View
231
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
Prosldlna Portonwan !Ian Presantasll1mlah FWlllsIonaITwulls Non PeneDtl19 Desember 2006 ISSN :1411- 6381
APLIKASI Pb-210 JATUHAN UNTUK ESTIMASI EROSIPADA TANAH OLAH
Tommy HutabaratPATIR- 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 diserapoleh media tanah dan sedimen. Isotop ini telah digunakan secaraluas sebagai tracer untukmenentukan kronologi endapan sedimen dan penanggalan. Makalah ini menelaah potensiPb-2IO untuk estimasi laju erosi pada lahan olah. Pada prinsipnya konsentrasi Pb-2IOdalam sampel tanah terdiri dari Pb-210 Unsupported dan Pb-21 0 Supported. Dalam studiini digunakan spektrometri alpha yaitu untuk mengetahui konsentrasi Pb-210 total danspektrometri gama untuk mengetahui konsentrasi Pb-210 Supported. Dalam studi erosi,Pb-2IO unsupported yaitu yang berasal dari atmosfer (fallout) dapat diperoleh denganpengurangan Pb-210 total dengan Pb-2IO supported. Input Pb-210 jatuhan padapermukaan tanah pada hakekatnya kontinyu, sehingga estimasi laju erosi dilakukanmelalui pendekatan model keseimbangan masa. Sebagai kasus ditelaah distribusikedalaman Pb-210 fallout pada tanah stabil dan tanah olah yakni di daerah tangkapansungai (DAS) Moorlake - Devon, Inggris. Pada tanah stab ii, ternyata konsentrasi Pb-21 0tertinggi berada pad a permukaan dan berkurang secara eksponensial terhadap kedalaman.Sedangkan pada tanah olah relatif datar yang disebabkan oleh pencampuran lapisan tanahcangkul 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 andsediments. It has been widely used as tracer to establish the chronology of depositedsediments and dating. This paper reviews the 2lOPbpotential to erosion rate estimation oncultivated land. The concentration Of210Pb within soils samples is in principle composed of210Pb Unsupported and 210Pb Supported. The total concentration of 210Pb and supported2lOPb within samples were measured using alpha spectrometry and gamma spectrometryrespectively. In the erosion study, 210Pb unsupported coming from fallout can be obtainedby subtracting the supported 210Pb from total 210Pb in the sample. The estimation of ratee:-osion on cultivated soils was employed by a mass balance approach, because the 210Pbfallout input to the soil surface is essentially continuous. As case study, the depthdistribution of 210Pb fallout on undisturb soil and cultivated land in the watershed of
Moorlake - Devon - England has been reviewed. On the undisturbed soil, the highestconcentration of 210Pbwas on the surface and decreases exponentially with depth where ason 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 FunasJonalTeknls Non PenelltL 19 Desember 2006 ISSH :1410 - 5381
PENDAHULUAN
Erosi tanah yang disebabkan oleh air dan dampaknya terhadap lingkungan
merupakan fenomena alam yang sangat memprihatinkan banyak negara. Hal ini tentunya
sangat menggugah para pemerhati lingkungan untuk mendapatkan informasi melalui
penelitian. Salah satu metode yang telah diaplikasikan selama beberapa dekade adalah
metode teknik nuklir dengan memanfaatkan 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 penggunaan peru nut alternatif yang juga potensial untuk studi erosi.
Radionuklida 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 U
238 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 partikel
partikel sedimen dan telah digunakan secara luas lIntuk menentukan kronologi sedimen
danau, pantai dan laut dalam skala waktu 100 hingga 150 tahun[ 4,5]. Dalam
perkembangannya, 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 kedalaman Pb-210
360
Pros/dInjJ Portsmuan dan ProsOIItasillmIalJ Fungslonal TaknIs Non PonaIItL 19 OoS8lllbar 2DOII /SSN :1411- 5381
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) ditunjukkan pada Gambar I. Konsentrasi Pb-21 0 unsupported pada setiap
prom 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 18 em atau dengan
berat kumulatif sebesar 151 kglm2 dan Pb-210 unsupported 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 memodelkan d istribusi kedalaman Pb-210 fallout pada tanah stabil
menggunakan fungsi migrasi dan difusi untuk mewakili redistribusi pasea deposisi dalam
prom tanah yang diakibatkan oleh proses fisika, psikokimia dan biotik. Dari penelitian
yang telah dilakukan diketahui bahwa konsentrasi Pb-210 Unsupported akan berkurang
seeara eksponensial terhadap kedalaman.
AKonsentrasi Pb-210 Unsupported BKonsentrasi Pb-210 Unsupported
(Bqlkg)
(Sqlkg)
0306090120 01142128
0
0
30
50
N
N.§
60.§ 100
~
C>
::!~
-'"
90 ~ 150
'S /EE
:I:I
.10:
-"
i! 120
i! 200
~
i!J
150
250
Pb-210 = 4930 8q/m2~-
Pb-210 '" 3150 Bq/m2
180 -I
300
Gambar.l. Profil Pb-21 0 tanah stabil (A) dan tanah olah (B)
361
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 Iapisan
tanah eangkul yang disebabkan oleh proses pengeangkulan 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 pellokasi tanah stabil.
