麻冰涓，王海鄰*，李小超，張永慧，劉軍，李東艷

1. 河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 焦作市環(huán)境信息中心，河南 焦作 454002

豫北典型農(nóng)田作物中重金屬污染狀況及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

麻冰涓1，王海鄰1*，李小超2，張永慧2，劉軍2，李東艷1

1. 河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 焦作市環(huán)境信息中心，河南 焦作 454002

農(nóng)產(chǎn)品污染引發(fā)的食品安全問(wèn)題目前已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，為了研究和評(píng)價(jià)農(nóng)作物中重金屬污染和健康風(fēng)險(xiǎn)狀況，采集了焦作市武陟縣玉米、水稻和花生三種大田作物樣品，共計(jì)47個(gè)樣品，其中玉米樣品16個(gè)，花生樣品4個(gè)，水稻樣品27個(gè)。在測(cè)定作物籽粒中重金屬Cr、Ni、As、Cd和Pb含量的基礎(chǔ)上，分別采用單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)了作物籽粒中重金屬的污染狀況，并運(yùn)用危險(xiǎn)商（HQ）法評(píng)價(jià)了這些作物中的重金屬對(duì)人體健康可能造成的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而應(yīng)用相關(guān)分析法、聚類(lèi)分析法及主成分分析法，探討了作物籽粒中重金屬含量的分布特征及其污染來(lái)源。結(jié)果表明：武陟縣農(nóng)田作物籽粒中的Cr、Ni、As、Cd和Pb的平均含量分別為0.26±0.42、0.31±0.29、0.04±0.03、0.01±0.04和0.03±0.03 mg·kg-1。其中，玉米籽粒中的Cr、Ni、As、Cd和Pb的平均含量分別為8.86×10-2±0.21、9.41×10-2±0.12、8.10×10-3±5.29×10-3、1.20×10-5±4.92×10-5和0.04±0.02 mg·kg-1；水稻籽粒中的Cr、Ni、As、Cd和Pb的平均含量分別為0.38±0.49、0.44±0.31、0.07±0.02、4.60×10-3±7.42×10-3和0.03±0.03 mg·kg-1；花生籽粒中的Cr、Ni、As、Cd和Pb的平均含量分別為0.13±0.22、0.32±0.16、0.02±3.05×10-3、0.11±0.07和1.32×10-2±1.70×10-2mg·kg-1。農(nóng)作物籽粒中各重金屬元素的單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，從總體上看，3種農(nóng)作物籽粒中5種重金屬的單因子污染指數(shù)均值均小于1，單因子污染指數(shù)均值大小順序?yàn)椋篘i＞As＞Cr＞Pb＞Cd；從作物類(lèi)型來(lái)看，玉米和水稻中Ni超標(biāo)的樣品比率分別為6.67%和51.85%，水稻中Cr超標(biāo)的樣品比率為12%。農(nóng)作物籽粒中各重金屬元素的綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，重金屬的平均綜合污染指數(shù)為0.59，整體上處于安全等級(jí)?？傮w來(lái)看，14.89%的農(nóng)作物受到不同程度的污染，其中輕度污染的農(nóng)作物占10.64%，中度污染的農(nóng)作物占4.25%，19.15%的農(nóng)作物處于警戒限。重金屬污染程度以水稻最為嚴(yán)重，輕度污染的為18.52%，中度污染的為7.41%，另外有29.63%處于警戒限內(nèi)。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，對(duì)于成人和兒童而言，5種重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于1，不會(huì)造成當(dāng)?shù)爻扇撕蛢和慕】碉L(fēng)險(xiǎn)，但重金屬通過(guò)本地谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品攝入對(duì)成人造成的健康風(fēng)險(xiǎn)略高于兒童。農(nóng)作物籽粒中5種重金屬的相關(guān)性分析表明，Cr-Ni和As-Ni在作物籽粒中存在極顯著正相關(guān)性，Cr-As存在顯著的正相關(guān)性。聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)，Cr和Ni可以聚為一類(lèi)，有可能存在共同的來(lái)源。針對(duì)玉米的主成分分析表明，玉米中5種重金屬可以由2個(gè)主成分來(lái)反映，第一主成分主要支配著玉米籽粒中Cr、Ni、As和Cd的來(lái)源。第二主成分支配Pb，其來(lái)源與其他重金屬元素有較大區(qū)別。

