LEVANTAMENTO PRELIMINAR DA EROSÃO DE SOLO, EM UMA MICROBACIA NO
ESTADO DO PARANÁ, USANDO A METODOLOGIA DO CS-137
Avacir Casanova Andrello, Carlos Roberto Appoloni, Paulo Sérgio Parreira
Universidade Estadual de Londrina - CCE - Departamento de Física/PR Caixa Postal 6001
86051-990, Londrina, Brasil
RESUMO
A medida da redistribuição do 137Cs no campo permite determinar a erosão ou sedimentação do solo numa região. Foram medidas as atividades de 137Cs em amostras de solo para determinar as perdas ou ganhos de solo em uma microbacia no norte do Paraná. A eficiência de detecção foi determinada a partir da medida de padrões, preparados com atividades conhecidas de
137
Cs. As perdas e ganhos de solo foram determinados para regiões de topo, meia encosta e vale, em seis diferentes transectos na microbacia estudada usando três modelos da literatura.
I. INTRODUÇÃO
O 137Cs, introduzido no meio ambiente pelo “fallout” radioativo, é um emissor beta com meia vida de 30,2 anos que decai para o 137mBa, que é um emissor gama com energia de 661,6 KeV e uma meia-vida 2,55 minutos. Quando em contato com o solo, o 137Cs é rápida e fortemente adsorvido pelas partículas de argila e materiais orgânicos. Após ser adsorvido pelo solo, o 137Cs não é mais facilmente removido, tendo sua mobilidade resultante de processos físicos associados com erosão, transporte e deposição de partículas e cultivo, os quais representam a maior causa da redistribuição do 137Cs nos solos. Através desses processos físicos, o 137Cs é transportado junto com o solo, exercendo uma “marcação”, de onde foi possível ver que existe uma relação entre a perda (ou ganho) de solo e a
concentração de 137Cs. O método usado foi o de
espectrometria gama, com geometria béquer Marinelli e detetor HPGe, amplamente usado neste tipo de análise [1-4].
II. MATERIAIS E MÉTODOS
Localização e Classe de Solo. Com objetivo de verificar a
possibilidade da utilização desta metodologia no Estado do Paraná, foi escolhida uma microbacia localizada no município de Cambe, deste estado. A área estudada constitui-se de uma pequena microbacia que perfaz uma área total de aproximadamente 600 hectares. O solo da microbacia é da classe LRd2 - Latossolo Roxo distrófico A moderado, textura argilosa, fase floresta tropical subperinifólia, relevo suave ondulado, cujas características físicas e químicas estão apresentadas na Tabela 1. Em estado natural esse solo é bastante resistente à erosão mas, após o uso contínuo de maquinário pesado, tem uma tendência a formar o chamado “pé de grade” (adensamento formado no solo a uma profundidade de aproximadamente 15 cm) favorecendo o processo de erosão.
TABELA 1. Propriedades físicas e químicas do solo LRd2. Carbono (%) Argila (%) Silte (%) Areia (%) Densidade Volumétrica (g.cm-3) pH Ca++ ME/100g Mg++ ME/100g K+ ME/100g Na+ ME/100g 2,28 77,0 14 9 1,05 5,2 4,0 2,7 0,64 0,6
Amostragem. Foram escolhidas 7 áreas para amostragem
de solo, sendo 6 áreas cultivadas, representadas pelos transectos A, B, C, D, E, F, e uma área sem uso agrícola, que não apresentava sinais de erosão e/ou sedimentação de solo, para determinar o valor de entrada de atividade de
137
Cs devido ao “fallout” denominada “amostra de referência”. Para cada ponto de amostragem foram amostrados 5 replicas, sendo que em cada uma foram amostrados 4 perfis de solo em camadas de 5 cm, até a
profundidade de 20 cm e mais a camada de 20-30 cm. Nos transectos das áreas cultivadas foram coletadas amostras de topo, meia encosta e fundo de vale. A Figura 1 apresenta o mapa da microbacia do córrego Unda.
Figura 1 – Mapa da microbacia do córrego Unda mostrando o uso do solo com diversos tipos de culturas e os transectos de amostragem.
