DETERMINAÇÃO DA EROSÃO/SEDIMENTAÇÃO DO SOLO POR MEIO DA MEDIDA DA CONCENTRAÇÃO DE 137CS
Avacir Casanova Andrello*, Carlos Roberto Appoloni*, Paulo Sérgio Parreira*, Melayne Martins Coimbra*, Maria de Fátima Guimarães**
*
Universidade Estadual de Londrina - CCE - Departamento de Física/PR Caixa Postal 6001
86051-970, Londrina, Brasil
**
Universidade Estadual de Londrina - CCA - Departamento de Agronomia/PR Caixa Postal 6001
86051-970, Londrina, Brasil
RESUMO
A medida da redistribuição do 137Cs no campo permite determinar a
erosão/sedimentação do solo. Foram medidas as atividades de 137Cs em amostras de solo de uma microbacia do norte do Paraná, empregando um detetor de raios gama de Ge(HP) e eletrônica nuclear padrão de espectrometria gama. A eficiência de detecção foi determinada a partir da medida de padrões, preparados com atividades conhecidas do radionuclídeo de interesse. Perdas (ganhos) de solo foram determinados para regiões de topo, meia encosta e vale, em seis diferentes transectos na microbacia estudada.
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 rapidamente adsorvido pelas partículas mais finas do mesmo (argilas e materiais orgânicos do solo). Após ser adsorvido, o 137Cs não é mais facilmente removido, exercendo assim uma “marcação” no solo de maneira única. Através dos processos físicos de erosão e sedimentação, o 137Césio é transportado junto com o solo, de onde é possível ver que existe uma relação entre a perda (ou ganho) de solo e a concentração de 137Cs presente em tal região. O método usado foi o de espectrometria gama, com geometria béquer Marinelli e detetor Ge(HP), 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 bacia hidrográfica localizada no município de Cambé, deste estado. A área estudada
constitui-se de uma pequena bacia hidrográfica que perfaz uma área total de aproximadamente 600 hectares. O solo da bacia é da classe LRd2 - Latossolo Roxo distrófico A moderado, textura argilosa, fase floresta tropical subperinifólia, relevo suave ondulado. 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). Nas áreas baixas da bacia pode-se encontrar solo da classe Tre-Terra Roxa Estruturada.
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, cuja amostra será chamada de “amostra de referência”. Para cada área 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.
Análises Químicas e Físicas. Foram realizadas análises
químicas e físicas no Laboratório de Fertilidade de Solos do Departamento de Construção Civil da Universidade Estadual de Londrina. O método do torrão foi utilizado
para determinação da densidade do solo. Para determinação da densidade de partículas foi utilizado o método do picnômetro. Para a análise granulométrica do solo foi utilizado o método do densímetro. O conteúdo de matéria orgânica do solo foi determinado a partir do conteúdo de carbono. Para medida da concentração de
137
Cs, as amostras de cada local foram preparadas misturando-se os perfis de maneira a representar um perfil médio de 0 - 30 cm. As amostras foram secas ao ar, destorroadas, passadas em peneira de 2 mm e acondicionadas em recipientes plásticos tipo béquer Marinelli de 1 litro. As medidas de atividade gama foram realizadas no Laboratório de Física Nuclear Aplicada do Departamento de Física da Universidade Estadual de Londrina. O arranjo experimental constitui-se de : detetor plano de Ge(HP), multicanal de 1024 canais, eletrônica nuclear padrão de espectrometria gama, recipientes plásticos tipo béqueres Marinelli de 1 litro 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 Bq/kg.
