离子吸附型稀土矿区水体硝酸盐分布、来源及其转化过程：以江西足洞稀土矿为例

摘要

离子吸附型稀土矿开采导致矿区水土环境遭受严重的氮污染，但矿山排水影响下水体中硝酸盐（NO₃^--N）的分布、迁移转化过程及污染来源仍缺乏系统研究。以江西赣南足洞离子吸附型稀土矿区下游地表水和地下水为研究对象，结合水化学分析及多同位素技术(δ¹⁸O-H₂O、δ¹⁵N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-),研究了水体中NO₃^--N来源及转化过程，并借助MixSIAR模型定量评估了各污染源的贡献率。结果表明，区内水体呈弱酸性、低矿化度特征，地表水以SO₄-Ca型为主，80%地下水为HCO₃-Ca型；地表水的总氮（TN）及NO₃^--N、氨氮（NH₄⁺-N）浓度显著高于地下水，表明其氮污染与采矿活动密切相关。空间上，氮来源与开矿使用高氨氮卤水密切相关，矿山开采活动对地表水氮污染影响显著。土地利用类型分布表明，地表水和地下水氮的来源不同，地表水氮源主要是林地中的矿山排水，而地下水氮主要来源于耕地上的农业活动。δ¹⁸O-H₂O、δ¹⁵N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-同位素组成特征及其分馏系数分析表明，地表水和地下水均以硝化作用为主。利用δ¹⁵N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-及其重建值进行端元分析显示，SW1的NO₃^--N主要来源于铵态氮，即采矿活动排出的高NH₄⁺-N水；SW2受到采矿和农业活动的共同影响，其来源包括铵态氮、土壤氮和污水粪肥，GW主要来源于土壤氮和污水粪肥。MixSIAR定量结果表明，矿山排水对靠近开采区的地表水（即SW1）的NO₃^--N贡献率平均值超过50%,其中65%～94%NO₃^--N来源于矿山排水中原生NO₃^--N的直接贡献，而在远离开采区的地表水中（即SW2）,矿山排水的NO₃^--N贡献值递减至约30%。不确定性分析UI₉₀显示，大气降水的贡献率最为稳定，矿山排水、粪肥污水和土壤氮的贡献率存在较大的变异性。本研究揭示了离子吸附型稀土矿区硝酸盐污染的形成机制，为矿区氮污染的精准管控提供了科学依据。

关键词

稀土矿 / 氮污染 / 硝化作用 / 贝叶斯同位素混合模型 / 分异富集

基金资助

国家自然科学基金项目(42262029,42302284); 江西省自然科学基金项目(20232BAB203066,20232BAB213068); 江西省重点研发计划项目(20212BBG71011); 南昌市水文地质与优质地下水资源开发利用重点实验室开放课题(20252B21); 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室开放基金(2022RGET15)