Análises. Para medida da concentração de 137
Cs, as amostras de cada posição de amostragem foram preparadas misturando-se os perfis de maneira a representar um perfil médio de 0 - 30 cm, secas ao ar, destorroadas, passadas em peneira de 2 mm e acondicionadas em recipientes plásticos tipo béquer Marinelli de 2 litro. As medidas de atividade gama foram realizadas usando-se um arranjo experimental constituído de: detetor plano de HPGe, multicanal de 1024 canais, eletrônica nuclear padrão de espectrometria gama e blindagem de concreto, chumbo e alumínio. Os espectros de fundo e das amostras foram tomados por um tempo não inferior a 3600 minutos e a resolução em energia dos espectros medidos foi de 2,9 KeV. O limite mínimo de detecção do sistema foi determinado como sendo de 0,29 Bqkg-1.
Eficiência de detecção. Para determinação da eficiência de
detecção do sistema de medidas foram preparadas quatro amostras de solo com quantidades conhecidas de 137Cs, cujas atividades variavam de 3 Bqkg-1 a 3500 Bqkg-1. A eficiência de detecção, fator á , para cada padrão foi calculada pela equação:
α
=
m A
N
.
em Bqcps-1 (1) onde: - m é a massa da amostra em kg- A é a atividade específica da amostra em Bqkg-1
- N é a área líquida do fotopico do 137Cs, obtida a partir da análise dos espectros gama da amostra e do fundo.
A média obtida para as doze medidas deste coeficiente foi de 291 Bqcps-1, com um desvio total de
7,2%, onde estão considerados e propagados todos os desvios experimentais envolvidos.
III. RESULTADOS
As atividades específicas das amostras dos diferentes transectos e da amostra de referência foram determinadas pela equação:
A
N
m
=
α.
em Bqkg -1 (2) sendo as variáveis desta equação as mesmas definidas na equação (1). Foram realizadas sete repetições da medida da amostra da referência, fornecendo um valor médio de área líquida sob o pico de 137Cs de 0,00682 cps (contagens por segundo) ± 4 %, referente a uma atividade de referência de 1,38 Bqkg-1 ± 11 %. Este resultado está coerente com outras medidas realizadas com solos brasileiros, que mostram atividades uma ordem de grandeza menor do que as atividades obtidas para os solos do hemisfério norte [5].A atividade dos solos brasileiros está numa faixa de 0,79 a 4,79 Bqkg-1 [5, 6, 7]. As atividades das 18 amostras dos
seis transectos medidos (sendo 3 amostras por transecto, uma do topo, uma da meia encosta e uma de vale) variaram de 0,39 Bqkg-1 (com desvio de 12,8%) até 2,26 Bqkg-1 (com desvio de 23,5%). A maior parte das medidas apresenta um desvio experimental total em torno de 15%. Para cada uma das amostras de cada transecto foram
realizadas 3 repetições. A Tabela 2 apresenta os valores médios da atividade sob o pico de 137Cs medida em cada amostra dos vários transectos. As perdas (ou ganhos) de solo, ocorridos nos diferentes transectos, foram determinadas usando-se três equações. A primeira equação foi desenvolvida por Ritchie & McHenry [8]:
Y
1
=
0 88
,
.
X
1 18
,
(3)onde:
- Y1 é a perda de solo em tonha-1ano-1
- X é a redistribuição do 137Cs na região de amostragem, dado em percentual pela equação:
X
Cs
Cs
Cs
referencia amostra referencia=
(
−
).100
(4) onde:- Csamostra é a atividade específica de 137Cs presente na
amostra considerada;
- Csreferencia é a média da atividade específica de 137
Cs das repetições da amostra de referência.
Pela definição de atividade dada na equação (2), podemos representar a equação (4) somente em termos da área líquida sob o pico de 137Cs, independentemente do fator de eficiência α, de modo que:
X
Nb Na
mb
ma
Nb
=
−
×
100
(5) onde:- Nb é a média da área líquida sob o pico do 137Cs nas
amostras de referência em cps
- Na é a área líquida sob o pico do 137
Cs na amostra considerada em cps
- mb é a massa da amostra de referência em kg
- ma é a massa da amostra considerada em kg
A equação (5) apresenta menor desvio total que a equação (4) e portanto será utilizado nas equações (3) e (8) para o cálculo das perdas de solo. A segunda equação foi desenvolvida por De Jong et al. [9]:
Y
Cs
Cs
Cs
amostra referencia referencia 2=
−
(
)
×28
3150
(6) onde:- Y2 representa as perdas (sinal -) ou ganhos (sinal +) de
solo em tonha-1ano-1
- Csamostra e Csreferencia são os mesmos definidos na
equação (4)
- o fator 3150 é a massa média (em tonha-1) do horizonte Ap com densidade do solo estimada em 1,05 gcm-3 e espessura média de 30 cm
- o fator 28 é o período (em anos) desde o último maior “fallout” (1964) até a coleta das amostras.
