Back to report · Publisher record

Poulton et al. (2018). Major limitations to achieving “4 per 1000” increases in soil organic carbon stock in temperate regions: Evidence from long‐term experiments at Rothamsted Research, United Kingdom

Page 1

Figures and page graphics, page 1

Patron:  Her Majesty The Queen 

 

Rothamsted Research 
Harpenden, Herts, AL5 2JQ 
 

Telephone: +44 (0)1582 763133 
Web: http://www.rothamsted.ac.uk/

 

 

 

 

 

 

Rothamsted Research is a Company Limited by Guarantee 
Registered Office: as above.  Registered in England No. 2393175. 
Registered Charity No. 802038.  VAT No. 197 4201 51. 
Founded in 1843 by John Bennet Lawes.

 

 

Rothamsted Repository Download

A - Papers appearing in refereed journals

Poulton, P. R., Johnston, A. E., Macdonald, A. J., White, R. P. and 

Powlson, D. S. 2018. Major limitations to achieving 4 per 1000 increases 

in soil organic carbon stock in temperate regions: evidence from long-

term experiments at Rothamsted Research, UK. Global Change Biology. 

24 (6), pp. 2563-2584. 

The publisher's version can be accessed at:

•

https://dx.doi.org/10.1111/gcb.14066

•

http://wileyonlinelibrary.com/journal/gcb

The output can be accessed at: 

https://repository.rothamsted.ac.uk/item/84663

.

© 21 January 2018. Licensed under the Creative Commons CC BY.

21/05/2019 08:16

repository.rothamsted.ac.uk

library@rothamsted.ac.uk

Page 2

Figures and page graphics, page 2

P R I M A R Y R E S E A R C H A R T I C L E

Major limitations to achieving

“

4 per 1000

”

increases in soil

organic carbon stock in temperate regions: Evidence from
long-term experiments at Rothamsted Research, United
Kingdom

Paul Poulton

1

|

Johnny Johnston

1

|

Andy Macdonald

1

|

Rodger White

2

|

David Powlson

1

1

Department of Sustainable Agriculture

Sciences, Rothamsted Research, Harpenden,

UK

2

Department of Computational and

Analytical Sciences, Rothamsted Research,

Harpenden, UK

Correspondence

David S. Powlson, Department of

Sustainable Agriculture Sciences,

Rothamsted Research, Harpenden, UK.

Email: david.powlson@rothamsted.ac.uk

Funding information

Biotechnology and Biological Sciences

Research Council (BBSRC), Grant/Award

Number: BBS/E/C/000J0300

Abstract

We evaluated the

“

4 per 1000

”

initiative for increasing soil organic carbon (SOC) by

analysing rates of SOC increase in treatments in 16 long-term experiments in south-

east United Kingdom. The initiative sets a goal for SOC stock to increase by 4

&

per

year in the 0

–

40 cm soil depth, continued over 20 years. Our experiments, on three

soil types, provided 114 treatment comparisons over 7

–

157 years. Treatments

included organic additions (incorporated by inversion ploughing), N fertilizers, intro-

ducing pasture leys into continuous arable systems, and converting arable land to

woodland. In 65% of cases, SOC increases occurred at

>

7

&

per year in the 0

–

23 cm

depth, approximately equivalent to 4

&

per year in the 0

–

40 cm depth. In the two

longest running experiments (

>

150 years), annual farmyard manure (FYM) applica-

tions at 35 t fresh material per hectare (equivalent to approx. 3.2 t organic C

/

ha/year)

gave SOC increases of 18

&

and 43

&

per year in the 23 cm depth during the first

20 years. Increases exceeding 7

&

per year continued for 40

–

60 years. In other

experiments, with FYM applied at lower rates or not every year, there were increases

of 3

&

–

8

&

per year over several decades. Other treatments gave increases between

zero and 19

&

per year over various periods. We conclude that there are severe limi-

tations to achieving the

“

4 per 1000

”

goal in practical agriculture over large areas.

The reasons include (1) farmers not having the necessary resources (e.g. insufficient

manure); (2) some, though not all, practices favouring SOC already widely adopted;

(3) practices uneconomic for farmers

—

potentially overcome by changes in regulations

or subsidies; (4) practices undesirable for global food security. We suggest it is more

realistic to promote practices for increasing SOC based on improving soil quality and

functioning as small increases can have disproportionately large beneficial impacts,

though not necessarily translating into increased crop yield.

K E Y W O R D S

4 per 1000, carbon sequestration, climate change mitigation, long-term experiments,

management practices, organic amendments, Rothamsted, soil organic carbon

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium,

provided the original work is properly cited.

©

2018 The Authors.

Global Change Biology

Published by John Wiley & Sons Ltd

Received: 31 October 2017

|

Accepted: 23 December 2017

DOI: 10.1111/gcb.14066

Glob Change Biol.

2018;1

–

22.

wileyonlinelibrary.com/journal/gcb

|

1

Page 3

Figures and page graphics, page 3

1

|

I N T R O D U C T I O N

The

“

4 per 1000 initiative: Soils for Food Security and Climate

”

, also

known as

“

4 per mille

”

or

“

4

&

”

, for increasing soil organic carbon

(SOC) stocks was launched by the French Ministry of Agriculture in

2015 in preparation for the Paris climate conference of the United

Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). It is

described in several web sites including:

1.

https://www.4p1000.org/4-1000-initiative-few-words

2.

http://newsroom.unfccc.int/lpaa/agriculture/join-the-41000-initia

tive-soils-for-food-security-and-climate

It is also described by Chabbi et al. (2017) and Minasny et al.

(2017). The aim of the initiative is to promote land management

practices leading to an increase in the stock (i.e. quantity as opposed

to concentration) of SOC at the rate of 4

&

(0.4%) of the initial value

per year for 20 years. It was originally suggested that, if this rate of

C sequestration was achieved for all soils globally to a depth of

40 cm, the C removed from the atmosphere would equal annual

CO

2

–

C emissions from fossil fuels of 8.9 Gt and thus

“

halt the

annual increase in CO

2

in the atmosphere

”

(http://4p1000.org/under

stand). Later enunciations of the initiative have recognized that

increases in SOC are only likely in soils that are being actively man-

aged for agriculture (and possibly under managed forestry) and, even

in these, such a rate of increase may not be achievable everywhere

(Chabbi et al., 2017; Chambers, Lal, & Paustian, 2016; Lal, 2016;

Minasny et al., 2017). It is suggested that C sequestration in agricul-

tural soils alone, as opposed to all soils, might be limited to

c.

1 Gt/

year (Chabbi et al., 2017; Smith, 2016). There is also some uncer-

tainty about the soil depth referred to in the initiative; in some pub-

lications, the 0

–

100 cm depth is mentioned in addition to 0

–

40 and

0

–

30 cm (Chabbi et al., 2017). Minasny et al. (2017) published a

compilation of data from 20 regions of the world showing opportu-

nities and limitations for achieving the 4

&

rate of SOC increase.

