Enrichment and migration of heavy metals in the soil-plant system of the riparian zone in the Fuzhou section of the Minjiang River
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摘要:
本研究分析了闽江福州段河岸带20种优势草本植物根茎叶和根际土壤的Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量，评估了该区域土壤重金属污染状况以及植物的重金属富集能力，并比较了植物不同器官对重金属富集和转运的差异。结果显示：（1）研究区域土壤除Pb含量低于背景值，其余元素均超背景值1.05~1.5倍，Cd是主要危害元素；（2）20种植物对Cd和Cu的富集能力较强，对Pb的富集能力最弱；（3）根和叶对重金属的富集能力强于茎，叶对重金属的转运能力强于茎；（4）白花鬼针草（Bidens pilosa L.）、紫茎泽兰（Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson）和龙葵（Solanum nigrum L.）的重金属综合富集能力排名前三，重金属生物富集系数分别为0.686、0.662和0.470，而苍耳（Xanthium strumarium L.）对土壤重金属的规避性较强。
Abstract:To elucidate the characteristics of heavy metal migration and enrichment within the soil-plant system of riparian zones, we analyzed the concentrations of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, and Zn in the roots, stems, leaves, and rhizosphere soil of 20 plants along the Fuzhou section of the Minjiang River. Soil heavy metal pollution levels and plant accumulation capacities were evaluated, alongside comparisons of heavy metal accumulation and translocation among plant organs. Results indicated that: (1) Pb levels in the riparian soil of the Fuzhou section were lower than background values, while Cd, Cr, Cu, Ni, and Zn levels exceeded background values by 1.05 to 1.5 times, with Cd being the primary hazardous element; (2) Plants exhibited pronounced capabilities for Cd and Cu accumulation, but showed minimal accumulation of Pb; (3) Roots and leaves showed greater capacities for heavy metal accumulation than stems, with leaves also demonstrating a higher translocation ability for heavy metals than stems; (4) Among the 20 plant species studied, Bidens pilosa L., Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson, and Solanum nigrum L. demonstrated the highest heavy metal accumulation capacities, with comprehensive bio-concentration indices of 0.686, 0.662, and 0.470, respectively. Xanthium strumarium L. exhibited a strong tendency for heavy metal avoidance in soil.
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Keywords:
- Minjiang River /
- Riparian zone /
- Soil /
- Herbaceous plant /
- Heavy metal enrichment /
- Heavy metal migration
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土壤-植物系统是自然环境中重金属的主要富集载体，重金属通过人为排放、大气沉降等途径在土壤中积累，并通过吸收进入植物体内，在土壤-植物系统中富集并转运[1]，最终通过食物链、食物网对人体造成危害，甚至导致癌症风险[2]。河岸带是陆地与水体的过渡带，是陆地和水体重金属重要的“源”和“汇”。重金属超标会污染河岸带环境，对流域生态安全造成威胁，并危害人类健康[3, 4]。研究河岸带土壤-植物系统重金属的迁移富集，既可以评估河岸带土壤重金属污染的风险，又能筛选出适宜河岸生境的重金属富集植物，还能为河岸带植被修复提供科学依据[5, 6]，具有重要的现实意义。
