Ke Daftar Isi Prosldlna Portonwan !Ian Presantasll1mlah
FWlllsIonaITwulls Non PeneDtl19 Desember 2006
ISSN :1411- 6381
APLIKASI Pb-210 JATUHAN UNTUK ESTIMASI EROSI PADA TANAH OLAH Tommy Hutabarat PATIR- BATAN
ABSTRAK. APLIKASI Pb-210 JATUHAN UNTUK ESTIMASI EROSI TANAH PADA LAHAN OLAH. Radionuklida alam Pb-21 0 jatuhan yang terjadi secara alamiah sangat kuat diserap oleh media tanah dan sedimen. Isotop ini telah digunakan secaraluas sebagai tracer untuk menentukan kronologi endapan sedimen dan penanggalan. Makalah ini menelaah potensi Pb-2IO untuk estimasi laju erosi pada lahan olah. Pada prinsipnya konsentrasi Pb-2IO dalam sampel tanah terdiri dari Pb-210 Unsupported dan Pb-21 0 Supported. Dalam studi ini digunakan spektrometri alpha yaitu untuk mengetahui konsentrasi Pb-210 total dan spektrometri gama untuk mengetahui konsentrasi Pb-210 Supported. Dalam studi erosi, Pb-2IO unsupported yaitu yang berasal dari atmosfer (fallout) dapat diperoleh dengan pengurangan Pb-210 total dengan Pb-2IO supported. Input Pb-210 jatuhan pada permukaan tanah pada hakekatnya kontinyu, sehingga estimasi laju erosi dilakukan melalui pendekatan model keseimbangan masa. Sebagai kasus ditelaah distribusi kedalaman Pb-210 fallout pada tanah stabil dan tanah olah yakni di daerah tangkapan sungai (DAS) Moorlake - Devon, Inggris. Pada tanah stab ii, ternyata konsentrasi Pb-21 0 tertinggi berada pad a permukaan dan berkurang secara eksponensial terhadap kedalaman. Sedangkan pada tanah olah relatif datar yang disebabkan oleh pencampuran lapisan tanah cangkul melalui pencangkulan. Kata kunci : Pb-21 0 - erosi - lahan olah
ABSTRACT. APPLICATION
FALLOUT
LEAD-210
TO
ESTIMATE
SOIL
EROSION
ON
CULTIVATED LAND. Naturally occurring fallout 2lOPbis strongly absorbed by soils and sediments. It has been widely used as tracer to establish the chronology of deposited sediments and dating. This paper reviews the 2lOPbpotential to erosion rate estimation on cultivated land. The concentration Of210Pb within soils samples is in principle composed of 210Pb Unsupported and 210Pb Supported. The total concentration of 210Pb and supported 2lOPb within samples were measured using alpha spectrometry and gamma spectrometry respectively. In the erosion study, 210Pb unsupported coming from fallout can be obtained by subtracting the supported 210Pb from total 210Pb in the sample. The estimation of rate e:-osion on cultivated soils was employed by a mass balance approach, because the 210Pb fallout input to the soil surface is essentially continuous. As case study, the depth distribution of 210Pb fallout on undisturb soil and cultivated land in the watershed of Moorlake - Devon - England has been reviewed. On the undisturbed soil, the highest concentration of 210Pbwas on the surface and decreases exponentially with depth where as on the cultivated land will be relatively uniform caused mixing of plow layer by tillage. Key words: Pb-21 0 - erosion - cultivated land
359
ProsldlnO Pertemuan daD PreseDtaslllmlah
ISSH :1410 -
FunasJonal Teknls Non PenelltL 19 Desember 2006
5381
PENDAHULUAN Erosi
tanah
yang disebabkan
oleh air dan dampaknya
merupakan fenomena alam yang sangat memprihatinkan sangat menggugah
para pemerhati
lingkungan
teknik nuklir
dengan memanfaatkan
lingkungan
banyak negara. Hal ini tentunya
untuk mendapatkan
penelitian. Salah satu metode yang telah diaplikasikan metode
terhadap
informasi
melalui
selama beberapa dekade
adalah
jatuhan
radionuklida
Cs-13 7 di alam.
