橫水水庫水質(zhì)污染狀況及浮游植物群落特征分析

鄭妙潔

(廣東省水文水資源監(jiān)測中心梅州分中心，廣東 梅州 514000)

橫水水庫位于粵贛邊界、梅江上游，集雨面積為14.25 km2，其中2.5 km2屬于平遠(yuǎn)縣轄區(qū)，其余集雨面積屬江西省尋烏縣轄區(qū)。作為平遠(yuǎn)縣城區(qū)居民的飲用水源保護(hù)地，橫水水庫的水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅱ類。但由于江西省尋烏縣開展稀土開采和農(nóng)業(yè)開發(fā)等造成的污染沿上游河流匯入，斷面氨氮超標(biāo)現(xiàn)象時有發(fā)生。氨氮是水質(zhì)監(jiān)測中比較重要的雙因子之一，是浮游植物的營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，會造成水體的富營養(yǎng)化[1]。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，對橫水水庫進(jìn)行單因子評價，橫水水庫水質(zhì)常年為劣Ⅴ類。

自2016年起，贛州對稀土開采全面停產(chǎn)整治。為探究橫水水庫的主要污染源和影響因素，依據(jù)水體浮游植物群落分布特征，分析橫水水庫水質(zhì)狀況，為其生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理工作提供新的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

廣東省水文水資源監(jiān)測中心梅州分中心根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》，在2016年1月至2021年12月的每月中上旬對橫水水庫進(jìn)行1次水質(zhì)采樣。在斷面中上游布設(shè)1條垂線，用筒式有機(jī)玻璃采水器在采樣點(diǎn)水面下0.5 m處進(jìn)行采樣，浮游植物樣品采集根據(jù)《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》于2月、5月、8月、11月中上旬各采樣1次。

1.2 監(jiān)測項(xiàng)目

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理和統(tǒng)計分析方法

利用SPSS對水體中監(jiān)測的6項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行相關(guān)性、主成分分析;應(yīng)用電子表格軟件Excel計算和統(tǒng)計浮游植物的優(yōu)勢度指數(shù)和生物量。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染源分析

2.1.1相關(guān)性分析

研究區(qū)中氨氮與總氮、硝酸鹽氮、氟化物和錳呈顯著正相關(guān)，與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，主要原因?yàn)橄⊥恋V山土壤溶液中殘留的NH4+將主要陽離子交換出來進(jìn)入自然水體，導(dǎo)致水體呈偏酸性，pH值降低。有研究表明，pH值對地下水中錳的轉(zhuǎn)移和富集起著重要作用，隨著地下水pH值的降低，地下水中錳離子的含量會增加[2]，因此錳和pH值呈負(fù)相關(guān)。流域中氨氮與硝酸鹽氮呈極顯著性正相關(guān)(P<0.01)，主要原因?yàn)樗蠳H3-N極易在氧和微生物作用下形成NO3-N[3]。電導(dǎo)率與總氮、硝酸鹽氮、氟化物和錳呈顯著正相關(guān)，說明水中硝酸鹽氮等溶解性物質(zhì)增多，電導(dǎo)率隨之增大[4]。因此，以NH4+-N和NO3-N為主的污染源是影響水體pH值的主要因素(見表1)。

表1 橫水水庫指標(biāo)間的Pearson相關(guān)性分析

2.1.2主成分分析

針對橫水水庫污染程度較重的主要污染因子(pH值、NH3-N、TN、硫酸鹽、硝酸鹽氮、葉綠素a、錳)進(jìn)行主成分分析。本文取樣足夠度的KMO度量值[5]為0.728(>0.7)，累計方差貢獻(xiàn)率一般要求大于70%，實(shí)際計算結(jié)果為81.9%。

表2為主成分特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率，表3為主成分載荷矩陣。由表2～表3可知：前兩個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)到81.9%，在對水質(zhì)影響的7個因子中提供了超80%的信息。其中總氮、硫酸鹽、氨氮在第一主成分上載荷較大，分別為：0.964、0.948、0.941；方差貢獻(xiàn)率為66.5%；硝酸鹽氮在第二主成分上載荷最大，其載荷值為0.654，方差貢獻(xiàn)率為15.4%。有研究表明，(NH4)2SO4等稀土浸礦劑的大量使用是周圍水環(huán)境氨氮、硝酸鹽氮、硫酸鹽等濃度急劇升高的主要原因[6]，因此推測污染原因主要是原位浸礦技術(shù)采用的原地浸礦劑，例如硫酸銨和碳酸氫銨等的滲漏、廢棄稀土礦山深層土壤的殘留及吸附浸礦劑的緩慢滲出[7]。土壤中氨氮極易在氧和微生物作用下形成硝酸鹽氮[8]，由于硝酸鹽氮容易在土壤的淋洗作用下進(jìn)入地表水，導(dǎo)致水中硝酸鹽氮增加，同時，未完全氧化分解的氨氮在水體中可能轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮[9]，因此，水中硝酸鹽氮主要由氨氮降解而成。研究區(qū)2016—2021年pH值范圍為5.64～8.33，平均值為7.05，水體偏酸性，而硝化反應(yīng)受pH值的影響[10]，pH值小于7時，硝化速率降低，因此水中氮主要以氨氮形式存在。由于硫酸銨溶液呈酸性，使得水體酸化加劇，進(jìn)而導(dǎo)致氨氮濃度越高。根據(jù)廣東省水文水資源監(jiān)測中心梅州分中心監(jiān)測數(shù)據(jù)，橫水水庫2016年氨氮平均值為1.38 mg/L，2021年氨氮平均值為0.12 mg/L，由Ⅳ類變?yōu)棰耦?，推測主要原因是受稀土礦停止開采的影響。