为探讨城市河岸带土壤-植物系统的重金属迁移富集特征，筛选出具有重金属富集能力的植物，本研究选取闽江福州段河岸植被带开展抽样调查。目前，相关研究主要是针对闽江沿线与支流沉积物单一系统的重金属污染情况的分析与评价[7-9]，有关土壤重金属的研究鲜见报道。陶长铸等[10]对福州乌龙江湿地芦苇（Phragmites australis Trin. ex Steud.）的重金属富集能力进行了评价，但闽江福州段河岸带植被物种丰富，其他植物对重金属的富集与转运能力如何尚待研究。因此，本研究以土壤-植物系统为对象，采集闽江福州段河岸带的表层土壤与植物样品，测定两类样品中Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn等 6种元素的含量，旨在解决以下问题：（1）闽江福州段河岸植被带是否存在土壤重金属含量超标；（2）哪些河岸植物对重金属的富集和转运能力比较强？各器官之间对不同重金属的富集和转运有何差异？研究结果旨在为闽江沿岸植被保护和植被生态修复工程提供参考。
1. 材料与方法
1.1 研究区域概况与样品采集
研究区位于闽江下游福州段（25°38′41″~26°12′42″N，119°02′14″~119°18′20″E），属于亚热带海洋季风型气候，气候温暖湿润，年平均气温17 ℃~19 ℃，年平均降水量1 710 mm，植被类型以常绿阔叶林为主，主要土壤类型为红壤、黄壤和水稻土。基于对闽江福州河段的踏察，根据闽江福州河段河岸带土壤状况和植被分布状况，选择了12块样地开展本研究（表1，附图1
1 ））。表 1 样地信息Table 1. Information of sample sites样地
Site地理坐标
Coordinate海拔
Altitude / mM1 26°12′42″N，119°02′14″E 29 M2 26°11′36″N，119°04′10″E 20 M3 26°09′46″N，119°07′01″E 11 M4 26°07′02″N，119°11′27″E 11 M5 26°06′48″N，119°10′38″E 6 M6 26°08′07″N，119°08′43″E 15 B7 26°05′06″N，119°14′53″E 5 B8 26°04′40″N，119°15′08″E 4 N9 26°01′55″N，119°14′14″E 2 N10 26°01′36″N，119°14′24″E 6 N11 25°58′46″N，119°15′54″E 5 N12 25°38′41″N，119°18′20″E 6 2023年，在植物生长旺盛的5-6月开展样品采集。在12个样地共选取20种优势植物，分别为：苍耳（Xanthium strumarium L.）、扯根菜（Penthorum chinense Pursh）、地桃花（Urena lobata L.）、白花鬼针草（Bidens pilosa L.）、蔊菜（Rorippa indica Hiern）、火炭母（Persicaria chinensis H. Gross）、藿香蓟（Ageratum conyzoides L.）、假臭草（Praxelis clematidea Cassini）、喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides Griseb.）、龙葵（Solanum nigrum L.）、南美蟛蜞菊（Sphagneticola trilobata Pruski）、水葱（Schoenoplectus tabernaemontani Palla）、酸浆（Alkekengi officinarum Moench）、酸模叶蓼（Persicaria lapathifolia S. F. Gray）、野艾蒿（Artemisia lavandulifolia Candolle）、香蒲（Typha orientalis Presl）、小蓬草（Erigeron canadensis L.）、羊蹄（Rumex japonicus Houtt.）、紫茎泽兰（Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson）、钻叶紫菀（Symphyotrichum subulatum G. L. Nesom）。整株采集，每种植物至少采集5株。采集植物的同时，对其根部土壤进行取样，采集0~20 cm深度的土壤，混合后经四分法后保留至少1 kg。
1.2 样品处理与重金属测定
植物样品用清水反复冲洗后分为根、茎和叶3部分，再用超纯水反复冲洗至少3遍，避免表面吸附重金属。将植物样品放进烘箱，先在105 ℃下杀青1 h，再80 ℃烘干至恒重，研磨粉碎后过0.420 mm筛。取0.500 0 g过筛后的植物样品通过全自动消解仪进行消解，并过滤定容成透明或淡黄色的待测液[11]。
将土样自然风干，去除植物残体、砾石等杂物后，研磨，过0.149 mm筛。取0.500 0 g过筛后的土壤，通过电热板湿法消解，并过滤定容成透明或淡黄色的待测液[12]。
使用电感耦合等离子体发射光谱（PE OPTIMA 8000，ICP-AES，美国）测定待测液中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量。实验所用试剂均为优级纯，所用水均为超纯水，使用多元素标准溶液GNM-M080288-2013进行质量控制，土壤各元素回收率在85%~120%，植物各元素回收率为82%~130%。
1.3 植物重金属富集能力评价
采用生物富集系数（Bio-concentration factor，BCF）和转运系数（Translocation factor，TF）评价植物富集和转运重金属的能力[13]，计算公式如下：
BCF=Cip/Cis (1) TF=Cia/Cir (2) 式中，Cip为植物根、茎和叶重金属i的实测值，Cis为植物根部土壤重金属i的实测值，Cia为茎和叶重金属i的实测值，Cir为根重金属i的实测值。
运用基于隶属函数计算的综合生物富集指数（Comprehensive bio-concentration index，CBCI），评价植物对多种重金属富集能力[14]，计算公式如下：
