Alternate wetting and drying irrigation increases water and phosphorus use efficiency independent of substrate phosphorus status of vegetative rice plants

Abstract

Sustainable approaches to rice cultivation that apply less irrigation and chemical fertilisers are required to increase crop resource use efficiency. Although alternate wetting and drying (AWD) has been widely promoted as a water-saving irrigation technique, its interactions with phosphorus (P) nutrition have attracted little attention. Vegetative rice plants were grown with two phosphorus levels, fertilised (HP) or un-fertilised (LP), and either continuous flooding (CF) or AWD irrigation. Treatment effects on substrate P bioavailability (measured by Diffusive Gradients in Thin films – DGT-P), plant and substrate water relations, and foliar phytohormone status, were assessed along with P partitioning in planta. Shoot biomass and leaf area under different irrigation treatments depended on substrate P status (significant P x irrigation interaction), since LP decreased these variables under CF, but had no significant effect on plants grown under AWD. AWD maintained DGT-P concentrations and increased maximal root length, but decreased root P concentrations and P offtake. Substrate drying decreased stomatal conductance (gs) and leaf water potential (Ψleaf) but re-flooding increased gs. AWD increased foliar abscisic acid (ABA), isopentenyl adenine (iP) and 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) concentrations, but decreased trans-zeatin (tZ) and gibberellin A1 (GA1) concentrations. Low P increased ACC and jasmonic acid (JA) concentrations but decreased gibberellin A4 (GA4) concentrations. Across all treatments, stomatal conductance was negatively correlated with foliar ABA concentration but positively correlated with GA1 concentration. Changes in shoot phytohormone concentrations were associated with increased water and phosphorus use efficiency (WUE and PUE) of vegetative rice plants grown under AWD.

Se requieren enfoques sostenibles para el cultivo de arroz que apliquen menos riego y fertilizantes químicos con el fin de aumentar la eficiencia en el uso de recursos del cultivo. Aunque el riego con alternancia de riego y secado (AWD) se ha promovido ampliamente como una técnica de riego que ahorra agua, sus interacciones con la nutrición de fósforo (P) han recibido poca atención. Se cultivaron plantas de arroz en fase vegetativa con dos niveles de fósforo, plantas fertilizadas (HP) o no fertilizadas (LP), y con riego continuo por inundación (CF) o riego AWD. Se evaluaron los efectos de los distintos tratamiento en la bioaccesibilidad de P en el sustrato (medida por Gradientes Difusivos en Películas Delgadas - DGT-P), las relaciones hídricas de las plantas y el sustrato, y los cambios hormonales a nivel de hoja, junto con la distribución de P en la planta. La biomasa de la parte aérea y el área foliar bajo diferentes tratamientos de riego dependieron de las concentraciones de P en el sustrato (interacción significativa P x riego), ya que el tratamiento LP disminuyó estas variables bajo el riego CF, pero no tuvo un efecto significativo en las plantas cultivadas bajo AWD. El AWD mantuvo las concentraciones de DGT-P y aumentó la longitud máxima de las raíces, pero disminuyó las concentraciones de P en las raíces y la extracción de P del suelo. El secado del sustrato disminuyó la conductancia estomática (gs) y el potencial hídrico de la hoja (Ψleaf), pero la re-inundación aumentó gs. El AWD aumentó las concentraciones foliares de ácido abscísico (ABA), isopentenil adenina (iP) y ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC), pero disminuyó las concentraciones de trans-zeatina (tZ) y giberelina A1 (GA1). El P bajo aumentó las concentraciones de ACC y ácido jasmónico (JA), pero disminuyó las concentraciones de giberelina A4 (GA4). En todos los tratamientos, la conductancia estomática se correlacionó negativamente con la concentración foliar de ABA pero positivamente con la concentración de GA1. Los cambios en las concentraciones fitohormonales de la parte aérea se asociaron con un aumento en la eficiencia en el uso del agua y del fósforo (WUE y PUE) de las plantas de arroz en fase vegetativa cultivadas bajo AWD.