Pengembangan Root-Zone Cooling System untuk Produksi Benih Bawang Merah di Dataran Rendah Tropika

Abstract

Bawang merah adalah salah satu komoditas strategis di Indonesia yang harganya cenderung berfluktuasi disebabkan oleh beberapa faktor diantaranya: biaya tanam, kondisi cuaca, stok ketersediaan, transportasi, dan masuknya bawang impor. Produktivitas bawang merah sangat bergantung pada ketersediaan benih yang berkualitas dan sistem budidaya bawang merah. Sementara tantangan budidaya tanaman berumbi seperti bawang di dataran rendah tropika salah satunya adalah kondisi iklim dengan karakteristik suhu tinggi, sehingga pertumbuhan tanaman dapat terhambat akibat stress dan memungkinkan terjadinya penghambatan inisiasi umbi dan inisiasi pembungaan. Penelitian ini mencoba mengembangkan salah satu solusi sistem budidaya bawang merah menggunakan root zone cooling (RZC) pada sistem hidroponik susbtrat dan rakit apung yang independen terhadap variasi iklim dan topografi. Tujuan umum penelitian ini adalah mengembangkan paket sistem teknologi dalam perspektif upaya peningkatan produksi benih bawang merah untuk pasokan benih bawang merah nasional melalui teknik hidroponik dengan pendingin terbatas di dataran rendah tropika. Tujuan tersebut diharapkan dapat dicapai melalui tahapan penelitian sebagai berikut: 1) pemodelan sebaran suhu daerah perakaran pada sistem hidroponik dengan pendekatan model computational fluid dynamics (CFD), 2) rancang bangun sistem RZC pada budidaya secara hidroponik dan kajian sebaran suhu di daerah target (perakaran), dalam hal ini fokus untuk tanaman bawang merah, dan 3) kajian efek RZC terhadap respon tanaman bawang merah di dataran rendah tropika dan untuk akselerasi fase vegetatif dalam rangka produksi benih bawang merah. Penelitian dilakukan pada rumah tanaman yang berada di Laboratorium Lapangan Siswadi Soepardjo, IPB Kampus Dramaga, dengan titik ordinate 6°33'50.82" south latitude dan 106°43'37.91" east longitude, elevasi 182.3 mdpl. Suhu udara lingkungan rumah tanaman siang/malam sekitar 31 – 40 °C/22-27 °C. Kelembaban udara (RH) rata-rata sekitar 80-86 %, dan intensitas hujan sebesar 1000-1500 mm/tahun. Rancang bangun sistem RZC diawali dengan kajian sebaran suhu pada dua jenis sistem hidroponik yaitu substrat dan rakit apung. Parameter yang terlibat dalam kajian meliputi sebaran suhu, jarak pipa pendingin, beban termal dan heat transper coefficient, sehingga didapatkan nilai efektifitas pindah panas dari masing-masing hidroponik yang dilengkapi dengan sistem RZC. Simulasi CFD dilakukan dengan menggunakan paket perangkat lunak Flow Simulation Solidwork® Premium versi 2011 yang berbasis finite volume method. Spesifikasi computer yang digunakan adalah CPU Intel ® Core TM i7, 8 GB RAM, dan 64 bit operating system. Prinsip pendekatan diskritisasi pada flow simulation Solidwork menggunakan pendekatan Cartesian mesh, dimana penyelesaian persamaan numeriknya berdasarkan finite volume method. Model iteratif kalkulasi persamaan aljabarnya menggunakan algorithma matriks tri-diagonal atau lebih dikenal dengan Tri-Diagonal Matrixs Algorithm (TDMA). Persamaan atur dalam vi CFD dibangun berdasarkan konservasi massa, memontum dan energi yang diekspresikan oleh persamaan atur Reynold-Average of the Navier-Stokes (RANS). Analisis efek RZC terhadap respon pertumbuhan tanaman diolah dengan pendekatan uji Fisher’s Protected LSD pada tingkat signifikan 0.05 menggunakan perangkat lunak Minitab 17 Statistical. Variabel respon meliputi ketinggian tanam, jumlah umbi, bobot basah dan bobot kering, sedangkan variable bebas dari kajian ini hanya berupa suhu rendah (set poin 8-10°C), suhu sedang (13-15°C), dan suhu kontrol (23-26°C). Pendekatan simulasi CFD dapat menggambarkan sebaran suhu pada lubang tanam yang mengindikasikan efek pendinginan dari nutrien. Validasi hasil simulasi menunjukkan nilai yang sangat baik. Simulasi jarak pipa pendingin untuk hidroponik substrat dengan pendekatan CFD menunjukkan nilai korelasi linier dengan nilai determinasi R2 = 0.96. Dengan pendinginan air pada set point 10 °C dan kondisi udara lingkungan mencapai 32°C, jangkauan efek pendingin pada jarak pipa 10 cm – 12 cm (15.6±0.17°C-15.9±0.04°C). Keseragaman suhu lateral pada jarak pipa tersebut mencapai sekitar 91- 93%. Dari sisi estimasi biaya, jarak pipa 12 cm lebih hemat sekitar 20% dari jarak 11 cm dan lebih hemat 33% dari jarak pipa 10 cm. Oleh karena itu, jarak pipa 12 cm merupakan jarak terbaik dari sisi sebaran efek pendinginan, keseragaman suhu maupun dari sisi estimasi biaya. Simulasi distribusi suhu pada hidroponik rakit apung memperoleh nilai korelasi secara linier dengan determinasi R2 untuk masing-masing set poin berturut-turut (rendah, sedang dan kontrol) mencapai 0.987, 0.98 dan 0.862. Pada perlakuan suhu rendah diperoleh suhu sekitar 10.0-11.6°C. Pada set poin suhu diperoleh suhu sekitar 15.2-20.3°C. Terakhir pada suhu kontrol diperoleh suhu sekitar 23.2-25.9°C. Root zone cooling system dengan sistem hidroponik rakit apung mampu menginduksi pembentukan umbi yang ditunjukkan oleh produk jumlah umbi sekitar 12 umbi/rumpun untuk suhu rendah, 9 umbi/rumpun untuk suhu sedang dan 5 umbi/rumpun untuk suhu kontrol. Melalui aplikasi RZC kebutuhan benih umbi mampu dihemat hingga 90% (suhu rendah) dan 76% (suhu sedang). Dari sisi waktu, produksi benih umbi dengan aplikasi RZC 2 kali lebih cepat dibandingkan dengan proses produksi benih botani bawang merah. Sistem RZC yang dikembangkan telah dibuktikan mampu meningkatkan jumlah umbi bawang merah dibandingkan metoda yang tanpa perlakuan sistem RZC.