CBCI=1N×∑u(xi) (3) u(xi)=(xi−xmin)/(xmax−xmin) (4) 式中， N为调查的重金属总数，u（xi）为植物重金属i的BCF隶属函数，xi为植物对重金属i的BCF，xmin和xmax分别为所有植物中重金属i的最小值和最大值。
1.4 数据分析方法
利用Excel 2017软件初步整理数据，并计算相关指数。使用SPSS 25软件采用单因素方差（One-way ANOVA）和LSD多重比较，分析根、茎和叶的重金属含量差异，使用Origin 2022软件绘制图表。
2. 结果与分析
2.1 土壤重金属含量
闽江福州段土壤中，6种重金属的含量见表2。与福州土壤背景值[15]相比，除了Pb低于背景值，其他元素均为背景值的1.05~1.50倍。其中，Cd的含量超背景值最高，为1.50倍。土壤样品中，6种元素的超标率依次为：Cd>Cu>Ni>Cr>Zn>Pb。变异系数反映不同样本间的变异程度，本研究中，土壤6种元素变异系数最大的为Cr，最小的为Cd（表2），表明各元素离散程度高，分布不均匀，不同点位含量差异较大；但Cd在空间上的变异较小。
表 2 土壤重金属含量Table 2. Contents of soil heavy metals重金属
Heavy metal均值
Mean / mg/kg标准差
SD变异系数
CV / %背景值
Background value / mg/kg超标率
Over-standard rate / %Cd 0.36 0.07 19.45 0.24 100 Cr 57.85 25.35 43.83 53 52.86 Cu 27.32 9.01 32.98 23 63.21 Ni 25.65 7.34 28.62 23 58.21 Pb 60.76 14.63 24.07 66 26.07 Zn 128.20 53.79 41.96 122 46.43 2.2 植物体内重金属含量
6种重金属在植物体内的含量差异较大（表3），表现为：Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>Cd。钻叶紫菀、羊蹄和白花鬼针草等8种植物的Cd含量均值超出土壤均值，含量最高的是钻叶紫菀（2.95 mg/kg），为土壤的8.19倍。16种植物的Cu含量超出土壤平均含量，其中酸浆含量最高，是土壤的3.61倍。Zn含量超出土壤平均值的有火炭母、白花鬼针草和假臭草等8种，其中火炭母含量最高（213.63 mg/kg），是土壤的1.67倍。Ni含量超过土壤平均值的仅有酸模叶蓼、羊蹄和紫茎泽兰等3种植物。未发现有超出土壤Cr和Pb平均含量的植物。
表 3 植物重金属含量平均值Table 3. Average value of heavy metal content in plants植物
Species重金属Heavy metal/ mg/kg Cd Cr Cu Ni Pb Zn 苍耳Xanthium strumarium L. 0.07 5.44 10.46 0.73 0.69 29.44 扯根菜Penthorum chinense Pursh 0.02 45.61 16.25 0.63 17.96 115.70 地桃花Urena lobata L. 0.30 24.29 33.03 1.11 6.96 154.77 白花鬼针草Bidens pilosa L. 1.05 51.55 77.72 24.51 24.37 190.71 蔊菜Rorippa indica Hiern 0.83 44.29 25.98 20.79 21.17 118.63 火炭母Persicaria chinensis H. Gross 0.55 30.95 23.64 12.85 8.99 213.63 藿香蓟Ageratum conyzoides L. 0.22 26.31 57.82 1.60 1.84 9.09 假臭草Praxelis clematidea Cassini 0.26 15.87 43.91 10.32 17.66 163.60 喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides Griseb. 0.10 44.45 46.23 9.35 21.87 137.33 龙葵Solanum nigrum L. 0.91 54.51 49.10 2.66 32.06 137.20 南美蟛蜞菊Sphagneticola trilobata Pruski 0.76 45.27 85.19 4.68 1.25 9.71 水葱Schoenoplectus tabernaemontani Palla 0.79 25.98 53.09 14.41 17.19 95.66 酸浆Alkekengi officinarum Moench 0.36 15.13 98.70 0.92 5.48 46.00 酸模叶蓼Persicaria lapathifolia S. F. Gray 0.08 32.09 47.48 51.35 30.64 158.32 野艾蒿Artemisia lavandulifolia Candolle 0.31 23.56 59.64 12.07 21.27 68.45 香蒲Typha orientalis Presl 0.24 27.86 30.80 10.83 18.33 67.10 小蓬草Erigeron canadensis L. 0.04 31.14 77.16 1.36 19.11 123.23 羊蹄Rumex japonicus Houtt. 1.22 41.60 48.52 44.69 24.79 75.55 紫茎泽兰Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson 0.30 51.52 93.98 65.14 28.88 132.21 钻叶紫菀Symphyotrichum subulatum G. L. Nesom 2.95 17.15 37.48 3.99 14.57 68.33 注：加粗数字表示高于土壤重金属平均含量。 Note: Bold numbers indicate higher than average heavy metal content in soil. 研究表明[6, 16]，一般植物体内Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 的正常含量分别为：0.20~3.00、 0.20~8.40、 5.00~30.00、 0.05~5.00 、 0.10~41.70、 1.00~150.00 mg/kg。本研究中，20种植物体内的Cd和Pb均在正常范围；除了苍耳，其他19种植物的Cr含量均高于正常范围；此外，16种植物的Cu含量高于正常范围；11种植物的Ni含量高于正常范围；5种植物的Zn含量高于正常范围。