The initiative has been generally welcomed as laudable because

any contribution to climate change mitigation is helpful and equally,

or perhaps more importantly, any increase in SOC is virtually certain

to improve the quality and functioning of many soils. This is espe-

cially relevant in the light of the reported widespread incidence of

land degradation globally (UNCCD, 2017). However, there have been

significant criticisms of the initiative by several authors (van Groenin-

gen, van Kessel, Hungate, & Oenema, 2017; Baveye, Berthelin, Tes-

sier, & Lemaire, 2018; de Vries, 2018; VandenBygaart, 2018; White,

Davidson, Lam, & Chen, 2018), suggesting that there are many situa-

tions where the 4

&

rate of increase in SOC is not feasible for land

managers in practical situations and that some of the experimental

examples given by Minasny et al. (2017) are not representative of

what is practically achievable in wide-scale agriculture. There also

appear to be differences of opinion as to whether the 4

&

goal is a

specific target, an aspiration goal or even

“

more of a concept (or

even a slogan)

”

as suggested by Minasny et al. (2018).

The aims of this paper were twofold. First, to report the rates

of SOC increase in several long-term agricultural field experiments

run by Rothamsted Research at three sites in southeast England

between 1843 and 2013. In temperate climates, SOC changes

slowly in response to changes in management so periods of years

or decades are required to reliably detect and quantify rates of

change (Macdonald et al., 2015; Storkey et al., 2016). We use data

from 16 separate experiments on three different soil types, giving

over 110 treatment comparisons. It is recognized that the sources

of data are geographically constrained but the cropping systems are

diverse, and treatments cover a wide range of management prac-

tices relevant to temperate regions, though do not include reduced

tillage. The results represent the largest concentration of long-term

SOC data globally, and the soil types and climates are broadly rep-

resentative of temperate regions globally. Second, we attempt to

use the long-term data to provide an evidence-based assessment of

the likely range of situations where the 4

&

target might be

achieved in practical agriculture, and for how long increases at this

rate might continue.

2

|

M A T E R I A L S A N D M E T H O D S

2.1

|

Experimental sites and soils

Soil samples from 16 experiments with a cool temperate climate in

southeast United Kingdom were analysed for their organic carbon

content. Much of the data have not been published previously and

for several experiments, data have been updated. The soil types are

silty clay loam at Rothamsted, sandy loam at Woburn and sandy clay

loam at Saxmundham (see Table 1 for soil classifications). Long-term

average annual rainfall is

c.

700, 650 and 610 mm at Rothamsted,

Woburn and Saxmundham respectively. Until the late 1980s, the

mean annual temperature was

c.

9.0

–

9.4

°

C at the three sites, but, at

Rothamsted and Woburn, where meteorological recording has con-

tinued, it has increased by about 1

°

C in the last 25

–

30 years (Scott,

Macdonald, & Goulding, 2014; Johnston, Poulton, Coleman, Macdon-

ald, & White, 2017). In all-arable experiments, soils were cultivated

by inversion ploughing to a depth of 20

–

22 cm.

Table 1 lists the experiments with references to publications giv-

ing details. In subsequent Tables, data are grouped according to

treatment, taking data from different experiments where required

rather than discussing each experiment separately. Further informa-

tion appropriate to this paper is in Supporting Information.

2.2

|

Soil sampling and analysis

Most soils were sampled to 23 or 25 cm, i.e. a little deeper than cur-

rent plough depth, with a semicylindrical gouge auger (2

–

3 cm diam-

eter), taking many cores per plot. However, early samples on

Broadbalk and Hoosfield were taken from several positions within

each large plot with an open-ended iron box sampler (typically

30.5

9

30.5

9

22.9 cm deep). Each

“

box

”

sample provided a large

2

|

POULTON

ET AL

.

Page 4

Figures and page graphics, page 4

mass of soil which made it possible to determine the weight of fine

soil (

<

6 mm, the standard procedure at Rothamsted at the time for

samples that were to be archived) per unit volume. Similar box sam-

ples have been taken from many long-term experiments at Rotham-

sted, Woburn and Saxmundham and the measured soil weight is

used for these and other experiments on the same soil type. Soils

were air-dried and subsamples ground to

<

355

l

m for nitrogen (N)

and carbon (C) analysis. Organic carbon was determined by Tinsley

(1950) or by modified Walkley-Black (corrected to make the data

equivalent to Tinsley; Kalembasa & Jenkinson, 1973). Later soils, and

some earlier archived soils, were analysed for total C by combustion

(LECO Corp., St Joseph, Michigan, USA) and a correction made for

inorganic C, determined by manometry (Skalar Analytical BV, Breda,

Netherlands). Standard soils are included with each batch of soils

sent for analysis. For recent analyses, the mean and standard error

of the standard soil is 1.46% OC

0.005.

T A B L E 1

Experimental site details

Site, experiment

and number

Duration

Clay

(%)

Sampling

depth (cm)

Crop

Treatments include

Reference

Rothamsted

a

, Hertfordshire, United Kingdom

Broadbalk (1)

1843

—

ongoing

20

–

38

23

W. wheat

Rates of N, FYM, straw

Johnston and Garner (1969),

Rothamsted Research (2006)

Hoosfield Barley (2)

1852

—

ongoing

18

–

27

”

S. barley

Rates of N, FYM, FYM residues

Jenkinson and Johnston (1977)

Fosters

Ley-arable (3)

1949

—

ongoing

”

”

Arable crops

and leys

All-arable rotations,

3-year leys

+

3-year

arable rotations, or

permanent grass since 1949

Johnston (1973), Johnston

et al. (2009)

Highfield

Ley-arable (4)

1949

—

ongoing

”

”

Arable crops

and leys

All-arable rotations,

3-year leys

+

3-year

arable rotations, or

permanent grass since 1838

Johnston (1973), Johnston

et al. (2009)

Amounts of Straw (5)

1986

–

2015

”

”

W. wheat

Wheat straw incorporated

since autumn 1986

Powlson, Glendining, Coleman,

and Whitmore (2011)

Broadbalk

Wilderness (6)

1881

—

ongoing

20

–

25

”

Regenerating

woodland

None

Poulton et al. (2003)

Geescroft

Wilderness (7)

1886

—

ongoing

”

”

Regenerating

woodland

None

Poulton et al. (2003)

Park Grass (8)

1856

—

ongoing

18

–

27

”

Permanent

pasture

FYM

Warren and Johnston (1964),

Fornara et al. (2011)

Exhaustion Land (9)

1852

—

ongoing

18

–

27

”

Arable crops

b

FYM, FYM residues

Johnston and Poulton (1977),

Johnston et al. (2017)

Woburn

c

, Bedfordshire, United Kingdom

Amounts of Straw (10)

1986

–

2015

c. 14

”

W. wheat

Wheat straw incorporated

since autumn 1986

Powlson, Glendining, et al.