No. BeratKonsentrasi Pb-2 I 0Kumulatif
Unsupported(Kg/m2)
(Bq/kg)1.
10 1052.
20 703.
30 484.
45 325.
65 406.
75 287.
90 238.
110 159.
I 18 1210.
135 15II.
151 5
Tabel 2. Data pengukuran sam pellokasi tana,h olah.
No. BeratKonsentrasi Pb-21 0Kumulatif
Unsupported(Kg/m2)
.(Bq/kg)I.
40 16.52.
60 123.
80 134.
110 14.55.
146 136.
170 107.
190 15.58.
220 13.59.
240 610.
255 2.5II.
275 1.5
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 adalah 14 Bq/m2• Tanah olah relatif pad at dan lebih tinggi
dibandingkan dengan tanah stabil dengan rata-rata densitas bulk sebesar 1070 kg/m3•
Konsentrasi total Pb-210 unsupported inventory seeara signifikan lebih rendah j ika
dihubungkan dengan tanah stabil. Hal ini menunjukkan bahwa kehilangan Pb-2 I0
unsupported telah terjadi dari lokasi tanah olah sebagai akibat tanah yang tererosi .
362
ProsllJlnu Partmnuan llan ProsBlrtaslllmiah FWlUslonai TBknls Non PonaUtL 19 Dosembar 2006 ISSN :1411- 5381
MODEL KESEIMBANGAN MASA UNTUK ESTIMASI LAJU EROSI TANAH
PADA TANAH OLAH
Untuk mengestimasi laju redistribusi tanah pada tanah olah melalui pengukuran Pb
210 unsupported dapat digunakan pendekatan model keseimbangan masa, karena input
fallout Pb-210 unsupported pada permukaan 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 umumnya relatif
sam a dan akan berbeda dengan lapisan bawah pada kedalaman tanah cangkul
(Gambar.1B).
Dalam hal profil tanah yang mengalami erosi, pengolahan dan erosi akan
merupakan/menggambarkan suatu proses pengendalian 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 dalam lapisan
tanah cangkul akan terkait dengan proses deposisi selanjutnya 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 < A ref (bq/m2». Hal ini
bertentangan dengan profil tanah dari lokasi yang mengalami proses deposisi dimana Pb
210 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
inventory Pb-21 0 unsupported akan lebih besar dari reference site (A t> A 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) R- = (1 - r )I (t) - ( A + P - ) A (t) (1)dt 0
dimana:
A = konstanta peluruhan Pb-21 ° (th) = 0,693/tV2 = 0,031
I (t) = fluks deposit tahunan Pb-21 ° (bq/m2/th)
r = perbandingan deposit Pb-2l ° fallout yang tererosi scbclum tcrcampur
kedalam lapisan tanah olah
363
ProsldInU PortBmuan dan Prese:JtasJ IIrnJahFWiDSlonaJTeknls Non PeneUtl19 De_or 2006 ISSN :1410 . 5381
P = faktor koreksi butiran partikel yang didetinisikan sebagai rasio konsentrasi
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 yang
terdeposit dan bentuk kedua mewakili kehilangan yang di?ebabkan 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 akan jatuh bersama dengan air hujan dan mula-mula akan
terdistribusi dalam lapisan dangkal pada permukaan tanah. Hasil yang diperoleh dari
eksperimen menunjukkan bahwa konsentrasi Pb-210 unsupported yang terkandung dalam
lapisan tanah atas (top soil) sebelum terjadi pengolahan akan berkurang secara cepat
terhadap kedalamar. masa kumulatif. Jika terjadi erosi, sedimen yang bergerak dari
permukaan tanah akan mengandung Pb-210 fallout yang lebih tinggi dari pada sedimen
yang muncul 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)~tCj (x,t) = --- e -x/H ••••...•......................••. (2)
H
Dimana: Cj (x,t) (bq/kg) adalah konsentrasi radionuklida pad a kedalaman masa kumulatif
x (kg/m2) dari permukaan tanah, kemudian ~t = 1 (th) dan H (kg/m2) merupakan
kedalaman masa relaksasi dari distribusi mula-mula fallout Pb-21 0 dalam profil tanah yang
dapat ditentukan secara eksperimen (He dan Walling, 1997)[9]. Konstanta H juga
menggambarkan penetrasi kedalaman Pb-2 J 0 dalam tanah. Nilai H tinggi akan
meretleksikan penetrasi radionuklida 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 2006 I8SN :1411- 5381
estimasi perbandingan Pb-210 fallout (f) yang terdeposisi mula-mula dan bergerak akibat
erosi. Jika diasumsikan terjadi erosi maka r dapat diestimasi menggunakan persamaan :
r = P-y ( 1 - e - R/H) .•••..••..••....•.............•••...•• (3)
