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关键词:土壤污染 重金属 危害 修复方法
土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一,也是人类生态环境的重要组成部分[1-2]。随着近年来经济发展,工农业生产不断扩大,所产生的废水和废渣也不断增多,不但破坏地表植被,而且其中有毒有害重金属还随废水的排放及废渣堆的风化和淋滤进入周边土壤环境[3-6]。目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染耕地面积近2,000万公顷,约占总耕地面积的1/5,其中工业“三废”污染耕地1,000万公顷,污水灌溉的农田面积已达330多万公顷。
1. 土壤重金属污染的定义
在自然界,重金属以各种形态存在,常见的金属元素有铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钼、金、银等;其中既有对生命活动所需要的微量元素,如锰、铜、锌等;但大多数重金属元素在环境中对环境都会有一定的污染作用,主要包括汞、镉、铅、铬以及类金属砷等对生物体具有显著毒害作用的元素[7]。重金属的密度一般在4.0以上,约60种元素。但是由于不同的重金属在土壤中的毒性差别很大,所以在环境科学中人们通常关注锌、铜、钴、镍、锡、钒、汞、镉、铅、铬、钴等。砷、硒是非金属,但是它的毒性及某些性质与重金属相似,所以将砷、硒列入重金属污染物范围内。由于土壤中铁和锰含量较高,因而一般不太注意它们的污染问题,但在强还原条件下,铁和锰所引起的毒害亦应引起足够的重视。
土壤重金属污染是指由于人类在生产活动中将重金属带入到土壤中,致使土壤中重金属累积到一定程度,含量明显高于背景,并可造成土壤质量的退化、生态与环境的恶化现象[8]。土壤本身含有一定量的重金属元素,如植物生长所必需的Mn、Cu、Zn等。因此,只有当叠加进入土壤的重金属元素累积的浓度超过了作物需要和忍受程度,作物才表现出受毒害症状,或作物生长并未受害但产品中某种金属的含量超过标准,造成对人畜的危害时,才能认为土壤已被重金属污染[9]。如土壤环境质量标准值(GB15618-1995)[10]。
2. 土壤中重金属的来源、种类
土壤重金属污染主要是由工业产生的“三废”以及污水灌溉、农药和化肥的不合理施用等农业措施引起的。随着工农业生产的发展,重金属对土壤和农作物的污染问题越来越突出,部分地区土壤重金属污染现象十分严重。总体来讲,土壤重金属污染源较广泛,即有自然来源,又有包括人类活动带入土壤的部分,目前主要来源为人为因素。主要包括大气尘降、污水灌溉、工业废弃物得不当堆放、采矿及冶炼活动、农药和化肥的过多施用等[11-12]。
2.1 污水灌溉
污水灌溉通常指的是使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。中国水资源较为紧缺,部分灌区常把污水作为灌溉水源来利用。污水的种类按其来源可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等。城市生活污水中重金属含量虽然不多,但由于我国工业发展迅速,许多工矿企业污水未经分流处理而排入下水道与生活污水混合排放,从而造成污灌区土壤Hg、As、Cr、Pb、Cd、Zn等重金属含量逐年累积[15-16]。在分布上,往往是靠近污染源头和城市工业区土壤污染严重,远离污染源头和城市工业区,土壤几乎不受污水中的重金属污染。
污灌在北方比较严重,因为我国北方比较干旱,水资源短缺严重,并且许多大城市都是重工业大城市,所以农业用水更加紧张,污水灌溉在这些地区较为普遍。据统计,我国北方旱作地区污灌面积约占全国90%以上。南方地区相对较小,仅占6%,其余则在西北地区。污灌不仅导致土壤中重金属元素含量的增加,而且还会在人体内富集。研究显示我国沈阳、温州和遂昌等地由于污水灌溉引发了人体镉中毒;鞍山宋三污灌区土壤中Hg、Cd的累积显著,污染严重;用处理过的污水灌溉是解决干旱地区作物需水问题的一条可行途径。但由此导致的土壤污染特别是重金属污染必须引起重视。
