韩国稻田站点不同水稻栽培阶段空气污染物浓度变化特征的多站点分析

《Agriculture》：Characteristics of Air-Pollutant Concentration Variations Across Rice Cultivation Stages at Four Paddy Sites in Korea

　　

农业活动排放氨气（NH3）和颗粒物（PM），但韩国的空气质量监测主要集中在城市地区。研究人员分析了韩国四个稻田站点（2023年3月至2025年6月）的每日PM10、PM2.5、NO2、SO2和NH3浓度，覆盖五个按日历定义的栽培阶段，这些阶段与季节存在混淆。因此，研究人员将冬季与早春分开，计算相对于配对城市站点的增量，并将记录的作业日与同月其他天数进行比较。PM10在整地阶段最高（46.08 vs. 生长管理阶段的23.97 μg/m3；η2 = 0.092），且在分离冬季和气象调整后，3月至4月的最大值仍然持续存在。然而，在没有持续性本地粗颗粒物源的三个站点，早春相对于城市站点的PM10增量是所有时期中最低的（?7.62 μg/m3），而本地PM10和PM2.5增量在7月至9月达到峰值。在探索性对比中，耕作/平地日的PM2.5增量高出2.3 μg/m3（p = 0.005；q = 0.063）。NH3主要受站点控制（偏η2：站点0.256，站点×阶段0.145，阶段0.033；站点均值8.6–37.0 ppb）。日历阶段的PM对比主要反映区域季节性循环，而农业影响表现为作业日和暖季本地增量以及站点特异性NH3水平。

论文解读：韩国稻田站点空气污染物浓度随水稻栽培阶段的变化特征

一、研究背景与问题提出

随着现代农业规模不断扩大，农业活动对空气质量的影响已从局部问题演变为区域性环境议题。农业部门排放多种空气污染物，包括氨气（NH₃）、颗粒物（PM₁₀、PM_2.5）和氮氧化物（NO_x）。其中，全球约80–90%的NH₃排放归因于农业活动。在大气中，NH₃与硝酸（HNO₃）和硫酸（H₂SO₄）反应生成硝酸铵（NH₄NO₃）和硫酸铵（(NH₄)₂SO₄）等二次颗粒物，直接导致区域尺度空气质量恶化。农业NH₃在欧洲约贡献PM_2.5形成的50%，在美国约30%，在中国对城市PM_2.5污染也有显著贡献。

然而，现有空气质量观测系统未能充分捕捉农业区域的污染特征。韩国国家空气质量监测网络约600个站点，主要分布在城市区域，难以将农业排放及其季节性变化与城市源分离，且网络不常规监测NH₃。水稻田是韩国最主要的农田类型，约占农业用地的一半。水稻种植具有强烈季节性，整地、堆肥施用、移栽和收获等密集作业集中在特定时期，这些作业通过土壤扰动产生扬尘、有机肥料和淹水条件促进NH₃挥发、农业机械燃料燃烧排放气态和颗粒污染物。

此前Park等人（2025）在论山市单一稻田站点分析了栽培阶段空气污染物浓度变化，但仅限于单一站点，无法确定观测到的时间模式是否在其他稻田地点重现，以及站点间差异如何改变栽培阶段信号。因此，本研究利用韩国四个地理分布稻田站点（骊州、论山、罗州、金海）约28个月的连续多污染物空气质量数据，系统表征水稻栽培日历期间污染物浓度变化特征。