農(nóng)田作物；重金屬；污染指數(shù)；聚類(lèi)分析；主成分分析；健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

近年來(lái)，農(nóng)產(chǎn)品污染問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，食品安全目前已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。作為一類(lèi)主要的污染物，重金屬毒性大、蓄積能力強(qiáng)，更是受到人們的廣泛關(guān)注，測(cè)定農(nóng)作物中的重金屬含量并評(píng)價(jià)其健康風(fēng)險(xiǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)之一。2002年，農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心曾對(duì)全國(guó)市場(chǎng)稻米進(jìn)行安全性抽檢。結(jié)果顯示，稻米中超標(biāo)最嚴(yán)重的重金屬是鉛，超標(biāo)率28.4%，其次就是鎘，超標(biāo)率10.3%（宮靖，2011）。目前已有關(guān)于重金屬含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一些研究發(fā)表（黃澤春等，2006；孫清斌等，2013；任艷軍和馬建軍，2013；楊剛等，2010；夏鳳英等，2011；宋波等，2006；李剛等，2013；劉志彥等，2010；肖青青等，2011；楊剛等，2011；吳迪等，2013；齊雁冰等，2010；王俊濤等，2008；陳虎等，2012；李其林等，2012），其中針對(duì)蔬菜和稻米的研究較多（黃澤春等，2006；孫清斌等，2013；任艷軍和馬建軍，2013；楊剛等，2010；夏鳳英等， 2011；宋波等，2006；李剛等，2013；劉志彥等，2010；肖青青等，2011；楊剛等，2011；吳迪等，2013；齊雁冰等，2010；王俊濤等，2008；朱蘭保等，2014），礦區(qū)農(nóng)田作物亦是關(guān)注的焦點(diǎn)之一（孫清斌等，2013；劉志彥等，2010；肖青青等，2011；楊剛等，2011；吳迪等，2013），針對(duì)非污染區(qū)的基本農(nóng)田作物、尤其是旱田作物的研究相對(duì)不足。

焦作市武陟縣是豫北重要的糧食大縣和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地之一，是全國(guó)糧食生產(chǎn)基地縣、商品糧基地縣和省優(yōu)質(zhì)小麥種植示范基地縣，該區(qū)域農(nóng)作物的品質(zhì)，直接影響到本地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及人民群眾的身體健康。針對(duì)該區(qū)域農(nóng)田作物中重金屬含量的現(xiàn)有研究主要集中于煤礦區(qū)（胡斌等，2007；王長(zhǎng)征和李東艷，2008；馬光等，2007；黃鳳云等，2009），主要考查了礦業(yè)生產(chǎn)對(duì)農(nóng)作物質(zhì)量的影響，而對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要對(duì)象——大面積的基本農(nóng)田，尚未開(kāi)展研究。為此，本文在野外調(diào)查、采樣和作物重金屬（Cr、Ni、As、Cd和Pb）含量分析的基礎(chǔ)上，對(duì)武陟縣玉米、水稻和花生籽粒中重金屬含量及當(dāng)?shù)鼐用駭z食該區(qū)域作物導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為保障居民飲食安全和加強(qiáng)作物質(zhì)量控制提供指導(dǎo)和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武陟縣位于河南省西北部，黃河北岸，地跨北緯34°56′～35°10′，東經(jīng)113°11′～113°39′之間，全縣總面積860 km2，氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)型氣候。武陟縣年平均氣溫14.4℃，年平均降水量為575.1mm，歷史平均無(wú)霜期212天。全縣土壤主要為潮土類(lèi)，占全縣區(qū)域面積的84.1%，是該縣主要耕作土壤。

1.2 樣品采集和處理

采樣點(diǎn)的布設(shè)按照避開(kāi)污染源的原則，選擇遠(yuǎn)離縣城工業(yè)區(qū)和生活聚居區(qū)的大塊農(nóng)田，按旱地和水田2種土地耕作類(lèi)型，于2012年9月～10月在玉米、花生和水稻的收割期間，設(shè)置47個(gè)采樣點(diǎn)，其中玉米樣品16個(gè)，花生樣品4個(gè)，水稻樣品27個(gè)。每個(gè)采樣點(diǎn)均采用蛇形采樣方法，采集約2kg左右的作物裝入聚乙烯自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，用去離子水清洗干凈后烘干并研磨，研磨后的樣品裝于自封袋中，冷凍保存。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

