我国小麦重金属污染状况分析

张朝正，薛建杰，闫 晓，肖革新

（1.国家食品安全风险评估中心，北京 100022；2.哈尔滨医科大学，黑龙江哈尔滨 150076；3.青岛市疾病预防控制中心，青岛市预防医学研究院，山东青岛 266000；4.国家卫生健康委流动人口服务中心，北京 100191；5.国家卫生健康委医院管理研究所，北京 100044）

我国实际有效耕地资源比较匮乏，受重金属镉、砷、铬、铅等污染的耕地面积约占总耕地1/5，每年有1 200万t粮食受土壤污染，造成经济损失高达200亿元，其污染物已经超过工业的7.5倍[1-2]。造成土壤污染的主要因素有工矿企业排放的烟尘和废气中的重金属通过降雨等方式扩散到水体和土壤[3-4]；交通方面产生的燃料污染[5-6]；农用化肥、农药的长期使用污染[7-8]；污水、废水灌溉污染[9-10]，电子产品废物污染等[11-12]。同时我国人口多，优质耕地少，因此切实可行的土壤修复技术需求迫切，目前化学钝化修复技术为主要手段[13]。

我国所面临的土壤问题不仅牵涉传统环境污染和生态破坏问题，还会间接影响食品安全[14-15]。耕地的污染对粮食生产和健康安全的影响具有长期性和隐蔽性等特点。重金属镉、铅、铬和汞的毒性较强，长期摄入可积累在人体内、损伤器官，尤其是胎儿和幼童等易受影响的群体[16-17]。小麦是重要的粮食作物，我国小麦常年播种面积在2 400万hm2左右，总产量1亿t左右，小麦的生产与国家粮食和食品安全关系密切。近年来研究表明，小麦的铅、镉等重金属污染范围逐渐扩大、并逐年加重[18-19]。我国不同地区小麦的重金属暴露水平存在差异。西安市小麦Cr为0.533 mg/kg，As为0.930 mg/kg，Cd为0.044 mg/kg，Pb为0.218 mg/kg[20]；河南省重金属Cd为0.102～0.168 mg/kg，超过了国家标准0.100 mg/kg[21]；山东省冬小麦叶片中Cr含量为2.579～30.237 mg/kg，Hg含量为0.002 5～0.021 8 mg/kg，Cd含量为0.062 0～0.047 8 mg/kg[22]。不同国家的小麦中重金属污染水平也体现了差异性。阿根廷科尔多瓦市小麦As含量为0.06～0.16 mg/kg，Cd含量为0.011～0.022 mg/kg，Pb含量为1.05～2.80 mg/kg，Cr含量为0.34～0.68 mg/kg[23]；印度坎瓦尔湿地小麦种Cr含量为38.3～42.0 mg/kg，Pb含 量 为95.9～101.0 mg/kg，Cd含 量 为0.98～1.25 mg/kg[24]。巴基斯坦地区有机肥料诱因的小麦谷粒中Cd含量为0.925～0.980 mg/kg，Pb含量为0.504～1.997 mg/kg，Cr含量为0.493～1.154 mg/kg[25]。尽管不同国家对小麦的重金属污染水平有一定的报道，但实验涵盖的范围及区域性有限，相当一部分结果仅阐述了某种特定污染环境下的小麦重金属污染水平以及潜在的健康风险评价。目前，国家大范围层次的研究检测工作并没有相关性文献报道。

小麦是世界上三大粮食作物之一，仅次于大米和玉米。小麦不仅是重要的食品，其在工业中也有广泛的涉猎。中国为小麦的最大生产国家，同时也是最大的消费国，小麦的战略性和基础核心作用十分重要，促进小麦的长期稳定发展也是保障国家粮食安全的根本之一。全面的监测中国小麦的污染水平，有利于实时觉察和预防小麦潜在的质量安全隐患，保障人们的饮食健康。