2.3 植物不同器官的重金属含量差异
钻叶紫菀、白花鬼针草、羊蹄、龙葵和水葱的Cd含量高于土壤。其中，钻叶紫菀根、茎、叶的Cd含量均远高于其他植物，分别为土壤平均值的7.86、8.36和8.31倍，各器官间差异不显著（图1：A）。蔊菜根部Cd含量仅次于钻叶紫菀，且显著高于茎、叶部；白花鬼针草根、茎和叶部的Cd含量差异显著（P<0.05）。
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图 1 植物不同器官中的重金属含量不同小写字母表示同种植物不同部位重金属含量差异显著，P<0.05；虚线表示土壤重金属含量均值。1：苍耳；2：扯根菜；3：地桃花；4：白花鬼针草；5：蔊菜；6：火炭母；7：藿香蓟；8：假臭草；9：喜旱莲子草；10：龙葵；11：南美蟛蜞菊；12：水葱；13：酸浆；14：酸模叶蓼；15：野艾蒿；16：香蒲；17：小蓬草；18：羊蹄；19：紫茎泽兰；20：钻叶紫菀。Figure 1. Heavy metal content in different plant organsDifferent lowercase letters indicate different parts of the same plant, P<0.05. Black underlines indicate mean heavy metal content in soil. 1: Xanthium strumarium L.; 2: Penthorum chinense Pursh; 3: Urena lobata L.; 4: Bidens pilosa L.; 5: Rorippa indica Hiern; 6: Persicaria chinensis H. Gross; 7: Ageratum conyzoides L.; 8: Praxelis clematidea Cassini; 9: Alternanthera philoxeroides Griseb.; 10: Solanum nigrum L.; 11: Sphagneticola trilobata Pruski; 12: Schoenoplectus tabernaemontani Palla; 13: Alkekengi officinarum Moench; 14: Persicaria lapathifolia S. F. Gray; 15: Artemisia lavandulifolia Candolle; 16: Typha orientalis Presl; 17: Erigeron canadensis L.; 18: Rumex japonicus Houtt.; 19: Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson; 20: Symphyotrichum subulatum G. L. Nesom.20种植物对Cr的吸收能力较弱。南美蟛蜞菊的叶Cr含量高于土壤均值，是土壤的1.65倍，白花鬼针草和紫茎泽兰的根部、龙葵的茎和喜旱莲子草的叶Cr含量略高于土壤均值（图1：B）。
除了苍耳、蔊菜和火炭母Cu含量较低之外，其他植物整株或部分器官对Cu均有富集作用，且多数植物根部的Cu含量显著高于茎、叶（P<0.05）（图1：C）。
20种植物中，仅紫茎泽兰和羊蹄各器官的Ni含量均高于土壤平均值（图1：D），酸模叶蓼的根和叶、蔊菜的叶、白花鬼针草的根对Ni有一定的富集作用。20种植物的Pb含量均未超过土壤均值（图1：E）。
根、茎和叶中Zn含量均高于土壤均值的植物只有火炭母。地桃花、扯根菜和紫茎泽兰的叶片Zn含量高于土壤均值，且显著高于根、茎（P<0.05）。白花鬼针草、假臭草和酸模叶蓼的叶、茎Zn含量显著高于根（图1：F）。
总体来看，根和茎中重金属的含量表现为：Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>Cd，而叶中重金属的含量表现为：Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>Cd。Cd和Cr在器官中的含量表现为：叶>根>茎，Cu、Ni和Pb则表现为：根>叶>茎，而Zn含量表现为：叶>茎>根。
2.4 植物不同器官的重金属富集能力
不同植物对重金属的富集能力差异较大（图2）。钻叶紫菀、羊蹄、水葱、白花鬼针草和龙葵各器官的Cd富集系数均大于1，其中，钻叶紫菀根、茎和叶对Cd的富集系数分别为8.46、9.17和9.08，均位于20种植物富集系数之首。
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图 2 根（A）、茎（B）和叶（C）对不同重金属的富集系数Figure 2. BCF of roots (A), stems (B), and leaves (C) for different heavy metals白花鬼针草的根和茎对Cr的富集系数分别为1.19和1.18。南美蟛蜞菊的叶片对Cr的富集系数最高，为1.77。酸浆各器官的Cu富集系数均大于1。南美蟛蜞菊的根、地桃花的叶和白花鬼针草的茎对Cu的富集能力也较强，其富集系数分别为6.29、4.01和2.60。