1.3 樣品分析方法

圖1 武陟縣采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of the sampling sites in Wuzhi County

稱(chēng)取作物籽粒200 mg±5 mg，置于20 mL聚四氟乙烯消解罐中，加入3 mL硝酸（電子級(jí)）和1 mL雙氧水（優(yōu)級(jí)純），蓋蓋后室溫預(yù)消解8 h；裝入不銹鋼高壓外套密封后置于烘箱內(nèi)，于140 ℃加熱3 h；冷卻后，采用2%稀硝酸定容于15 mL離心管，測(cè)定前使用聚偏氟乙烯（PVDF）濾膜（0.45 μm）過(guò)濾。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，美國(guó)瓦里安820-MS）測(cè)定，儀器參數(shù)見(jiàn)表1。每批次測(cè)定均設(shè)定3個(gè)空白樣品和20%的平行樣品，樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在15%以?xún)?nèi)。各種實(shí)驗(yàn)容器使用前均在5%的硝酸溶液中浸泡24 h以上，用去離子水洗干凈后放置到烘箱45 ℃烘干。

1.4 作物籽粒重金屬評(píng)價(jià)方法

1.4.1 作物籽粒重金屬污染質(zhì)量評(píng)價(jià)

分別采用單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)法，對(duì)農(nóng)作物中5種重金屬（Cr、Ni、As、Cd和Pb）污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）單因子污染指數(shù)法。計(jì)算公式為（陳濤等，2012）：

式中，Pi為武陟縣農(nóng)作物籽粒中重金屬i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為武陟縣農(nóng)作物籽粒中重金屬i的實(shí)測(cè)值，mg·kg-1；Si為農(nóng)作物中重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（表2）。

2）綜合污染指數(shù)法。計(jì)算公式為（陳濤等，2012）：

式中，P綜為武陟縣農(nóng)作物籽粒中重金屬的綜合污染指數(shù)；為武陟縣農(nóng)作物籽粒中重金屬i的最大污染指數(shù)；為武陟縣所有重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)中的平均值。綜合污染指數(shù)污染評(píng)價(jià)等級(jí)劃分見(jiàn)表3（陳濤等，2012）。

表1 ICP—MS工作參數(shù)Table 1 ICP-MS operational parameters

表2 農(nóng)作物中重金屬的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值Table 2 Main evaluation criteria of heavy metal pollution in grains in China mg·kg-1

表3 農(nóng)作物質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The classification standards of grain heavy metal pollution evaluation

1.4.2 農(nóng)作物攝入的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

為了對(duì)居民食用該區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文采用了危險(xiǎn)商（HQ）法，具體計(jì)算公式為（雷鳴等，2010）：

式中，HQ為健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，ADD為重金屬經(jīng)谷類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品攝入的平均日攝取量(mg·kg-1·d-1)，RfD為重金屬暴露參考劑量(mg·kg-1·d-1)。HQ＞1，表明該重金屬可引起人體的健康風(fēng)險(xiǎn)，健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)越大，表明該重金屬對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)越大；HQ＜1，表明該重金屬不會(huì)引起人體的健康風(fēng)險(xiǎn)（楊剛等，2011）。各參數(shù)名稱(chēng)及取值見(jiàn)表4。

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)作物籽粒中重金屬含量

不同農(nóng)作物籽粒中重金屬元素含量見(jiàn)表5。

可以看出（表 5），在玉米、水稻和花生中，均為Ni的含量最大，其次是Cr，而Pb、As和Cd在不同的作物中并無(wú)一定的規(guī)律。同一種重金屬在不同農(nóng)作物中的含量有所差異（表6），水稻中Cr含量顯著高于玉米（P＜0.05）和花生（P＜0.01）；水稻中Ni含量顯著高于玉米（P＜0.01），但與花生中Ni含量無(wú)顯著性差異（P＞0.1）；水稻中As含量顯著高于玉米（P＜0.01），此結(jié)果與楊剛等（楊剛等，2011）、何峰（何峰，2004）的研究結(jié)果是一致的，分析其原因，可能是由于水稻是需水量較大的植物，當(dāng)水體淹水時(shí)容易引起As元素向可溶態(tài)轉(zhuǎn)化，從而易被水稻根系吸收并在水稻體內(nèi)積累（楊剛等，2011）。水稻中As含量也顯著高于花生（P＜0.01）；水稻中Cd含量顯著高于玉米（P＜0.05），而水稻與花生之間、玉米與花生之間Cd含量無(wú)顯著性差異（P＞0.05）；水稻、玉米和花生之間的Pb含量均無(wú)顯著性差異（P＞0.1）。

