya hanya setahun sebelum eksperimen. Hasilnya, Exp2 merupakan padang rumput yang relatif baru berdiri, yang mungkin telah memengaruhi kerapatan vegetasi, struktur akar, dan keseluruhan karakteristik limpasan dan retensi sedimen—faktor-faktor yang secara signifikan memengaruhi jumlah limpasan dan sedimen (Zhao et al. 2014 ). Berdasarkan perbandingan percobaan yang dilakukan pada plot 4-m dengan vegetasi (Exp1 dan Exp2) dan tanah kosong (Exp3), ditemukan bahwa tipe vegetasi yang berbeda (Exp1 vs. Exp2) memengaruhi limpasan permukaan secara signifikan ( p = 0,024; Gambar 4b ), dengan nilai limpasan yang lebih tinggi diamati pada Exp1, di mana Lolium perenne adalah spesies dominan. Namun, tipe vegetasi sendiri tidak memengaruhi transpor sedimen ( p = 1,00; Gambar 6b ). Perlu dicatat, percobaan studi ini dilakukan sebagai kejadian tunggal di satu lokasi, yang mencegah kemampuan untuk mengamati efek vegetasi pada tahap perkembangan yang berbeda. Lambrechts dkk. ( 2014 ) membahas aspek ini dengan menguji efektivitas VFS pada berbagai tahap perkembangan vegetasi, khususnya setelah 2 dan 4 bulan pertumbuhan. Studi laboratorium mereka menemukan bahwa untuk Lolium perenne , efisiensi meningkat dari 35% setelah 2 bulan menjadi 50% setelah 4 bulan. Sebaliknya, untuk Trifolium repens , efisiensi menurun dari 49% menjadi 40% selama periode yang sama. Sebuah studi perbandingan oleh Welle et al. ( 2006 ) mengevaluasi Setaria dan Vetiver , dengan Vetiver mencapai pengurangan sedimen yang lebih tinggi (62%) dibandingkan dengan Setaria (30%).
4.5 Distribusi Ukuran Butir dan Perannya dalam Retensi Nutrisi
Pemantauan distribusi ukuran butiran sangat penting untuk memahami kapasitas pengikatan nutrisi seperti fosfor dan nitrogen, serta melacak transportasi sedimen melalui VFS. Parameter D 50 , yang mewakili ukuran partikel median, secara luas diakui sebagai indikator penting efisiensi penangkapan sedimen (Reichenberger et al. 2023 ). Studi kami selaras dengan penelitian terbaru tentang peran VFS dalam memodifikasi komposisi ukuran butiran limpasan permukaan, dan kami menentukan D 50 dengan analisis laboratorium sampel sedimen input dan output, diikuti oleh evaluasi komparatif terhadap komposisi tanah mentah. Temuan kami menunjukkan pengurangan yang signifikan dalam nilai D 50 di plot yang tertutup rumput sebesar 22,5 μm, sedangkan di plot tanah gundul, nilainya hampir tidak berubah, hanya berkurang 1 μm. Pendekatan serupa telah digunakan dalam penelitian terbaru untuk menilai efektivitas VFS dalam menangkap fraksi sedimen yang lebih halus. ( 2014 ) menyoroti bahwa VFS mengubah komposisi sedimen dengan secara selektif menahan fraksi yang lebih kasar, yang mengarah ke peningkatan proporsi partikel halus (lanau dan lempung) dalam aliran keluar. Pergeseran ini signifikan karena nutrisi seperti fosfor lebih disukai diserap ke partikel halus, memengaruhi mobilitas dan bioavailabilitasnya di badan air hilir (Spohn 2020 ). Demikian pula, Yu et al. ( 2019 ) menekankan bahwa distribusi ukuran partikel memainkan peran penting dalam menentukan efisiensi VFS, mencatat bahwa partikel yang lebih kecil lebih sulit terperangkap, terutama di bawah kecepatan limpasan yang tinggi. Studi mereka menemukan bahwa peningkatan kepadatan vegetasi dan lebar strip yang dioptimalkan meningkatkan