(2011)

Organic Manuring (11)

1965

—

ongoing

8

–

13

”

Arable crops

and leys

Various organic amendments

Mattingly et al. (1974)

Green Manuring (12)

1936

–

67

c.13

20

Arable crops

Various organic amendments

Chater and Gasser (1970)

Market Garden (13)

1942

—

ongoing

10

–

12

23

Various crops

Various organic amendments

from 1942 to 1967

Johnston (1975)

Ley-arable (14)

1938

—

ongoing

11

–

16

25

Arable crops

and leys

All-arable rotations,

3- and 8-year leys

+

2-year

arable rotations, FYM

every 5 years until mid-1960s

Johnston et al. (2017)

Saxmundham

d

, Suffolk, United Kingdom

Rotation II (15)

1899

–

1986

c. 25

20

Arable crops

FYM every 4 years

Mattingly, Johnston, and

Chater (1969)

Rotation I (16)

1899

–

2009

”

”

Arable crops

FYM

Williams and Cooke (1971)

a

The soil at Rothamsted is a flinty silty clay loam over Clay-with-flints and is classified as a Chromic Luvisol (IUSS Working Group WRB, 2015).

b

Potatoes were grown continuously from 1876 to 1901; FYM was applied annually during this period.

c

The soil at Woburn is a sandy loam and is classified as a Cambic Arenosol (IUSS Working Group WRB, 2015).

d

The soil at Saxmundham is a sandy clay loam derived from boulder clay and is classified as a Eutric Gleysol (IUSS Working Group WRB, 2015).

POULTON

ET AL

.

|

3

Page 5

Figures and page graphics, page 5

2.3

|

Correcting amounts of SOC for changes in soil

bulk density

When measuring changes in the quantity (stock) of organic C in the

soil over time, it is important, where possible, to sample the same

weight of mineral soil each time (Jenkinson, Poulton, & Bryant, 2008),

on the assumption that most organic matter is held on the mineral par-

ticles. Where bulk density has not changed and, therefore, the weight

of soil to a defined depth has not changed, the soil is sampled to the

same depth. But, where bulk density has changed allowance must be

made for this as discussed in detail in Johnston et al., 2017. In some of

the experiments discussed here bulk density has declined due to addi-

tion of bulky organic material or a period in pasture, and later soil sam-

ples should have been taken to a slightly greater depth so that SOC is

determined in the same weight of mineral soil. If this is not done, and

the same weight of soil is used for the start and end of the measured

period, this will overestimate the amount of C being sequestered. If

the soil weight has been measured at the start and end of a period, but

no allowance is made for the mass of extra soil which should have

been sampled, and the amount of C it contained, then the amount of C

being sequestered will be underestimated. Where bulk density has

declined and where the weight of soil has been determined we have

made a simple correction for that change. If, for example, the soil

weight to a depth of 23 cm at the beginning and end of a period in

ley-arable cropping was 3,770 t/ha and 3,470 t/ha respectively, then

the difference, 300 t/ha, represents the amount of

“

extra

”

soil that

should have been sampled at the end (see Johnston et al., 2017). The

amount of C in this extra soil can be calculated (it will have the same

concentration of C as at the start) and added to that in the sampled

layer. Where the amounts of SOC have been adjusted for bulk density

changes, they are given in the appropriate Tables.

2.4

|

Relating our data for increases in SOC with

the 4

&

target

The rates of increase in SOC calculated from our data are for soil sam-

ples taken to a depth of 20, 23 or 25 cm. Where possible, we have

taken account of any extra soil that should have been sampled where

bulk density declined over time as a result of the treatment (see

above). However, the

“

4 per 1000

”

initiative refers to increases in SOC

to a depth of 40 cm. In Supporting Information, we describe how we

can adjust our data to that for 0

–

40 cm. Based on these calculations,

we suggest that, for most of the topsoil data presented here, an

increase of 7

&

equates to 4

&

when expressed on a 0

–

40 cm basis.

Where the topsoil contains a higher concentration of OC (e.g. in grass-

land or woodland sites or where large amounts of manure have been

applied) an increase of

c.

5

&

will equate to 4

&

for the 0

–

40 cm layer.

2.5

|

Statistical analysis

All the experiments reported here are, or were, long-term but for

some we present changes over relatively short (e.g. 3

–

7 years),

sometimes consecutive, periods (see Tables 5, 6, 9, S1

–

S5). Many of

the experiments were established before the introduction of modern

experimental design so that treatments were not necessarily repli-

cated or randomized. Thus, the degree to which conventional statis-

tics can be used to assess whether the observed changes are

statistically significant is limited. Where errors have been calculated,

and published, these are given in the appropriate tables. In other

cases, where possible, the standard error of the mean of the differ-

ences between replicate plots for the stock of SOC at the start and

end of each period is given together with the standard error of the

annual rate of increase.

It is clear from these long-term experiments that measuring SOC

differences between treatments with sufficient precision to assign

statistical significance is challenging due to soil spatial variability and

the large background of SOC against which changes occur. Reliably

detecting the relatively small changes likely to result from application

of the

“

4 per 1000

”

initiative will be even more difficult for the rea-

sons discussed by Smith (2004).

2.6

|

Fitting curves to the accumulation of soil

organic carbon on farmyard manure-treated plots on
the Hoosfield Barley and Broadbalk Wheat
experiments

It is well established that the accumulation of SOC does not increase

indefinitely but moves towards an equilibrium value (Johnston, Poul-

ton, & Coleman, 2009; Smith, 2014; Gollany et al., 2011) so the

accumulation of SOC can be represented by a curve. It was possible

to fit such curves to the accumulation of SOC in farmyard manure

(FYM)-treated plots in the Hoosfield Barley and Broadbalk Wheat

experiments because the soils have been sampled sufficiently fre-

quently. An advantage of this procedure was that it enabled data

from the two or three FYM treatments in the experiments that were

started at different times to be amalgamated, thus giving some

degree of replication. Changes in SOC between each sampling point

are given in Table S1, making allowance for the SOC in any soil to a

greater depth that should have been sampled due to decreasing soil

bulk density (see above). For both experiments the exact starting

value has been estimated using the approach described by Jenkinson

and Johnston (1977) because no samples were taken at the start of

these two experiments. The FYM-treated plots are not replicated

but soil from the several large box samples (see above) taken period-

ically from each large plot have been analysed separately for SOC.

For each experiment, a simple limiting exponential model was fitted

(GenStat

â

, 2016) using the following equation:

org C

¼

a

þ

b

r

time

where org C is SOC, in t/ha,

a

is an asymptote representing the

maximum capacity of the soil for SOC under the specific manage-

ment, the slope coefficient,

b

, represents the available capacity of

the soil to take up SOC and

r

is the exponential coefficient, repre-

senting the rate at which the soil accumulates SOC.

On Hoosfield, one plot has received FYM every year since 1852,

another since 2001. Using the start of each treatment as year zero

4

|

POULTON

ET AL

.

Page 6

Figures and page graphics, page 6

the accumulation of SOC stocks over time was modelled for the

combined dataset.

Broadbalk is more complicated; three plots receive (or have

received) FYM; one since autumn 1843, one since autumn 1884 and

one between autumn 1967 and autumn 2000 only. However, FYM

was not applied to the two plots that started in 1843 and 1884 when

these plots were fallowed, usually 1 year in five between 1926 and

1967, to control weeds (Johnston & Garner, 1969). Thus, for these

two plots there is a break in the annual application of FYM between

soil sampling in 1914 and that in 1967. This has been overcome by

considering five separate series of data; 1843

–

1914 and 1967

–

2000

for the FYM plot since 1843; 1885

–

1914 and 1967

–

2000 for the plot

since 1884; and 1967

–

2000 for the plot receiving FYM since 1967

(Table S1). However, there is no reason to suppose that after annual

applications of FYM resumed the sequestration of SOC would not

continue as before. We therefore considered that the separate series

of measurements should belong to a common model. To construct a

common time frame for the separate series, the

b

parameter was

allowed to vary and then the calendar time values for each series were

adjusted accordingly, back to the first set (1843

–

1914), while the

a

and

r

parameters were estimated from all the data, assuming that

these would be the same for each series. The simple limiting exponen-

tial model (GenStat

â

, 2016) was then fitted to the time-shifted data.

