郑妙洁
(广东省水文水资源监测中心梅州分中心，广东 梅州 514000)
横水水库位于粤赣边界、梅江上游，集雨面积为14.25 km2，其中2.5 km2属于平远县辖区，其余集雨面积属江西省寻乌县辖区。作为平远县城区居民的饮用水源保护地，横水水库的水质保护目标为Ⅱ类。但由于江西省寻乌县开展稀土开采和农业开发等造成的污染沿上游河流汇入，断面氨氮超标现象时有发生。氨氮是水质监测中比较重要的双因子之一，是浮游植物的营养物质的重要来源，会造成水体的富营养化[1]。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，对横水水库进行单因子评价，横水水库水质常年为劣Ⅴ类。
自2016年起，赣州对稀土开采全面停产整治。为探究横水水库的主要污染源和影响因素，依据水体浮游植物群落分布特征，分析横水水库水质状况，为其生态环境保护和治理工作提供新的数据支撑。
1.1 样品采集与处理
广东省水文水资源监测中心梅州分中心根据《水环境监测规范》，在2016年1月至2021年12月的每月中上旬对横水水库进行1次水质采样。在断面中上游布设1条垂线，用筒式有机玻璃采水器在采样点水面下0.5 m处进行采样，浮游植物样品采集根据《内陆水域浮游植物监测技术规程》于2月、5月、8月、11月中上旬各采样1次。
1.2 监测项目
1.3 数据预处理和统计分析方法
利用SPSS对水体中监测的6项指标分别进行相关性、主成分分析;应用电子表格软件Excel计算和统计浮游植物的优势度指数和生物量。
2.1 污染源分析
2.1.1相关性分析
研究区中氨氮与总氮、硝酸盐氮、氟化物和锰呈显著正相关，与pH值呈显著负相关，主要原因为稀土矿山土壤溶液中残留的NH4+将主要阳离子交换出来进入自然水体，导致水体呈偏酸性，pH值降低。有研究表明，pH值对地下水中锰的转移和富集起着重要作用，随着地下水pH值的降低，地下水中锰离子的含量会增加[2]，因此锰和pH值呈负相关。流域中氨氮与硝酸盐氮呈极显著性正相关(P<0.01)，主要原因为水中NH3-N极易在氧和微生物作用下形成NO3-N[3]。电导率与总氮、硝酸盐氮、氟化物和锰呈显著正相关，说明水中硝酸盐氮等溶解性物质增多，电导率随之增大[4]。因此，以NH4+-N和NO3-N为主的污染源是影响水体pH值的主要因素(见表1)。
表1 横水水库指标间的Pearson相关性分析
2.1.2主成分分析
针对横水水库污染程度较重的主要污染因子(pH值、NH3-N、TN、硫酸盐、硝酸盐氮、叶绿素a、锰)进行主成分分析。本文取样足够度的KMO度量值[5]为0.728(>0.7)，累计方差贡献率一般要求大于70%，实际计算结果为81.9%。
表2为主成分特征值、主成分贡献率及累计贡献率，表3为主成分载荷矩阵。由表2～表3可知：前两个主成分累计贡献率达到81.9%，在对水质影响的7个因子中提供了超80%的信息。其中总氮、硫酸盐、氨氮在第一主成分上载荷较大，分别为：0.964、0.948、0.941；
方差贡献率为66.5%；