Metode Cs-13 7 sangat potensial digunakan dalam studi erosi untuk jangka waktu 40 tahun [1,2]. Batasan
ini didasarkan
pada waktu paro Cs-137 hanya 30 tahun dan peristiwa
percobaan senjata nuklir di atmosfer sekitar tahun 1950-an dan 1960-an. Dengan demikian perlu
dicari
Radionuklida
penggunaan
peru nut alternatif
yang juga
potensial
untuk
studi erosi.
alam Pb-210 mempunyai sifat yang mirip dengan Cs-137 yaitu sangat kuat
diserap oleh tanah dan sedimen halus. Isotop ini juga telah ban yak digunakan sebagai perunut untuk studi kronologi dan penanggalan sedimen deposit. Isotop alam Pb-21 0 merupakan prod uk alam dari peluruhan radionuklida induk U238 yang berasal dari peluruhan gas Rn-222. Ra-226 merupakan induk dari Rn-222 yang ban yak terdapat pad a tanah dan batuan. Pb-210 dalam tanah terbentuk secara langsung melalui peluruhan Ra-226 yang disebut dengan Pb-210 supported.
Dalam perjalanannya,
gas Rn-222 yang terdifusi melalui celah batuan dan butiran tanah akan berada di atmosfer yang kemudian meiuruh menjadi Pb-21 0 dan jatuh bersama air hujan ke permukaan tanah, disebut dengan Pb-21 0 unsupported. [3] Sama halnya dengan Cs-137, Pb-21 0 mempunyai afinitas yang kuat pada partikelpartikel sedimen dan telah digunakan secara luas lIntuk menentukan danau,
pantai
dan
perkembangannya,
laut
dalam
skala
waktu
100 hingga
kronologi sedimen
150 tahun[ 4,5].
Dalam
kandllngan Pb-21 0 dalam tanah tclah digunakan sebagai pcrunut untuk
studi erosi. Dengan model kesetimbangan
mas a yaitu input Pb-21 0 unsupported fallout
pad a permukaan tanah kontinYll akan digunakan untuk estimasi redistribusi Pb-210 fallout dalam profil tanah stabil dan tanah olah. Makalah ini merupakan kajian tentang laju erosi tanah pada lokasi daerah tangkapan sungai (DAS) Moorlake - Devon - Inggris melalui pemanfaatan isotop alam Pb-21 O.
DISTRIBUSI
KEDALAMAN
PB-210 FALLOUT DALAM TANAH
Sebagai studi kasus, disaj ikan data hasil penelitian yang dilakukan oleh Walling dkk pada daerah tangkapan
sungai (DAS) Moorlake - Inggris [6]. Distribusi
360
kedalaman Pb-210
120
150
Pros/dInjJ
Portsmuan
dan ProsOIItasillmIalJ
Fungslonal
TaknIs Non PonaIItL 19 OoS8lllbar
/SSN :1411- 5381
2DOII
Unsupported dari dua sam pel coring yang terdiri dari kumpulan sam pel pad a daerah stabil (undisturedb area) seperti padang rumput yang permanen dan kumpulan sam pel tanah olah (cultivatedfield) prom
ditunjukkan pada Gambar I. Konsentrasi Pb-21 0 unsupported pada setiap
kedalaman
menunjukkan
bahwa distribusi
Pb-210 fallout
lebih dalam
secara
signifikan dari pad a distribusi awal yang pernah dilakukan sebelumnya- [7]. Kondisi ini merefleksikan
bahwa telah terjadi redistribusi Pb-210 pada kedua lokasi. Perbedaan yang
signifikan terdapat antara dua
sam pel coring dalam bentuk prom. Konsentrasi Pb-210 ~.... fallout terbesar pad a sam pel tanah stabil terjadi pad a tanah permukaan dengan nilai 104 Bq/kg dan berkurang seeara eksponensial terhadap kedalaman (Gambar I. A). Konsentrasi Pb-210 unsupported
sampel tanah stabil diperoleh hingga kedalaman
berat kumulatif sebesar 151 kglm2 dan
Pb-210 unsupported
18 em atau dengan
inventory total adalah 4930
Bq/m2• Nilai rata-rata densitas bulk sampel tanah stabil adalah 720 kg/m3 dan secara relatif
dipengaruhi oleh kandungan senyawa organik yang tinggi. He dan Walling (1997)[7] telah meneoba
untuk
menggunakan
memodelkan
d istribusi
kedalaman
Pb-210 fallout
fungsi migrasi dan difusi untuk mewakili
prom tanah yang diakibatkan
dan biotik. Dari penelitian
Pb-210 Unsupported
seeara eksponensial terhadap kedalaman.
