Effects of water management on microclimate and yield physiology in irrigated rice in semi-arid environments

Growth and grain yield reductions have been widely observed when traditionally flooded rice fields were subjected to water-saving irrigation measures, where a continuous floodwater layer is avoided. These observations led to the perception of rice being a plant extremely sensitive to soil water deficits even when grown in soils close to their water holding capacity. Since the rice plant’s meristem is below the water surface until the early reproductive stage in flooded fields, the difference in heat capacity between water and air can lead to changes in meristem temperature, when a ponded water layer is omitted. Therefore, the objectives of this study were to quantify the effects of water-saving irrigation on the field’s microclimate and its influence on gas-exchange parameters and to investigate growth and yield parameters under flooded and non-flooded conditions in response to microclimate and varying climatic conditions. On two sites in Senegal, field experiments were conducted, where rice was sown on bi-monthly staggered dates and grown under flooded and non-flooded conditions. In the flooded treatment, a ponded water layer was maintained in the field throughout the growing season, whereas in the non-flooded treatment, irrigation water was applied until soil saturation on a frequent basis, in order to avoid standing water and soil water deficits at the same time. Microclimatic parameters and phenology were observed and leaf gas-exchange and plant growth parameters, yield and yield components were determined. Minimum soil temperature and temperature at meristem level were usually lower without standing water, whereupon temperature differences between irrigation treatments increased with decreasing air temperature. Stomatal conductance depended mainly on minimum soil and meristem temperature and minimum relative humidity inside the canopy. Assimilation rate was positively correlated with solar radiation and soil and meristem temperature, but depended mainly on stomatal conductance. Without standing water, stomatal conductance and assimilation rate were significantly lower, but the results could be explained with differences in microclimate. In most cases, leaf area was reduced under non-flooded conditions. Leaf area expansion rate was correlated with meristem temperature during the night. With minimum meristem temperature being lower under non-flooded conditions, lower leaf area expansion rates under non-flooded conditions could be attributed to lower meristem temperature. Yield reductions under non-flooded conditions were mainly observed in the cold-dry-season, whereas slight yield increases were found in the hot-wet-season. Among the yield components, reduced number of spikelets per panicle and decreased spikelet fertility accounted for the largest share of the yield gap. Leaf area per tiller was positively correlated with meristem temperature in the observed temperature range, and a positive relationship was found between leaf area per tiller and the number of spikelets per panicle. Furthermore, spikelet fertility increased with meristem temperature between panicle initiation and booting stage. Therefore, lower meristem temperature led to smaller leaf area per tiller, less spikelets per panicle and decreased spikelet fertility under non-flooded conditions. We concluded that water-saving irrigation in lowland rice production can lead to growth and yield reductions in comparison to traditional lowland irrigation even in the absence of soil water deficits, due to changes in soil and meristem temperature when a ponded water layer is omitted. Differences in assimilation rate, leaf growth and yield between irrigation treatments increased with decreasing air temperature and a clear seasonal pattern was observed, with large growth and yield reductions in the cold-dry-season, whereas in the hot-wet-season, growth and yield were less affected by irrigation treatment. When water-saving irrigation measures are applied in areas where night temperatures below 20°C occur, the effect of changes in meristem temperature should be considered. To mitigate impairment of growth under water-saving irrigation, a floodwater layer could be used to bridge cool periods, or a less temperature-responsive variety should be chosen. Nevertheless, the physiological mechanisms of the differential effects of day and night temperature remain unknown und need further investigation. Possibly, there is a combined effect of low night temperature and high evaporative demand during the day, which could lead to growth limitations due to restrictions of the plant’s water status. Furthermore, we want to highlight the need for a robust model of water temperature in paddy fields, which should be incorporated in rice growth models, since even tough existing models simulate growth and grain yield under upland and lowland conditions, the effects of changes in microclimate