我國(guó)小麥重金屬污染狀況分析

張朝正，薛建杰，閆 曉，肖革新

（1.國(guó)家食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中心，北京 100022；2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150076；3.青島市疾病預(yù)防控制中心，青島市預(yù)防醫(yī)學(xué)研究院，山東青島 266000；4.國(guó)家衛(wèi)生健康委流動(dòng)人口服務(wù)中心，北京 100191；5.國(guó)家衛(wèi)生健康委醫(yī)院管理研究所，北京 100044）

我國(guó)實(shí)際有效耕地資源比較匱乏，受重金屬鎘、砷、鉻、鉛等污染的耕地面積約占總耕地1/5，每年有1 200萬t糧食受土壤污染，造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)200億元，其污染物已經(jīng)超過工業(yè)的7.5倍[1-2]。造成土壤污染的主要因素有工礦企業(yè)排放的煙塵和廢氣中的重金屬通過降雨等方式擴(kuò)散到水體和土壤[3-4]；交通方面產(chǎn)生的燃料污染[5-6]；農(nóng)用化肥、農(nóng)藥的長(zhǎng)期使用污染[7-8]；污水、廢水灌溉污染[9-10]，電子產(chǎn)品廢物污染等[11-12]。同時(shí)我國(guó)人口多，優(yōu)質(zhì)耕地少，因此切實(shí)可行的土壤修復(fù)技術(shù)需求迫切，目前化學(xué)鈍化修復(fù)技術(shù)為主要手段[13]。

我國(guó)所面臨的土壤問題不僅牽涉?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，還會(huì)間接影響食品安全[14-15]。耕地的污染對(duì)糧食生產(chǎn)和健康安全的影響具有長(zhǎng)期性和隱蔽性等特點(diǎn)。重金屬鎘、鉛、鉻和汞的毒性較強(qiáng)，長(zhǎng)期攝入可積累在人體內(nèi)、損傷器官，尤其是胎兒和幼童等易受影響的群體[16-17]。小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，我國(guó)小麥常年播種面積在2 400萬hm2左右，總產(chǎn)量1億t左右，小麥的生產(chǎn)與國(guó)家糧食和食品安全關(guān)系密切。近年來研究表明，小麥的鉛、鎘等重金屬污染范圍逐漸擴(kuò)大、并逐年加重[18-19]。我國(guó)不同地區(qū)小麥的重金屬暴露水平存在差異。西安市小麥Cr為0.533 mg/kg，As為0.930 mg/kg，Cd為0.044 mg/kg，Pb為0.218 mg/kg[20]；河南省重金屬Cd為0.102～0.168 mg/kg，超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.100 mg/kg[21]；山東省冬小麥葉片中Cr含量為2.579～30.237 mg/kg，Hg含量為0.002 5～0.021 8 mg/kg，Cd含量為0.062 0～0.047 8 mg/kg[22]。不同國(guó)家的小麥中重金屬污染水平也體現(xiàn)了差異性。阿根廷科爾多瓦市小麥As含量為0.06～0.16 mg/kg，Cd含量為0.011～0.022 mg/kg，Pb含量為1.05～2.80 mg/kg，Cr含量為0.34～0.68 mg/kg[23]；印度坎瓦爾濕地小麥種Cr含量為38.3～42.0 mg/kg，Pb含 量 為95.9～101.0 mg/kg，Cd含 量 為0.98～1.25 mg/kg[24]。巴基斯坦地區(qū)有機(jī)肥料誘因的小麥谷粒中Cd含量為0.925～0.980 mg/kg，Pb含量為0.504～1.997 mg/kg，Cr含量為0.493～1.154 mg/kg[25]。盡管不同國(guó)家對(duì)小麥的重金屬污染水平有一定的報(bào)道，但實(shí)驗(yàn)涵蓋的范圍及區(qū)域性有限，相當(dāng)一部分結(jié)果僅闡述了某種特定污染環(huán)境下的小麥重金屬污染水平以及潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。目前，國(guó)家大范圍層次的研究檢測(cè)工作并沒有相關(guān)性文獻(xiàn)報(bào)道。

小麥?zhǔn)鞘澜缟先蠹Z食作物之一，僅次于大米和玉米。小麥不僅是重要的食品，其在工業(yè)中也有廣泛的涉獵。中國(guó)為小麥的最大生產(chǎn)國(guó)家，同時(shí)也是最大的消費(fèi)國(guó)，小麥的戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)核心作用十分重要，促進(jìn)小麥的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展也是保障國(guó)家糧食安全的根本之一。全面的監(jiān)測(cè)中國(guó)小麥的污染水平，有利于實(shí)時(shí)覺察和預(yù)防小麥潛在的質(zhì)量安全隱患，保障人們的飲食健康。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文研究數(shù)據(jù)為2016年國(guó)家食品安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的小麥污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采樣省份共13個(gè)，分別為安徽省、甘肅省、河北省、河南省、黑龍江省、湖北省、江蘇省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、山西省、陜西省、四川省和新疆維吾爾自治區(qū)，均為全國(guó)小麥主要種植省份，樣本量共計(jì)1 171份。本文旨在根據(jù)各個(gè)省份小麥的重金屬含量的匯總和分析，利用R語言繪制箱線圖來反映原始數(shù)據(jù)的分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 總體情況