Each fitted curve accounts for a large proportion of the variance,

94% and 89% for Hoosfield and Broadbalk respectively, suggesting

that any inferences drawn from the data are reliable. From each

curve the amount of SOC in the soil after e.g. 20, 40, 60 years was

estimated, and the average rate of accumulation in each 20-year per-

iod calculated assuming a linear increase in SOC during that period,

though recognizing that this is an approximation. These values were

then used in comparisons with data from other experiments. Associ-

ated standard errors were calculated using GenStat

â

(2016), but

they should be regarded as approximate.

3

|

R E S U L T S

3.1

|

Comparing our data with the 4

&

initiative

The

“

4 per 1000

”

initiative relates to SOC in the 0

–

40 cm depth of soil

but data from the long-term experiments described in this paper are

mostly derived from sampling to a depth of 0

–

23 cm, slightly deeper

than the usual plough depth for arable soils at these sites. In Support-

ing Information, we describe how 0

–

23 cm data can be approximately

related to 0

–

40 cm. In general, for most topsoil data presented, an

increase of 7

&

in the 0

–

23 cm layer is equivalent to 4

&

in 0

–

40 cm

depth. Where the topsoil has a higher SOC concentration (

>

c.

1.3%)

an increase of

c.

5

&

will equate to 4

&

for 0

–

40 cm soil.

3.2

|

Effects of farmyard manure additions on SOC

stocks

Applying animal manure to soil is probably the oldest and most

thoroughly researched means of adding nutrients and, concurrently,

increasing the concentration and stock of SOC. Ten experiments on

three soil types provide data on the rate of SOC increase in

Tables S1

–

S3, with one that includes FYM applications in conjunc-

tion with different crop rotations. In the oldest of the Rothamsted

experiments in Table 1, Broadbalk (started autumn 1843, growing

winter wheat); and Hoosfield (started 1852, spring barley), FYM

has, with some exceptions (see Materials and Methods), been

applied every year at 35 t fresh material per hectare,

ca

. 8 t dry

matter per hectare. This amount was tested for experimental pur-

poses to supply large amounts of nutrients, not because it would

be recommended as a practical treatment: the significance of this is

discussed later.

Figurs 1 and 2 show the accumulation of SOC resulting from

FYM applications in the Hoosfield and Broadbalk experiments

respectively, the curves being constructed by amalgamating data

from treatments in which FYM applications started at three different

times (Broadbalk) and at two different times (Hoosfield) as described

in

“

Materials and Methods

”

. The data used are shown in detail in

Table S1. From the fitted curves, the rates of SOC increase,

expressed as

&

per year compared to the initial contents, have been

calculated for different periods (Table 2).

Both experiments started with low stocks of SOC: 30.1 t/ha

(1.15% C) in Hoosfield and 28.8 t/ha (1.00% C) in Broadbalk

(Table S1). This is because the fields had been in arable cropping for

several hundred years before the start of the experiments, probably

in 5-course rotations where FYM was applied 1 year in five. On

Broadbalk it is known that no manure was applied in the 5 years

prior to the start of the experiment in autumn 1843 (Lawes & Gil-

bert, 1895). In both experiments SOC initially increased rapidly with

F I G U R E 1

Accumulation of soil organic carbon (SOC), t/ha,

resulting from an annual application of farmyard manure (FYM),
35 t/ha in the Hoosfield Barley Experiment, Rothamsted. The

amount of SOC has been corrected for the change in soil bulk
density at the end of each sampling period and an exponential curve
fitted. FYM since 1852, (

9

); FYM since 2001, (

○

). The start of each

treatment is considered as year zero

POULTON

ET AL

.

|

5

Page 7

Figures and page graphics, page 7

average rates of 18

&

and 43

&

per year in the first 20 years of

applying 35 t/ha FYM annually in Hoosfield and Broadbalk, respec-

tively. The rates remained above 7

&

per year (equivalent to 4

&

per

year in 0

–

40 cm soil) for 40 years in Hoosfield and 60 years in

Broadbalk (Table 2). After this, the rates declined as SOC stocks

tended towards new equilibrium values and after about 80

–

100 years of applying this amount of FYM annually, the rate of

change in SOC was not significantly different from zero.

The final SOC stock attained after applying FYM for many years

was larger in Hoosfield (80 t C/ha) than in Broadbalk (75 t C/ha);

see Figures 1 and 2. We can offer no complete explanation for this

which may be due to small differences in soil properties or manage-

ment between the experiments. In addition, on Broadbalk no crop

was grown and no FYM applied 1 year in five for a 42-year period

when bare fallowing was used to control weeds (see Supporting

Information and Table S1), so total organic C inputs over the course

of the experiment were less than on Hoosfield.

In the Exhaustion Land experiment at Rothamsted, adjacent to

Hoosfield and on the same soil type, FYM was applied from 1876 to

1901 at the same annual rates as on Broadbalk and Hoosfield. Soil

samples taken in 1903 showed that the average rate of increase in

SOC was 27

&

(Tables 3 and S2), a value comparable to the rates in

Hoosfield and Broadbalk over similar periods.

Results from other experiments, at Saxmundham and Woburn

(Table 3), better reflect FYM use in commercial practice, either

because smaller amounts were applied annually and/or FYM was not

applied every year. Although the treatments in these experiments

were replicated, disadvantages are that the data are less detailed

than in Broadbalk and Hoosfield as soils were sampled on fewer

occasions and, in some cases, the treatments were applied for

shorter periods. In the two experiments at Saxmundham, where the

soil contains 25% clay, SOC increased significantly. The rates of

F I G U R E 2

Accumulation of soil organic carbon (SOC), t/ha,

resulting from an annual application of farmyard manure (FYM),

35 t/ha in the Broadbalk Wheat Experiment, Rothamsted. The
amount of SOC has been corrected for the change in soil bulk
density at the end of each sampling period. Each of the three series
of data started in different years: Series 1. FYM from 1843 to 1914

(

9

), and again from 1967 to 2000, (

○

). Series 2. FYM from 1885 to

1914 (

+

), and again from 1967 to 2000, (

Δ

). Series 3. FYM from

1967 to 2000 (

□

). To create a common timeframe, the calendar

years for Series 2 and 3 data were shifted back to coincide with
Series 1 before fitting the exponential model

Experiment

and number

Period

(years)

Predicted amount of org C

c

Rate of increase

(t ha

1

year

1

)

Annual increase

(

&

/ha)

At start (t/ha)

At end (t/ha)

Hoosfield

Spring

barley (2)