1 试验数据

本文研究数据为2016年国家食品安全风险监测的小麦污染物监测数据，采样省份共13个，分别为安徽省、甘肃省、河北省、河南省、黑龙江省、湖北省、江苏省、内蒙古自治区、山东省、山西省、陕西省、四川省和新疆维吾尔自治区，均为全国小麦主要种植省份，样本量共计1 171份。本文旨在根据各个省份小麦的重金属含量的汇总和分析，利用R语言绘制箱线图来反映原始数据的分布特征。

2 结果与分析

2.1 总体情况

由表1可知，小麦中总铬平均含量超过0.2 mg/kg，其余4种元素平均含量均在0.1 mg/kg以下，小麦中5种重金属元素平均含量均低于国家限量值。从偏度和峰度值来看，5种元素的偏度均大于0，分布均呈右偏分布，且5种元素的峰度均大于0，相比于正态分布要更陡峭，异常值较多。

表1 小麦中5种重金属含量数据基本统计结果

2.2 小麦中5种重金属元素含量分布情况

图1为小麦中5种重金属元素含量的箱线图，结果显示，小麦中镉含量分布呈右偏分布，分布的最大值约为0.07 mg/kg，平均水平约为0.02 mg/kg，小于国家限量值（0.1 mg/kg)，有多个异常点；小麦中铅分布呈严重的右偏分布，分布在0～0.16 mg/kg，最大值接近国家限量值（0.2 mg/kg），普遍集中在0.01～0.06 mg/kg，有多个异常点；小麦中总铬分布呈右偏分布，分布在0～0.9 mg/kg，普遍集中在0～0.3 mg/kg，小于国家限量值（1 mg/kg），有多个异常点；小麦中总汞含量的分布数据非常集中，平均水平不到0.01 mg/kg，小于国家限量值（0.02 mg/kg），有多个异常点；小麦中总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，小于国家限量值（0.5 mg/kg）。

图1 小麦中5类重金属元素含量箱线图

2.3 不同采样省份小麦中5类重金属元素分布情况

图2为不同采样省份小麦镉元素含量箱线图，结果显示，小麦中镉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，约为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，超过了国家限量值（0.1 mg/kg）；其次是湖北省，平均水平接近0.06 mg/kg，分布最大值超过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、江苏省，3个省的平均水平相差不多，约为0.03 mg/kg，分布的最大值出现在河南省，接近国家限量值（0.10 mg/kg）；余下各省的镉含量都比较小。

图2 不同采样省份小麦镉元素含量箱线图

图3为不同采样省份小麦铅元素含量箱线图，结果显示，小麦中铅含量除了在陕西省、四川省的含量分布接近正态，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，约为0.12 mg/kg，分布最大值约为0.20 mg/kg；其次为湖北省，平均水平约为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约为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较小。

图3 不同采样省份小麦铅元素含量箱线图

图4为不同采样省份小麦总铬元素含量箱线图小麦中总铬在河北省的含量分布呈左偏，在山西省、陕西省的含量分布都接近正态分布，在其他各省都呈右偏；各省的平均水平都小于国家限量值（1.0 mg/kg）；湖北省、山西省、陕西省的含量分布平均水平相似，约为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，山西省分布中间50%的数据比较集中，陕西省分布的最大值超过了国家限量值（1.0 mg/kg）；安徽省、甘肃省、江苏省分布的平均水平都不高，但最大值都接近或超过了1.0 mg/kg；其余各省总铬含量都很低。

图4 不同采样省份小麦总铬元素含量箱线图

图5为不同采样省份小麦总汞元素含量箱线图，结果显示小麦中总汞含量在各省的分布数据都非常集中，在河南省、山东省的平均水平最高，小于0.01 mg/kg，未超过国家限量值（0.02 mg/kg）。