二、研究设计与主要技术方法

研究在四个稻田站点（骊州、论山、罗州、金海）各安装固定自动仪器，连续测量颗粒物和气态污染物。PM₁₀和PM_2.5采用β射线衰减法（MEZUS 610分析仪），NO₂采用化学发光法（MEZUS 210），SO₂采用紫外荧光法（MEZUS 110），NH₃采用转化-差减法。所有仪器符合韩国环境部认证标准。数据以5分钟间隔记录，转换为小时和日均值。每日均值仅在至少18小时数据可用时计算。质量控制包括每月两次零点检查和每月一次跨度检查，多点校准在跨度响应偏差超过±10%时进行。水稻栽培过程按Park等人（2025）的方法划分为五个阶段：整地（1–4月）、移栽（5–6月）、生长管理（7–9月）、收获（10月）和休耕（11–12月）。每个站点配备360°闭路电视（CCTV）摄像机用于核实农事作业的时间和类型。数据分析采用单因素方差分析（ANOVA）、Welch ANOVA、Kruskal–Wallis检验、Games–Howell事后比较、Type III因子分析、相对质量组成评估、主成分分析（PCA）、去季节化相关性分析，以及三种分离栽培日历与季节循环的分析方法（六时段方案、相对于配对城市站点的本地增量、作业日与非作业日对比）。

三、研究结果

3.1 总体空气污染物浓度

经质量控制和每日完整性筛选后，平均PM₁₀浓度范围为26.64至52.49 μg/m³，骊州最高（52.49 ± 36.68 μg/m³），罗州最低（26.64 ± 19.45 μg/m³）。粗颗粒物主导了骊州的超额浓度。NH₃在站点间差异约4.3倍，论山最高（37.05 ± 20.30 ppb），金海最低（8.59 ± 8.97 ppb）。四个站点的PM_2.5均值（15.07–21.28 μg/m³）均高于韩国年度标准数值，NO₂和SO₂远低于标准。

3.2 栽培阶段污染物浓度

PM₁₀在整地阶段最高（46.08 ± 38.93 μg/m³），生长管理阶段最低（23.97 ± 10.83 μg/m³），相差约1.9倍。PM_2.5同样在整地阶段达到峰值（20.65 μg/m³）。NO₂在休耕期最高（18.97 ppb），生长管理期最低（12.20 ppb）。合并NH₃在移栽期最高（25.77 ppb），收获期最低（15.64 ppb），但各站点月际轨迹不同。SO₂变化范围较窄（1.74–2.52 ppb）。

3.3 方差分析与事后检验

单因素方差分析、Welch ANOVA和Kruskal–Wallis检验显示所有五种污染物在阶段间均有显著差异（均p < 0.001）。效应量对PM₁₀（η² = 0.092）、NO₂（0.089）和PM_2.5（0.073）为中等，对SO₂（0.034）和NH₃（0.015）为小。Games–Howell比较显示整地阶段构成PM₁₀和PM_2.5的单一上组，休耕期构成NO₂的上组。气象调整模型中，调整后整地阶段均值（46.42 μg/m³）显著高于所有其他阶段。

3.4 站点×栽培阶段因子分析

Type III检验显示，PM₁₀、PM_2.5和NO₂的站点、阶段和交互项均显著，阶段项效应量最大（偏η² = 0.114、0.081和0.066）。NH₃呈现不同结构，站点偏η²为0.256，阶段为0.033，站点×阶段交互为0.145。站点特异性Welch检验显示每个站点阶段差异均显著。

3.5 相对质量组成

将PM₁₀分解为粗颗粒物（PM₁₀?PM_2.5）和PM_2.5后，颗粒物总占比在整地阶段最高（47.0%），其他阶段为34.9%–39.7%。NH₃占比从整地阶段的16.1%增加到移栽期的22.0%和生长管理期的23.9%。NO₂在每个阶段都是最大单一类别，收获期（42.0%）和休耕期（39.9%）占比最高。

3.6 主成分分析

889个完整案例日的前三个主成分解释了81.3%的方差。PC1（38.9%）在PM₁₀、PM_2.5、NO₂和NH₃上正载荷，代表联合变化。PC2（24.0%）对比颗粒物与气体，PC3（18.4%）分离NO₂与SO₂。整地阶段日在PC1上分布最广，表明该时期混合物异质性高。