2.2 农药和化肥污染
农药和化肥是重要的农用物资,对农业生产发展起到重要的推动作用,但如果不合理施用,则可导致土壤中重金属污染。部分农药在其组成中含有Hg、As、Cu、Zn等重金属元素,过量或不合理使用将会造成土壤重金属污染。肥料中含有大量的重金属元素,其中氮、钾肥料含量相对较低,而磷肥中则含有较多的有害重金属,另外复合肥的重金属含量也相对较高。施用含有重金属元素的农药和化肥,都可能导致土壤中重金属的污染。
2.3 矿山开采和冶炼加工
我国重金属矿产相对丰富,在金属矿山的开采、冶炼过程中,会产生大量废渣及废水,而这些废渣和废水随着矿山排水和降雨进入土壤环境中,便可直接地造成土壤重金属污染,这在我国南方地区表现得尤为突出。
3. 重金属污染的特点及危害
3.1 重金属元素污染土壤的主要特点
在土壤环境中重金属污染特点可以分为两部分:一是土壤环境中重金属自身的特点,二是重金属元素在不同介质中所表现的特点。具体特点如下:(1)形态变换较为复杂,重金属多为过渡元素,有着较多的价态变化,且随环境Eh,pH配位体的不同呈现不同的价态、化合态和结合态。重金属形态不同则其毒性也不同;(2)有机态比无机态的毒性大;(3)毒性与价态和化合物的种类有关;(4)环境中的迁移转化形式多样化;(5)生物毒性效应的浓度较低;(6)在生物体内积累和富集;(7)在土壤环境中不易被察觉;(8)在环境中不会降解和消除;(9)在人体内呈慢性毒性过程。(10)土壤环境分布呈区域性;
过量的重金属会引起动植物生理功能紊乱、营养失调、发生病变,重金属不易被土壤微生物降解,可在土壤中累积,也可通过食物链在人体内积累,危害人体健康。土壤一旦遭受重金属污染,就很难彻底消除,污染物还会向地下水和地表水中迁移,从而扩大其污染。因此重金属对土壤的污染是一类后果非常严重的环境问题。
3.2人类因土壤重金属污染而遭受的危害[25]
(1)土壤污染使本来就紧张的耕地资源更加短缺;(2)土壤污染给农业发展带来很大的不利影响;(3)土壤污染中的污染物具有迁移性和滞留性,有可能继续造成新的土地污染;(4)土壤污染严重危及后代人的利益,不利于可持续发展;(5)土壤污染造成严重的经济损失;(6)土壤污染给人民的身体健康带来极大的威胁;(7)土壤污染也是造成其他污染的重要原因。
4. 对重金属污染的防治及修复
4.1 对土壤污染的预防
目前,仍未找到可广泛应用且行之有效的重金属污染治理方法,但控制污染源,是防止土壤污染的根本措施之一,同时利用土壤的自净作用对污染物净化具有一定的预防作用。控制土壤重金属污染源,即控制进入土壤中的重金属污染物的数量和速度,通过土体自身的净化作用,降低污染。
(1)控制和消除工业“三废”
尽量利用循环无毒工艺,减少和消除重金属污染物的排放,对工业“三废”进行回收改善,使其化害为利,并严格控制工业生产中污染物排放量和浓度,使之符合排放标准。
(2)土壤污灌区的监测和管理
在污灌区对灌溉污水的重金属元素进行控制,监测水中重金属污染物质的成分、含量及其变化,避免引起土壤污染。
(3)合理施用化肥和农药
对于农药和化肥的施用,应以环保无毒为准则,禁止或限制使用高残留农药,大力发展高效、低毒、低残留农药,发展生物防治措施。为保证农业的增产,合理施用化学肥料和农药是必需的,但需控制好施用量,否则会造成土壤或地下水的污染。
(4)土壤容量和土壤净化能力的提高
在农业生产过程中,施用有机肥,改良松散型沙土,改善土壤胶体的种类和数量,增加土壤对有害重金属的吸附能力和吸附量,从而减少重金属在土壤中的生物有效性。利用微生物品降解土壤中的重金属,提高土壤净化能力。
4.2 土壤中重金属污染的修复方法
(1)工程措施
工程治理措施是指在土壤环境中,用物理或物理化学的原理来减少重金属污染物的措施。主要包括客土,换土,翻土,淋洗液热处理以及电解等方法。以上方法措施的治理效果相对彻底,但实工过程复杂、所需治理费用较高且比较容易引起土壤肥力效果降低。