紫茎泽兰对Ni具有较强的富集能力，其根、茎和叶的Ni富集系数均高于其他植物，分别为3.30、1.51和2.76。羊蹄3种器官的Ni富集系数也均大于1，分别为2.64、1.06和1.03。20种植物对Pb的富集系数均小于1。火炭母根、茎和叶的Zn富集系数分别为1.28、1.07和1.86。地桃花叶片对Zn的富集系数为3.02，龙葵根部和白花鬼针草茎对Zn的富集系数均为1.66。
总体来看，植物根部对不同重金属的富集系数依次为：Cu>Cd>Ni>Zn>Cr>Pb；茎对不同重金属的富集系数为：Cu>Cd>Zn>Cr>Ni>Pb；叶中则为：Cd>Cu>Zn>Ni>Cr>Pb。结果表明植物各器官对Cd和Cu的富集能力较高，对Pb的富集能力最差；茎对重金属的富集能力低于根和叶。
2.5 植物不同器官的重金属转运能力
本研究结果显示，南美蟛蜞菊对Cd的转运能力较强，茎和叶Cd转运系数均超过3。假臭草叶的Cd转运系数大于2（图3）。南美蟛蜞菊和小蓬草的叶对Cr具有较强的转运能力，转运系数分别为4.37和2.07。地桃花对Cu具有较高的转运能力，其茎和叶的转运系数分别为1.51和4.01。
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图 3 不同植物茎（A）和叶（B）的重金属转运系数Figure 3. TF of stems (A) and leaves (B) for different heavy metals蔊菜茎的Ni转运系数小于1，但其叶片的Ni转运系数高达20.16，是其他植物的5倍以上。野艾蒿、藿香蓟、地桃花和喜旱莲子草等4种植物叶的Ni转运系数在1.51~3.51。
地桃花的茎和叶对Zn的富集能力差异较大，其茎的转运系数为1.95，而叶为10.88。苍耳、南美蟛蜞菊、假臭草、小蓬草和白花鬼针草等植物的茎和叶的Zn转运系数均大于2。此外，南美蟛蜞菊、藿香蓟的茎和叶对Pb也具有较高的转运能力，转运系数均大于2，其中，南美蟛蜞菊叶的转运系数为5.90。
整体来看，20种植物对不同重金属的转运能力存在较大差异。茎的转运能力表现为：Zn>Cd>Pb>Cr>Ni>Cu，叶的转运能力则表现为：Zn>Ni>Cd>Cr>Pb>Cu，说明茎和叶对同一重金属的转运能力具有一定差异，但两者对Zn的转运能力均最高，而对Cu的转运能力最差，叶对各种重金属的转运能力均远高于茎。
2.6 植物对重金属的综合富集能力
由于20种植物对Pb的富集能力均较弱，富集系数均小于1，因此，本研究将植物对其余5种重金属的富集系数相加后的均值作为参数，计算每种植物的隶属函数和综合生物富集系数，结果见表4。
表 4 植物重金属综合生物富集指数Table 4. CBCI for heavy metals in plants植物
Species隶属函数u(xi) 综合生物富集指数
CBCI排名
RankCd Cr Cu Ni Zn 白花鬼针草 Bidens pilosa L. 0.33 1.00 0.72 0.38 1.00 0.686 1 紫茎泽兰 Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson 0.09 0.74 0.71 1.00 0.78 0.662 2 龙葵 Solanum nigrum L. 0.29 0.79 0.42 0.03 0.82 0.470 3 酸模叶蓼 Persicaria lapathifolia S. F. Gray 0.02 0.49 0.36 0.68 0.79 0.468 4 南美蟛蜞菊 Sphagneticola trilobata Pruski 0.24 0.78 1.00 0.07 0.01 0.420 5 羊蹄 Rumex japonicus Houtt. 0.41 0.43 0.25 0.62 0.32 0.405 6 火炭母 Persicaria chinensis H. Gross 0.16 0.57 0.12 0.18 0.98 0.403 7 钻叶紫菀 Symphyotrichum subulatum G. L. Nesom 1.00 0.25 0.34 0.05 0.37 0.401 8 小蓬草 Erigeron canadensis L. 0.01 0.59 0.78 0.01 0.62 0.400 9 蔊菜 Rorippa indica Hiern 0.25 0.66 0.13 0.25 0.62 0.382 10 假臭草 Praxelis clematidea Cassini 0.07 0.40 0.36 0.17 0.77 0.353 11 野艾蒿 Artemisia lavandulifolia Candolle 0.10 0.41 0.58 0.19 0.44 0.343 12 喜旱莲子草 Alternanthera philoxeroides Griseb. 0.03 0.47 0.30 0.12 0.76 0.334 13 水葱 Schoenoplectus tabernaemontani Palla 0.23 0.35 0.39 0.21 0.41 0.317 14 地桃花 Urena lobata L. 0.10 0.30 0.23 0.01 0.90 0.306 15 扯根菜 Penthorum chinense Pursh 0.00 0.80 0.05 0.00 0.59 0.289 16 酸浆 Alkekengi officinarum Moench 0.12 0.16 0.94 0.01 0.18 0.281 17 香蒲 Typha orientalis Presl 0.07 0.46 0.15 0.16 0.34 0.236 18 藿香蓟 Ageratum conyzoides L. 0.06 0.31 0.42 0.02 0.00 0.161 19 苍耳 Xanthium strumarium L. 0.02 0.00 0.00 0.00 0.17 0.038 20 注：加粗字体表示入侵植物。 Note: Bold fonts indicate invasive plants. 从隶属函数来看，对Cd、Cr、Cu、Ni和Zn富集能力最强的植物分别是钻叶紫菀、白花鬼针草、南美蟛蜞菊、紫茎泽兰、白花鬼针草。重金属综合生物富集能力排名前3的植物分别是白花鬼针草、紫茎泽兰和龙葵，其综合生物富集系数分别为0.686、0.662和0.470。苍耳的重金属综合富集指数小于0.1，各重金属隶属函数小于0.2，综合排名最低，且各部位对重金属的富集系数均小于1。