硝酸盐氮在第二主成分上载荷最大，其载荷值为0.654，方差贡献率为15.4%。有研究表明，(NH4)2SO4等稀土浸矿剂的大量使用是周围水环境氨氮、硝酸盐氮、硫酸盐等浓度急剧升高的主要原因[6]，因此推测污染原因主要是原位浸矿技术采用的原地浸矿剂，例如硫酸铵和碳酸氢铵等的渗漏、废弃稀土矿山深层土壤的残留及吸附浸矿剂的缓慢渗出[7]。土壤中氨氮极易在氧和微生物作用下形成硝酸盐氮[8]，由于硝酸盐氮容易在土壤的淋洗作用下进入地表水，导致水中硝酸盐氮增加，同时，未完全氧化分解的氨氮在水体中可能转化为硝酸盐氮[9]，因此，水中硝酸盐氮主要由氨氮降解而成。研究区2016—2021年pH值范围为5.64～8.33，平均值为7.05，水体偏酸性，而硝化反应受pH值的影响[10]，pH值小于7时，硝化速率降低，因此水中氮主要以氨氮形式存在。由于硫酸铵溶液呈酸性，使得水体酸化加剧，进而导致氨氮浓度越高。根据广东省水文水资源监测中心梅州分中心监测数据，横水水库2016年氨氮平均值为1.38 mg/L，2021年氨氮平均值为0.12 mg/L，由Ⅳ类变为Ⅰ类，推测主要原因是受稀土矿停止开采的影响。
表2 主成分特征值、主成分贡献率及累计贡献率
表3 主成分载荷矩阵
2.2 浮游植物群落结构及富营养化评价
浮游植物是淡水水体的主要初级生产者，对环境变化的响应十分敏感迅速[11]，浮游植物的群落结构、生物量等信息，可以作为衡量水生态系统的重要指标[12]，因此，浮游植物监测是水生态评价的一种重要手段。
2.2.1浮游植物群落结构特征
物种组成是群落的基本特征，2016年横水水库共鉴定出浮游植物3门6种，2021年鉴定出浮游植物6门18种(见表4～表5)。根据表5可知，2016年横水水库浮游植物群落结构为甲藻-硅藻-绿藻，优势度指数范围0.11～0.34；
2021年浮游植物群落结构为硅藻-甲藻-绿藻-金藻，优势度指数范围0.02～0.19。结果表明，横水水库2021年各门浮游植物的种类普遍多于2016年，2021年各监测月份的生物量相比2016年均有所增长，并且2021年物种多样性增加，出现了蓝藻门和金藻门。根据FG归类法对横水水库浮游植物进行类群划分，2016年到2021年浮游植物优势功能群发生了L0+C+X2→C+L0+MP的演变，并开始出现耐贫营养的D、E功能群。2021年横水水库优势度指数相比2016年有所降低，物种更加丰富，水质状况越好[13]。
表4 横水水库浮游植物种类组成和生物量
表5 横水水库2016年和2021年各研究月份
2.2.2富营养化评价
水库富营养化评价主要包括叶绿素a评价法，综合评价法以及综合营养指数法。本研究采用综合营养指数[14-15]对水体进行富营养化状态评价。按照综合评价法对横水水库2016年和2021年各季度的富营养化情况进行分析计算(结果见表6)。根据湖泊(水库)富营养状态分级比较，横水水库2016年和2021年的综合营养状态指数30≤TLI(Σ)≤50，均属于中营养级，其中，2021年第一、二、四季度的富营养化指数均低于2016年的富营养化指数。
表6 横水水库富营养化情况对比
1) 横水水库水质的主要影响因子是氨氮、硫酸盐、硝酸盐氮，其中氨氮为最主要的污染物。原因主要是离子型稀土矿山硫酸铵等原地浸矿剂的渗漏，同时，部分NH3-N降解成NO3-N，造成氨氮、硫酸盐和硝酸盐氮等指标偏高。
2) 2016—2021年，横水水库浮游植物种类和生物量显著增多，浮游植物群落结构由甲藻-硅藻-绿藻，变为硅藻-甲藻-绿藻-金藻，浮游植物优势度指数下降。
综上所述，稀土矿开采是横水水库水质污染的主要原因之一。截至2021年，横水水库氨氮浓度显著降低，水库水质和水生态状况均有变好的趋势，但是营养状态仍为中营养，建议加强流域地表水的定期监测，必要时适当采取有效措施维护流域水生态环境。
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