(2)生物措施
生物治理是指利用能够在土壤中生存的生物的某些习性来抑制和改良土壤重金属污染。Nanda Kumar P B A等发现某些特殊植物对土壤中的重金属元素具有富集作用。寇冬梅等研究认为食用菌对重金属具有吸附作用。所用方法有动物治理,微生物治理,植物治理等。生物措施的优点是实施较为简便易行、投资较少且对环境破坏小,而缺点是在短期内不易得到治理效果。
(3)化学措施
化学治理方法是利用化学物质和天然矿物对重金属污染进行的原位修复技术,目前,在许多区域得到应用。化学治理措施主要包括利用土壤改良剂、抑制剂,增加土壤有机质、阳离子代换量和粘粒的含量,改变pH、Eh和电导等理化性质,使土壤重金属发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用,以降低重金属的生物有效性。化学治理措施优点是治理效果相对较明显,而缺点是容易再度活化。
(4)农业措施
农业治理措施是通过改变耕作方式和管理制度来达到降低土壤重金属危害的方法。M.Puschenreiter等探讨了利用农业耕作措施治理土壤重金属的方法,得出在不同污染地区种植不同的农作物可有效降低重金属的污染。治理方法主要包括控制土壤水分,选择合适的农药、化肥,增施有机肥,选择农作物品种等。农业治理措施的优点在于操作简单、费用不高,而缺点是需要较长治理周期却治理效果不显著。
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关键词:土壤 重金属 复合污染
中图分类号:X131.3 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)10(a)-0071-02
近年来由于人类科技的不断进步和工农业的迅猛发展,土壤环境中的污染物种类和总量日渐增长,使得土壤环境重金属污染很少以单元素的形式存在,多滴两种或者多种元素共存,即多种重金属元素形成重金属复合污染(Teutsch N et al.,2001年)。土壤环境中各种重金属的赋存形态因为不同重金属元素彼此的各种相互作用如络合、吸附-解吸及氧化-还原等各种理化作用制约,而且重金属元素的移动性、生物有效性和生理毒性对重金属彼此作用有着显著响应关系(Tandy et al.,2009年)。这也是形成土壤环境重金属复合污染对生态系统的影响效应不同于单一元素重金属污染的主要因素。至此,重金属复合污染已然成为环境科学研究中又一个热点(Zhong et al.,2012年)。
1 土壤重金属污染
重金属通常是指比重等于或大于5.0 g・cm-3的金属,如汞、镉、铅、镍、铜、铁、锰等(Adriano,2001年);砷是介于金属与非金属之间,与重金属元素的环境效应和化学特性存在诸多相近之处,所以一般研究中将砷元素纳入重金属元素范畴(陈怀满,2005年)。
土壤环境重金属污染的特点是滞后性、隐蔽性、有毒性、难降解和污染现象不明显,但重金属含量在环境中形成污染效应后,对环境影响不容易改变和去除,具有较强的顽固性(郝春玲,2010年)。经调查,在我国大部分省份土壤环境中都存在程度不同、种类各异的重金属污染(王恒,2014年)。全国每年遭到重金属污染影响的粮食数量超过1 200万t,带来的经济损失超过200亿元(王燕等,2009年)。
重金属元素不仅在食物链的各级生物中不断传递进而富集,而且通过一定的生物作用转变成为毒性更强的大分子有机化合物,所以说重金属污染对于整个生态系统影响不仅是停留在让土壤环境质量下降,减少农作物产量和影响农作物品质,甚至对人类及动物的健康产生威胁;对于生态环境中其他要素都产生负面效应。
2 重金属复合污染
通常我们说绝对单一一种重金属元素污染环境的情况是不存在的,重金属元素在环境介质中都是相伴共存的。