Eficiência de detecção. Para determinação da eficiência
de detecção do sistema de medidas foram preparadas quatro amostras de solo com quantidades conhecidas de
137
Cs, cujas atividades variavam de 3 Bq/kg a 3500 Bq/kg (Tabela 1). A eficiência de detecção, fator α [5], para cada padrão foi calculada pela equação:
α
=
m A
N
.
em Bq/cps (1) onde: - m é a massa da amostra em kg- A é a atividade específica da amostra em Bq/kg
- N é a área líquida do fotopico do 137Cs, obtida a partir da análise dos espectros gama da amostra e do fundo, realizadas no programa MCA2 [6], que fornece a opção de escolha automática ou manual para definição da largura do pico. Cálculos realizados utilizando a opção automática apresentaram algumas estimativas inconsistentes com os picos de 137Cs nos espectros, de maneira que decidiu-se utilizar a opção manual que apresentou alterações nas áreas dos picos e conseqüentemente na constante de calibração α. A média obtida para as doze medidas deste coeficiente (Tabela 1) foi de 291 Bq/cps, 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 Bq/kg (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
TABELA 1. Fator α determinado para as quatro amostras de solo calibradas resultando num valor médio de α = 291 ± 21 Bq/kg.
AMOSTRA ÁREAa DESVIO.a MASSAb DESVIOb ATIVIDADEc DESVIOc FATOR αd DESVIOd
FAT.0 17.63 0.09 1.5 0.0005 3460 170 294 15 1ª REP. 17.68 0.07 1.5 0.0005 3460 170 294 14 2ª REP. 17.81 0.07 1.5 0.0005 3460 170 291 14 3ªREP. 16.75 0.07 1.5 0.0005 3343 167 299 15 FAT 10 1.027 0.008 1.5 0.0005 210 10 307 15 1ª REP. 1.018 0.008 1.5 0.0005 210 10 309 15 2ª REP. 1.023 0.008 1.5 0.0005 210 10 308 15 3ª REP. 1.016 0.006 1.5 0.0005 210 10 310 15 4ª REP. 0.972 0.006 1.5 0.0005 200 10 309 16 FAT. 100 0.1947 0.0019 1.5 0.0005 33.43 1.67 258 13 FAT. 1000 0.02036 0.00049 1.5 0.0005 3.51 0.2 259 16 1aREP 0.0196 0.0003 1.5 0.0005 3.34 0.167 256 13
a. unidade dada em cps ; b. unidade dada em kg c. unidade dada em Bq/kg ; d. unidade dada em Bq/cps
segundo) ± 4 %, referente à uma atividade de referência de 1,38 Bq/kg ± 11 %. Este resultado está coerente com outras medidas realizadas com solos brasileiros, que mostram atividades uma ordem de grandeza menor que as obtidas para solos do hemisfério norte [5]. A atividade dos solos brasileiros está numa faixa de 0,79 a 4,79 Bq/kg [5,7,8]. 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 Bq/kg (com desvio de 12,8%) até 2,26 Bq/kg (com desvio de 23,5%) e estão apresentadas na Tabela 2. 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 e da área líquida sob o pico de 137Cs medida em cada amostra dos vários transectos. As perdas (ou ganhos) de solo ocorridos nos diferentes transectos foram determinados usando-se três equações. A primeira equação foi desenvolvida por Ritchie & McHenry [9]:
Y
1
=
0 88
, .
X
118
,
(3)onde:
- Y1 é a perda de solo em ton/ha
- 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 137Cs 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 137Cs 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. [10]:
Y
Cs
Cs
Cs
amostra referencia referencia 2=
−
(
)
×2640
32
(6) onde:- Y2 representa as perdas (sinal - ) ou ganhos (sinal + ) de
solo em ton/há.ano
- Csamostra e Csreferencia são os mesmos definidos na
equação (4)
- o fator 2640 é a massa média (em ton/ha) do horizonte Ap com densidade do solo estimada de 1,32 g/cm3 [11] e espessura média de 20 cm
- o fator 32 é o período (em anos) desde o início do “fallout” (1960) 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=
−
×2640
32
(7) A terceira equação empregada foi desenvolvida por Elliott et al. [12] :Y
3
=
33 854
,
×
( ,
1 076
)
X
(8) onde:- Y3 é a perda de solo em kg/há.ano
- 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. [13], que também observou essa discrepância, essa diferença é devida à calibração do sistema utilizado pelo autor desta equação.
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 [5,7,8].
