An Introduction to the Rothamsted Long‐term Experiments 

Dr Andy MacdonaldSAS Department

21‐23 MAY 2018INTERNATIONAL CONFERENCEThe Future of Long‐Term Experiments in Agricultural 

Science

Earliest Rothamstedexperiment started 1843

Sir John Bennet Lawes

Sir Joseph Henry Gilbert

The History of Rothamsted

The Rothamsted Long‐term Experiments (LTEs)

The Classical Experiments:•Broadbalk Wheat Experiment (1843)•Park Grass Hay (1856)•Hoos Barley (1852)•The Exhaustion Land (1856)•Garden Clover (1854) •Broadbalk Wilderness (1882)•Geescroft Wilderness (1886) 

•The Alternate Wheat and Fallow (1851) – modified 2015•Barnfield (1843‐1994) – mothballed since 2001•Agdell (1848‐1990) – discontinued

Other LTE’s:•The Woburn Ley‐Arable (1938)•Highfield Ley‐Arable (1948) •Fosters Ley‐Arable (1948)•Highfield Permanent Bare Fallow (1959)•Woburn Market Garden (1942)•Woburn Organic Manuring (1964)

•Rothamsted and Woburn Straw Incorporation experiments (1987) ‐ discontinued•Rothamsted and Woburn Continuous Maize Experiments (1997) ‐ discontinued

Broadbalk

1926: Plots split into 5 sections – to introduce fallowing for weed control

1968: Plots split into 10 sections• Crop rotations (W,W,O,W,Be since 2018)• New shorter wheat varieties  • Higher N rates  • Herbicides and fungicides •Straw incorporation (section 0, since 1986)

1843 – 1926: Single plots comparingN, P, K fertilizers and organic manures.

2001: N Split on some plotsP Withheld on some plotsS Withheld on plot 14

Broadbalk: fertiliser and manure applications

ControlPKPK+48kgN

PK+96kgN

FYM35 t/ha/y

+ extra NPK+144kgN

Arable cropping for many centuries; experiment started in 1843

Hoosfield Spring Barley Treatments

Nil (P)        K(Mg)   (P)K(Mg)  Ashes (1852‐1932)

Silicate Test Plots Since 1862

O

A

AA

C P Test Plots Since 2003

FYM (1852‐71)

FYM (1852‐)

FYM (2001‐)

P2KMg(2001‐)

Park Grass Experiment, started 1856

Fertiliser treatments Lime

Sampling & Analyses

●Yield – Grain & Straw (selected plots), herbage

●Grain Quality – TGW, HLW, HFN. 

●Plant analyses (selected plots) – Total N, Majors (P, K, Ca, Na, Mg, S), botanical surveys.

●Regular soil sampling & analyses ‐ Total N & C, Exchangeable Cations (K, Mg, Ca, Na), Olsen P, pH, CaCO3.

The Rothamsted Sample Archive

The archive contains about 300,000 grain, straw, herbage, soil, fertilizer and manure samples, some dating back to 1843.

The electronic Rothamsted Archive The e‐RA database contains data on crop yield, soils, species diversity and weather relating to Rothamsted and the Long‐term Experiments:

●Broadbalk (from 1844) ●Park Grass (from 1856)●Hoosfield Barley (from 1852)●The Alternate Wheat and Fallow (from 1856)●Meteorological data for Rothamsted (from 1853), Woburn (from 1928) and Brooms Barn (from 1982)

The e‐RA website includes:●A comprehensive searchable bibliography – >1000 publications. ●Extensive background information – cropping plans, fertilizer rates, etc●Case studies – examples of recent uses of the LTE data●Dedicated schools webpage with access to selected Rothamsted met data● Open Access data,  including:‐

— Broadbalk Yields — Broadbalk Soil Organic Carbon— Park Grass Species Diversity — Hoosfield Soil Organic Carbon— Annual mean Rothamsted temperature

Future developments – inclusion of crop nutrient uptake and access to scanned documents and data via DOIs. Press releases and announcements via Twitter.

www.era.rothamsted.ac.uk or contact res.era@rothamsted.ac.uk.

Broadbalk: Mean yields of wheat grain and changes in husbandry (1852‐2016)

0

2

4

6

8

10

12

1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Grain, t ha‐

1at 85%

 DM

Year and cultivar

Continuous wheat, unfertilised

Continuous wheat, FYM

Continuous wheat, PKMg+144kgN

1st wheat, FYM+96kgN (+144kgN since 2005)

1st wheat, largest yield with PKMg + N (max 288kgN)

FallowingLiming

Herbicides

Fungicides

Red Rostock Red Club Sq. Master Red  Sq. MasterCappelle D.

Flanders ApolloHerewardBrimstone

1st wheatin rotation

Continuouswheat

Modern cultivars

Crusoe

Mean Yield Comparison of Hereward (2009‐12) v Crusoe (2013‐17) on Broadbalk.