dimana -y adalah perbandingan Pb-210 fallout tahunan yang mudah berubah karena erosi
sebelum menyatu ke dalam profil tanah melalui peneangkulan. Pada persamaan (3)
menunjukkan bahwa kcdalaman masa relaksasi H merllpakan faktor penting yang
mempengaruhi pergerakan 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 Pb
210 fallout yang seeara langsung berkaitan dengan eurah hujan akan mudah bergerak
akibat erosi , sehingga 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. Dengan substitusi persamaan (3) ke dalam
persamaan (I) maka didapat persamaan sebagai berikut:
A(t)=A(to)e-J(PR/D+X)dl' + J (l-P-y( l_e-R/H»] (t')e-(PR/D+X)(I-t')dt' .... (4)10 10
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 I(l-f)A(t) = _ e -(PRI D + x)( 1-(0) + [ I _ e -(PRI D + xX 1-(0) ] •.•.•.•.••.•..•.•.•.•• (5)
A PR / D + A
365
Prosldlng Partanwan dan Prosentasillmiah FWloslonai Teknls Nun PenoutL 18 Dosombor 2006 ISSN :1410 . 5381
Fluks deposisi Pb-2 I0 fallout J dapat diestimasi dari Pb-2 I 0 inventory stabil yaitu tanah
reference site Aref dan konstanta peluruhan A. Rata-rata laju erosi tahunan R dapat
diestimasi dari persamaan (4) apabila tluks deposisi I, kedalaman tanah olah D dan
kedalaman masa relaksasi H diketahui. Dalam situasi dimana pengolahan telah ada sejak
100 tahun yang lalu (yaitu t - to > 100) maka dapat diasumsikan dalam kondisi stabil
(steady state) dan persamaan (4) dapat disederhanakan sebagai berikut
I( I -f)A=---PR/D + A (6)
Jib kemudian diasumsikan 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
R=---AH +)'ID P (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 contoh data yang disajikan memperlihatkan bahwa pola distribusi Pb
2 I0 terhadap ked ala man pada tanah stabil mengikuti bent uk eksponensial karena
pengaruh waktu paro, sedangkan pada tanah olah pola distribusi Pb-210
relatif datar yang disebabkan oleh proses pencampuran melalui pencangkulan.
3. Input Pb-210 jatuhan pada permukaan tanah pad a hakekatnya kontinyu,
sehingga estimasi laju erosi dilakukan melalui pendekatan model keseimbangan
masa
4. Aplikasi Pb-210 cukup potensial diaplikasikan dalam studi erosi sebagai
pengganti isotop alam Cs-13 7 yang terbatas penggunaannya
366
ProsldlnU Pertamuan dan Prosentasl Umlah FWlUsional Toknls Non PonelitL 19 Dosomber 2006 ISSN :1410·5381
DAFT AR PUST AKA
1. RITCHIE J.C., McHENRY J.R. Application of radioactive fallout cesium-137
for measuring soil erosion and sediment accumulation rates and pattern: a
review. J. Environ. Qual. 1990; 19:215-233.
2. ENNOCK D.1., LEMMON D.S., DE JONG E. Cesium-l37 measured erosion rates
for five parent material groups ,in southwestern Saskatchewan.Can.1.Soil Sci.
1995;75: 205-210.
3. APPLEBY P.G., OLFIELD F. The calculation of lead - 210 dates assuming a
constant rate of supply of unsupported 210Pb to the sediment. Catena 1978;5: 1-8.
4. VAN HOOF P.L., Andrean A.W. Partitioning and transport of 210Pb in Lake
Michigan J. Great Lakes Res. 1989; 15 : 498-509
5. HE Q., WALLING D.E. The distribution of fallout 210Pb to investigate longer-
term rates and patterns of overbank sediment deposition 011 the floodplains of
lowland rivers Earth Surf. Processes Landforms 1996; 21: 141-154.
6. WALLING, D.E and Q.HE. Using fallout lead-210 measurements to estimate
soil erosion on cultivated land. Soil Sci.Soc,AMJ., 1999, Vol 63 : 1404-1412.
7. HE, Q., and P.O. OWENS, 1995. Determination of suspended sediment
provenance USIng Cs-137, unsupported lead -210 and radium-226: Numerical
mixing approach. P.207-228. In I.D.L Foster et al. (Ed). Sediment and water
quality in river catchments. Wiley, Chichester, UK.
8. HE, Q., and D.E. WALLING. 1996a. Interpreting particle size effects in
the adsorption of I37CS and unsupported 210Pb by mineral soils and sediments.
J. Environ. Radioact. 30: 117-137.
9. HE, Q., and D.E. WALLING. 1997. The distribution of fallout mCs and 210Pb
in undisturb and cultivated soils. Appl. Radiat. Isot. 48 : 677-690.
367
Recommended