由表1可知，小麥中總鉻平均含量超過0.2 mg/kg，其余4種元素平均含量均在0.1 mg/kg以下，小麥中5種重金屬元素平均含量均低于國(guó)家限量值。從偏度和峰度值來看，5種元素的偏度均大于0，分布均呈右偏分布，且5種元素的峰度均大于0，相比于正態(tài)分布要更陡峭，異常值較多。

表1 小麥中5種重金屬含量數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 小麥中5種重金屬元素含量分布情況

圖1為小麥中5種重金屬元素含量的箱線圖，結(jié)果顯示，小麥中鎘含量分布呈右偏分布，分布的最大值約為0.07 mg/kg，平均水平約為0.02 mg/kg，小于國(guó)家限量值（0.1 mg/kg)，有多個(gè)異常點(diǎn)；小麥中鉛分布呈嚴(yán)重的右偏分布，分布在0～0.16 mg/kg，最大值接近國(guó)家限量值（0.2 mg/kg），普遍集中在0.01～0.06 mg/kg，有多個(gè)異常點(diǎn)；小麥中總鉻分布呈右偏分布，分布在0～0.9 mg/kg，普遍集中在0～0.3 mg/kg，小于國(guó)家限量值（1 mg/kg），有多個(gè)異常點(diǎn)；小麥中總汞含量的分布數(shù)據(jù)非常集中，平均水平不到0.01 mg/kg，小于國(guó)家限量值（0.02 mg/kg），有多個(gè)異常點(diǎn)；小麥中總砷含量分布呈右偏分布，分布大概在0～0.12 mg/kg，普遍集中在0.01～0.06 mg/kg，小于國(guó)家限量值（0.5 mg/kg）。

圖1 小麥中5類重金屬元素含量箱線圖

2.3 不同采樣省份小麥中5類重金屬元素分布情況

圖2為不同采樣省份小麥鎘元素含量箱線圖，結(jié)果顯示，小麥中鎘含量除了在四川省含量分布呈左偏外，在其他各省都呈右偏分布；四川省的含量分布平均水平最高，約為0.07 mg/kg，普遍集中在0.05～0.10 mg/kg，分布最大值接近0.17 mg/kg，超過了國(guó)家限量值（0.1 mg/kg）；其次是湖北省，平均水平接近0.06 mg/kg，分布最大值超過0.10 mg/kg，分布普遍集中在0.06～0.08 mg/kg；然后是安徽省、河南省、江蘇省，3個(gè)省的平均水平相差不多，約為0.03 mg/kg，分布的最大值出現(xiàn)在河南省，接近國(guó)家限量值（0.10 mg/kg）；余下各省的鎘含量都比較小。

圖2 不同采樣省份小麥鎘元素含量箱線圖

圖3為不同采樣省份小麥鉛元素含量箱線圖，結(jié)果顯示，小麥中鉛含量除了在陜西省、四川省的含量分布接近正態(tài)，在其他各省都呈右偏分布；山西省的含量分布平均水平最高，約為0.12 mg/kg，分布最大值約為0.20 mg/kg；其次為湖北省，平均水平約為0.04 mg/kg，普遍集中在0.02～0.16 mg/kg，分布的最大值接近0.20 mg/kg；安徽省和四川省的分布平均水平都約為0.02 mg/kg，分布的最大值都接近0.20 mg/kg；其余各省的含量值都比較小。

圖3 不同采樣省份小麥鉛元素含量箱線圖

圖4為不同采樣省份小麥總鉻元素含量箱線圖小麥中總鉻在河北省的含量分布呈左偏，在山西省、陜西省的含量分布都接近正態(tài)分布，在其他各省都呈右偏；各省的平均水平都小于國(guó)家限量值（1.0 mg/kg）；湖北省、山西省、陜西省的含量分布平均水平相似，約為0.7 mg/kg，其中湖北省分布在0.1～1.2 mg/kg，普遍集中在0.3～0.7 mg/kg，山西省分布中間50%的數(shù)據(jù)比較集中，陜西省分布的最大值超過了國(guó)家限量值（1.0 mg/kg）；安徽省、甘肅省、江蘇省分布的平均水平都不高，但最大值都接近或超過了1.0 mg/kg；其余各省總鉻含量都很低。

圖4 不同采樣省份小麥總鉻元素含量箱線圖

圖5為不同采樣省份小麥總汞元素含量箱線圖，結(jié)果顯示小麥中總汞含量在各省的分布數(shù)據(jù)都非常集中，在河南省、山東省的平均水平最高，小于0.01 mg/kg，未超過國(guó)家限量值（0.02 mg/kg）。