Hereward Crusoe1st Wheat

2nd Wheat3rd WheatCont Wheat

(P, K, Mg & N, P, K, Mg plots only)

Broadbalk Wheat Grain Yield v %N – Hereward and Crusoe (2014, 16 & 17)

Envelope encompassing yields and %N of wheat at Rothamsted in the 1954‐73 

Broadbalk Grain Yields (cv Hereward) ‐ single N vs split N (2002‐2011)

AL827059 ammonium transporter AL825256 aminoacylase (peptidase)AL818114 alanine aminotransferase 2AL827303 amino acid transporter AL812725 alanine aminotransferase 2 AL825698 ammonium transporter 1-1AL812271 aspartate aminotransferaseAL822169 amino acid transporter AL825459 nitrate reductaseAL825195 high affinity nitrate transporter (NRT2.1)AL827329 ionotropic glutamate receptor (GLR)AL827978 glutamate/ornithine acetyltransferaseAL811704 amino acid permease AAP4AL827725 histidine kinase (nitrogen fixation sensor) AL827652 nitrate reductaseAL825261 low affinity nitrate transporter (NRT1)AL817581 glutamine synthetase root isozyme 2AL817520 aspartyl methyltransferaseAL825719 glutamine synthetase root isozyme GLN1AL825153 glutamine-dependent asparagine synthetase1AL821146 cationic amino acid transporter (CAT1)AL809150 nitrilase-like proteinAL808540 nitrilase-like protein

N0 N N N4 N6 FYM FYM1:2:1 +N2

Nitr

ogen

met

abol

ism

gen

es

Wheat post‐anthesis endosperm transcriptome: nitrogen metabolism related genes

Lu et al., 2005. Markedly different gene expression in wheat grown with organic or inorganic fertilizer. Proc Royal Society Series B 272, 1901‐1908.

Around 50% of represented N‐metabolism genes fall into this group

Antibiotic resistance genes in Broadbalk soils

Control FYM

Abu

ndan

ce o

f AR

Gs

(cop

y nu

mbe

r / g

dry

soi

l)

0

1e+8

2e+8

3e+8

4e+8

5e+8

6e+8P=0.004, t test

FYM applications:• introduced new types of

ARGs into the soil (A)• Increased the abundances

of several indigenous ARGs in the soil (B).

6.9 fold

Abundance 

S McGrath & F Zhao

Hoosfield: Mean yields of Spring Barley and changes in husbandry (1852‐2015)

Spring Barley Mean Grain Yields 2008‐15 (cv Tipple)

Hoosfield Barley – Soil C mapping

Rothamsted Ley‐arable Experiment: Effects of changing Land Use on Soil Organic C.

Changes in species numbers on Park Grass 1864‐2011

Effects of resource inputs on Plant Species Genome Size (1C) on Park Grass

Guignard et al 2016 New Phytologist. doi:10.111/nph.13881– Queen Mary UOL & RBG Kew.

Detecting Changes in Water use Efficiency on Park Grass using Herbage 13C Analyses 

Kohler et al (2012) Global Change Biology, 18, 3367‐3376 – Technical University of Munich 

a

i13

cca)(ba∆

atm13plant13atm13

13

C 1C - C∆

Changes in Annual Mean air Temperature at Rothamsted 1878‐2016

Future Outlook

• The full effects of global climate change on the sustainability of agro‐ecosystems will take many years to become apparent. 

• It is only by using long‐term experiments that we will be able to identify, and hopefully, mitigate against any adverse effects.

• The Rothamsted Long‐term Experiments have provided  extremely valuable agro‐ecological information in the past and continue to do so for today's scientists. 

• Providing they are well maintained and used in conjunction with new ideas and techniques they will continue to provide valuable information for future generations.

• Increasingly, the need for the development of a global network of LTEs encompassing a wider range of cropping systems and climatic regions, is becoming apparent.

Acknowledgements

● SAS – Tony Scott, Steve Freeman, Chris Hall, Andy Gregory, Kevin Coleman, Paul Poulton, Johnny Johnston, David Powlson, David Jenkinson, John Storkey, Ian Shield and others.

● CAS (e‐RA) – Margaret Glendining, Sarah Perryman, Richard Ostler, Suzanne Clark & Nathalie Castells. 

● CAS (Analytical) – Wendy Wilmer, Ruth Skilton and others.● FARM – Stephen Goward, Tim Hall, Mark Gardner, Chris 

Mackay, Nick Chichester‐Miles and others.● BCP – Bart Fraaije & Nichola Hawkins● The many scientific and support staff of past generations.

22‐24 JUNE 2018ROTHAMSTED FESTIVAL OF 

IDEAS

Thank you for your attention!