Do mesmo modo que na equação (5), podemos representar a equação (6) como :
Y
N m m
N
N
a b a b b 2=
−
×28
3150
(7)A terceira equação empregada foi desenvolvida por Elliott et al. [10] :
X
Y
3=
0
,
033854
×
(
1
,
076
)
(8) onde:- Y3 é a perda de solo em tonha -1
ano-1
- X é o mesmo definido na equação (4) ou equação (5). As equações (3) e (8) fornecem resultados somente de perdas de solo, enquanto que a equação (6) ou (7) fornece resultados de perdas (valores negativos) ou ganhos (valores positivos) de solo. Os resultados obtidos para as perdas ou ganhos de solo referente às amostras (topo, meia-encosta e vale) de cada transecto estão apresentados na tabela 2. A equação (8) apresenta uma diferença nos resultados de um fator 10 em relação às equações (3) e (6) , respectivamente. Segundo Walling et al. [11], que também observou essa discrepância, essa diferença é devida à calibração do sistema utilizado pelo autor desta equação e pelas diferenças climáticas e menor “fallout”.
IV. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos mostraram uma boa correlação entre a atividade de 137Cs, a região de amostragem e os valores de perdas/ganhos de solos determinados. Os valores de perdas/ganhos concordam com valores obtidos para solos brasileiros [5, 6, 7].
TABELA 2. Valores de atividade e área líquida obtida através das médias das repetições das diferentes amostras dos vários transectos e as respectivas perdas e ganhos de solo para cada amostra.
Transecto Atividade a Área Líquida b Xc Y1
d Y2 e Y3 f topo 1,00 ± 0,10 0,00599 ± 0,00045 27,3 ± 6,0 43,5 ± 11,3 -32,5 ± 5,0 0,249 ± 0,041 A encosta 1,54 ± 0,20 0,00950 ± 0,00047 -11,7 ± 6,9 11,6 ± 5,7 vale 1,23 ± 0,19 0,00733 ± 0,00082 11,0 ± 10,5 15,0 ± 16,7 -23,1 ±13,6 0,076 ± 0,058 topo 1,57 ± 0,28 0,00896 ± 0,00082 -13,9 ± 11,2 16,5 ± 9,3 B encosta 1,44 ± 0,16 0,00775 ± 0,00029 -4,8 ± 5,5 5,0 ± 4,5 vale 1,10 ± 0,08 0,00624 ± 0,00004 20,3 ± 3,0 30,6 ± 5,3 -20,7 ± 9,4 0,149 ± 0,032 topo 1,84 ± 0,29 0,00902 ± 0,00049 -33,4 ± 8,7 35,5 ± 9,2 C encosta 0,98 ± 0,07 0,00517 ± 0,00001 29,1 ± 2,6 47,1 ± 5,0 15,0 ± 6,1 0,286 ± 0,055 vale 0,67 ± 0,07 0,00415 ± 0,00064 51,7 ± 7,7 92,5 ± 16,2 -57,6 ± 7,3 1,489 ± 0,836 topo 0,97 ± 0,23 0,00391 ± 0,00093 29,5 ± 17,0 47,8 ± 32,4 -26,3 ± 12,0 0,294 ± 0,365 D encosta 0,39 ± 0,05 0,00188 ± 0,00065 71,3 ± 10,0 135,3 ± 22,3 -80,8 ± 3,2 6,289 ± 4,594 vale 0,99 ± 0,15 0,00457 ± 0,00062 28,3 ± 10,1 45,5 ± 19,1 -20,4 ± 5,3 0,270 ± 0,199 topo 0,82 ± 0,05 0,00436 ± 0,00006 40,6 ± 2,3 69,5 ± 4,7 -59,5 ± 9,9 0,661 ± 0,113 E encosta 0,73 ± 0,11 0,00395 ± 0,00075 47,1 ± 10,2 82,9 ± 21,2 -52,8 ± 8,4 1,064 ± 0,798 vale 0,89 ± 0,07 0,00458 ± 0,00028 35,0 ± 4,6 58,5 ± 9,1 -40,9 ± 3,8 0,440 ± 0,149 topo 1,85 ± 0,34 0,00983 ± 0,00074 -25,6 ± 10,5 41,1 ± 8,7 F encosta 2,26 ± 0,53 0,01111 ± 0,00091 -63,9 ± 14,7 73,7 ± 12,1 vale 1,92 ± 0,78 0,01006 ± 0,00202 -39,5 ± 28,5 60,6 ± 8,5 a, unidade em Bqkg
b, unidade em cps (contagens por segundo)
c, redistribuição do 137Cs na região de amostragem expressa em percentagem usando a equação (5), onde os valores negativos representam ganhos e os positivos representam perdas na redistribuição