圖5 不同采樣省份小麥總汞元素含量箱線圖

圖6為不同采樣省份小麥總砷元素含量箱線圖，各省的小麥中總砷含量分布均未超過國(guó)家限量值（0.5 mg/kg）；四川省的含量分布中有一個(gè)異常點(diǎn)大于0.5 mg/kg；在這些省份中，湖北省的平均水平、普遍集中值以及分布最大值均最大，分別為0.15 mg/kg、0.09～0.21 mg/kg、0.41 mg/kg；其次是內(nèi)蒙古自治區(qū)，平均水平約為0.09 mg/kg，普遍集中在0.07～0.10 mg/kg，最大值接近0.20 mg/kg；然后是山西省，平均水平約為0.07 mg/kg，分布的最大值接近0.10 mg/kg。

圖6 不同采樣省份小麥總砷元素含量箱線圖

2.4 不同采樣省份中小麥重金屬元素的差異性

由表2可知，5種重金屬污染物的F值均大于1，表明小麥采樣省份的差異對(duì)不同類別的重金屬元素的含量具有顯著的影響。另外，P值均小于0.01，說明不同采樣省份的小麥中鎘、鉛、總鉻、總汞以及總砷元素的總體均值含量存在顯著差異。

表2 不同采樣省份小麥各類重金屬含量的方差分析

2.5 聚類分析結(jié)果

利用K-mean聚類方法對(duì)小麥采樣省份進(jìn)行分析，結(jié)果分為3類。類別1包括3個(gè)采樣省份，分別為安徽省、甘肅省和江蘇省，這些省份小麥總鉻含量相對(duì)較高，其余4類重金屬元素含量相對(duì)較低；類別2包括3個(gè)采樣省份，分別為湖北省、山西省和陜西省，這些省份小麥除總汞元素含量相對(duì)較低外，其余4類重金屬元素含量均相對(duì)較高；類別3包括7個(gè)采樣省份，河北省、河南省、黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、四川省以及新疆維吾爾自治區(qū)，這些省份小麥的5種重金屬元素含量均相對(duì)較低。各類別的中心點(diǎn)坐標(biāo)見表3，概率密度函數(shù)圖見圖7、圖8、圖9。

圖7 類別1的概率密度函數(shù)圖

圖8 類別2的概率密度函數(shù)圖

圖9 類別3的概率密度函數(shù)圖

表3 3個(gè)類別的中心點(diǎn)坐標(biāo)（單位：mg/kg）

3 結(jié)論與討論

近來耕地土壤和農(nóng)作物中重金屬污染暴露，由此帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)逐漸受到廣泛的關(guān)注。污染較重的地區(qū)，農(nóng)作物污染誘發(fā)的危害甚至高于重金屬污染水體引起的危害，長(zhǎng)期食用重金屬污染農(nóng)作物極易導(dǎo)致慢性重金屬中毒[26]。小麥作為主要的糧食作物，其重金屬污染日益成為食品監(jiān)管的重點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，小麥種鎘污染分布平均水平為0.02 mg/kg，鉛分布集中在0～0.16 mg/kg，鉻分布集中在0～0.3 mg/kg，汞分布相對(duì)集中，平均水平小于0.01 mg/kg，砷分布普遍集中在0.01～0.06 mg/kg，除砷元素外，其他元素均具有多個(gè)異常點(diǎn)。不同省份的分布情況來看，小麥中鎘元素四川省含量分布最高，最大值接近0.17 mg/kg（超過國(guó)家限定值），鉛元素山西省分布平均水平最高為0.12 mg/kg，鎘元素在大部分省區(qū)平均分布都不高，汞元素各省分布非常集中，以河南和山東省水平最高，砷元素各省均值都較低。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明各省份5種元素的含量存在顯著性差異。聚類分析結(jié)果表明，安徽省、甘肅省和江蘇省小麥總鉻含量較高；湖北省、山西省和陜西省除汞外，其他元素含量較高；河北省、河南省、黑龍江省內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、四川省以及新疆維吾爾自治區(qū)5種元素含量均較低。

總體情況來看，盡管5種重金屬元素含量在各省的分布有所差異，但平均含量均低于國(guó)家限量值，表明我國(guó)小麥的重金屬元素屬于輕度污染程度。小麥的遺傳特性品種、不同受試樣品部位、周邊工業(yè)化工設(shè)施造成的污染程度等均會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響，本文主要分析了不同采樣省份中小麥重金屬元素的差異性[27-30]。此外，小麥的種植模式、區(qū)域土壤污染、工礦業(yè)污染等極有可能引發(fā)局部食品安全問題，進(jìn)一步對(duì)加工處理后的小麥產(chǎn)品中重金屬元素分布的追蹤是必要的。監(jiān)控和測(cè)定小麥制品的污染水平，可以預(yù)防潛在的食品安全隱患問題以及保障消費(fèi)者的健康。

建議加強(qiáng)對(duì)特定省份的高水平重金屬元素的監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步查出誘發(fā)異常暴露值的原因，以求在根源處掌握當(dāng)?shù)匦←湹闹亟饘傥廴緺顩r。本次調(diào)研樣品來源于13個(gè)主要小麥種植省份，共計(jì)樣品1 171份，樣品量充足，具有重要的指導(dǎo)意義。