efisiensi retensi, terutama untuk fraksi sedimen berbutir halus. Ini mendukung temuan dari Bissonnais et al. ( 2004 ) dan Pan et al. ( 2010 ), yang mengamati penurunan nilai D50 dalam aliran keluar VFS, yang menunjukkan kemampuan VFS untuk secara istimewa menangkap partikel yang lebih kasar sambil memungkinkan partikel yang lebih halus untuk diangkut lebih jauh ke hilir. Efeknya sangat terasa dalam kondisi lereng rendah—misalnya, 90% partikel yang lebih besar dari 50 μm terperangkap pada lereng 3°, sementara hanya 60% yang tertahan pada lereng 15° (Pan et al. 2010 ). Selain itu, Chen et al. ( 2024) berpendapat bahwa menggabungkan data kinerja VFS ke dalam model penilaian risiko meningkatkan prediksi mobilitas pestisida dan paparan lingkungan. Temuan mereka memperkuat pentingnya pemantauan ukuran butiran, karena partikel yang lebih halus meningkatkan potensi pengangkutan kontaminan yang diserap, yang menyoroti peran VFS dalam mengurangi polusi sumber non-titik. Temuan-temuan ini secara kolektif menggarisbawahi perlunya pemantauan ukuran butiran saat menilai efisiensi VFS. Memahami distribusi dan pergerakan fraksi sedimen memungkinkan desain dan pengoptimalan VFS yang lebih baik, memastikan retensi nutrisi maksimum dan pengendalian sedimen jangka panjang.
4.6 Masalah Potensial dan Pertanyaan Penelitian Masa Depan
Sementara VFS sangat efektif dalam kondisi aliran lembaran, efisiensinya menurun secara signifikan dalam aliran terkonsentrasi (Blanco-Canqui et al. 2004a ). Dalam studi kami, perangkat distribusi digunakan untuk memastikan penerapan limpasan dan sedimen tersuspensi yang seragam di seluruh area eksperimen, yang mensimulasikan kondisi aliran lembaran yang ideal. Namun, dalam skenario dunia nyata, jalur aliran terkonsentrasi sering kali melewati VFS, sehingga mengurangi efektivitasnya. Peningkatan potensial melibatkan penggabungan VFS dengan penghalang vegetatif tambahan. Misalnya, penghalang vegetatif selebar 0,7 m dengan batang kaku meningkatkan pengurangan sedimen dari 72% (VFS saja) menjadi 91%, menjadikannya alternatif yang lebih hemat ruang (Blanco-Canqui et al. 2004a ). Investigasi lebih lanjut diperlukan untuk mengidentifikasi konfigurasi optimal dari sistem gabungan tersebut dan stabilitas jangka panjangnya dalam berbagai kondisi hidrologi termasuk skenario limpasan terkonsentrasi. Namun demikian, bahkan VFS yang dirancang secara standar yang hanya mencakup 1,0%–1,5% dari suatu daerah aliran sungai dapat mengurangi kehilangan sedimen dan nutrisi hingga lebih dari 50% (Al-Wadaey et al. 2012 ). Desain VFS konvensional terutama berfokus pada limpasan permukaan, sering kali mengabaikan proses bawah permukaan, yang mungkin memainkan peran penting dalam retensi nutrisi dan penyimpanan polutan. Ramler et al. ( 2022 ) menyarankan bahwa VFS harus diperlakukan sebagai sistem tiga dimensi, di mana lapisan bawah permukaan bertindak sebagai penyerap dinamis untuk polutan seperti fosfor. Namun, kapasitas penyimpanannya berfluktuasi seiring waktu, dan konsep ini sebagian besar masih belum teruji dalam eksperimen lapangan jangka panjang. Penelitian di masa mendatang harus menyelidiki bagaimana dinamika bawah permukaan memengaruhi efisiensi VFS dari waktu ke waktu dan apakah modifikasi tanah atau pilihan vegetasi dapat meningkatkan kemampuan retensi