3. 讨论
3.1 植物对重金属的吸附特征
土壤重金属含量对植物体内的重金属含量具有一定影响，有研究认为，土壤中某种重金属的含量与植物体内相应的重金属含量呈正相关[17, 18]。本研究中，植物体内的重金属含量为Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>Cd，而土壤中重金属的含量则为Zn>Pb>Cr>Cu>Ni>Cd，两者顺序不完全相同，这说明植物对重金属的积累可能不仅仅受土壤重金属含量的影响。植物富集重金属的机理复杂，还受土壤pH值、重金属形态和土壤养分等因素的影响[19]。在多种重金属复合污染的土壤中，不同重金属之间的拮抗或协同作用也会对植物的富集产生影响[20]。
土壤中重金属的赋存形态是影响植物吸收的重要因素。一般来说，土壤重金属可以分为有效态（包括酸提取态、可还原态和可氧化态3种）和残渣态。其中，有效态重金属可以在一定条件下被植物吸收，而残渣态重金属不易被植物吸收[21]。本研究发现，20种植物对Cu和Cd的富集能力均较强，对其的富集系数均高于其他4种重金属。但研究区土壤的Cd浓度较低（0.36 mg/kg），这或许与Cd的生物有效态浓度有关，高浓度的Cd有效态会促进植物对其的吸收，导致植物具有较高的迁移富集系数[22, 23]。Cu作为植物必需的微量元素，主要存在于叶绿体中，是植物光合作用不可或缺的[24]。因此，植物会主动吸收部分土壤中的Cu。另一方面，土壤中Cu的生物有效态受Cr的影响较大，较高浓度的Cr会促进Cu转化为有效态[25]，从而有利于植物的吸收。研究区土壤Cr浓度为57.85 mg/kg，高于Cu浓度（27.32 mg/kg），这样的环境条件促进了植物对Cu的积累，陶长铸等[10]对闽江南港湿地芦苇Cu富集的研究也得出类似的结果。本研究中，20种植物对Pb的富集能力均较差，一方面是土壤Pb浓度较低，另一方面则是作为植物的非必需元素，Pb的生物有效性较低，难以被植物吸收转运[26]。后续可以结合闽江福州段河岸带土壤中的重金属赋存形态，对其与植物重金属富集的相关性展开深入研究。
植物对重金属吸收过程复杂[1]，表现为：土壤重金属经根系分泌的有机酸等物质活化后，与细胞壁结合或由细胞膜转运，进入植物体内；植物对重金属毒性做出应对后，会把重金属直接储存在根部，或经导管向地上部分运输，然后积累在叶片等营养器官。茎作为植物主要的传输器官，并非重金属的最终归属。因此，对重金属的富集能力方面，茎通常弱于其他营养器官。
3.2 河岸带重金属富集植物的筛选与应用
前人研究认为，重金属超富集植物应同时满足3个条件，分别为：植物体内重金属浓度高于环境中重金属浓度（即富集系数>1），地上器官重金属浓度高于根（即转运系数>1），植物体内重金属含量高于临界值（如Cd＝Cr≥100 mg/kg、Cu＝Ni≥1 000 mg/kg、Zn≥10 000 mg/kg）[27, 28]。本研究中，20种植物虽然未能达到重金属超富集植物的临界值，但部分植物的重金属浓度超出了正常植物，具有一定的重金属富集能力。其中，白花鬼针草的重金属综合富集能力最强，对Cd、Cu和Zn的富集系数较高，对修复重金属综合污染的土壤具有很好的应用潜力。前人对矿区生境下白花鬼针草的研究发现，其对Cd、Cu和Zn的富集系数均小于1[29, 30]，与本研究结果不同，且植物体内的重金属含量高于本研究。这可能是因为不同生境下植物对重金属的富集能力不同，矿区与河岸带的土壤重金属浓度以及其他理化性质差异较大，可能导致研究结果的不同。
本研究结果显示，紫茎泽兰具有较强的Cu-Ni-Zn综合污染土壤的修复能力，与刘月莉等[31]和周启武等[32]的野外调查结果相似。但白如霞等[33]则认为紫茎泽兰在自然条件下不具备重金属富集能力，因此，该结果有待进一步验证。龙葵对Cd和Cu的富集系数均大于1.50，具有一定污染土壤修复能力，这与严莲英等[34]在耕地上的研究结果类似，而李俊凯等[26]研究发现，矿区野生龙葵对Cd和Cu的富集系数均小于0.1，与本研究结果相差较大。而钻叶紫菀对Cd和Cu均具有较好的富集性，各器官的Cd富集系数甚至大于8，与陈伟等[35]的研究结果基本一致。但本研究中钻叶紫菀体内的Cd浓度较低，可能与土壤中Cd浓度较低有关。
本研究调查的20种植物中，白花鬼针草、紫茎泽兰、南美蟛蜞菊、钻叶紫菀、小蓬草、假臭草、喜旱莲子草和藿香蓟等8种植物属于入侵植物，对比本土植物，它们具有更强的重金属富集能力。从对重金属的综合富集能力来看，白花鬼针草和紫茎泽兰排在前两位，南美蟛蜞菊和钻叶紫菀则分别排名第5和第8，表明它们对重金属具有较强的耐受性。今后可进一步探讨这些入侵植物对重金属耐受性的机制，揭示其入侵机制，也为重金属污染土壤的修复以及入侵植物的防治奠定基础。
4. 结论
（1）闽江福州段河岸带土壤重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Zn浓度为背景值的1.05~1.50倍，Cd是主要生态危害元素。
（2）20种河岸带植物对Cu和Cd的富集能力最强。植物各器官对重金属的富集能力差异较大，根和叶富集能力强于茎，叶对重金属的转运能力大于茎。
（3）白花鬼针草、紫茎泽兰和龙葵等植物的重金属综合富集能力较强，具有修复重金属复合污染土壤的潜在应用价值，而钻叶紫菀具有较强的Cd富集能力。
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图 1 植物不同器官中的重金属含量
不同小写字母表示同种植物不同部位重金属含量差异显著，P<0.05；虚线表示土壤重金属含量均值。1：苍耳；2：扯根菜；3：地桃花；4：白花鬼针草；5：蔊菜；6：火炭母；7：藿香蓟；8：假臭草；9：喜旱莲子草；10：龙葵；11：南美蟛蜞菊；12：水葱；13：酸浆；14：酸模叶蓼；15：野艾蒿；16：香蒲；17：小蓬草；18：羊蹄；19：紫茎泽兰；20：钻叶紫菀。