Pb-210 = 4930 (Bqlkg)
8q/m2
E
::!
/
-
.§ 150 100 250 0:I 300 5 B ~ (Sqlkg) i!J i!EN0 200
1
-"C>
120 90 14 28 30 60 0 Pb-210 21 Konsentrasi Unsupported 90 Konsentrasi A Unsupported 60 Pb-210 '" Pb-210 3150 Bq/m2
Gambar.l.
~-
Profil Pb-21 0 tanah stabil (A) dan tanah olah (B)
361
stabil
redistribusi pasea deposisi dalam
oleh proses fisika, psikokimia
yang telah dilakukan diketahui bahwa konsentrasi
pada tanah
akan berkurang
Prosllllng
Portemuan
dan ProsontaslUm:ah
FWigsionai lolmls
Non PonaDtl18
Dosambor
2006
ISSN :14ID - 5381
Terdapat suatu kontras konsentrasi Pb-2 10 unsupported pada tanah stabil, dimana konsentrasi Pb-2 I0 pada tanah olah relatif seragam sebagai hasil dari peneampuran tanah eangkul yang disebabkan oleh proses pengeangkulan
Iapisan
seeara terus menerus. Kondisi
ini jelas ditunjukkan oleh distribusi kedalaman Pb-2 I0 fallout
untuk sampel yang berasal
dari tanah olah dan tanah stabil seperti terlihat pad a Tabel 1,2. dan gambar. I [6]. Tabel I. Data pengukuran sam pel lokasi tanah stabil. No. Kumulatif (Kg/m2)
Tabel 2. Data pengukuran sam pel lokasi tana,h olah.
135 15 110 45 65 90 30 151 28 32 20 10 IBerat 18 12 75 40 23 48 5 Pb-2 I 0 Konsentrasi 105 70 Unsupported (Bq/kg) 4. Kumulatif 10. 9. 6. 7.2. 8. I. 3. 5. (Kg/m2)
No.
II.
240 255 2.5 6 Pb-21 0 220 190 170 15.5 10 146 40 275 110 60Konsentrasi 80 16.5 14.5 12 Berat 13.5 13 1.5 13 .(Bq/kg) Unsupported
Gambar.1. Profil Pb-210 ianah stabil (A) dan tanah olah (B)
Konsentrasi
Pb-2 I 0 unsupported paling banyak berada pada kedalaman hingga 20
em (220 kglm2) dan total Pb-2 I0 unsupported inventory adalah 3 I 50 Bq/m2. Rata-rata kedalaman tanah eangkul sekitar 20 em dan rata-rata konsentrasi Pb-2 I0 unsupported pad a lapisan
ta:1ah eangkul
dibandingkan Konsentrasi dihubungkan
adalah
14 Bq/m2•
Tanah olah relatif pad at dan lebih tinggi
dengan tanah stabil dengan rata-rata densitas total
Pb-210
dengan
tanah
bulk sebesar
unsupported inventory seeara signifikan stabil.
Hal ini menunjukkan
bahwa
1070 kg/m3•
lebih rendah j ika kehilangan
unsupported telah terjadi dari lokasi tanah olah sebagai akibat tanah yang tererosi .
362
Pb-2 I0
ProsllJlnu Partmnuan
llan ProsBlrtaslllmiah
ISSN :1411- 5381
FWlUslonai TBknls Non PonaUtL 19 Dosembar 2006
MODEL KESEIMBANGAN
MASA UNTUK ESTIMASI LAJU EROSI TANAH
PADA TANAH OLAH Untuk mengestimasi 210 unsupported fallout
laju redistribusi tanah pada tanah olah melalui pengukuran Pb-
dapat digunakan
Pb-210 unsupported
pendekatan
model keseimbangan
pada permukaan
masa, karena input
tanah pad a hakekatnya
adalah kontinyu.