jangka panjang. Penelitian lain telah membandingkan efisiensi VFS dengan metode konservasi alternatif, seperti pengolahan tanah mulsa dan bendungan mikro. Misalnya, di Jerman, pengolahan tanah mulsa dapat menggantikan VFS pada lebar 20 m, yang menawarkan pengendalian erosi yang sebanding (Klein et al. 2023 ). Akan tetapi, perbandingan komprehensif dari alternatif-alternatif ini masih langka, sehingga sulit untuk menentukan pendekatan yang paling efektif dalam berbagai pengaturan lingkungan. Meskipun efisiensi VFS terdokumentasi dengan baik, banyak penelitian menekankan perlunya pemantauan jangka panjang tambahan di berbagai lereng, panjang jalur, dan jenis vegetasi (Zhang et al. 2023 ). Faktor penting lainnya adalah efisiensi yang bergantung pada waktu, karena VFS menunjukkan efektivitas maksimum di awal tetapi secara bertahap menurun karena akumulasi sedimen dan berkurangnya kapasitas infiltrasi (Wu et al. 2023).). Oleh karena itu, penting untuk fokus pada pemantauan kinerja VFS pada berbagai tahap perkembangan vegetasi dan kejadian hujan berulang, serta mengevaluasi peran strategi pemeliharaan dalam mempertahankan efektivitas jangka panjang dan meminimalkan degradasi VFS dari waktu ke waktu.
5 Kesimpulan
Studi ini berhasil mengembangkan dan menguji sistem dan metodologi fungsional untuk mengevaluasi efektivitas VFS dalam kondisi lapangan yang terkendali. Sistem yang dibangun menggunakan material yang umum tersedia ini memungkinkan pengukuran yang tepat dari limpasan masukan dan keluaran serta fluks sedimen, memastikan fleksibilitas dalam mengendalikan parameter eksperimen utama seperti konsentrasi sedimen dan laju aliran. Lebih jauh lagi, kemampuan adaptasi sistem memungkinkan penerapannya di berbagai pengaturan eksperimen, termasuk spesies rumput, lereng, dan panjang plot yang berbeda, menunjukkan keserbagunaannya dan potensi penelitian yang lebih luas. Meskipun efektif, desain eksperimen secara inheren memiliki keterbatasan karena kondisi khusus di mana studi dilakukan. Laju aliran masuk yang diterapkan sebesar 0,5 L·s −1 untuk plot kecil (lebar 1 m) merupakan skenario yang disederhanakan dan terkendali, yang tidak sepenuhnya mereplikasi kompleksitas daerah tangkapan air nyata atau kejadian curah hujan alami. Namun, dalam kerangka kerja yang terkendali ini, eksperimen mengonfirmasi peran penting tutupan rumput dalam mengurangi limpasan permukaan dan pengangkutan sedimen, mencapai pengurangan hingga 91% dalam limpasan dan 98% dalam sedimen, tergantung pada kondisi.
Panjang plot muncul sebagai faktor penting dalam efisiensi penangkapan air dan sedimen, sedangkan kemiringan memiliki efek terbatas dalam rentang yang diuji. Studi ini juga menyoroti implikasi metodologis dari berbagai pendekatan perhitungan efisiensi (RE dan RE2), yang dapat secara signifikan memengaruhi interpretasi kinerja VFS—terutama dengan perbedaan hampir 20% yang diamati dalam estimasi pengurangan limpasan. Penurunan yang diamati dalam D 50 lebih lanjut mendukung peran VFS dalam secara selektif menangkap fraksi sedimen yang lebih kasar, sehingga meningkatkan kapasitas filtrasinya. Temuan ini menggarisbawahi efisiensi VFS sebagai solusi berbasis alam yang dapat secara signifikan mengurangi pengangkutan sedimen, bahkan dengan penggunaan lahan minimal untuk praktik konservasi ini.
