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长期、大量使用化学除草剂会给杂草可持续治理、食品安全、环境质量等带来很多负面影响。我国是水稻(Oryza sativa L.)种植大国，秸秆来源广，利用其释放的化感物质控制杂草，能有效降低农业生产对化学除草剂的依赖，同时，秸秆还田还能提高土壤肥力，提升废弃物资源化利用效率。
研究以化感水稻PI312777(PI)和非化感水稻Lemont(LE)为材料，分析秸秆还田后化感物质与微生物群落的变化规律，并对其互作机理进行解析，阐述了化感效应和土壤肥力的演变特性。研究结果表明：
(1)PI产生的化感物质使受体可溶性蛋白质和叶绿素含量明显降低
两种水稻秸秆化感潜力差异显著，其中PI秸秆产生的化感物质能显著抑制受体可溶性蛋白的合成，使其体内游离态氨基酸累积。可溶性蛋白合成受阻直接影响细胞膜和各种代谢酶的功能，同时使得光合作用关键酶的活性降低，受体叶绿素含量减少，生长受阻。
(2)PI含更丰富的酚酸、黄酮、苯甲酸及其衍生物等芳香族类化合物，其分子结构的酚羟基活性基团具有生物毒理性
采用HPLC-MS/MS分析检测了PI和LE秸秆中的化学成分，分别检出86种和74种组分。二者检测出的化学组分多数相似，但PI含更丰富的酚酸类、黄酮类、苯甲酸及其衍生物等芳香族类化合物，其分子结构上的酚羟基具有一定的生物毒理性。这些芳香族类化合物通过与土壤微生物互作，与其他类物质，如水蓼二醛(Polygodial)等，发生加合、协同作用，化感活性进一步提升。
(3)不同化合物的环境行为差异大，化感物质的作用半径与其在土壤中的淋滤能力关系密切
在9种供试化学物质中，除草剂丙草胺(Pretilachlor )和杀虫剂吡虫啉(Imidacloprid)在土壤中的淋滤能力最强(Lf＞0.8)，香草醛(Vanillin)和香豆素(Coumarin)(Lf＞0.6)其次，黄豆苷元(Daidzein)、薄荷醇(Menthol)和间酪氨酸(m-tyrosine)的淋滤性中等(0.3＜Lf＜0.6)，而对香豆酸(p-coumaric acid)和对羟基苯甲酸(p-hydroxybenzoic acid)最弱(Lf＜0.3)。化感物质1:1混合组合的淋滤能力强于组分中任一化感物质，具有联合迁移优势。各化学物质不同的迁移能力与其分子的基团、极性、溶解性等紧密相关，直接关系到其化感效应的作用半径。
(4)化感物质在土壤中的迁移与微生物存在互作效应，直接影响其化感活性的强弱
化学物质在土壤中的迁移使某些特定细菌和放线菌类群富集，表现出选择性适应特征；同时，土壤微生物也能影响化感物质在土壤中的迁移能力，使化感物质的作用范围、活性发生变化。丙草胺和吡虫啉对莴苣(Lactuca sativa L.)种子萌发的抑制作用表现为浓度抑制型，具有独立作用的特点，而化感物质的抑制作用与土壤微生物关系更为密切，表现为化感物质-微生物互作调控型。
(5)改进后的化感潜力评价模型更好地诠释了土壤微生物与化感源互作中的“两面性”角色
鉴于Liebman和Sundberg化感潜力评价模型的局限性，研究提出了新的假设：将微生物视为加入土壤的“试剂”，并采用干扰潜力代替发芽抑制率指标，改进了评价模型，清晰地评估了3种“化感源”(水提液、秸秆残渣和新鲜秸秆)的化感潜力。研究表明，化感源的化感潜力与微生物作用密切相关，秸秆在微生物的作用下，化感物质先增加后减少，其化感抑制作用呈现出先由弱变强，再由强至弱，最后转变为轻微的促进作用。微生物是实现从化感协同作用向化感拮抗作用转变的关键角色，具有明显的“两面性”作用。