表2 主成分特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率

表3 主成分載荷矩陣

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)及富營養(yǎng)化評價

浮游植物是淡水水體的主要初級生產(chǎn)者，對環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感迅速[11]，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)、生物量等信息，可以作為衡量水生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)[12]，因此，浮游植物監(jiān)測是水生態(tài)評價的一種重要手段。

2.2.1浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

物種組成是群落的基本特征，2016年橫水水庫共鑒定出浮游植物3門6種，2021年鑒定出浮游植物6門18種(見表4～表5)。根據(jù)表5可知，2016年橫水水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)為甲藻-硅藻-綠藻，優(yōu)勢度指數(shù)范圍0.11～0.34；2021年浮游植物群落結(jié)構(gòu)為硅藻-甲藻-綠藻-金藻，優(yōu)勢度指數(shù)范圍0.02～0.19。結(jié)果表明，橫水水庫2021年各門浮游植物的種類普遍多于2016年，2021年各監(jiān)測月份的生物量相比2016年均有所增長，并且2021年物種多樣性增加，出現(xiàn)了藍(lán)藻門和金藻門。根據(jù)FG歸類法對橫水水庫浮游植物進(jìn)行類群劃分，2016年到2021年浮游植物優(yōu)勢功能群發(fā)生了L0+C+X2→C+L0+MP的演變，并開始出現(xiàn)耐貧營養(yǎng)的D、E功能群。2021年橫水水庫優(yōu)勢度指數(shù)相比2016年有所降低，物種更加豐富，水質(zhì)狀況越好[13]。

表4 橫水水庫浮游植物種類組成和生物量

表5 橫水水庫2016年和2021年各研究月份

2.2.2富營養(yǎng)化評價

水庫富營養(yǎng)化評價主要包括葉綠素a評價法，綜合評價法以及綜合營養(yǎng)指數(shù)法。本研究采用綜合營養(yǎng)指數(shù)[14-15]對水體進(jìn)行富營養(yǎng)化狀態(tài)評價。按照綜合評價法對橫水水庫2016年和2021年各季度的富營養(yǎng)化情況進(jìn)行分析計算(結(jié)果見表6)。根據(jù)湖泊(水庫)富營養(yǎng)狀態(tài)分級比較，橫水水庫2016年和2021年的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)30≤TLI(Σ)≤50，均屬于中營養(yǎng)級，其中，2021年第一、二、四季度的富營養(yǎng)化指數(shù)均低于2016年的富營養(yǎng)化指數(shù)。

表6 橫水水庫富營養(yǎng)化情況對比

3 結(jié)語

1) 橫水水庫水質(zhì)的主要影響因子是氨氮、硫酸鹽、硝酸鹽氮，其中氨氮為最主要的污染物。原因主要是離子型稀土礦山硫酸銨等原地浸礦劑的滲漏，同時，部分NH3-N降解成NO3-N，造成氨氮、硫酸鹽和硝酸鹽氮等指標(biāo)偏高。

2) 2016—2021年，橫水水庫浮游植物種類和生物量顯著增多，浮游植物群落結(jié)構(gòu)由甲藻-硅藻-綠藻，變?yōu)楣柙?甲藻-綠藻-金藻，浮游植物優(yōu)勢度指數(shù)下降。

綜上所述，稀土礦開采是橫水水庫水質(zhì)污染的主要原因之一。截至2021年，橫水水庫氨氮濃度顯著降低，水庫水質(zhì)和水生態(tài)狀況均有變好的趨勢，但是營養(yǎng)狀態(tài)仍為中營養(yǎng)，建議加強(qiáng)流域地表水的定期監(jiān)測，必要時適當(dāng)采取有效措施維護(hù)流域水生態(tài)環(huán)境。