Daerah yang mengalami erosi dan deposisj pada tanah olah sifatnya sangat individu. Sifat fisik tanah termasuk kandungan radionuklida pada lapisan tanaqcangkul sam a dan
akan
berbeda
dengan
lapisan
bawah
pada
umumnya relatif
kedalaman
tanah
cangkul
(Gambar.1B). Dalam
hal profil
tanah
merupakan/menggambarkan
yang
mengalami
erosi,
suatu proses pengendalian
pengolahan
dan erosi akan
dari redistribusi
Pb-210 fallout
dalam profil tanah dan penambahan Pb-210 unsupported akan terbatas pada lapisan tanah olah. Perubahan aktifitas dari
pertambahan aktifitas
Pb-210 unsupported
tanah cangkul akan terkait dengan proses deposisi selanjutnya
dalam lapisan
karena radionuklida
dari
atmosfer akan hilang sebagai hasil dari peluruhan radioaktif dan erosi, dan total inventory Pb-210 unsupported
akan lebih kecil dari pad a reference site, (A
t
ref
Hal ini
(bq/m2».
bertentangan dengan profil tanah dari lokasi yang mengalami proses deposisi dimana Pb210 unsupported
akan ditemukan pad a tanah
di bawah kedalaman
tanah cangkul karena
penimbunan sedimen yang mengandung Pb-21 0 fallout yang tererosi dari upslope dan total akan lebih besar dari reference site (A t> A
inventory Pb-21 0 unsupported
rer).
DAERAH TANAH TEREROSI Untuk lokasi tanah yang mengalami erosi, perubahan aktifitas Pb-21 0 unsupported A(t) per satuan luas terhadap waktu dapat dinyatakan sebagai berikut :
dA(t)
-
= (1 -
dt
r )I (t) - ( A + P -
R ) A (t)
(1)
0
dimana: A
= konstanta peluruhan Pb-21 ° (th) = 0,693/tV2 = 0,031
° (bq/m2/th) Pb-2l ° fallout
I (t) = fluks deposit tahunan Pb-21
r
= perbandingan
deposit
kedalam lapisan
tanah olah
363
yang tererosi scbclum tcrcampur
ProsldInU PortBmuan dan Prese:JtasJ IIrnJahFWiDSlonaJTeknls Non PeneUtl19 De_or
ISSN :1410 . 5381
2006
= faktor koreksi butiran partikel yang didetinisikan sebagai rasio konsentrasi
P
Pb-210 dari sedimen yang bergerak terhadap tanah asli R
= laju crosi (kg/rn2/th)
D
= kedalamall masa kumulatif dari rata-rata kedalaman tanah olah (kg/m2)
Bentuk pertama pada ruas kanan d~ri persamaan (1) mewakili Pb-210fallout terdeposit
dan bentuk
kedua
mewakili
kehilangan
yang di?ebabkan
yang
oleh peluruhan
radioaktif dan erosi tanah. Faktor koreksi (P) pada persamaan (I) sangat penting karena Pb-21 0 fallout berkaitan
kuat dengan partikel tanah halus dan kemampuan ukuran partikel
dalam proses erosi. Nilai P merefleksikan
komposisi butiran partikel dari sedimen yang
bergerak dan tanah asli. Karena komposisi butiran partikel dari sedimen bergerak biasanya adalah butiran halus yang relatifterhadap
tanah asH maka nilai P umumnya lebih besar dari
1 (He dan Walling, 1996a)[S]. Untuk mengestimasi nilai P diperlukan informasi mengenai komposisi butiran partikel dari sedimen bergerak dan tanah asH. Pb-210 di atmosfer terdistribusi
akan jatuh bersama dengan air hujan dan mula-mula
dalam lapisan dangkal pada permukaan
eksperimen menunjukkan
tanah. Hasil
kedalamar.
masa kumulatif.
permukaan tanah akan mengandung yang muncul
yang diperoleh dari
bahwa konsentrasi Pb-210 unsupported yang terkandung dalam
lapisan tanah atas (top soil) sebelum terjadi pengolahan terhadap
akan
akan berkurang
secara cepat
Jika terjadi erosi, sedimen yang bergerak dari Pb-210 fallout yang lebih tinggi dari pada sedimen
dari profil tanah yang lebih rendah. Menurut He dan Walling (1997)[9],
distribusi mula-mula Pb-21 0fallout dikaitkan dengan curah hujan dapat didekati dengan :
I(t)~t Cj (x,t) = --H
Dimana: x (kg/m2)
Cj
e -x/H
(2)
••••...•......................••.