(6)细菌群落结构在秸秆土壤培养过程中呈现出明显的阶段性特征
秸秆在土壤培养过程中，细菌群落结构变化表现出“四段式”变化特征。第一阶段为优势菌种的快速发育期(0-2天)：厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌(Actinobacteria)等优势细菌种群迅速繁殖，细菌总量和多样性呈指数增长；第二阶段为细菌物种筛选期(2-8天)：细菌总数和多样性有所下滑，呈现出一定的筛选性，如噬几丁质菌属(Chitinophaga)、肠杆菌属(Enterobacter)和假单胞菌(Pseudomonas)均为这一阶段选择性适应群种；第三阶段为恢复期(8-16天)：细菌总数和多样性出现反弹，表现为筛选后的恢复特征；第四阶段为成熟期(16-32天)：细菌总数和多样性处于稳定，表现为稳定性的特征。
(7)化感水稻秸秆还田“窗口期”营造了抑制杂草萌发、生长的微环境化感和非化感水稻秸秆还田都能提高土壤有机质(SOM)、微生物量C、N(BC，BN)等含量，但化感水稻PI秸秆还田存在化感效应“窗口期”(秸秆还田后2-32天)。在“窗口期”内，化感物质在土壤中的环境行为及与微生物的耦合效应引起了土壤理化特性的变化，抑制了土壤脲酶的活性，降低速效氮(AN)的水平，造成有效营养物质的缺失，形成了可抑草的微生态环境。
(8)化感水稻秸秆还田“窗口期”后期土壤肥力明显提升
“窗口期”后，随着化感物质作为碳源逐渐被微生物降解，土壤碳池扩大，SOM，BC和BN等肥力因子开始提升。处理组的发芽率逐渐升高，到32天时，与空白对照组无差异，表现为抑制效应解除；到64天时，其发芽率优于空白对照，化感综合效应表现为促进效应，实现由“化感抑制”向“培肥作用”的切换。利用好窗口期的化感抑制效应和后窗口期的土壤培肥效应能实现环境友好型除草和土壤肥力提升的有机统一。
研究以化感水稻PI312777(PI)和非化感水稻Lemont(LE)为材料，分析秸秆还田后化感物质与微生物群落的变化规律，并对其互作机理进行解析，阐述了化感效应和土壤肥力的演变特性。研究结果表明：
(1)PI产生的化感物质使受体可溶性蛋白质和叶绿素含量明显降低
两种水稻秸秆化感潜力差异显著，其中PI秸秆产生的化感物质能显著抑制受体可溶性蛋白的合成，使其体内游离态氨基酸累积。可溶性蛋白合成受阻直接影响细胞膜和各种代谢酶的功能，同时使得光合作用关键酶的活性降低，受体叶绿素含量减少，生长受阻。
(2)PI含更丰富的酚酸、黄酮、苯甲酸及其衍生物等芳香族类化合物，其分子结构的酚羟基活性基团具有生物毒理性
采用HPLC-MS/MS分析检测了PI和LE秸秆中的化学成分，分别检出86种和74种组分。二者检测出的化学组分多数相似，但PI含更丰富的酚酸类、黄酮类、苯甲酸及其衍生物等芳香族类化合物，其分子结构上的酚羟基具有一定的生物毒理性。这些芳香族类化合物通过与土壤微生物互作，与其他类物质，如水蓼二醛(Polygodial)等，发生加合、协同作用，化感活性进一步提升。
(3)不同化合物的环境行为差异大，化感物质的作用半径与其在土壤中的淋滤能力关系密切