1

–

20

37.6

1.4

51.4

2.0

0.69

8.4

21

–

40

51.4

2.0

61.0

2.6

0.48

9.3

41

–

60

61.0

2.6

67.7

2.5

0.34

5.5

61

–

80

67.7

2.5

72.3

2.1

0.23

3.4

81

–

100

72.3

2.1

75.5

1.5

0.16

2.2

101

–

120

75.5

1.5

77.7

1.2

0.11

1.5

121

–

140

77.7

1.2

79.3

1.2

0.08

1.0

141

–

160

79.3

1.2

80.4

1.4

0.06

0.7

Broadbalk

Winter

wheat (1)

1

–

20

23.4

3.5

43.4

1.7

1.00

42.7

21

–

40

43.4

1.7

56.2

1.2

0.64

14.7

41

–

60

56.2

1.2

64.3

1.0

0.40

7.2

61

–

80

64.3

1.0

69.4

1.4

0.26

4.0

81

–

100

69.4

1.4

72.7

2.0

0.16

2.4

101

–

120

72.7

2.0

74.8

2.6

0.10

1.4

a

For Hoosfield:

a

=

82.8 (

SE

3.13);

b

=

45.2 (

SE

2.89);

r

=

0.982 (

SE

0.005).Variance accounted

for

=

94%;

SE

of observations

=

4.6.

b

For Broadbalk:

a

=

78.5 (

SE

4.50);

b

=

55.1 (

SE

4.90);

r

=

0.978 (

SE

0.004).Variance accounted

for

=

89%;

SE

of observations

=

4.0.

c

Data to which the exponential models were fitted included any additional C present in the soil to an

“

equivalent

”

depth at the end of each period (see Supporting Information and Table S1).

T A B L E 2

Predicted amounts of organic

C in topsoil, together with standard
errors, from exponential models, org

C

=

a

+

b

9

r

time

, fitted to soils given

35 t FYM ha

1

year

1

; Hoosfield

a

and

Broadbalk

b

6

|

POULTON

ET AL

.

Page 8

Figures and page graphics, page 8

TABL

E

3

Changes

in

amount

of

organ

ic

C

from

add

ing

fa

rmyard

manu

re

Experiment

and

number

Crop

Treatment

a

Sampling

period

b

Amount

of

organic

C

c

in

measured

depth

Rate

of

increase

(t

C

h

a

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/yr)

Notes

At

start

(t/ha)

At

end

(t/ha)

Difference

d

(t/ha)

Saxmundham

RII

(16)

Various

arable

crops

FYM

every

4th

year

1899

–

1968

(43.9)

53.2

9.3

1.25

0.13

0.018

3.0

25.1

t/ha

every

4th

year

Woburn

Green

Manuring

(12)

Various

crops

FYM

every

2nd

year

1936

–

54

29.2

36.4

7.2

0.40

13.6

25.1

t/ha

every

2nd

year

Saxmundham

RI

(15)

Various

arable

crops

FYM

every

year

1899

–

1969

(36.5)

57.8

21.3

1.75

0.30

0.025

8.4

15.1

t

h

a

1

year

1

(30.1

t/ha

since

1965)

Exhaustion

Land

(9)

Arable

crops

FYM

1876

–

1903

(24.9)

43.8

18.9

0.68

27.1

35

t

h

a

1

year

1

1876

–

1901

Woburn

Organic

Manuring

(11)

Various

arable

crops

NPKMg

1965

–

1971

e

25.8

24.6

1.2

0.37

0.21

0.062

8.1

No

organic

amendment

”

NPKMg

1980

–

1986

24.4

22.7

1.7

0.86

0.28

0.143

12.0

”

”

NPKMg

2002

–

2012

26.8

23.2

3.5

0.73

0.35

0.073

13.2

”

”

FYM

1965

–

1971

e

25.2

35.3

10.1

1.36

1.68

0.227

66.4

50

t

h

a

1

year

1

+

N

applied

1965

–

1970

”

FYM

1980

–

1986

29.4

36.8

7.4

1.35

1.23

0.225

42.2

50

t

h

a

1

year

1

+

N

applied

1981

–

1985

”

FYM

10

t

h

a

1

year

1

since

2003

2002

–

2012

28.4

28.1

0.3

1.15

0.03

0.115

0.2

10

t

h

a

1

year

1

+

N

”

FYM

25

t

h

a

1

year

1

since

2003

2002

–

2012

35.

4

40.0

4.6

0.96

0.46

0.096

13.1

25

t

h

a

1

year

1

+

N

Park

Grass

(8)

Permanent

pasture

FYM

every

4th

year

since

1905

1923

–

1959

79.9

94.8

14.9

5.54

0.41

0.154

5.2

35

t

h

a

1

year

1

every

1959

–

2002

94.8

104.2

9.4

0.59

0.22

0.014

2.4

4th

year

”

FYM

every

4th

year

since

1905

1923

–

1959

77.9

98.0

20.1

6.77

0.56

0.188

7.4

35

t

h

a

1

year

1

every

4th

year

+

NPK

in

other

years

1959

–

2002

98.0

97.4

0.7

1.61

0.02

0.037

0.1

”

FYM

every

4th

year

since

1905

1923

–

1959

87.6

85.1

2.5

0.07

0.8

35

t

h

a

1

year

1

every

4th

year

+

fishmeal

(0.75

t/ha

DM)

every

4th

year

1959

–

2002

85.1

86.9

1.8

2.87

0.04

0.067

0.6

a

Unless

stated,

organic

amendments

were

applied

in

autumn.

b

Soils

were

sampled

in

autumn,

before

any

organic

amendments

were

applied;

except

Park

Grass

which

was

sampled

in

early

spring.

For

Saxmundham

RI

and

RI

I,

starting

values

(in

parentheses)

are

based

on

values

from

plots

with

NPK

but

no

FYM

input

(RI)

or

no

fertilizer

or

FYM

(RII),

measured

in

1969

and

1968

respectively.

For

the

Exhaustion

Land

the

star

ting

value

(in

parentheses)

is

the

mean

of

data

from

control

plots

with

no

fertilizer

or

FYM

input

or

from

plots

receiving

NPK,

measured

in

1903.

c

See

Table

S2

for

soil

weights

and

%

O

C

determined

by

Walkley-Black

(corrected),

Tinsley

or

combustion.

d

SE

of

the

mean

of

the

differences

between

replicates

where

applicable.

e

Sampled

in

spring

1964;

there

is

assumed

to

have

been

no

change

between

spring

1964

and

autumn

1965.

POULTON

ET AL

.

|

7

Page 9

Figures and page graphics, page 9

increase were 3

&

per year averaged over 69 years where FYM was

applied at 25.1 t/ha every 4 years and 8

&

per year averaged over

70 years where it was applied at 15.1 t/ha every year (Table 3).

Thus, with an annual FYM application of 15.1 t/ha, the

“

4

&

”

goal

(measured as 7

&

for the 0

–

23 cm soil depth) was exceeded over an

extended period on this soil type, and it is likely that the rate of

increase was much greater in the earlier years of each experiment.

In a much sandier soil (

c.