與其他地區(qū)作物樣品中的重金屬含量相比較發(fā)現(xiàn)（表7），本區(qū)域水稻中的Cr含量略高于合肥市大興鎮(zhèn)與長(zhǎng)江三角洲，與蘇州水稻中的Cr含量持平，低于三峽庫(kù)區(qū)、及蘇北等地區(qū)中水稻中的Cr含量；水稻中的Ni含量除蘇北銅山略高些之外，其他差別不大；本區(qū)域水稻中的 As、Cd和Pb含量則相對(duì)偏低，玉米中Cr、As、Cd和Pb的含量與其他地區(qū)相比較均偏低，花生中的Cd含量也略低于山東。

2.2 農(nóng)作物重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)

農(nóng)作物籽粒中各重金屬元素的單因子污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8?？傮w上看，3種農(nóng)作物籽粒中5種重金屬的單因子污染指數(shù)均值均小于1，單因子污染指數(shù)均值大小順序?yàn)椋篘i＞As＞Cr＞Pb＞Cd。但部分樣品Cr和Ni的單因子污染指數(shù)大于1，超標(biāo)樣品比率分別為6.82%和34.09%。從作物類(lèi)型來(lái)看，玉米和水稻中Ni超標(biāo)的樣品比率分別為6.67%和51.85%，水稻中Cr超標(biāo)的樣品比率為12%。從表6中可知，水稻中Ni含量與花生中Ni含量無(wú)顯著性差異（P＞0.1），但是水稻中出現(xiàn)Ni含量出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，而花生中Ni含量并不超標(biāo)，主要是由于水稻中污染物限量（≤0.4 mg·kg-1）小于花生中污染物限量（≤3.0 mg·kg-1），至于水稻中Ni超標(biāo)的樣品高于玉米，以及水稻中部分樣品Cr超標(biāo)，一方面可能是受成土母質(zhì)的影響（王俊濤等，2008），另一方面可能與兩種作物在耕作制度、農(nóng)業(yè)施肥等過(guò)程的不同所導(dǎo)致的，具體原因有待進(jìn)一步研究和探討。

表4 農(nóng)作物健康風(fēng)險(xiǎn)分析參數(shù)取值Table 4 Values of the parameter used in the calculation of HQ for heavy metals

表5 農(nóng)作物籽粒中重金屬總量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Heavy metal contents of grains

表6 3種農(nóng)作物籽粒中各重金屬含量的差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 significance testing of heavy metal contents of grains

表7 本研究區(qū)域作物籽粒中重金屬含量與其他地區(qū)比較Table 7 Comparison of contents of heavy metals in grain from different areas mg·kg-1

表8 農(nóng)作物重金屬單因子污染指數(shù)Table 8 Single-factor pollution indices of heavy metals in grain

2.2.2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

綜合污染指數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。總體上來(lái)看，所有樣品平均綜合污染指數(shù)為0.59，表明研究區(qū)域農(nóng)作物籽粒整體上處于安全等級(jí)，不同農(nóng)作物的平均綜合污染指數(shù)大小順序?yàn)椋核荆净ㄉ居衩??？傮w來(lái)看（圖2），65.96%的農(nóng)作物處于安全等級(jí)，19.15%的農(nóng)作物處于警戒限，輕度污染的農(nóng)作物占10.64%，中度污染的農(nóng)作物占4.25%，無(wú)重度污染的農(nóng)作物。從作物類(lèi)型來(lái)看（圖2），花生均處于安全等級(jí)，玉米的質(zhì)量均處于警戒線之內(nèi)，其中處于安全等級(jí)的占93.75%。水稻只有44.44%處于安全等級(jí)，有29.63%處于警戒限內(nèi)，另外輕度污染的為18.52%，中度污染的為7.41%。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品攝入的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

