title: Phosphorus- and water- deficiency induced morpho-physiological and yield changes in maize (Zea mays L.)
Creators: name: Ning, Fangfang
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: Field management
subject: Maize production
subject: Drought
subject: Phosphorus deficiency
subject: Morpho-physiological changes
subject: 630

description: Phosphorus (P) is a nonrenewable and finite resource for all living things. It plays a crucial role as an essential nutrient in crop production. However, plants have low efficiency in utilizing P due to its immobility and low bioavailability. P deficiency can cause irreversible effects, particularly during the early stages of maize growth. Drought further exacerbates nutrient uptake challenges, especially for P, by limiting its diffusion in the soil. Therefore, the dual stress of drought and P deficiency restricts plants' shoot and root growth. It is necessary to investigate the interaction between P deficiency and drought and better understand the response mechanisms, as the effect of P deficiency on plant growth precedes the plant's own drought regulatory mechanisms. In Paper I, the effects of placed diammonium phosphate (DAP) and rock phosphate (RP) on the growth and development of two maize cultivars (Stabil and Ricardinio) were investigated combined with soil liming. Maize cultivars differed in their P utilization characteristics under low-P field conditions. The results showed that RP resulted in a lower leaf area index and light interception than DAP. This led to a 33% lower silage yield and a 29% lower P content at harvest. The PUE of RP was found to be 18%, which is 37% lower than that of DAP. Furthermore, soil liming reduced shoot biomass and caused a 35% decrease in shoot P content at the six-leaf stage. Maize cultivar ‘Stabil’ showed higher yield and P uptake. This paper demonstrated that placed RP could not be used as a substitute for DAP in silage maize production regardless of the application of lime to the soil. Paper II explored the impact of different types of P fertilizer (DAP and RP) on the root systems of maize. The results showed that P deficiency in the early stages of growth hindered root growth. However, in later stages, the roots exhibited enhanced lateral root growth in response to P deficiency. Although the differences in organic acids and phytohormones across different zones of the maize root system were not significant due to the delayed sampling, it is still feasible and necessary to conduct further investigations on organic acids and phytohormones in various root locations. Paper III tested deep P fertilizer placement as a strategy to alleviate combined drought and P deficiency stress in maize. It was tested under greenhouse conditions involving three factors: P fertilizer amount (low-P: LP, and high-P: HP), fertilizer placement (mixed (M, 0-18 cm), lower (L, 10-18 cm), and upper (U, 0-9 cm)), and soil water content (DS, 45% of soil water holding capacity (WHC)) and well-watered: WW, 75% WHC) and well-watered: WW). LP decreased shoot P content and both root and shoot biomass compared to HP. Under DS, root biomass increased by 50% and 95% in 0-18 and 10-18 cm depth at the fourth-leaf stage compared to WW treatment. However, root biomass decreased by at least 41% in different depths at the tenth leaf stage. Plants under DS consistently exhibited lower shoot biomass and P uptake at both stages. Although L-DS did not improve shoot growth and P uptake until the tenth-leaf stage, more than 55% higher root biomass and increased root length could be found in 10-18 cm depth compared to M-DS and U-DS treatments. This could potentially enhance P exploration in a larger soil volume and enable water absorption from deeper soil layers. However, no advantage in P uptake was observed with LP and HP until the ten-leaf stage. In conclusion, this thesis highlights the importance of optimizing P utilization strategies in maize production systems facing the dual challenges of P deficiency and drought stress. While soil liming and cultivar selection can help, high-solubility P fertilizers like DAP remain irreplaceable by RP due to their superior ability to support root development. It also discussed the possibilities and mechanisms for mitigating P and water- deficiency by promoting root growth in deeper soil layers through applying P fertilizers. This study provides a comprehensive evaluation of the feasibility of various maize cultivation and management practices under combined P deficiency and drought conditions, offering valuable references and practical guidelines for sustainable maize production in resource-limited environments.