13% clay) in the Woburn Green Manur-

ing

Experiment,

starting

at

a

lower

SOC

content,

applying

25.1 t FYM/ha every 2 years increased SOC at an average rate of

14

&

per year, during a much shorter period of 18 years (Table 3).

These results contrast with those in the Woburn Organic Manuring

Experiment, also on a sandy soil and starting with only about 0.7%

SOC. Treatments receiving only inorganic fertilizers lost SOC during

different phases of the experiment. Large manure applications of

50 t/ha annually led to very rapid and significant increases of SOC

(66

&

or 41

&

per year; Tables 3 and S2) when measured over

shorter periods. In a later phase of the experiment, applying

25 t FYM ha

1

year

1

plus N fertilizer increased SOC significantly,

at 13

&

per year over 10 years, but when only 10 t ha

1

year

1

was

applied there was no increase. (Mattingly, Chater, & Poulton, 1974).

In the Park Grass experiment, started in 1856 on a site that had

been in permanent pasture since

c.

1700, applying FYM to the sur-

face began in 1905 on three plots. FYM, at 35 t/ha, was applied

every 4 years, either with or without additional inputs (see Support-

ing Information). Unfortunately, soil samples on these particular plots

were not taken until 1923. Over the next 36 years there was a mod-

est increase in SOC on two of the treatments and in the following

43 years there was little or no further change (Tables 3 and S2). In

the Woburn Ley-arable Experiment, started in 1938, different 5-year

crop rotations are compared, and initially in each rotation either no

FYM or FYM applied once every 5 years at 38 t/ha was tested. In

the rotations comprising 3 year of either lucerne or grazed grass fol-

lowed by 2-year arable, FYM increased SOC by 6

&

or 12

&

per year

over 30 years (Table 4). Where only arable crops, mainly cereals,

were grown, the rate of increase in SOC was smaller (3

&

per year)

and where more root crops were grown in the 5-year rotation there

was no increase in SOC from applying FYM. Johnston et al. (2017)

considered that these differences were due to the additional number

of soil cultivations needed to grow root crops. Changes in SOC in

the different rotations are described by Johnston et al. (2017) and

summarized here in a later section.

3.3

|

Effects of various organic amendments on

SOC stocks

Table 5 shows rates of SOC increase following annual applications

of various organic amendments (the quantities added expressed as

fresh weight) in two experiments on a sandy soil. The Woburn Mar-

ket Garden Experiment was started in 1942 and data are available

for a 25-year period (Table S3). The soil contained only 0.87% C,

equivalent to 31.1 t C/ha initially. Table 5 also shows the effect of

adding compost for 10 years in the Woburn Organic Manuring

Experiment where the initial SOC content was higher: 1.13%

(Table S3), equivalent to 39 t C/ha.

In the Woburn Market Garden Experiment, four different organic

materials (FYM and three different composts) were tested initially

and all gave large annual rates of SOC increase in the first 9 years

of 51

&

–

114

&

per year for annual applications of 35 t/ha annually

of fresh material and even larger where a double rate was applied

(Table 5). In the subsequent 9

–

18 years, SOC increases in excess of

7

&

per year continued (8

&

–

21

&

per year for the lower application

rate). In 1960 two major changes were made to the experiment: only

FYM and vegetable compost continued as organic amendments and

the rate of N fertilizer applied annually to all treatments increased.

During the third measurement period (18

–

25 years after the start of

the experiment), SOC in the inorganic fertilizers (NPK) treatment

increased at the rate of 25

&

per year, whereas in the FYM and veg-

etable compost treatments the rates of increase were smaller (11

&

and 3

&

per year). These smaller increases were presumably because

the starting value of SOC in the organic amendment treatments in

1960 were considerably greater than in NPK (49 and 59 compared

T A B L E 4

Changes in amount of organic C from adding farmyard manure every 5 years to continuous arable or ley-arable rotations; Woburn

Ley-arable experiment (14)

a

Crop

rotation

b

Treatment

No. of plots

sampled

Sampling period

No. of

years

Amount of organic C

Rate of

increase

(t C ha

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/yr)

Notes

At start

(t/ha)

At end

c

(t/ha)

Ar

FYM every

5th year

5

1938

–

1965/74

30.5

37.0

37.0

0.00

0.0

213 t/ha applied from

1938 to the mid-1960s

Ah

”

5

1938

–

1965/74

30.5

37.0

40.2

0.11

2.8

”

Lu3

”

5

1938

–

1965/74

30.5

37.0

43.4

0.21

5.7

”

L3

”

5

1938

–

1965/74

30.5

37.0

50.1

0.43

11.7

”

a

Adapted from Tables 2, 4 and S2, Johnston et al., 2017. Although there was not a significant effect of FYM for individual rotations, when all rotations

were considered together, there was a significant effect.

b

Ar: 5-year arable crops including root crops. Ah: 5-year arable including 1-year hay. Lu3: 3-year lucerne ley followed by 2-year arable. L3: 3-year grazed

grass/clover ley followed by 2-year arable.

c

For L3, the amount of organic C at the end includes additional C present in the soil to an

“

equivalent

”

depth; i.e. so that the same mass of mineral soil

was being considered both at the start and end of the period.

8

|

POULTON

ET AL

.

Page 10

Figures and page graphics, page 10

TABL

E

5

Cha

nges

in

am

ount

of

organ

ic

C

fro

m

adding

vari

ous

organ

ic

am

endmen

ts

Experiment

and

number

Crop

Treatment

a

Sampling

period

b

Amount

of

organic

C

c

in

measured

depth

Rate

of

increase

(t

C

h

a

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/yr)

Notes

At

start

(t/ha)

At

end

(t/ha)

Difference

d

(t/ha)

Woburn

Organic

Manuring

(11)

Various

arable

crops

Compost

2002

–

2012

38.8

52.9

14.1

2.42

1.41

0.242

36.3

40

t

h

a

1

year

1

compost

e

Woburn

Market

Garden

(13)

(Series

A)

Market

Garden

crops

NPK

1942

–

1951

31.1

33.6

2.5

0.28

8.9

No

organic

amendment

1951

–

1960

33.6

32.2

1.4

0.16

4.7

”

1960

–

1967

32.2

37.4

5.2

0.87

0.82

0.124

25.4

No

organic

amendment

but

amount

of

N

applied

doubled

”

FYM

1942

–

1951

31.1

45.3

14.2

1.59

51.1

311.4

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

45.3

48.6

3.3

0.36

7.9

401.8

t/ha

applied

in

total

1960

–

1967

48.6

52.1

3.5

1.51

0.51

0.216

10.5

175.8

t/ha

applied

in

total

”

Vegetable

compost

1942

–

1951

31.1

50.0

18.9

2.10

67.7

311.4

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

50.0

59.1

9.1

1.03

20.6

401.8

t/ha

applied

in

total

”

1960

–

1967

59.1

60.8

1.7

2.49

0.20

0.355

3.4

175.8

t/ha

applied

in

total

”

Sewage

sludge

1942

–

1951

31.1

62.8

31.7

3.53

113.7

311.4

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

62.8

68.8

6.0

0.67

10.7

401.8

t/ha

applied

in

total

”

Sludge

compost

1942

–

1951

31.1

53.6

22.5

2.50

80.5

311.4

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

53.6

63.2

9.6

1.07

20.0

401.8

t/ha

applied

in

total

”

