果园喷雾机具对施药人员体表污染的影响

王士林，范道全，李 雪，周 浩，张美娜，闫婷婷，吕晓兰① (. 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏 南京 2004；2.农业部长江中下游设施农业工程重点实验室，江苏 南京 2004)

我国是全球水果的主要产地和消费地，果园种植面积已连续多年位居世界第一。2018年我国水果产量共计25 688.35万t，果园种植面积达1 187.487 万hm2[1]，农村果园种植业的稳定发展为农民增收、优化产业结构和加速新农村建设作出了突出贡献[2]。我国果园种植模式多样，生态条件复杂，导致果树病虫害多发。目前果园病虫害防治措施仍以化学防治为主，为确保水果产量和品质在果树1 a的生长周期内需施药8～15次[3]，我国单位种植面积农药施用量远超国际公认的7.5 kg·hm-2的农药施用安全上限[4]，同时在施药过程中农药会通过呼吸道和皮肤等途径进入施药人员体内并产生严重危害[5-8]。农药暴露对施药人员的危害受到越来越广泛的关注，据统计全球每分钟就有2～3人因农药而中毒，而中毒事件主要发生在中国等发展中国家[9]。因此，在开展农药施用效果研究中不仅要考虑农药抑制农作物病虫害和增加农产品产量而产生的农户私人利益，还要考虑农药对身体健康和生态环境等造成的危害[10]。

喷雾机具是影响施药人员体表污染量的主要因素之一[11]，我国亟需研制先进的施药机具以减少农药的施用量和农药对施药人员的暴露时间及程度[9]。针对果园施药的特点，近年来科研人员先后研制了多风管定向喷雾机、循环喷雾机、静电喷雾机、仿形喷雾机、对靶喷雾机和变量喷雾机等[12-16]，这些果园喷雾机对改善施药效果、降低农药的用量和施药人员的暴露风险具有较好的作用。由于使用成本较高、操作复杂，加之我国果园复杂地形与种植模式等特点，这些先进果园施药机具未能在我国果园施药中得到广泛推广与应用。目前我国果园施药仍是以手持机动喷枪和传统的果园风送喷雾机为主，而果园种植的从业人员文化程度偏低，缺乏对农药科学安全施用的认知[17]。因此，开展果园施药对作业人员的体表污染研究，加强职业健康防护，降低施药人员的暴露风险具有重要的意义[9]。

酒食黄、靛蓝、诱惑红等染色材料常被作为示踪物质代替农药进行喷雾检测以对施药人员的体表农药污染进行定量测定[18-20]。该研究采取荧光剂(brilliant sulfaflavine，BSF)[21]作为示踪物质对雾滴进行定量测定，并根据我国果园喷雾机具的实际发展水平对目前果园施药中广泛使用的手持果园机动喷枪、悬挂式果园风送喷雾机和牵引式果园风送喷雾机3种机具在桃园施药场景下操作人员的体表污染进行研究，以期对不同果园喷雾机具对施药人员的暴露特性进行分析并为果园施药技术的优化改进和降低施药人员体表污染提供参考。

1 研究材料与方法

1.1 喷雾机具与作业参数

相对于大田作物,果树冠层高大，枝叶繁密，因此果园施药大多在果树行间进行。根据果园植保作业要求研发生产了多种果园喷雾机，国内果园施药也逐步由背负式手动喷雾器转变为机动施药机具，形成了以机动喷枪、悬挂式和牵引式喷雾机为主要施药机具的发展现状。牵引式和悬挂式果园风送喷雾机以拖拉机为动力：牵引式喷雾机药箱容积大、作业效率高，但机组整体比较长，转弯半径大，适合有规模的平地果园使用[22]；悬挂式喷雾机一般与拖拉机3点挂接成一体，其特点是重量轻，机组机动灵活，可在小地块上作业，但其药箱容积较小，作业效率略低[23]。机动喷枪结构简单、操作灵活，是目前我国果园使用最多的施药机具，可通过人工抬起或机动三轮车进行转移，通行能力基本不受地形和果园条件的限制，同时可随机配备数十米长的喷雾软管并在末端接有喷枪以扩大施药范围。试验选用的3种果园施药机具分别为3WQF-1000牵引式喷雾机、3WG-500悬挂式喷雾机和机动喷枪。试验前分别对田间常规作业条件下3种施药机具的参数进行测定，由此确定各施药机具的田间试验参数，3种喷雾机具的具体作业参数见表1。试验期间，施药人员按照表1所确定的施药参数分别驾驶牵引式和悬挂式喷雾机进行施药作业，2种机具行走于果园行间进行双侧喷雾，机动喷枪由施药人员手持喷杆对果树各个部位依次进行喷雾，3种施药机具的田间作业距离均为100 m。