食用谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品的重金屬攝入量及健康風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。由表10可知，對(duì)于成人和兒童而言，5種重金屬的每日攝入量（ADD）均低于參考暴露劑量（RfD），健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HQ）均小于1，不會(huì)造成當(dāng)?shù)爻扇撕蛢和慕】碉L(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論成人還是兒童，重金屬通過(guò)谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品攝入對(duì)人體造成的健康風(fēng)險(xiǎn)順序均為As＞Cr＞Ni＞Cd＞Pb，即相比于其他四種重金屬而言，通過(guò)谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品攝入As對(duì)人體造成的健康風(fēng)險(xiǎn)略大一些。5種重金屬對(duì)成人造成的健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HQ）略高于兒童，表明重金屬通過(guò)本地谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品攝入對(duì)成人造成的健康風(fēng)險(xiǎn)略高于兒童。

表9 農(nóng)作物中重金屬綜合污染指數(shù)Table 9 Nemero combined pollution indices of heavy metals in grain

圖2 不同等級(jí)農(nóng)作物所占的比例Fig.2 Portions of grain at each grade

總體來(lái)看，健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果與上述污染指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果是一致的，即農(nóng)作物籽粒均能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。二者的不同之處，在于各元素的污染指數(shù)排序和健康風(fēng)險(xiǎn)排序有所差別，主要是由于單因子評(píng)價(jià)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中所采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（或重金屬暴露參考劑量RfD）要求有所不同，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中As的暴露參考劑量RfD很低，只有0.0003 mg·kg-1·d-1。

表10 食用谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品的重金屬攝入量及健康風(fēng)險(xiǎn)Table 10 Intake and health risk of heavy metal by consumed grains

2.4 作物籽粒中重金屬元素間的相關(guān)性分析

3種作物籽粒中以及玉米、水稻和花生不同重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)如表 11～13所示?？梢钥闯?，從3種作物整體來(lái)看，Cr-Ni和As-Ni在作物籽粒中存在極顯著正相關(guān)性，Cr-As存在顯著的正相關(guān)性。從作物類(lèi)型來(lái)看，在玉米籽粒中Cr-Ni、Cr-As、Cr-Cd、Ni-As、Ni-Cd和As-Cd均存在極顯著正相關(guān)性，水稻籽粒中Cr-Ni和Cr-Cd存在極顯著正相關(guān)性，而在花生籽粒中各重金屬之間無(wú)相關(guān)性。以上分析說(shuō)明研究區(qū)水稻籽粒中Cr、Ni和Cd這3種重金屬存在不同程度的復(fù)合污染或具有一定的同源性，玉米籽粒中Cr、Ni、As和Cd這4種重金屬存在不同程度的復(fù)合污染或具有一定的同源性。而不論是水稻還是玉米，Pb與其他元素的相關(guān)性不是很強(qiáng)，可能是其來(lái)源與其他元素不同所致。王俊濤等（王俊濤等，2008）在對(duì)合肥市大興鎮(zhèn)水稻中重金屬的研究顯示，水稻中Cr-Ni存在顯著的正相關(guān)性，與本文的研究結(jié)果類(lèi)似。李其林等（李其林等，2012）的研究結(jié)果也表明，水稻與玉米籽粒中Cr-Cd均存在極顯著正相關(guān)性。

表11 3種作物籽粒中不同重金屬之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 11 Pearson correlation coefficients for heavy metals

表12 玉米籽粒中不同重金屬之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 12 Pearson correlation coefficients for heavy metals in corn

表13 水稻籽粒中不同重金屬之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 13 Pearson correlation coefficients for heavy metals in rice

2.5 作物籽粒中重金屬的聚類(lèi)分析

本文分別對(duì) 3種作物籽粒中以及玉米和水稻中的重金屬含量進(jìn)行R型聚類(lèi)分析，得到結(jié)果如圖3～5所示。從3種作物整體來(lái)看（圖3），Cr和Ni 距離較近，可以聚為一類(lèi)，說(shuō)明它們之間相關(guān)性較強(qiáng)，具有相同的來(lái)源，主要是受到成土母質(zhì)的影響；第二類(lèi)是As；第三類(lèi)是Cd；第四類(lèi)是Pb。玉米和水稻中的重金屬含量R型聚類(lèi)分析（圖4和圖5）顯示，Cr和Cd距離較近，可以聚為一類(lèi)；第二類(lèi)是Ni；第三類(lèi)是As；第四類(lèi)是Pb。

圖3 研究區(qū)3種作物R型聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.3 R-cluster analysis of grain

圖4 研究區(qū)玉米R(shí)型聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.4 R-cluster analysis of corn