一般认为的复合污染是指同一环境介质(土壤、水、大气、生物)受到多元素或多种化学品(多种污染物)对其的同时污染(陈怀满等,2002年)。因此土壤重金属复合污染可定义为:在土壤介质中,两种或两种以上重金属元素同时存在,满足各种重金属元素的赋存浓度大于国家土壤环境质量标准或者没有超过相应标准但对于土壤环境质量已经产生影响作用的土壤污染(周东美等,2005年)。重金属复合污染中各种重金属元素相互作用极其复杂,并且重金属复合污染在土壤环境中更为普遍,因此重金属复合污染相关研究工作也成为环境污染领域重要开拓方向之一。
3 重金属复合污染特点
相对于单一重金属污染,土壤重金属复合污染中重金属迁移转化遗存效应的影响因素更多且更为复杂。研究者在1939年提出复合污染效应分为叠加效应、同向效应和驳斥效应3种不同类型(何勇田,1994年),其基本内涵是:叠加效应产生的毒性效果等于各污染物单独作用的毒性效果叠加之和;驳斥效应的毒性效果小于各污染物单独作用的毒性之和;同向效应产生的毒性效果大于各污染物单独作用的毒性效果之和。此外,在美国相应研究中将重金属复合污染的相互作用定义为单元素作用、协助、竞争、累积和屏障作用(Wallace,1982年)。
通常情况下,因为有着相近性质的不同重金属元素更容易对生态系统造成复合污染,而且不同重金属之间的相互作用会随着各自存在浓度的不同表现出特有的效应模式。镉锌复合污染研究表明,土壤中的锌元素浓度不同时,锌元素与镉元素对于水稻生理指标的联合作用效果存在差异。当土壤中锌元素添加浓度为100 mg/kg时,水稻生物量随镉元素浓度增加而不断升高,镉锌之间在此浓度时表现出同向效应;当锌元素添加浓度为200 mg/kg或者400 mg/kg时,水稻的生物量会因为镉元素浓度的增加反而降低,镉锌之间存在驳斥效应(周启星等,1994年)。
在土壤中存在铅镉复合污染情况下,因为铅元素可以争夺镉元素的土壤中的接触点位,促使镉元素活性增加,进而产生同向效应,使得土壤中镉元素的生物有效性提升,导致土壤-植物系统中镉元素的迁移转化更容易发生。(王新等,2001年)。
土壤中元素的含量和其与共存元素相互之间效应决定着生长在该土壤植株中的元素。研究表明,镉、铅、铜、锌、砷生理毒性呈现出对水稻苗的剂量与效应的正相关,表现出随着重金属添加浓度增加毒性作用越严重的现象。土壤环境中重金属复合污染存在两元素、三元素和多元素共存的各种组合形式。
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关键词:土壤;重金属污染;评价方法
Q938.1+3; S151.9+3A
土壤是人类赖以生存的最基本的自然资源之一,但现阶段严重的土壤污染,通过多种途径直接或间接地威胁人类安全和健康,开展城市环境质量评价,日益成为人类关注的焦点。
本文选取了地质累积指数法、污染负荷指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法,对某城市不同功能区319个空间样本点的重金属检测数据进行了污染评价。
1.数据采集
按照功能划分,将城区划分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区.现对某城市城区土壤地质环境进行调查,将该城区划分为间距1公里左右的网格子区域,按照每平方公里1个采样点对表层土(0~10 cm深度)进行取样,用原子吸收分光光度计测试分析,获得了319个样本所含重金属元素(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)的浓度数据。
本文依照未受污染区域土壤环境背景值作为评价标准[1]。现按照2公里的间距在微污染区取样,得到该城区表层土壤中元素的背景值,如表1:
表1该城市表层土壤中重金属元素的背景值
元素 As(ug/g) Cd(ng/g) Cr(ug/g) Cu(ug/g) Hg(ng/g) Ni(ug/g) Pb(ug/g) Zn(ug/g)
背景值 3.6 130 31 13.2 35 12.3 31 69
2.污染评价方法
2.1地质累积指数法
用于研究水环境沉积物中重金属污染程度的定量指标[2],不仅能够反映重金属分布的自然变化特征,而且还可以判别人为活动产生的重金属对土壤质量的影响.