在9种供试化学物质中，除草剂丙草胺(Pretilachlor )和杀虫剂吡虫啉(Imidacloprid)在土壤中的淋滤能力最强(Lf＞0.8)，香草醛(Vanillin)和香豆素(Coumarin)(Lf＞0.6)其次，黄豆苷元(Daidzein)、薄荷醇(Menthol)和间酪氨酸(m-tyrosine)的淋滤性中等(0.3＜Lf＜0.6)，而对香豆酸(p-coumaric acid)和对羟基苯甲酸(p-hydroxybenzoic acid)最弱(Lf＜0.3)。化感物质1:1混合组合的淋滤能力强于组分中任一化感物质，具有联合迁移优势。各化学物质不同的迁移能力与其分子的基团、极性、溶解性等紧密相关，直接关系到其化感效应的作用半径。
(4)化感物质在土壤中的迁移与微生物存在互作效应，直接影响其化感活性的强弱
化学物质在土壤中的迁移使某些特定细菌和放线菌类群富集，表现出选择性适应特征；同时，土壤微生物也能影响化感物质在土壤中的迁移能力，使化感物质的作用范围、活性发生变化。丙草胺和吡虫啉对莴苣(Lactuca sativa L.)种子萌发的抑制作用表现为浓度抑制型，具有独立作用的特点，而化感物质的抑制作用与土壤微生物关系更为密切，表现为化感物质-微生物互作调控型。
(5)改进后的化感潜力评价模型更好地诠释了土壤微生物与化感源互作中的“两面性”角色
鉴于Liebman和Sundberg化感潜力评价模型的局限性，研究提出了新的假设：将微生物视为加入土壤的“试剂”，并采用干扰潜力代替发芽抑制率指标，改进了评价模型，清晰地评估了3种“化感源”(水提液、秸秆残渣和新鲜秸秆)的化感潜力。研究表明，化感源的化感潜力与微生物作用密切相关，秸秆在微生物的作用下，化感物质先增加后减少，其化感抑制作用呈现出先由弱变强，再由强至弱，最后转变为轻微的促进作用。微生物是实现从化感协同作用向化感拮抗作用转变的关键角色，具有明显的“两面性”作用。
(6)细菌群落结构在秸秆土壤培养过程中呈现出明显的阶段性特征
秸秆在土壤培养过程中，细菌群落结构变化表现出“四段式”变化特征。第一阶段为优势菌种的快速发育期(0-2天)：厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌(Actinobacteria)等优势细菌种群迅速繁殖，细菌总量和多样性呈指数增长；第二阶段为细菌物种筛选期(2-8天)：细菌总数和多样性有所下滑，呈现出一定的筛选性，如噬几丁质菌属(Chitinophaga)、肠杆菌属(Enterobacter)和假单胞菌(Pseudomonas)均为这一阶段选择性适应群种；第三阶段为恢复期(8-16天)：细菌总数和多样性出现反弹，表现为筛选后的恢复特征；第四阶段为成熟期(16-32天)：细菌总数和多样性处于稳定，表现为稳定性的特征。
(7)化感水稻秸秆还田“窗口期”营造了抑制杂草萌发、生长的微环境化感和非化感水稻秸秆还田都能提高土壤有机质(SOM)、微生物量C、N(BC，BN)等含量，但化感水稻PI秸秆还田存在化感效应“窗口期”(秸秆还田后2-32天)。在“窗口期”内，化感物质在土壤中的环境行为及与微生物的耦合效应引起了土壤理化特性的变化，抑制了土壤脲酶的活性，降低速效氮(AN)的水平，造成有效营养物质的缺失，形成了可抑草的微生态环境。
(8)化感水稻秸秆还田“窗口期”后期土壤肥力明显提升
“窗口期”后，随着化感物质作为碳源逐渐被微生物降解，土壤碳池扩大，SOM，BC和BN等肥力因子开始提升。处理组的发芽率逐渐升高，到32天时，与空白对照组无差异，表现为抑制效应解除；到64天时，其发芽率优于空白对照，化感综合效应表现为促进效应，实现由“化感抑制”向“培肥作用”的切换。利用好窗口期的化感抑制效应和后窗口期的土壤培肥效应能实现环境友好型除草和土壤肥力提升的有机统一。