表1 3种喷雾机具的田间作业参数

1.2 试验场地与喷雾药液

试验在江苏省农业科学院桃园试验田展开，桃园内行距4 m，株距2 m；桃树株高约3.0 m、定干高度为0.6 m、桃树冠幅2.0 m。试验期间使用Watch Dog 2000(美国Spectrum)型气象站记录高为2 m处的桃园气象条件，3个施药机具试验期间分别对应的气象条件见表2。为对喷雾药液进行定量，向喷雾药液中加入质量分数为0.1%的荧光示剂亮磺胺五羟黄酮(物质数字识别号码2391-30-2)对雾滴进行示踪，试验结束后对样品进行洗脱并测定洗脱液的荧光值。

1.3 试验方法与样品检测

施药前机具操作人员需提前穿好防护服(美国杜邦有限公司)并戴手套和口罩。以表1所示参数进行作业，分别测试喷雾距离为100 m时3种机具对施药人员体表污染的影响，每种施药机具设3次重复。为防止试验小区间由雾滴飘移引起交叉污染，果树的喷雾作业行由下风向依次向上风向进行，且各试验区域间需间隔2行果树作为缓冲区域。

待喷雾结束后施药人员第一时间到阴凉处，参照图1所示方法对防护服进行分割[24]，将分割的防护服片段与口罩、手套分别置于做好标记的自封袋中低温密封保存。

1—头部，2—左臂，3—右臂，4—胸腹，5—后背，6—右大腿，7—左大腿，8—左小腿，9—右小腿。

样品带回实验室后分别将自封袋内的防护服片段、口罩和手套剪碎，向装有样品碎片的自封袋中分别加入定量体积的去离子水对样品中的荧光示踪剂进行洗脱。使用LS-55型荧光分光光度计(美国PerkinElmer公司)对样品洗脱液的荧光值进行测定，并根据式(1)计算样品中暴露药液含量。

(1)

式(1)中，VSZ为靶标沉积量，μL；Vd为洗脱液体积，mL；FLs为洗脱液荧光值；FLa为标定液荧光值；N为喷雾母液的稀释倍数。

2 结果与分析

2.1 药液的体表分布

表3为100 m作业距离下喷雾药液在施药人员体表各部位的平均暴露量。试验结果显示在相同的作业距离下3种施药机的施药人员体表暴露量具有明显的差异，采用机动喷枪施药时作业人员的体表暴露量最高，悬挂式喷雾机的作业人员体表暴露量次之，牵引式喷雾机的作业人员体表暴露量最低。对比施药人员身体各部位的喷雾药液暴露量，使用3种喷雾机具作业的药液暴露主要集中在施药人员的头部和后背，牵引式喷雾机在施药人员的头部和后背的药液暴露量分别为0.071和0.045 mL，施药人员头部的药液暴露量明显高于后背；悬挂式喷雾机在施药人员头部和后背的药液暴露量分别为1.270和1.505 mL，两部位间无显著性差异；而使用机动喷枪作业时施药人员除头部和后背的药液暴露量分别为12.150和9.023 mL，此外药液在施药人员胸腹部位的药液暴露量为10.790 mL,也明显高于施药人员身体其他部位。

表3 喷雾药液在施药人员的体表平均暴露量

牵引式和悬挂式喷雾机的施药人员体表药液分布规律相似，同一施药机下药液在施药人员的左右两臂、左右大腿、左右小腿和双手上的暴露量并无显著性差异，且药液在双臂的暴露量明显高于腿部。为确保田间作业参数相近，2种喷雾机均采用雷沃欧豹M604L-E型拖拉机进行挂载，作业时施药人员的体表暴露情况相同，加之2种喷雾机均采取两侧喷雾的方式进行作业且喷雾机两侧喷头排列相对位置和数量相同，因此对应的施药人员体表药液暴露量在身体的左右两侧并无明显差异。由于拖拉机对施药人员腿部的遮挡作业,2种喷雾机作业时施药人员双臂的暴露风险明显高于双腿，因此其对应的双臂药液暴露量均高于腿部。