利用地质累积指数污染评价标准,计算出整个城区各种金属的污染指数平均值,最大值,最小值,并按各种重金属浓度的平均值进行相应的污染程度评级(表2)。
表2城区重金属地质积累指数及评级情况
重金属 平均值 最大值 最小值 污染程度
As -0.07762 2.4802 -1.7459 无污染
Cd 0.305682 3.0543 -2.2854 轻度污染
Cr -0.0818 4.3076 -1.6018 无污染
Cu 0.702895 6.9966 -3.1121 轻度污染
Hg 0.273708 8.2515 -2.615 轻度污染
Ni -0.22635 2.9493 -2.1113 无污染
Pb 0.150747 3.345 -1.2405 无污染
Zn 0.326836 5.1833 -1.6552 无污染
可看出,土壤中重金属Cu、Cd、Hg污染比较显著,Zn的平均值虽然小于1,但是其污染指数最大值达到严重污染程度,其污染也很突出。Ni的平均值很小,视为处于零污染状态。
再通过提取各个区域的污染指数进行分析汇总,得到各个区域每种重金属的级别污染指数直方图,如下:
图一:各个区重金属污染级别指数直方图
2.2污染负荷指数法
该指数是由评价区域所包含的主要重金属元素构成,它能够直观地反映各个重金属对污染的贡献程度,以及金属在时间,空间上的变化趋势.
由Tomlinson等人提出污染负荷指数的同时提出了污染负荷指数的等级划分标准和指数与污染程度之间的关系[4],通过计算得打各重金属的污染负荷指数及可以得到各个功能区和该市的污染程度.
表5重金属污染负荷指数及污染程度
功能区 PLI值 污染等级 污染程度 该市的PLI值 该市的污染等级 该市污染程度
1类 1.83 Ⅰ 中等污染
1.69
Ⅰ
中等污染
2类 2.35 Ⅱ 强污染
3类 1.06 Ⅰ 中等污染
4类 1.94 Ⅰ 中等污染
5类 1.58 Ⅰ 中等污染
从表中的结果分析,土壤中的重金属元素对该城市产生了中等污染,各功能区重金属污染程度从重到为工业区>交通区>生活区>公园绿地区>山区。
2.3 内梅罗综合污染指数法
根据内梅罗综合污染指数法,对该城市的重金属污染进行评价,结果如下表所示:
表6 各功能区污染指数及程度分级
功能区 1类 2类 3类 4类 5类 该城市
污染指数 2.744 4.805 2.036 2.941 2.183 2.942
污染级别 中污染 强污染 中污染 中污染 中污染 中污染
表中污染指数按表6中的污染指标分级标准进行分级得到各功能区的污染级别,各功能区污染程度的关系为:工业区> 交通区>生活区>公园绿地区>山区。
2.4潜在生态危害指数分析
重金属元素是具有潜在危害的重要污染物,潜在生态危害指数法作为土壤重金属污染评价的方法之一,它不仅考虑土壤重金属含量,还将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,是土壤重金属评价领域广泛应用的科学方法.
在本文的求解中将Hakanson提出的毒性系数拟定为各重金属的毒性响应系数[6],根据计算公式得到单个重金属的潜在生态危害系数,结果如表所示:
表8各种金属的毒性系数
元素 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn
毒性系数 10 30 2 5 40 5 5 1
表9 各种金属的潜在生态污染指数:
元素 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn
82 340.5 16.98 108.55 1529.60 35.18 52.10 14.28
对上述单个元素结果的分析:
重金属Hg与Cd均造成了极强的生态危害,重金属Cu 与As则造成了强生态危害,Pb造成了中等的生态危害,其他重金属则均只造成了轻微的生态危害。
进一步得到各重金属对整个造成的生态危害情况为:
根据等级划分的情况可以得知此八种重金属以对该城区整体造成了中等生态危害。
3.结论及建议