图5 不同采样省份小麦总汞元素含量箱线图

图6为不同采样省份小麦总砷元素含量箱线图，各省的小麦中总砷含量分布均未超过国家限量值（0.5 mg/kg）；四川省的含量分布中有一个异常点大于0.5 mg/kg；在这些省份中，湖北省的平均水平、普遍集中值以及分布最大值均最大，分别为0.15 mg/kg、0.09～0.21 mg/kg、0.41 mg/kg；其次是内蒙古自治区，平均水平约为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，平均水平约为0.07 mg/kg，分布的最大值接近0.10 mg/kg。

图6 不同采样省份小麦总砷元素含量箱线图

2.4 不同采样省份中小麦重金属元素的差异性

由表2可知，5种重金属污染物的F值均大于1，表明小麦采样省份的差异对不同类别的重金属元素的含量具有显著的影响。另外，P值均小于0.01，说明不同采样省份的小麦中镉、铅、总铬、总汞以及总砷元素的总体均值含量存在显著差异。

表2 不同采样省份小麦各类重金属含量的方差分析

2.5 聚类分析结果

利用K-mean聚类方法对小麦采样省份进行分析，结果分为3类。类别1包括3个采样省份，分别为安徽省、甘肃省和江苏省，这些省份小麦总铬含量相对较高，其余4类重金属元素含量相对较低；类别2包括3个采样省份，分别为湖北省、山西省和陕西省，这些省份小麦除总汞元素含量相对较低外，其余4类重金属元素含量均相对较高；类别3包括7个采样省份，河北省、河南省、黑龙江省、内蒙古自治区、山东省、四川省以及新疆维吾尔自治区，这些省份小麦的5种重金属元素含量均相对较低。各类别的中心点坐标见表3，概率密度函数图见图7、图8、图9。

图7 类别1的概率密度函数图

图8 类别2的概率密度函数图

图9 类别3的概率密度函数图

表3 3个类别的中心点坐标（单位：mg/kg）

3 结论与讨论

近来耕地土壤和农作物中重金属污染暴露，由此带来的健康风险逐渐受到广泛的关注。污染较重的地区，农作物污染诱发的危害甚至高于重金属污染水体引起的危害，长期食用重金属污染农作物极易导致慢性重金属中毒[26]。小麦作为主要的粮食作物，其重金属污染日益成为食品监管的重点。统计结果表明，小麦种镉污染分布平均水平为0.02 mg/kg，铅分布集中在0～0.16 mg/kg，铬分布集中在0～0.3 mg/kg，汞分布相对集中，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，其他元素均具有多个异常点。不同省份的分布情况来看，小麦中镉元素四川省含量分布最高，最大值接近0.17 mg/kg（超过国家限定值），铅元素山西省分布平均水平最高为0.12 mg/kg，镉元素在大部分省区平均分布都不高，汞元素各省分布非常集中，以河南和山东省水平最高，砷元素各省均值都较低。统计结果表明各省份5种元素的含量存在显著性差异。聚类分析结果表明，安徽省、甘肃省和江苏省小麦总铬含量较高；湖北省、山西省和陕西省除汞外，其他元素含量较高；河北省、河南省、黑龙江省内蒙古自治区、山东省、四川省以及新疆维吾尔自治区5种元素含量均较低。

总体情况来看，尽管5种重金属元素含量在各省的分布有所差异，但平均含量均低于国家限量值，表明我国小麦的重金属元素属于轻度污染程度。小麦的遗传特性品种、不同受试样品部位、周边工业化工设施造成的污染程度等均会对测定结果产生一定程度的影响，本文主要分析了不同采样省份中小麦重金属元素的差异性[27-30]。此外，小麦的种植模式、区域土壤污染、工矿业污染等极有可能引发局部食品安全问题，进一步对加工处理后的小麦产品中重金属元素分布的追踪是必要的。监控和测定小麦制品的污染水平，可以预防潜在的食品安全隐患问题以及保障消费者的健康。

建议加强对特定省份的高水平重金属元素的监测，进一步查出诱发异常暴露值的原因，以求在根源处掌握当地小麦的重金属污染状况。本次调研样品来源于13个主要小麦种植省份，共计样品1 171份，样品量充足，具有重要的指导意义。