(x,t) (bq/kg) adalah konsentrasi radionuklida pad a kedalaman masa kumulatif
dari permukaan
~t = 1 (th) dan H (kg/m2)
tanah, kemudian
merupakan
kedalaman masa relaksasi dari distribusi mula-mula fallout Pb-21 0 dalam profil tanah yang dapat
ditentukan
menggambarkan meretleksikan
secara penetrasi
eksperimen
(He dan Walling,
kedalaman
penetrasi radionuklida
Pb-2 0 dalam J
1997)[9]. tanah.
Konstanta
Nilai
H juga
H tinggi
akan
dalam tanah yang lebih dalam. Untuk lokasi yang
mengalami erosi dan jika laju erosi diketahui, maka persamaan (2) dapat digunakan untuk 364
ProslilllllJPertmnuan dan Prosontasillmlah FlUlUsionaJTBknlaNon panaUtl18 Deaner
estimasi perbandingan
Pb-210 fallout
(f) yang terdeposisi mula-mula dan bergerak akibat
erosi. Jika diasumsikan terjadi erosi maka
r= dimana -y adalah perbandingan sebelum
menyatu
menunjukkan
r dapat
P-y ( 1 -
diestimasi
menggunakan
e - R/H) .•••..••..••....•.............•••...••
kcdalaman
pergerakan
persamaan :
(3)
Pb-210 fallout tahunan yang mudah berubah karena erosi
ke dalam profil tanah melalui peneangkulan.
bahwa
mempengaruhi
I8SN :1411- 5381
2006
H merllpakan
masa relaksasi
Pada persamaan faktor
penting
(3) yang
deposisi Pb-210 fallout dari suatu lokasi. Untuk laju erosi
konstan, nilai H akan lebih keeil, sehingga nilai
r akan
lebih besar. Parameter -y akan
tergantung pada waktu pengolahan dan eurah hujan lokal. Dalam sitllasi dimana intensitas eurah hujan tinggi terjadi dalam satu peri ode dan dapat menggerakkan
permukaan tanah
yang kemudian terjadi erosi dan terjadi seeara singkat sebellim periode pengolahan, Pb-21 0 unsupported yang sudah terakumulasi pad a permukaan tanah akan sarna dengan input Pb210 fallout yang seeara langsung akibat erosi , sehingga
berkaitan dengan eurah hujan akan mudah bergerak
nilai -y dapat dianggap
I. Dalam
hal dimana periode eurah hujan
dengan intensitas tinggi terjadi terus menerus setelah pengolahan dilakukan,
Pb-210 yang
terakumulasi pada permukaan tanah sebelum peri ode hujan akan menyatu kedalam lapisan tanah olah dan hanya Pb-21 0 fallout yang seeara langsung berkaitan dengan eurah terse but akan mudah bergerak akibat erosi. Nilai -y dapat didekati melalui rasio kedalaman eurah hujan terhadap total eurah hujan tahunan. persamaan
(I) maka
Dengan substitusi
persamaan
(3) ke dalam
didapat persamaan sebagai berikut:
A(t)=A(to)e-J(PR/D+X)dl' 10
+
J
10
(l-P-y(
l_e-R/H»]
(t')e-(PR/D+X)(I-t')dt'
.... (4)
dimana : to (th) adalah tahun saat pengolahan dimulai dan A (to) = Aref adalah Pb-210
inventory fallout
pada to.
Pada persamaan
(3) diasumsikan
bahwa tidak terjadi erosi
sebelum to. Dengan asumsi bahwa laju erosi R dan fluks deposisi I adalah konstan terhadap waktu, maka Aref =
I / A.,
Dengan demikian Pb-210 fallout inventory untuk profil tanah
A(t) (bq/m2) dapat ditulis sebagai berikut :
I A(t) = _ e A
I(l-f) -(PRI
D + x)( 1-(0)
+
[ I _ e -(PRI PR / D
+A
365
D + xX 1-(0) ] •.•.•.•.••.•..•.•.•.••
(5)
Prosldlng Partanwan
dan Prosentasillmiah
FWloslonai Teknls Nun PenoutL 18 Dosombor 2006
Fluks deposisi Pb-2 I0 fallout reference
dari persamaan
5381
dapat diestimasi dari Pb-2 I 0 inventory stabil yaitu tanah
J
site Aref dan konstanta
diestimasi
ISSN :1410 .
peluruhan
(4) apabila
A.