采用机动喷枪作业的施药人员身体左右两侧药液暴露结果与2种喷雾机对应的暴露结果有所不同，其施药人员在左臂、左大腿和左小腿上的药液暴露量分别为8.398、 6.649和6.881 mL，而在右臂、右大腿和右小腿上的药液暴露量分别为6.983、 2.789和3.504 mL，药液在施药人员左侧的暴露量均明显高于右侧。由于机动喷枪采取单侧喷雾的方式进行作业，施药人员双手持喷枪且侧身进行作业而导致其身体左侧更靠近喷头,因此身体左右两侧药液暴露量差异明显。RINCN等[25]在研究温室内手持喷枪喷雾对施药人员体表污染的影响时也指出靠近喷枪喷头一侧的身体药液的暴露量更高。

药液在施药人员口鼻处的暴露量最低，牵引式喷雾机、悬挂式喷雾机和机动喷枪作业时施药人员口鼻处的药液暴露量分别为0.005、0.036和1.630 mL，均明显低于同一喷雾机具下施药人员身体其他部位的药液暴露量。这一结果是由于牵引式和悬挂式喷雾机田间作业时施药人员背对喷雾单元，而机动喷枪作业时施药人员对飘向口鼻方向的雾滴具有明显的躲避行为，同时施药人员所佩戴口罩的相对面积也小于其身体其他部位，导致施药人员口鼻处药液暴露量最低。

2.2 施药人员体表暴露量

虽然牵引式和悬挂式喷雾机均采用雷沃欧豹M604L-E型拖拉机进行挂载，但2种喷雾机具间作业参数仍存在一定的差异，加之以手持方式作业的机动喷枪施药量大、行进速度不稳定等因素，难以横向对比3种喷雾机具的施药人员体表暴露结果。根据3种喷雾机具的实际田间作业速度和喷头流量计算100 m作业距离下的施药量，并根据施药人员的体表暴露药液测定结果计算100 m作业距离下和100 L喷雾量下施药人员的体表暴露量，对3种不同的喷雾机具的施药人员体表暴露水平进行对比(表4)。

表4 3种喷雾机具施药人员体表暴露量

由表4可知，牵引式和悬挂式果园风送喷雾机的100 m施药量相近，分别为7.2和8.8 L，而机动喷枪的100 m施药量与2种喷雾机的施药量差距较大，其100 m施药量为128 L。牵引式果园喷雾机的施药人员体表暴露总量最低，其100 m暴露量和100 L暴露量分别为0.315和0.292 mL，悬挂式喷雾机和手持机动喷枪的施药人员体表暴露量均明显高于牵引式果园喷雾机。

当喷雾距离为100 m时，悬挂式喷雾机的施药人员暴露总量最高为7.010 mL，机动喷枪为74.042 mL；而当喷雾药液为100 L时悬挂式喷雾机的施药人员暴露总量最高为5.311 mL，机动喷枪为3.815 mL。相比而言，机动喷枪的田间施药为超大容量喷雾，而悬挂式喷雾机为低容量喷雾：根据表1中各机具的施药参数进行计算，可知当喷雾量为100 L时，悬挂式喷雾机和机动喷枪的田间作业时间分别为15.87和16.00 min，但悬挂式喷雾机的田间作业距离高达1 142.9 m，而机动喷枪仅为77.6 m。100 L施药量下，悬挂式喷雾机的作业距离远大于机动喷枪，因此其100 L暴露量大于机动喷枪。

牵引式喷雾机药箱容量大、机身尺寸长、作业效率高，且施药人员与喷雾机的喷雾单元有效隔离距离更大，这在一定程度上降低了施药人员与喷雾药液接触的风险，因此其施药人员的体表暴露总量最低。但牵引式喷雾机对果园的适应能力较差，对果园地形的通过性和转弯区域要求较高，难以在常规果园或小型果园进行作业，目前在欧洲与美国等高标准化果园应用较广[26]。相比于牵引式喷雾机，悬挂式喷雾机更加机动、灵活，其对果园地形要求大大降低，可适应我国大多数的平地果园与现代化果园，目前被普遍应用于果园病虫害防治上[27]。悬挂式喷雾机在一定程度上解决了果园施药效率低和劳动强度大的问题，但其对施药人员的体表暴露仍有待进一步降低。与牵引式和悬挂式喷雾机相比，机动喷枪喷雾量大、作业效率低，施药人员在体表暴露风险大大增加。目前我国仍有大面积的老旧果园，由于建园时未充分考虑机械化作业要求，随着果树冠形的生长而导致施药机具难以进入[28]，同时我国还有大面积的优质果园集中于丘陵山地，因地形复杂、园内坡度跨距大和种植不规范等问题致使其不具备机械化施药的农艺条件[29]，因此机动喷枪目前仍然是我国果园病虫害防治最为最要的施药机具。