圖5 研究區(qū)水稻R型聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.5 R-cluster analysis of rice

2.6 作物籽粒中重金屬的主成分分析

在主成分分析前進(jìn)行源解分析，采用KMO( Kaiser-Meyer-Olkin) 和Bartlett( Bartlett‘s test of Sphericity ) 法分別對(duì)玉米、花生和水稻籽粒中重金屬含量的原數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。其中只有玉米中的KMO值為0.741，大于最小值0.5，且Bartlett球度檢驗(yàn)的相伴概率為0.000，小于顯著性水平0.05，表示數(shù)據(jù)取自正態(tài)分布，變量之間的相關(guān)性得到認(rèn)可，原始數(shù)據(jù)適合進(jìn)行主成分分析，花生和水稻的原始數(shù)據(jù)不適合進(jìn)行主成分分析。對(duì)玉米籽粒中重金屬含量的主成分分析結(jié)果見(jiàn)表14。圖6為重金屬元素二維因子荷載。

通過(guò)主成分分析，5種重金屬可以由2個(gè)主成分反映92.729%，即對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行分析就可以反映5種重金屬含量數(shù)據(jù)的大部分信息。第一主成分的貢獻(xiàn)率為75.578%，其中Ni、Cr、Cd和As有較高的正載荷。從表12玉米籽粒中各重金屬元素的Pearson相關(guān)關(guān)系可知，Cr、Ni、As和Cd的相關(guān)性最強(qiáng)，從而判斷第一主成分主要支配著玉米籽粒中Cr、Ni、As和Cd的來(lái)源。第二主成分的貢獻(xiàn)率為17.150%，Pb呈現(xiàn)出較高的正載荷，與其他重金屬元素有較大區(qū)別，這與之前所進(jìn)行的相關(guān)性分析及聚類(lèi)分析結(jié)果是一致的。

表14 主成分分析總方差的解釋Table 14 Total variance for explanation of principal component analysis (PCA) in this study

圖6 重金屬元素二維因子載荷Fig.6 Loading plots of the heavy metals in the space defined by two components

3 結(jié)論

（1）武陟縣農(nóng)作物籽粒中的Cr、Ni、As、Cd和Pb的平均含量分別為0.26±0.42、0.31±0.29、0.04±0.03、0.01±0.04和0.03±0.03 mg·kg-1。

（2）從總體上來(lái)看，農(nóng)作物籽粒中5種重金屬的單因子污染指數(shù)均值均小于1，單因子污染指數(shù)均值大小順序?yàn)椋篘i＞As＞Cr＞Pb＞Cd。但Cr和Ni部分樣品的單因子污染指數(shù)大于1，超標(biāo)樣品比率分別為6.82%和34.09%。農(nóng)作物籽粒中重金屬的平均綜合污染指數(shù)為0.59，整體上處于安全等級(jí)。其中65.96%的農(nóng)作物處于安全等級(jí)，19.15%的農(nóng)作物處于警戒限，輕度污染的農(nóng)作物占10.64%，中度污染的農(nóng)作物占4.25%，無(wú)重度污染的農(nóng)作物。

（3）對(duì)于成人和兒童而言，5種重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（HQ）均小于1，不會(huì)造成當(dāng)?shù)爻扇撕蛢和慕】碉L(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論成人還是兒童，重金屬通過(guò)谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品攝入對(duì)人體造成的健康風(fēng)險(xiǎn)順序均為As＞Cr＞Ni＞Cd＞Pb，且重金屬通過(guò)本地谷物類(lèi)和豆類(lèi)產(chǎn)品攝入對(duì)成人造成的健康風(fēng)險(xiǎn)略高于兒童。

（4）玉米籽粒中5種重金屬的相關(guān)性分析、聚類(lèi)分析以及主成分分析均表明，Cr、Ni、As和Cd有相同的來(lái)源，而Pb與其他重金屬元素有較大區(qū)別。水稻籽粒中5種重金屬的相關(guān)性分析顯示，Cr-Ni和Cr-Cd存在極顯著正相關(guān)性，聚類(lèi)分析進(jìn)一步表明，Cr和Cd可以聚為一類(lèi)；第二類(lèi)是Ni；第三類(lèi)是As；第四類(lèi)是Pb?；ㄉ蚜Ｖ懈髦亟饘僦g無(wú)相關(guān)性。