Rata-rata
tluks deposisi
laju erosi tahunan
I, kedalaman
R dapat
tanah olah D dan
kedalaman masa relaksasi H diketahui. Dalam situasi dimana pengolahan telah ada sejak 100 tahun yang lalu
t - to > 100) maka dapat diasumsikan
(yaitu
dalam kondisi stabil
(steady state) dan persamaan (4) dapat disederhanakan sebagai berikut
I( I - f)
A=--PR/D
Jib
kemudian diasumsikan
+A
(6)
bahwa R «H
,kemudian
f ~ )'PR
11-1
di substitusi ke dalam
persamaan (5) , maka laju erosi R dapat diestimasi dari persamaan berikut :
I - AA
D 1-1
AH +)'ID
P
R=---
(7)
KESIMPULAN I.
Pb-2 I0 sangat kuat diikat dan diserap oleh butiran
tanah
halus (clay) sehingga
sangat efektif digunakan sebagai tracer untuk studi redistribusi tanah. 2. Dari 2 I0
contoh data terhadap
pengaruh
waktu
Pb-210
sehingga
memperlihatkan
bahwa pola distribusi
Pb-
ked ala man pada tanah stabil mengikuti bent uk eksponensial karena
relatif datar yang 3. Input
yang disajikan
paro,
sedangkan
pada tanah
olah
pola distribusi
Pb-210
disebabkan oleh proses pencampuran melalui pencangkulan.
jatuhan
pada
permukaan
tanah
estimasi laju erosi dilakukan melalui
pad a
hakekatnya
kontinyu,
pendekatan model keseimbangan
masa 4. Aplikasi pengganti
Pb-210 cukup
potensial diaplikasikan
dalam
isotop alam Cs-13 7 yang terbatas penggunaannya
366
studi
erosi
sebagai
ProsldlnU Pertamuan
dan Prosentasl
ISSN :1410·5381
Umlah FWlUsional Toknls Non PonelitL 19 Dosomber 2006
DAFT AR PUST AKA 1.
RITCHIE J.C., McHENRY for
measuring
review. J. 2.
five
1995;75:
205-210.
APPLEBY
P.G., OLFIELD
P.L., Andrean
A.W. Partitioning
Using
HE, Q., and P.O. OWENS,
Saskatchewan.Can.1.Soil
Sci.
and transport
of fallout
210Pb
fallout
lead-210
of
210Pb
in Lake
HE, Q., and
D.E.
adsorption
J. Environ.
to investigate longer011
the floodplains of
measurements
unsupported
to estimate
1999, Vol 63 : 1404-1412.
1995. Determination
USIng Cs-137,
of
suspended
sediment
lead -210 and radium-226: Numerical
P.207-228. In I.D.L Foster et al. (Ed). Sediment and water
quality in river catchments.
Wiley, Chichester, UK.
WALLING.
1996a. Interpreting
of I37CS and unsupported
210Pb
particle
size
effects
in
by mineral soils and sediments.
Radioact. 30: 117-137.
HE, Q., and D.E. WALLING. in
rates
of lead - 210 dates assuming a
erosion on cultivated land. Soil Sci.Soc,AMJ.,
mixing approach.
9.
erosion
Earth Surf. Processes Landforms 1996; 21: 141-154.
WALLING, D.E and Q.HE.
the
measured
rates and patterns of overbank sediment deposition
provenance
8.
a
to the sediment. Catena 1978;5: 1-8.
210Pb
HE Q., WALLING D.E. The distribution
soil
rates and pattern:
J. Great Lakes Res. 1989; 15 : 498-509
lowland rivers
7.
F. The calculation
rate of supply of unsupported
VAN HOOF
term
6.
accumulation
parent material groups ,in southwestern
Michigan 5.
and sediment
fallout cesium-137
Environ. Qual. 1990; 19:215-233.
constant 4.
soil erosion
of radioactive
ENNOCK D.1., LEMMON D.S., DE JONG E. Cesium-l37 for
3.
J.R. Application
1997. The distribution
of fallout mCs and
210Pb
undisturb and cultivated soils. Appl. Radiat. Isot. 48 : 677-690.
367
Ke Daftar Isi