综上所述,得出了各功能区的污染程度关系为:工业区> 交通区>生活区>公园绿地区>山区,该城市的重金属污染程度为中等程度污染。通过方差分析可得出各种方法组合的显著程度,得到潜在生态危害指数法和污染负荷指数法相结合的方式对实验的影响最显著,从而得出可靠性最大的评价组合。
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在科技化快速发展的今天,农业的生产也在向现代化不断的靠近。在农业的生产过程中,重金属材料污染问题也渐渐走进人们的视野。如何减少重金属对农田、农作物的污染,降低其对我们人类和生存环境的危害,是我们在科技进步的同时所面临的重要问题。
关键词:
重金属污染;农作物;应对措施
农业生产中常见的重金属有铅、镉、铜、锌等,在人类社会不断进步后,原本以适量的浓度分散在自然界中的重金属被广泛的应用。重金属虽然服务了农业的生产需要,同时也对农田、农作物造成了严重污染。
1重金属对农业的污染来源
1.1农业生产活动
为了使农作物快速的生长,大规模的农药化肥被应用到农业的生产活动中,这对环境造成了一个不可逆的污染状况。害虫在农药的作用下越发的顽固,这就导致对农药的需求量越来越高,直接的致使农作物中的重金属,比如锌和铜的含量不断飙升。除了农药和化肥外,为了使农作物维持在一个适当的温度中,塑料膜的使用量也在增加,同时导致了镉和铅在土壤中的含量升高[1]。
1.2工业的生产活动
工业废水中夹杂着许多的重金属材料,它们随着工业废水流进农田,对土壤造成了严重的危害。尤其是一些金属冶炼厂,它排出的废水中重金属的含量相当高。另外工业的废弃物不光是工业废水,还包括我们容易忽略的工业废气。工业废气进入大气后,再随着自然的雨水进入土壤,间接的对农作物造成污染。
1.3人类的活动
随着生活水平的不断提高,汽车的使用越来越频繁。然而在汽车为我们提供方便的同时,它也污染了我们赖以生存的环境。大量的尾气排放,造成重金属铅流入到空气中,在融入大气。另外,研究表明,不光是汽车的尾气排放可以含有重金属,汽车的轮胎添加剂中含有重金属锌,在与地面的磨擦时留下残留,再逐渐扩散到公路周边的土壤中,影响农作物的生长。
2重金属对农业危害的表现形式
2.1对农作物的危害
在重金属含量超标的土壤中种植植物,会减弱植物吸收营养的能力,进而使农作物无法正常的生长,甚至枯萎死亡。重金属对农田的污染很难被人察觉,而且重金属本身不容易分解,导致污染会长期的进行,这样会逐渐的致使农作物的产量减少[2]。
2.2对人类的危害
农业的发展与人类的生活息息相关,所以在农作物被重金属污染后,将间接的造成对我们人类的污染。重金属残留在体内将影响人类的生殖系统,危害胚胎的发育。并且同时对人类的健康造成无法挽回的影响。
3应对重金属污染的措施
3.1化学方法
在重金属污染严重的今天,我们可以利用科技的进步来解决这个污染问题。通过研发土壤的解毒剂和柠檬酸来使土壤中的重金属分解,土壤的解毒剂中含有钙、硅、铁、锰等元素,可以分解农药,促进细菌繁殖,进而将重金属污染的土壤净化。柠檬酸是美国研制的一种可以将土壤中有毒的重金属分离出来的一种酸,它能够有效的清除土壤中有毒物质,并将其转化成有价值的物质。在柠檬酸处理后,重金属铅、镉、铜等含量会明显降低,土壤的质量也明显提升。
3.2生物方法
在生物技术发展的时代,通过生物技术来减少重金属对土壤的危害,并对其危害进行修复也是人们推崇的一个方法。在污染的土壤中加入无害酸,使土壤恢复原有的呼吸功能,从而消耗了土壤中的氧,达到还原的效果,这样也能恢复土壤中农作物生长所需的健康环境[3]。
3.3人类活动
无论是应用化学技术还是生物技术来处理重金属的污染,都不如从根本上减少重金属的使用。农药和化肥的使用是我们人类可以自己控制和减少的,增加对有机肥的使用,可以对土壤起到很好的保护作用。工业的废水和废弃物我们应及时的处理,减少它们流入河流和大气的机会,也将减少重金属流向土壤的机会。另外,对汽车的轮胎进行改造也可以在一定程度上减少重金属对农业生产的破坏。
参考文献:
[1]环境保护部.GB15618-2008土壤环境质量标准[S].北京:中国标准出版社,2008.