description: Phosphor (P) ist eine nicht erneuerbare und begrenzte Ressource, die für alle Lebewesen von entscheidender Bedeutung ist. Es spielt eine zentrale Rolle als essenzieller Nährstoff in der Pflanzenproduktion. Pflanzen weisen jedoch eine geringe Effizienz bei der Nutzung von P auf, da es im Boden unbeweglich ist und nur eine geringe Bioverfügbarkeit hat. Ein P-Mangel kann irreversible Schäden verursachen, insbesondere in den frühen Wachstumsstadien von Mais. Trockenheit verschärft die Nährstoffaufnahmeprobleme, insbesondere für P, indem sie dessen Diffusion im Boden einschränkt. Die doppelte Belastung durch Trockenheit und P-Mangel begrenzt daher das Wachstum von Spross und Wurzeln. Es ist notwendig, die Wechselwirkung zwischen P-Mangel und Trockenheit zu untersuchen und die Reaktionsmechanismen besser zu verstehen, da die Auswirkungen von P-Mangel auf das Pflanzenwachstum den eigenen regulatorischen Mechanismen der Pflanze bei Trockenstress vorausgehen. In Paper I wurden die Auswirkungen von platziertem Diammoniumphosphat (DAP) und Rohphosphat (RP) auf das Wachstum und die Entwicklung von zwei Maissorten (Stabil und Ricardinio) in Kombination mit Bodenkalkung unter Feldbedingungen mit niedrigem P-Gehalt in den Jahren 2020 und 2021 untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass RP im Vergleich zu DAP zu einem niedrigeren Blattflächenindex und einer geringeren Lichtinterzeption führte. Dies führte zu einem um 33 % niedrigeren Biomasseertrag und einem um 29 % niedrigeren P-Gehalt in der Trockenmasse bei der Ernte. Der PUE-Wert von RP lag bei 18 % und damit um 37 % niedriger als der von DAP. Darüber hinaus verringerte die Bodenkalkung die Sprossbiomasse und verursachte einen Rückgang des P-Gehalts im Spross im Sechs-Blatt-Stadium um 35 %. Die Maissorte „Stabil“ wies höhere Erträge und eine höhere P-Aufnahme auf. Aus der Studie kann geschlussfolgert werden, dass RP nicht als Ersatz für DAP im Anbau von Silomais fungieren kann, unabhängig ob eine Kalkung des Bodens und damit eine pH-Wert Änderung erfolgt. In Paper II wurden die Auswirkungen verschiedener P-Düngerarten (DAP und RP) auf das Wurzelsystem von Mais untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass ein P-Mangel in den frühen Wachstumsstadien das Wurzelwachstum limitiert. In späteren Stadien zeigten die Wurzeln jedoch als Reaktion auf den P-Mangel ein verstärktes Seitenwurzelwachstum. Die Untersuchung verschiedener in der Wurzel gebildeter Hormone zeigten keine signifikanten Unterschiede bei organischen Säuren und Phytohormonen in den verschiedenen Zonen des Maiswurzelsystems. Dies sollte jedoch in weiteren Studien mit einer höher aufgelösten Probenahme weiter untersucht werden. In Paper III wurde das Potenzial einer P-Düngung in unterschiedlichen Bodentiefen in Kombination mit Trockenstress und damit unterschiedlichen Bodenwassergehalten untersucht. Der Versuch fand unter Gewächshausbedingungen statt und umfasste die drei Faktoren: P-Düngermenge (low-P: LP, und high-P: HP), Düngerplatzierung (gemischt (M, 0-18 cm), unten (L, 10-18 cm), und oben (U, 0-9 cm)), und Bodenwassergehalt (DS, 45% der Wasserhaltekapazität (WHC)) und bewässert: WW, 75% WHC). LP verringerte den P-Gehalt in den Sprossen sowie die Biomasse von Wurzeln und Sprossen im Vergleich zu HP. Unter DS nahm die Wurzelbiomasse in 0-18 und 10-18 cm Tiefe im Vier-Blatt-Stadium im Vergleich zur WW-Behandlung um 50% und 95% zu. Allerdings nahm die Wurzelbiomasse im Zehnblattstadium in verschiedenen Tiefen um ~ 41 % ab. Pflanzen unter DS wiesen in beiden Stadien durchweg eine geringere Sprossbiomasse und P-Aufnahme auf. Obwohl L-DS das Triebwachstum und die P-Aufnahme bis zum zehnten Blattstadium nicht erhöhte, konnte in 10-18 cm Tiefe eine um mehr als 55% höhere Wurzelbiomasse und eine größere Wurzellänge im Vergleich zu den Behandlungen M-DS und U-DS festgestellt werden. Dies könnte möglicherweise die P-Exploration in einem größeren Bodenvolumen verbessern und die Wasseraufnahme aus tieferen Bodenschichten ermöglichen, auch wenn bei LP und HP bis zum Zehnblattstadium kein Vorteil bei der P-Aufnahme beobachtet wurde. Abschließend hebt diese Dissertation die Bedeutung der Optimierung von Phosphor (P)-Nutzungsstrategien in Maisproduktionssystemen hervor, die mit den doppelten Herausforderungen von P-Mangel und Trockenstress konfrontiert sind. Während Bodenkalkung und die Auswahl geeigneter Sorten hilfreich sein können, bleiben hochlösliche P-Dünger wie Diammoniumphosphat (DAP) aufgrund ihrer überlegenen Fähigkeit, das Wurzelwachstum zu fördern, durch Rohphosphat (RP) unersetzlich. Die Arbeit diskutiert außerdem die Möglichkeiten und Mechanismen zur Minderung von P- und Wasserdefiziten, insbesondere durch die Förderung des Wurzelwachstums in tieferen Bodenschichten mittels gezielter P-Düngerapplikation. Diese Studie bietet eine umfassende Bewertung der Machbarkeit verschiedener Anbau- und Managementpraktiken für Mais unter kombinierten P-Mangel- und Trockenheitsbedingungen und liefert wertvolle Referenzen sowie praktische Leitlinien für eine nachhaltige Maisproduktion in ressourcenbegrenzten Umgebungen.