为便于对施药人员身体各部位暴露药液的相对含量进行对比，将施药人员体表划分为口鼻、双手、头部、双臂、躯干和双腿6个主要部位，根据表3中施药人员体表各部位药液平均暴露量计算该6个主要部位暴露药液的百分比(图2)。3种喷雾机具中牵引式喷雾机的施药人员体表暴露总量最低，但其在施药人员头部和双手的暴露百分比均高于悬挂式果园喷雾机和机动喷枪。牵引式喷雾机作业时施药人员身体各部位与喷雾机的施药单元距离较远，但施药人员的头部位置最高且正对喷雾机的施药单元，暴露风险最大；而悬挂式喷雾机和机动喷枪的施药人员距离作业机具的喷雾单元距离较近，身体各部位的暴露风险受其相对位置的影响较小。因此牵引式喷雾机的施药人员头部的药液暴露百分比最高，为22.69%；而悬挂式喷雾机和机动喷枪施药人员的头部药液暴露百分比分别为18.12%和16.42%。同理，在牵引式喷雾机施药人员距离喷雾单元相对距离较远的条件下，施药人员作业时双手对机器进行操作，也进一步增加了药液的暴露风险，其施药人员双手的暴露百分比为11.34%，高于悬挂式喷雾机和手持机动喷枪。

图2 施药人员身体各部位药液暴露百分比

由于施药人员口鼻和双手的部位分别选取口罩和手套进行采样，其表面积相对施药人员身体其他部位明显减小，因此各施药机具下施药人员口鼻和双手的药液暴露百分比均低于其身体的其他部位，悬挂式喷雾机的施药人员在口鼻和双手的药液暴露百分比最低，分别为0.51%和4.92%。总体而言，3种喷雾机具对应的药液暴露量均主要集中在施药人员的双臂、躯干和双腿部位，除了牵引式喷雾机施药人员双臂药液暴露量为19.22%以外，药液在施药人员双臂、躯干和双腿的暴露量均在20%以上，尤其是悬挂式喷雾机施药人员躯干的药液暴露量高达34.53%。

随着农药减量增效技术的持续推进，近年来在农药高效利用方面开展了大量的研究工作，农药有效利用率稳步提升[30]。但对农药施用过程中施药人员的暴露风险却鲜有研究，农药对施药人员的毒害及环境污染已成为制约果园植保机械行业发展的瓶颈[28]，该研究发现果园病虫害化学防治时施药人员的暴露风险仍很高。因此，一方面要加强施药人员的防护意识并要求在施药时采取合理的防护措施；另一方面要提高果园植保机械化水平，可通过研发新型安全高效施药机具、在线混药和远程遥控等方式降低施药人员与药液的接触风险[31-32]。

3 结论

选取牵引式喷雾机、悬挂式喷雾机和机动喷枪3种国内果园施药中最为普遍的喷雾机具对施药人员的体表药液污染情况进行研究。研究结果表明：牵引式和悬挂式喷雾机施药人员的体表药液暴露量最高部位均为头部和后背，2种果园喷雾机具对应施药人员身体左右两侧的体表暴露量并无显著差异；机动喷枪施药人员的体表药液暴露量最高部位为头部、胸腹和后背，其靠近喷头一侧身体的体表药液暴露量明显高于另一侧。在3种果园喷雾机具中，牵引式喷雾机施药人员的体表药液暴露量最低，其100 m作业距离和100 L喷雾药液下的体表暴露药液分别为0.315和0.292 mL；悬挂式喷雾机施药人员的100 L药液暴露量最高为5.311 mL，机动喷枪施药人员的100 m药液暴露量最高为74.042 mL。总体而言，果园病虫害化学防治过程中施药人员的防护意识不强，施药人员体表暴露风险较高。因此，需进一步加强施药人员的防护意识，同时合理规划果园并进一步提高果园施药的机械化水平。