Alternative management systems in rice and their effects on crop performance and physiological response.

To meet the growing demand for food due to rapid population growth, rice production will also have to increase in the coming years. However, the required increase in production will have to take place against a backdrop of increasing water scarcity, which will affect various aspects of agrotechnics, including in particular irrigation and nitrogen nutrition. The goal of increased production will necessarily require intensification of cultivation, which must be reconciled with greater efficiency in resource use and limiting environmental impact. Alternative agronomic management practices, such as the use of minimum tillage direct seeding of rice, are innovations that can help rice farmers optimize agricultural inputs such as water and fertilizer to meet this challenge. Genetic improvement programs, combined with water-saving irrigation, are other key elements as part of a sustainable intensification pathway. There are numerous water-saving irrigation methods, but the one that has demonstrated better results and is currently widely adopted in various rice growing areas worldwide is the alternate wetting and drying (AWD) method. This technique involves intermittent irrigation of paddy fields from the tillering stage onward with a continuous alternation of aerobic and anaerobic soil conditions. In addition to saving water, AWD can help reduce methane emissions from the paddy field. At the physiological level, one element that can affect transpiration, and thus the crop's demand for water, is stomatal density, which can be modified through genetic improvement techniques The present thesis had the dual objectives of (a) evaluating the effects of some rice breeding techniques on production and soil fertility characteristics and (b) determining the response to different water regimes of rice mutants with different stomatal density. In the case of objective (a), field trials were conducted in the Sacramento Valley rice-growing area (California) to compare water seeding with buried seeding, traditional tillage with no-tillage, and different crop residue management methods in combination with different doses of nitrogen. In this trial, excellent results were obtained with the no-tillage technique, particularly when rice sowing occurred after one year of fallow, while lower yields were obtained on rice sown after rice with residues managed by chopping, burning or partial removal. Experimental trials conducted in California identified the optimum dose of nitrogen for those areas as 196 kg/ha; with the maximum dose provided by the trial (252 kg/ha), yields returned a nonsignificant increase in some cases or a decrease in others, with lower yields on average. The same trials also showed that the no-tillage technique had good results and not too far from those of the conventional technique. In addition, soils cultivated without tillage or with minimal tillage showed higher organic matter content than those cultivated with conventional tillage. In the case of objective (b), experimental trials were conducted at Kasetsart University in Thailand, where several rice mutant lines with different stomatal density grown under two irrigation regimes (AWD, continuous flooding) were compared. The lines that recorded the highest unit production (g/plant) were those that had low stomatal density and those that showed higher WUE (water use efficiency) under more limited water availability conditions. These lines showed greater adaptability to water stress while maintaining higher production and higher Harvest Index (HI). The studies in this thesis emphasize how through the integration of different techniques and strategies adequate rice production levels can be ensured through more efficient use of resources, thus contributing to food security and ensuring the environmental sustainability of this important crop.

Per soddisfare la crescente domanda alimentare dovuta al rapido aumento della popolazione, anche la produzione di riso dovrà incrementare nei prossimi anni, in un contesto di crescente scarsità d'acqua, con conseguenze principalmente sull’irrigazione e sulla nutrizione azotata. Tutto ciò richiederà un’intensificazione della coltivazione, sempre tenendo conto dell’impatto ambientale. Pratiche alternative di gestione agronomica, come il ricorso alla minima lavorazione la semina diretta del riso, sono innovazioni che possono aiutare i risicoltori a ottimizzare gli input agricoli come acqua e fertilizzanti per affrontare questa sfida. Programmi di miglioramento genetico, combinati con l'irrigazione a risparmio idrico, sono altri elementi fondamentali nell’ambito di un percorso di intensificazione sostenibile. Esistono numerosi metodi di irrigazione a risparmio idrico, ma quello che ha dimostrato risultati migliori ed è attualmente ampiamente adottato in vari areali di coltivazione del riso a livello mondiale è il metodo alternate wetting and drying (AWD). A livello fisiologico, la densità stomatica è in grado di influire sulla traspirazione , la quale può essere modificata attraverso tecniche di miglioramento genetico. La presente tesi ha avuto il duplice obiettivo di a) valutare gli effetti di alcune tecniche di coltivazione del riso sulla produzione e sulle caratteristiche di fertilità del suolo e di b) determinare la risposta a diversi regimi idrici di mutanti di riso a differente densità stomatica. Nel caso dell’obiettivo a), sono state condotte prove in campo nell’area risicola della Sacramento Valley (California) per confrontare la semina in acqua con la semina interrata, la lavorazione tradizionale con il no-tillage e diverse modalità di gestione dei residui colturali, in combinazione con dosi diverse di azoto. In questo prove sono stati ottenuti ottimi risultati con la tecnica no-tillage, in particolare quando la semina del riso è avvenuta dopo un anno di maggese, mentre produzioni inferiori sono state ottenute su riso seminato dopo riso con residui gestiti attraverso trinciatura, bruciatura o rimozione parziale. Le prove sperimentali condotte in California hanno permesso di individuare la dose ottimale di azoto per quegli areali in 196 kg/ha; con la dose massima prevista dalla prova (252 kg/ha), le produzioni hanno restituito un aumento non significativo in alcuni casi o una diminuzione in altri, con una resa mediamente inferiore. Le stesse prove hanno inoltre mostrato che la tecnica no tillage ha avuto buoni esiti e non troppo distanti da quelli della tecnica convenzionale, in particolare con la presenza di residui colturali in superficie. Nel caso dell’obiettivo b), sono state condotte prove sperimentali presso l’Università di Kasetsart in Tailandia, dove sono state comparate numerose linee mutanti di riso con diversa densità stomatica coltivate in due regimi di irrigazione (AWD, sommersione continua). Le linee che hanno fatto registrare la maggiore produzione unitaria (g/pianta) sono quelle che presentavano una bassa densità stomatica e quelle che in condizioni più limitate di disponibilità idrica hanno mostrato una WUE (water use efficiency) più elevata. Queste linee hanno mostrato una maggiore adattabilità allo stress idrico, mantenendo una più elevata produzione e un maggior Harvest Index (HI). Gli studi oggetto della tesi sottolineano come attraverso l’integrazione di tecniche e strategie diverse si possano garantire adeguati livelli produttivi del riso, attraverso un uso più efficiente delle risorse e contribuendo così alla sicurezza alimentare, assicurando la sostenibilità ambientale di questa importante coltura.