3.7 站点特异性NH₃浓度

论山在整地期（41.7 ppb）和移栽期（49.8 ppb）较高，生长管理期下降（28.7 ppb）。骊州在移栽期（31.1 ppb）和休耕期（32.2 ppb）较高。罗州在生长管理期达到峰值（31.4 ppb），9月均值在2023年和2024年均为约55 ppb。金海在多数阶段保持低位（4.7–10.7 ppb），休耕期上升（16.8 ppb）。论山和骊州移栽期高NH₃与记录的施肥时间吻合，而罗州9月和金海休耕期最大值未与任何记录的稻田作业吻合。

3.8 NH₃与颗粒物相关性

骊州（r = 0.462）和论山（r = 0.486）的NH₃–PM_2.5相关性在去季节化后仍保持中等强度（r = 0.341和0.473，均p < 0.001）。罗州去季节化相关性较弱（r = 0.134），金海无相关性。由于未测量PM化学组成，这些相关性无法证明NH₃通过硝酸铵或硫酸盐形成对PM_2.5的贡献。

3.9 分离栽培日历与季节循环

将1–2月作为独立冬季处理后，PM₁₀在冬季为39.49 μg/m³，早春（3–4月）为49.93 μg/m³（p < 0.001），早春形成单一上组。排除骊州后早春最大值最明显（冬季26.08 vs. 早春42.02 μg/m³）。在无持续本地粗颗粒物源的三个站点，早春PM₁₀增量最低（?7.62 μg/m³），本地PM₁₀和PM_2.5增量在生长管理期最高（+4.33和+3.98 μg/m³）。耕作/平地日PM₁₀高16.5 μg/m³（p = 0.005），PM_2.5高4.8 μg/m³（p = 0.042），PM_2.5本地增量高2.3 μg/m³（p = 0.005）。移栽日NO₂高8.8 ppb（p = 0.027）。FDR校正后仅耕作PM₁₀和ΔPM_2.5对比q = 0.063，其余q ≥ 0.167。

四、讨论与结论

讨论部分指出，整地阶段颗粒物最大值需结合全国季节循环解读。韩国全国PM₁₀和PM_2.5在冬末春初最高，夏季季风期最低。分离冬季显示PM₁₀最大值是3–4月特征，但本地增量显示该最大值与城市站点共享。日历阶段PM₁₀最大值应解释为区域春季信号而非稻田整地的效应。农业对PM的影响以其他方式显现：耕作/平地日PM₁₀和PM_2.5升高，暖季本地增量最大。NH₃变异主要受站点控制，站点均值（8.6–37.0 ppb）按国际标准偏高，超过美国氨监测网络长期站点范围（0.35–3.23 μg/m³），达到中国国家网络农业站点范围（1–23.9 μg/m³）上端。

研究结论为：PM₁₀在整地阶段最高（46.08 μg/m³；η² = 0.092），排除区域事件、2025年3月野火、气象调整和分离冬季后仍保持最高，但该最大值与城市参考站共享，且四个站点中三个的土壤整地发生在5–6月。日历阶段PM对比主要反映区域季节循环。农业对PM的影响表现为7–9月达到峰值的本地增量，以及探索性对比中耕作/平地日PM_2.5增量较高（+2.3 μg/m³；q = 0.063）和移栽日NO₂名义上较高（+8.8 ppb；q = 0.167）。NH₃强烈依赖站点，Type III分析显示站点偏η²为0.256，阶段为0.033，交互为0.145。站点均值NH₃（8.6–37.0 ppb）远高于北美网络水平，与中国农业站点相当。相对质量组成指数显示颗粒物占比在整地期最大，NH₃占比在移栽和生长管理期最大，NO₂占比在收获和休耕期最大。骊州和论山的NH₃–PM_2.5相关性在去季节化后持续存在，是PM化学形态测量的优先站点。农业空气质量监测应区分区域季节信号与本地农业信号，配对城乡比较和作业记录对于将PM变化归因于农业活动是必要的。