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