FYM

(double

rate)

1942

–

1951

31.1

60.7

29.6

3.29

106.0

622.7

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

60.7

72.8

12.1

1.35

22.2

803.5

t/ha

applied

in

total

”

1960

–

1967

72.8

77.5

4.7

4.3

0.66

0.614

9.1

351.5

t/ha

applied

in

total

”

Vegatable

compost

(double

rate)

1942

–

1951

31.1

60.3

29.2

3.25

104.7

622.7

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

60.3

71.4

11.1

1.23

20.4

803.5

t/ha

applied

in

total

”

1960

–

1967

71.4

80.2

8.8

2.70

1.28

0.385

17.9

351.5

t/ha

applied

in

total

”

Sewage

sludge

(double

rate)

1942

–

1951

31.1

81.4

50.3

5.59

180.1

622.7

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

81.4

104.4

23.0

2.54

31.2

803.5

t/ha

applied

in

total

”

Sludge

compost

(double

rate)

1942

–

1951

31.1

67.8

36.7

4.09

131.5

622.7

t/ha

applied

in

total

1951

–

1960

67.8

84.8

17.0

1.90

28.1

803.5

t/ha

applied

in

total

a

Unless

stated

organic

amendments

were

applied

in

autumn.

b

Unless

stated,

soils

were

sampled

in

autumn,

before

any

organic

amendments

were

applied.

c

See

Table

S3

for

soil

weights

and

%

O

C

determined

by

Walkley-Black

(corrected),

Tinsley

or

combustion.

d

SE

of

the

differences

between

replicates

where

applicable.

e

Commercially

available

compost

supplying

c.

24

t

D

M

h

a

1

year

1

and

300

kg

N

h

a

1

year

1

.

POULTON

ET AL

.

|

9

Page 11

Figures and page graphics, page 11

to 32 t C/ha; Table 5), and the SOC content was nearer its equilib-

rium value in the soils with organic amendments. The effect of N

fertilizer on SOC stock is discussed later.

In the Woburn Organic Manuring Experiment, the rate of SOC

increase in the first 10 years of compost application (at 40 t/ha

annually) was slightly lower than in the Market Garden Experiment

(36

&

per year), possibly because of the higher initial SOC content

Table 5).

3.4

|

Effects of nitrogen fertilizer additions on SOC

stocks

Increases in SOC following an increase in the annual mineral fertil-

izer N application are seen in the Broadbalk Wheat Experiment

(Tables 6 and S4) although, due to lack of replication, we cannot

ascertain whether these changes are statistically significant. In

1968, a plot that had received 48 kg N/ha since 1852 started to

receive 192 kg N/ha, and during the next 20 years, SOC stock

under continuous winter wheat increased at an average rate of 5

&

per year, and during the following 13 years it continued to increase

at a similar average rate (Table 6). The N rate change from 1968

coincided with a change of crop cultivar to a short straw variety

that gave considerably greater grain yields at all N rates, so the

effects of the change in variety and increase in N rate cannot be

unequivocally separated. However, total above-ground dry matter

production was almost equal between the new and old varieties at

a given N rate (Austin, Ford, Morgan, & Yeoman, 1993) so it seems

likely that organic C inputs to soil in roots and stubble were little

changed due to the change in crop variety per se. It is therefore

likely that the observed increase in SOC is associated with the

increase in N fertilizer application. This could be caused by

increased organic C input to soil resulting from increased crop

growth or an increase in %N in crop residues caused by the

increased N application facilitating increased C retention in soil, or

a combination of these mechanisms.

In 1985, two other treatments had their long-term annual N

application rates increased: one from 144 to 240 kg N/ha and one

from 96 to 288 kg N/ha. The average rates of SOC increase mea-

sured over the next 13 years were 9

&

and 14

&

per year respec-

tively.

As discussed in the previous section, increasing annual fertilizer

N in the Woburn Market Garden Experiment, on a sandy soil, led to

an average rate of increase in SOC stock of 25

&

per year over

9 years in the NPK treatment (Table 5). Although when expressed as

&

per year this rate appears greater than in the Broadbalk examples,

the absolute increase in the Woburn soil of 5.2 t C/ha is in the same

range as in Broadbalk (2.2

–

5.6 t C/ha over the first 13

–

20 years;

Table 6).

It is important to note that, in the situations described above,

crop growth was not constrained by lack of other nutrients, inappro-

priate soil pH, or any other soil factors. Applying N fertilizer alone

would not be expected to increase SOC if such conditions were not

met.

3.5

|

Effects of straw incorporation, green manures

or cover crops

Straw incorporation, at an average annual rate of 3 t/ha, was started

in one section of the Broadbalk Experiment in 1987 on plots that

initially had only 1.13% C. During the first 12 years, SOC increased

significantly, at a rate of 8

&

per year, averaged over plots receiving

96

–

192 kg N/ha (Table 6).

In the Woburn Green Manuring Experiment, one treatment

received straw at 3.77 t ha

1

year

1

every 2 years (Table 6). This

increased SOC by an average of 6

&

per year over the next

18 years. In the Woburn Organic Manuring Experiment, straw was

incorporated at different times and effects were compared with

treatments receiving only inorganic fertilizers (shown in Table 3). In

plots receiving only inorganic fertilizers, there were small decreases

in SOC. Straw application led to variable increases ranging from zero

to 24

&

per year measured over 6 or 10 years but, due to the vari-

ability, only the increase in SOC with largest rate of applied straw

was statistically significant (Table 6).

In 1987, experiments comprising three rates of straw incorpora-

tion were started at both Rothamsted (18%

–

27% clay) and Woburn

(14% clay). Where the amount of straw applied was equal to that

produced, the average rates of SOC increase measured over

22 years were small and not significantly different from zero

(Table 7). Where the rates of straw applied were two or four times

the amount produced the increases were larger (5

&

–

10

&

per year)

but statistically only the four-times rate increased SOC significantly

compared to no straw.

Three experiments, all on sandy soil with an initial SOC concen-

tration of

<

1%, provide limited sets of data on the impact of green

manures or cover crops on SOC (Tables 6 and S2). In one case,

green manures led to a small increase (7

&

per year over 18 years)

and in another a combination of green manures and grass leys within

a mainly arable rotation increased the rate to 29

&

per year, mea-

sured over 6 years and probably just statistically significant. In

another treatment, inclusion of overwinter cover crops in 4 years

out of 10 failed to increase SOC (Table 6).

3.6

|

Changing from continuous arable cropping to

arable/ley rotations

The Woburn Ley-arable experiment (Johnston et al., 2017), started

in 1938, compares the effects of 3-year arable cropping and 3-year

or 8-year leys on the yields of two subsequent arable crops. Soils on

which 3-year lucerne leys were grown until 1970 showed only a

very modest increase in SOC in the 0

–

23 cm soil layer over

30 years. This has been attributed to the wide-spaced rows of

lucerne with its main tap root rather than a dense mass of shallower

roots, typical of grasslands (Johnston et al., 2017). When the lucerne

ley was replaced by a grass/clover mixture, SOC increased by at

least 4

&

per year over the next 35 years (Table 8). Where the 3-

year ley was grazed by sheep as opposed to being cut and the her-

bage removed, the rate of SOC increase was greater: 9

&

per year

10

|

POULTON

ET AL

.