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Pollution of Heavy Metals in Typical Crops of Northern Henan Province and Health Risk Assessment

MA Bingjuan1, WANG Hailin1*, LI Xiaochao2, ZHANG Yonghui2, LIU Jun2, LI Dongyan1

1. Institute of Resources & Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;
2. Jiaozuo Environmental Information Center, Jiaozuo 454002, China

Food safety issues induced by pollution of agricultural products has become the social concern. To assess the pollution status and human health risks induced by heavy metals in corps, 47 samples, including 16 corn samples, 27 rice sanples, and 4 peanut samples, were collected from typical farmland in Wuzhi County. After the analysis of Cr, Ni, As, Cd, and Pb contents in the samples, single factor pollution index and comprehensive pollution index were calculated to assess the quality of corps. Furthermore, the potential health risk induced by intake of heavy metals through consumption of corps was evaluated using hazard quotient(HQ). Correlation analysis, clustering analysis and principle component analysis were conducted to identify the sources and distribution of these heavy metals in the corps. It was found that the average concentrations of Cr, Ni, As, Cd, and Pb in the corps were 0.26±0.42, 0.31±0.29, 0.04±0.03, 0.01±0.04, and 0.03±0.03 mg·kg-1, respectively. With respect to corn, the average concentrations of Cr, Ni, As, Cd, and Pb were 8.86×10-2±0.21, 9.41×10-2±0.12, 8.10×10-3±5.29×10-3, 1.20×10-5±4.92×10-5, and 0.04±0.02 mg·kg-1, respectively. As for rice, the average concentrations of Cr, Ni, As, Cd, and Pb were 0.38±0.49, 0.44±0.31, 0.07±0.02, 4.60×10-3±7.42×10-3, and 0.03±0.03mg·kg-1, respectively. The average concentrations of Cr, Ni, As, Cd, and Pb in the peanuts were 0.13±0.22, 0.32±0.16, 0.02±3.05×10-3, 0.11±0.07, and1.32×10-2±1.70×10-2, respectively. Single factor pollution indices of Cr, Ni, As, Cd, and Pb were smaller than 1 with an decreasing order of Ni＞As＞Cr＞Pb＞Cd.6.67 % of the corns samples and 51.85% of the rice samples have Ni concentrations higher than the Standard of Maximum levels of contaminants in foods(GB2762-2005). In addition, 12% of the rice samples have concentrations of Cr higher than the Standard. The average comprehensive pollution index was 0.59, indicating that the corps have not been polluted. In general, about 14.89% of the samples were subjected to pollution of different degrees. Specificly, 10.64% of the samples were slightly polluted, 4.25% were moderately polluted, and 19.15% of the samples were categorized into the warning level. In the 3 crop species studied, rice was polluted most heavily, with 29.63%, 18.52%, and 7.41% of the samples falling into the categaries of warning level, slight, and moderate pollution, respectively. Health risk indices of these heavy metals were smaller than 1 for both adults and children, indicating that the health risk induced by intake of heavy metals through crops comsumption could be ignored. The health risk for adults was higher than that for children. Highly positive correlations of Cr-Ni and As-Ni, and positive correlation of Cr-As in the corp samples were established significantly. Clustering analysis revealed that Cr and Ni might have originated from similar sources. Principle component analysis revealed that the first main component dominated the sources of Cr, Ni, As, and Cd, while the second main component, Pb, might have originated from sources different from that of other heavy metals.

farmland soil; heavy metal; pollution index;clustering analysis; principle component analysis; health risk assessment

X820.4

：A

：1674-5906（2014）08-1351-08

麻冰涓，王海鄰，李小超，張永慧，劉軍，李東艷. 豫北典型農(nóng)田作物中重金屬污染狀況及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(8): 1351-1358.

MA Bingjuan, WANG Hailin, LI Xiaochao, ZHANG Yonghui, LIU Jun, LI Dongyan. Pollution of Heavy Metals in Typical Crops of Northern Henan Province and Health Risk Assessment [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1351-1358.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21177035；21377035；41102219）

麻冰涓（1978年生），女，回族，講師，碩士，主要從事土壤生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：mbj@hpu.edu.cn

*通信作者：王海鄰，女，副教授，博士研究生，主要從事環(huán)境科學(xué)與工程方向的研究。E-mail：whl@hpu.edu.cn

2014-05-05