Figure 1. Heavy metal content in different plant organs
Different lowercase letters indicate different parts of the same plant, P<0.05. Black underlines indicate mean heavy metal content in soil. 1: Xanthium strumarium L.; 2: Penthorum chinense Pursh; 3: Urena lobata L.; 4: Bidens pilosa L.; 5: Rorippa indica Hiern; 6: Persicaria chinensis H. Gross; 7: Ageratum conyzoides L.; 8: Praxelis clematidea Cassini; 9: Alternanthera philoxeroides Griseb.; 10: Solanum nigrum L.; 11: Sphagneticola trilobata Pruski; 12: Schoenoplectus tabernaemontani Palla; 13: Alkekengi officinarum Moench; 14: Persicaria lapathifolia S. F. Gray; 15: Artemisia lavandulifolia Candolle; 16: Typha orientalis Presl; 17: Erigeron canadensis L.; 18: Rumex japonicus Houtt.; 19: Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson; 20: Symphyotrichum subulatum G. L. Nesom.
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图 2 根（A）、茎（B）和叶（C）对不同重金属的富集系数
Figure 2. BCF of roots (A), stems (B), and leaves (C) for different heavy metals
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图 3 不同植物茎（A）和叶（B）的重金属转运系数
Figure 3. TF of stems (A) and leaves (B) for different heavy metals
表 1 样地信息
Table 1 Information of sample sites
样地
Site地理坐标
Coordinate海拔
Altitude / mM1 26°12′42″N，119°02′14″E 29 M2 26°11′36″N，119°04′10″E 20 M3 26°09′46″N，119°07′01″E 11 M4 26°07′02″N，119°11′27″E 11 M5 26°06′48″N，119°10′38″E 6 M6 26°08′07″N，119°08′43″E 15 B7 26°05′06″N，119°14′53″E 5 B8 26°04′40″N，119°15′08″E 4 N9 26°01′55″N，119°14′14″E 2 N10 26°01′36″N，119°14′24″E 6 N11 25°58′46″N，119°15′54″E 5 N12 25°38′41″N，119°18′20″E 6 
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表 2 土壤重金属含量
Table 2 Contents of soil heavy metals
重金属
Heavy metal均值
Mean / mg/kg标准差
SD变异系数
CV / %背景值
Background value / mg/kg超标率
Over-standard rate / %Cd 0.36 0.07 19.45 0.24 100 Cr 57.85 25.35 43.83 53 52.86 Cu 27.32 9.01 32.98 23 63.21 Ni 25.65 7.34 28.62 23 58.21 Pb 60.76 14.63 24.07 66 26.07 Zn 128.20 53.79 41.96 122 46.43
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表 3 植物重金属含量平均值
Table 3 Average value of heavy metal content in plants
植物
Species重金属Heavy metal/ mg/kg Cd Cr Cu Ni Pb Zn 苍耳Xanthium strumarium L. 0.07 5.44 10.46 0.73 0.69 29.44 扯根菜Penthorum chinense Pursh 0.02 45.61 16.25 0.63 17.96 115.70 地桃花Urena lobata L. 0.30 24.29 33.03 1.11 6.96 154.77 白花鬼针草Bidens pilosa L. 1.05 51.55 77.72 24.51 24.37 190.71 蔊菜Rorippa indica Hiern 0.83 44.29 25.98 20.79 21.17 118.63 火炭母Persicaria chinensis H. Gross 0.55 30.95 23.64 12.85 8.99 213.63 藿香蓟Ageratum conyzoides L. 0.22 26.31 57.82 1.60 1.84 9.09 假臭草Praxelis clematidea Cassini 0.26 15.87 43.91 10.32 17.66 163.60 喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides Griseb. 