TABELA 2. Valores de atividade e área líquida obtidos através das médias das repetições das diferentes amostras dos vários transectos e as respectivas perdas e ganhos de solo para cada amostra.
Transecto Atividadea Área Líquidab Xc Y1d Y2e Y3f
topo 1.00 ± 0.10 0.00599 ± 0.00045 27.3 ± 6.0 43.5 ± 11.3 -22.5 ± 5.0 0.249 ± 0.041 A encosta 1.54 ± 0.20 0.00950 ± 0.00047 -11.7 ± 6.9 9.6 ± 5.7 vale 1.23 ± 0.19 0.00733 ± 0.00082 11.0 ± 10.5 15.0 ± 16.7 -9.1 ± 8.6 0.076 ± 0.058 topo 1.57 ± 0.28 0.00896 ± 0.00082 -13.9 ± 11.2 11.5 ± 9.3 B encosta 1.44 ± 0.16 0.00775 ± 0.00029 -4.8 ± 5.5 4.0 ± 4.5 vale 1.10 ± 0.08 0.00624 ± 0.00004 20.3 ± 3.0 30.6 ± 5.3 -16.7 ± 2.4 0.149 ± 0.032 topo 1.84 ± 0.29 0.00902 ± 0.00049 -33.4 ± 8.7 27.5 ± 7.2 C encosta 0.98 ± 0.07 0.00517 ± 0.00001 29.1 ± 2.6 47.1 ± 5.0 24.0 ± 2.1 0.286 ± 0.055 vale 0.67 ± 0.07 0.00415 ± 0.00064 51.7 ± 7.7 92.5 ± 16.2 -42.6 ± 6.3 1.489 ± 0.836 topo 0.97 ± 0.23 0.00391 ± 0.00093 29.5 ± 17.0 47.8 ± 32.4 -24.3 ±14.0 0.294 ± 0.365 D encosta 0.39 ± 0.05 0.00188 ± 0.00065 71.3 ± 10.0 135.3 ± 22.3 -58.8 ± 8.2 6.289 ± 4.594 vale 0.99 ± 0.15 0.00457 ± 0.00062 28.3 ± 10.1 45.5 ± 19.1 -23.4 ± 8.3 0.270 ± 0.199 topo 0.82 ± 0.05 0.00436 ± 0.00006 40.6 ± 2.3 69.5 ± 4.7 -33.5 ± 1.9 0.661 ± 0.113 E encosta 0.73 ± 0.11 0.00395 ± 0.00075 47.1 ± 10.2 82.9 ± 21.2 -38.8 ± 8.4 1.064 ± 0.798 vale 0.89 ± 0.07 0.00458 ± 0.00028 35.0 ± 4.6 58.5 ± 9.1 -28.9 ± 3.8 0.440 ± 0.149 topo 1.85 ± 0.34 0.00983 ± 0.00074 -25.6 ± 10.5 21.1 ± 8.7 F encosta 2.26 ± 0.53 0.01111 ± 0.00091 -63.9 ± 14.7 52.7 ± 12.1 vale 1.92 ± 0.78 0.01006 ± 0.00202 -39.5 ± 28.5 32.6 ± 23.5 a. unidade em Bq/kg
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 perdas na redistribuição
d. perda de solo em tonelada por hectare usando a equação (3)
e. perdas/ganhos de solo em toneladas por hectare.ano usando a equação (7), onde valores positivos representam ganhos e valores negativos representam perdas
f. perdas de solo em kg/há.ano usando a equação (8)
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45, p 1191-1197, 1991.
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vol. 2, p 161-175, 1990.
ABSTRACT
The measurement of 137Cs redistribution in the field allows the determination of soil erosion/accumulation. The 137Cs activity of soil samples, taken from a small basin at the north of Paraná, was measured employing a Ge (HP) gamma ray detector and a standard spectrometric nuclear electronic chain. Standard soil samples with known concentrations of 137Cs were prepared for the detection efficiency determination. Soil losses (or gains) were measured at the top, midslope and downslope regions, for six different transects.