due to irrigation method are inadequately considered so far. Bei der Anwendung von wassersparenden BewA¤sserungsmethoden, bei denen eine kontinuierliche Aœberstauung vermieden wird, in traditionell A¼berstauten Reisfeldern, wurden hA¤ufig Wachstumsminderungen und ErtragseinbuAŸen beobachtet. Da sich das Meristem von Reispflanzen in A¼berstauten Feldern bis in die frA¼he reproduktive Phase unterhalb der WasseroberflA¤che befindet, kA¶nnen bei Vermeidung der Aœberstauung die unterschiedlichen WA¤rmekapazitA¤ten von Wasser und Luft zu VerA¤nderungen der Meristemtemperatur fA¼hren. Das Ziel dieser Studie war daher, den Einfluss von wassersparender BewA¤sserung auf das Mikroklima im Feld und seinen Einfluss auf Gaswechselparameter zu quantifizieren und Reaktionen von Wachstums- und Ertragsparametern unter A¼berstauten und nicht-A¼berstauten Bedingungen auf das Mikroklima und variende klimatische Bedingungen zu untersuchen. Es wurden Feldversuche an zwei Standorten im Senegal durchgefA¼hrt. Dabei wurde Reis alle zwei Montae ausgesA¤t und jeweils unter A¼berstauten und nicht-A¼berstauten Bedingungen angebaut. Beobachtet wurden Mikroklima und PhA¤nologie und sowohl Gaswechsel- und Wachstumsparamter, als auch Ertag und Ertragskomponenten wurden bestimmt. Die minimale Bodentemperatur und die Minimaltemperatur auf Meristemebene waren niedriger unter nicht-A¼berstauten Bedingungen, wobei die Temperaturunterschiede zwischen den beiden Behandlungen mit sinkender Lufttemperatur zunahmen. Die stomatA¤re LeitfA¤higkeit war hauptsA¤chlich von der minimalen Boden- und Meristemtemperatur und der minimalen relativen Luftfeuchte innerhalb des Bestands abhA¤ngig. Die Assimilationsrate war positiv mit der Sonneneinstrahlung und der Boden- und Meristemtemperatur korreliert, jedoch hauptsA¤chlich von der stomatA¤ren LeitfA¤higkeit abhA¤ngig. StomatA¤re LeitfA¤higkeit und Assimilationsrate waren unter nicht-A¼berstauten Bedingungen signifikant niedriger, wobei die Ergebnisse mit mikroklimatischen Unterschieden erklA¤rt werden konnten. Die BlattflA¤che war unter nicht-A¼berstauten Bedingungen meist niedriger, und Blattwachstumsraten waren mit der Meristemtemperatur wA¤hrend der Nacht korreliert. Da die Meristemtemperatur unter nicht-A¼berstauten Bedingungen niedriger war, konnten die geringeren Blattwachstumsraten auf die geringere Meristemtemperatur zurA¼ckgefA¼hrt werden. ErtragseinbuAŸen unter nicht-A¼berstauten Bedingungen wurden hauptsA¤chlich wA¤hrend der kalten Trockenzeit beobachtet, wA¤hrend in der heiAŸen Regenzeit geringe Ertragssteigerungen gefunden wurden. Unter den Ertragskomponenten waren eine verringerte Anzahl an A„hrchen pro Rispe und eine hA¶here A„hrchensterilitA¤t fA¼r den grA¶AŸten Teil der ErtragseinbuAŸen verantwortlich. Die BlattflA¤che pro Bestockungstrieb war positiv mit der Meristemtemperatur im beobachteten Temperaturbereich korreliert und es konnte eine positive Beziehung zwischen BlattflA¤che pro Bestockunsgtrieb und der Anzahl an A„hrchen pro Rispe hergestellt werden. Weiterhin nahm die SterilitA¤t der A„hrchen mit der Meristemtemperatur zwischen Induzierung der Rispenbildung und Rispenschieben ab. Eine niedrigere Meristemtemperatur unter nicht-A¼berstauten Bedingungen fA¼hrte daher zu einer geringeren BlattflA¤che pro Bestockungstrieb, weniger A„hrchen pro Rispe und einer hA¶heren A„hrchensterilitA¤t. Somit kann auch in der Abwesenheit von Bodenwasserdefiziten A¼ber A„nderungen der Boden- und Meristemtemperatur unter nicht-A¼berstauten Bedingungen wassersparende BewA¤sserung in der Reisproduktion zu Wachstumsminderungen und ErtragseinbuAŸen fA¼hren. Die Unterschiede zwischen den BewA¤sserungsbehandlungen nahmen mit abnehmender Lufttemperatur zu und es konnte ein eindeutiges saisonales Muster beobachtet werden. In der kalten Trockenzeit wurden unter nicht-A¼berstauten Bedingen starke Wachstumsminderungen und ErtragseinbuAŸen beobachtet, wA¤hrend in der heiAŸen Regenzeit Wachstum und Ertrag nur geringfA¼gig von der BewA¤sserungsbehandlung beeinflusst wurden. Bei dem Einsatz von wassersparenden BewA¤sserungsmethoden in Gegenden, in denen die Nachttemperatur auf unter 20°C sinken kann, sollten daher die Auswirkungen auf die Meristemtemperatur beachtet werden. Die physiologischen Mechanismen von den unterschiedlichen Auswirkungen von Tag- und Nachttemperatur sind bislang unbekannt und es besteht weiterer Forschungsbedarf. MA¶glicherweise ist es eine Kombination aus niedriger Nachttemperatur und hohem evaporativem Bedarf, die zu Wachstumsminderungen aufgrund von EinschrA¤nkungen im pflanzlichen Wasserhaushalt fA¼hrt. Weiterhin mA¶chten wir auf die Notwendigkeit eines stabilen Modells zur Simulierung der Wassertemperatur in A¼berstauten Reisfeldern verweisen. Dieses sollte in Wachstumsmodelle fA¼r Reis einflieAŸen, da die bestehenden Modelle zwar Wachstum und Ertrag unter Hochland- und Tieflandanbaubedingungen simulieren, jedoch bislang die Auswirkungen der BewA¤sserungsmethode auf das Mikroklima im Bestand unzureichend berA¼cksichtigen.