本研究论文由Daniel Schmitz、Johanna Girardi、Jellian Jamin、Mirco Bundschuh、Benedict Geng、Rico Feldmann、Verena Rösch、Kai Riess和Jens Schirmel等人合作完成，主要作者隶属于德国凯泽斯劳滕-兰道大学（University of Kaiserslautern-Landau, RPTU）环境科学研究所，部分作者来自瑞典农业科学大学水生科学与评估系以及兰道Eusserthal生态系统研究站。该论文发表于MDPI旗下的开放获取期刊《Plants》，于2023年1月19日正式刊出，文章编号为12, 481。
该研究属于植物生态学与环境污染交叉领域，重点关注铜污染对河岸带植物生长的影响以及入侵植物与本地植物对重金属胁迫响应的差异。铜作为农业杀菌剂自19世纪以来被广泛使用，由于铜在土壤中不易降解，长期施用导致农业土壤铜含量显著累积，欧洲部分葡萄园土壤铜含量可达600 mg kg⁻¹，远高于未污染地区的20–100 mg kg⁻¹。铜可通过喷雾漂移、地表径流和地下水排水等途径从农业土壤迁移至邻近水域，并在河流沉积物中富集，洪水期再悬浮后被输送至河岸带生态系统，对本地植物群落构成潜在威胁。虽然铜是植物必需的微量元素，参与酶活性和叶绿素合成，但高浓度铜会引发氧化胁迫、DNA损伤、细胞膜破裂和叶绿体异常，从而抑制光合作用和养分运输。不同植物对铜的耐受性存在差异，而这种差异可能影响植物群落的竞争格局。入侵植物日本虎杖（Fallopia japonica）在欧洲中部广泛分布，具有快速形成高地上和地下生物量的能力，常通过密集冠层和改变土壤氮组成排挤本地植物。已有研究表明蓼属入侵植物对重金属包括铜具有较高耐受性，但本地物种荨麻（Urtica dioica）虽也被认为对重金属有一定耐受能力，关于其在高浓度铜胁迫下的响应数据仍然缺乏。因此，本研究的核心目标是比较土壤铜浓度梯度对入侵植物日本虎杖与本地植物荨麻生长、生物量分配和铜吸收积累的影响，以明确二者对铜污染胁迫的敏感性差异及其对入侵过程的潜在意义。
研究采用野外盆栽实验，实验地点位于德国莱茵兰-普法尔茨州Siebeldingen的Julius Kühn研究所开放场地。2020年4月建立实验体系，持续至2021年9月，覆盖两个完整生长季。共设置100个直径63 cm的盆栽，盆底铺设5 cm砾石作为排水层，填充70 L当地三叠纪砂岩砂和20 L天然河岸带表层土（0–25 cm）的混合基质，河岸带土壤采自附近未受污染的Palatinate森林生物圈保护区。每盆添加10 g氮磷钾复合肥（6-6-9）和9 g微量元素肥料，第二年生长季重复施肥，最终土壤pH均值为7.5。实验采用双因素随机区组设计，植物种类（日本虎杖和荨麻）与土壤铜浓度为处理因子。铜以五水硫酸铜（CuSO₄）溶液形式施加，设定0、90、270、810和2430 mg Cu kg⁻¹土壤五个浓度水平，每种处理组合重复10次。铜添加后，利用王水消解结合电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）在实验初始和结束时分别测定土壤总铜含量，实测值与名义浓度偏差不超过15%，验证了添加方案的可靠性。2020年6月将两种植物的根茎种植入盆，每盆均匀放置4段约5 cm长的根茎，每段至少含一个节以保证再生能力。实验期间根据天气条件补充灌溉，每周清除盆内其他自发植物以减少干扰。最高浓度2430 mg kg⁻¹处理组所有植物均死亡，因此后续分析中剔除了该处理水平。
植物生长参数在2021年4月至8月期间每两周测量一次，共记录10个时间点，测量指标包括株高、叶片数和叶绿素含量。株高定义为土壤表面至最高茎伸展顶端的距离，叶片数通过人工计数获得，叶绿素含量使用SPAD-502叶绿素仪在每株植物上随机选择三片健康叶片测定，其输出值与叶绿素含量成正比。2021年9月收获植物，将地上部分和地下部分分开，在60 °C下干燥4天后称重，获得地上和地下生物量数据。植物铜含量分析方面，将干燥的地上部分（茎和叶）、根和根茎分别研磨成粉末，每种植物、每个植物部位、每个铜处理水平取5个重复样本，共制备120个样本。样本经王水消解后使用ICP-OES在327.395 nm波长下测定铜浓度。统计分析使用R 4.0.5进行，采用线性混合效应模型（liner mixed-effects models, lmer），分别对两种植物建模。固定效应为铜处理水平，随机效应包括区组和茎数（每盆存活个体数）。株高、叶片数和叶绿素含量模型中还纳入时间及时间×铜处理交互作用。显著性检验采用car包的ANOVA命令。