d, perda de solo em tonelada por hectare por ano usando a equação (3)
e, perdas/ganhos de solo em toneladas por hectare por ano usando a equação (7), onde valores positivos representam ganhos e valores negativos representam perdas
f, perdas de solo em toneladas por hectare por ano usando a equação (8)
V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] BROWM, R,B,, CUSTRHALL, N,B,, KLING, G,F,,
Agricultural erosion indicated by 137Cs redistribution I, Levels and distribution of 137 Cs activity in soil, Soil Sci,
Soc, Am, J,, vol,45, p 1184-1190, 1991,
[2] BROWM, R,B,, CUSTRHALL, N,B,, KLING, G,F,,
Agricultural erosion indicated by 137Cs redistribution II, Estimates of erosion rates, Soil Sci,Soc, Am, J,, vol, 45, p
1191-1197, 1991,
[3] BRANCA, M, AND VOLTAGGIO, M,, Erosion rate in
badlands of central Italy - estimation by radiocaesium isotope ratio from Chernobyl nuclear accident, Applied
Geochemistry, vol, 8, p 437 - 445, 1993,
[4] BREMER, E,, De JONG, E,, JANZEN, H,H,,
Difficulties in using 137Cs to measure erosion in stubble-mulched soil, Can, J, Soil Sci,, vol, 75, p 357-359, 1995,
[5] GUIMARÃES, M,F,, 137Cs da precipitação radioativa
(“fallout”) no estudo da erosão e sedimentação de solo,
Tese de doutorado em Agronomia apresentada à Escola Superior de Agronomia “Luiz de Queiroz” da Universidade de São Paulo, agosto 1988,
[6] SAKAI, T,, Distribuição do 137Cs nos solos do Estado
da Bahia, Tese de Mestrado em Geofísica apresentada à
Universidade Federal da Bahia, fevereiro 1977,
[7] SCHUCH, L, A,, NORDEMANN, D, J, R,, BARRETO, W, O,, Natural and Artificial Radionuclides in soils from
Parana State, Brazil, Journal of Radioanalitical and
Nuclear Chemistry, vol, 177, nº 1, p 39-49, 1994,
[8] RITCHIE, J,C, & McHENRY, J,R,, Fallout 137Cs: a
tool in conservation research, Journal of Soil and Water
Conservation, vol, 30, p 283-288, nov, 1975,
[9] De JONG, E,, WANG, C, RESS, H,W,, Soil
redistribution on three cultivated New Brunswick hillslopes calculated for 137Cs measurements, solum data and the ULSE, Can, J, Soil Sci,, vol, 66, p 721-730, nov,
[10] ELLIOTT, G, L,, CAMPBELL, B, L,, LOUGHRAN, R, J,, Correlation of Erosion Measurements and soil
Caesium-137 Content, Appl, Radiat, Isot,, vol, 4, nº 8, p
713-717, 1990,
[13] WALLING, D, E, and QUINE, T, A,, Calibration of
Caesium-137 Measurements to Provide Quantitative Erosion Rate Data, Land Degradation & Rehabilitation,
vol, 2, p 161-175, 1990,
ABSTRACT
The measurement of the 137Cs redistribution in the field allows the determination of soil erosion or deposition in an area. The 137Cs activities were measured in soil samples to determine the soil losses or gains in a basin at the north of Parana State. The detection efficiency was determined by measurement of standards, prepared with well-known activities of 137Cs. The soil losses or gains were determinate in upslope, hillslope and downslope, in six different transects in the studied basin using three models of the literature.