0.10 44.45 46.23 9.35 21.87 137.33 龙葵Solanum nigrum L. 0.91 54.51 49.10 2.66 32.06 137.20 南美蟛蜞菊Sphagneticola trilobata Pruski 0.76 45.27 85.19 4.68 1.25 9.71 水葱Schoenoplectus tabernaemontani Palla 0.79 25.98 53.09 14.41 17.19 95.66 酸浆Alkekengi officinarum Moench 0.36 15.13 98.70 0.92 5.48 46.00 酸模叶蓼Persicaria lapathifolia S. F. Gray 0.08 32.09 47.48 51.35 30.64 158.32 野艾蒿Artemisia lavandulifolia Candolle 0.31 23.56 59.64 12.07 21.27 68.45 香蒲Typha orientalis Presl 0.24 27.86 30.80 10.83 18.33 67.10 小蓬草Erigeron canadensis L. 0.04 31.14 77.16 1.36 19.11 123.23 羊蹄Rumex japonicus Houtt. 1.22 41.60 48.52 44.69 24.79 75.55 紫茎泽兰Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson 0.30 51.52 93.98 65.14 28.88 132.21 钻叶紫菀Symphyotrichum subulatum G. L. Nesom 2.95 17.15 37.48 3.99 14.57 68.33 注：加粗数字表示高于土壤重金属平均含量。 Note: Bold numbers indicate higher than average heavy metal content in soil.
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表 4 植物重金属综合生物富集指数
Table 4 CBCI for heavy metals in plants
植物
Species隶属函数u(xi) 综合生物富集指数
CBCI排名
RankCd Cr Cu Ni Zn 白花鬼针草 Bidens pilosa L. 0.33 1.00 0.72 0.38 1.00 0.686 1 紫茎泽兰 Ageratina adenophora R. M. King & H. Robinson 0.09 0.74 0.71 1.00 0.78 0.662 2 龙葵 Solanum nigrum L. 0.29 0.79 0.42 0.03 0.82 0.470 3 酸模叶蓼 Persicaria lapathifolia S. F. Gray 0.02 0.49 0.36 0.68 0.79 0.468 4 南美蟛蜞菊 Sphagneticola trilobata Pruski 0.24 0.78 1.00 0.07 0.01 0.420 5 羊蹄 Rumex japonicus Houtt. 0.41 0.43 0.25 0.62 0.32 0.405 6 火炭母 Persicaria chinensis H. Gross 0.16 0.57 0.12 0.18 0.98 0.403 7 钻叶紫菀 Symphyotrichum subulatum G. L. Nesom 1.00 0.25 0.34 0.05 0.37 0.401 8 小蓬草 Erigeron canadensis L. 0.01 0.59 0.78 0.01 0.62 0.400 9 蔊菜 Rorippa indica Hiern 0.25 0.66 0.13 0.25 0.62 0.382 10 假臭草 Praxelis clematidea Cassini 0.07 0.40 0.36 0.17 0.77 0.353 11 野艾蒿 Artemisia lavandulifolia Candolle 0.10 0.41 0.58 0.19 0.44 0.343 12 喜旱莲子草 Alternanthera philoxeroides Griseb. 0.03 0.47 0.30 0.12 0.76 0.334 13 水葱 Schoenoplectus tabernaemontani Palla 0.23 0.35 0.39 0.21 0.41 0.317 14 地桃花 Urena lobata L. 0.10 0.30 0.23 0.01 0.90 0.306 15 扯根菜 Penthorum chinense Pursh 0.00 0.80 0.05 0.00 0.59 0.289 16 酸浆 Alkekengi officinarum Moench 0.12 0.16 0.94 0.01 0.18 0.281 17 香蒲 Typha orientalis Presl 0.07 0.46 0.15 0.16 0.34 0.236 18 藿香蓟 Ageratum conyzoides L. 0.06 0.31 0.42 0.02 0.00 0.161 19 苍耳 Xanthium strumarium L. 0.02 0.00 0.00 0.00 0.17 0.038 20 注：加粗字体表示入侵植物。 Note: Bold fonts indicate invasive plants.
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