研究结果显示，铜污染对两种植物的生长均产生负面影响，但响应阈值存在明显差异。日本虎杖的株高和叶片数从810 mg kg⁻¹处理开始显著下降，对照处理平均株高26.8 ± 12.9 cm，810 mg kg⁻¹处理降至21.4 ± 12.6 cm，降幅约25%；叶片数从对照的56.2 ± 37.4片降至43.0 ± 26.0片，减少约25%。荨麻的生长抑制则在270 mg kg⁻¹即已显现，株高由对照的35.7 ± 22.9 cm降至810 mg kg⁻¹的30.0 ± 22.3 cm，叶片数由140.0 ± 131.9片降至73.6 ± 72.2片，降幅约50%。这表明荨麻对铜的敏感阈值低于日本虎杖。叶绿素含量则表现出与预期相反的趋势，两种植物的叶绿素含量均随铜浓度升高而显著增加，日本虎杖叶绿素值从对照的21.1 ± 5.7升至810 mg kg⁻¹的23.1 ± 6.0，增幅约10%；荨麻从27.3 ± 7.2升至30.6 ± 13.1。研究认为，这可能是因为铜胁迫导致叶片脱落，剩余叶片通过提高叶绿素含量补偿光合能力损失，类似于植物对植食动物取食的补偿响应。生物量方面，日本虎杖的地上和地下生物量随铜浓度增加显著下降，对照处理地上生物量72.1 ± 24 g，810 mg kg⁻¹处理降至32.5 ± 28 g，下降约一半；地下生物量从228.2 ± 98.5 g降至114.6 ± 126 g。荨麻的生物量虽然也呈下降趋势，但统计上未达到显著水平，这主要与对照处理生物量较低以及90 mg kg⁻¹处理生物量高于对照有关，可能反映了轻度胁迫下的激素效应（hormesis）。
植物组织铜含量分析显示，荨麻的绝对铜含量在几乎所有处理水平和植物部位中均高于日本虎杖。在810 mg kg⁻¹处理下，荨麻地上部分铜含量为24 ± 11.9 mg g⁻¹，约为日本虎杖（9.7 ± 5.9 mg g⁻¹）的2.5倍；根茎中荨麻铜含量为69.0 ± 33.9 mg g⁻¹，日本虎杖为30.4 ± 31.9 mg g⁻¹。唯一的例外是在810 mg kg⁻¹处理下，日本虎杖根部铜含量（17.1 ± 9.5 mg g⁻¹）比荨麻（11.7 ± 2.1 mg g⁻¹）高46%。尽管绝对含量较低，日本虎杖相对于对照的铜积累倍数却更高。日本虎杖根茎铜含量从对照的1.3 ± 1.0 mg g⁻¹增至810 mg kg⁻¹的30.4 ± 31.9 mg g⁻¹，增加了2238%；荨麻根茎铜含量从9.4 ± 13.5 mg g⁻¹增至69.0 ± 33.9 mg g⁻¹，增加了634%。地上部分和根部的相对增幅也呈现类似趋势。两种植物的铜主要富集于地下部分，尤其是根茎，日本虎杖根茎铜含量在最高处理下是根部的大约两倍、地上部分的三倍。这些结果表明，日本虎杖可能通过更有效地调节铜的吸收和内部解毒机制，在高铜胁迫下维持生长优势。
综合以上结果，本研究的核心结论是：土壤铜污染对入侵植物日本虎杖和本地植物荨麻的生长均具有抑制作用，但本地物种荨麻对铜更为敏感，其生长抑制阈值（270 mg kg⁻¹）低于日本虎杖（810 mg kg⁻¹）。日本虎杖组织中的绝对铜浓度低于荨麻，但相较于对照的积累倍数更高，说明其具有更强的铜吸收调节能力和内部解毒效率。这种对铜胁迫的较高耐受性可能赋予日本虎杖在重金属污染生境中的竞争优势，从而加速其在受农业活动影响的河岸带生态系统中的入侵进程。本研究的科学价值在于揭示了铜污染与生物入侵之间的潜在协同效应，表明农业活动引起的铜污染不仅直接胁迫河岸植物群落，还可能通过改变本地与入侵物种之间的竞争平衡，间接推动入侵植物的扩散。这一发现对于理解多重环境压力下河岸带生态系统的退化机制以及制定相应的入侵物种管理和土壤污染修复策略具有参考价值。
本研究的亮点体现在三个方面：一是采用长期野外盆栽实验，覆盖两个完整生长季，较为真实地模拟了自然条件下铜污染对植物的持续暴露效应；二是直接比较了生态系统中竞争关系密切的入侵植物与本地植物对同一重金属胁迫的响应差异，为理解入侵机制提供了实验证据；三是通过分析不同植物部位（地上、根、根茎）的铜含量及其相对积累倍数，揭示了绝对浓度与相对积累率在植物耐受性评价中的不同意义，强调了铜解毒效率可能在入侵植物竞争优势中发挥关键作用。这些结果为后续开展重金属污染背景下的植物竞争实验和入侵预测模型研究提供了数据基础。