Page 12

Figures and page graphics, page 12

TAB

L

E

6

Changes

in

amoun

t

o

f

organ

ic

C

from

inc

reasing

the

am

ount

o

f

fertilizer

N

app

lied,

add

ing

straw

or

growi

ng

green

ma

nures

or

cover

crops

Experiment

and

number

Crop

Treatment

a

Sampling

period

b

Amount

of

organic

C

c

in

measured

depth

Rate

of

increase

(t

C

h

a

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/yr)

Notes

At

start

(t/ha)

At

end

(t/ha)

Difference

d

(t/ha)

Broadbalk

(1)

W.

wheat

Sects

1

&

9

N

applied

increased

from

48

to

192

kg/ha

in

1968

1967

–

1987

e

28.7

31.2

2.5

0.13

4.5

Also,

a

change

from

long

to

short

straw

cultivars

in

1967

1987

–

2000

31.2

33.4

2.2

0.17

5.3

”

N

applied

increased

from

144

to

240

kg/ha

in

1985

1987

–

2000

29.5

33.1

3.6

0.28

9.4

”

N

applied

increased

from

96

to

288

kg/ha

in

1985

1987

–

2000

30.1

35.7

5.6

0.43

14.4

Broadbalk

(1)

W.

wheat

Sect

0

Wheat

straw

incorporated

since

autumn

1986

f

1988

–

2000

32.5

35.7

3.2

1.30

0.26

0.108

8.1

c.

36

t/ha

straw

applied

in

total

Woburn

Green

Manuring

(12)

Various

crops

Barley

straw

incorporated

in

alternate

years

1936

–

1954

29.2

32.3

3.1

0.17

5.8

3.77

t/ha

every

2

years

Woburn

Organic

Manuring

(11)

Various

arable

crops

Wheat

straw

incorporated

autumn

1965

–

1970

1965

–

1971

g

28.5

32.5

4.0

0.80

0.69

0.133

24.1

45

t/ha

straw

applied

in

total

”

Wheat

straw

incorporated

autumn

1980

–

1985

1980

–

1986

28.2

29.6

1.4

1.28

0.23

0.213

8.1

45

t/ha

straw

applied

in

total

”

Wheat

straw

incorporated

since

autumn

2002

2002

–

2012

31.4

31.5

0.1

0.45

0.03

0.045

1.1

75

t/ha

straw

applied

in

total

Woburn

Green

Manuring

(12)

Various

crops

Green

manures

1936

–

1954

29.2

32.6

3.4

0.19

6.5

Spring

sown

lupins

or

rape

or

undersown

clover

or

ryegrass

Woburn

Organic

Manuring

(11)

Various

arable

crops

Green

manures

1965

–

1971

g

26.2

30.4

4.2

1.62

0.75

0.269

28.5

Ryegrass

in

1964

and

1965;

undersown

trefoil

in

1966

and

red

clover

in

1968

and

1971

”

Cover

crops

2002

–

2012

30.3

24.8

5.5

1.06

0.55

0.106

18.2

Overwinter

cover

crops

in

2003/2004,

2006/2007,

2008/2009

and

2011/2012

a

Unless

stated,

organic

amendments

were

applied

in

autumn;

fertilizer

N

was

applied

in

spring.

b

Unless

stated,

soils

were

sampled

in

autumn,

before

any

organic

amendments

were

applied.

c

See

Table

S4

for

soil

weights

and

%

O

C

determined

by

Walkley-Black

(corrected),

Tinsley

or

combustion.

d

SE

of

the

differences

between

replicates

where

applicable.

e

Sampled

in

autumn

1966;

there

is

assumed

to

have

been

no

change

between

autumn

1966

and

autumn

1967.

f

Mean

of

plots

receiving

96,

144

and

192

kg

N/ha

+

P,

K

and

Mg.

g

Sampled

in

spring

1964;

there

is

assumed

to

have

been

no

change

between

spring

1964

and

autumn

1965.

See

Table

3

for

effects

on

control

treatment

receivi

ng

NPKMg.

POULTON

ET AL

.

|

11

Page 13

Figures and page graphics, page 13

during 31 years (Table 8). But when the grazed grass/clover ley was

changed to a grass ley given a small N fertilizer addition there was

no further increase in SOC during the subsequent 35 years. Two

cycles of 8-year grass or grass/clover leys, followed by 2-year arable

cropping, were started in the 1970s. SOC increased at rates of 7

&

–

9

&

per year over the next 35 years (Table 8).

Long leys (6 or 8 years) were also grown in the Woburn Organic

Manuring experiment (Mattingly et al., 1974) where SOC increased

significantly; increases ranged from 14

&

to 34

&

per year, measured

at the end of the 6- or 8-year period in the ley (Table 9). As noted

for organic additions, SOC increases tended to be greater when the

initial starting value was lower.

Ley-arable experiments were started on two sites on silty clay

loam soil at Rothamsted in 1949 (Johnston, 1973). One site, Fosters,

had been in long-term arable cropping and had an initial SOC con-

tent of about 1.5%. In this experiment, some plots were put into

permanent grass, some into a rotation of 3-year leys followed by 3-

years of arable crops and some plots continued to grow arable crops

each year. Rotations that included a 3-year grass

+

N ley or a 3-year

lucerne ley followed by 3 years of arable crops caused little increase

in SOC compared to continuous arable (Table 9). Rotations that ini-

tially included grazed leys, but were replaced by cut grass/clover leys

in the early 1960s, gave small increases in SOC (2

&

–

7

&

per year;

Table 9). Soil subject to land use change from arable to permanent

grass in 1949 gave an annual SOC increase of 14

&

per year over

the following 37 years which then declined to 3

&

per year over the

next 20 years (Table 9). The second Ley-arable experiment at

Rothamsted on Highfield was established on a site which had been

in long-term grass since 1838 (Lawes & Gilbert, 1885). The topsoil

on this site contained about 2.75% SOC in 1949. All plots ploughed

out of permanent grass lost SOC during the next 39 years whether

in permanent arable or ley-arable cropping (Table 9). Rotations which

included 3-year leys declined at a similar rate to soils in continuous

arable rotations (Johnston et al., 2009).

3.7

|

Land use change from arable cropping to

woodland

Figure 3 (summarizing data from Poulton, Pye, Hargreaves, & Jenkin-

son, 2003) shows SOC changes at two sites at Rothamsted following

a major land use change from long-term arable cropping to wood-

land through natural reversion. At one site, Broadbalk Wilderness,

the soil initially contained calcium carbonate and remained above pH

7 for the entire period of over 110 years. In total this site accumu-

lated 56% more SOC than the other site, Geescroft Wilderness, in

which soil pH declined from 7.1 at the start of reversion in 1883 to

4.4 in 1999. During the first 20 years after reversion to natural veg-

etation, Geescroft and Broadbalk accumulated SOC at 15

&

and

19

&

per year respectively, declining to 10

&

and 5

&

per year in the

final 30-year measurement period. Besides the increase in SOC,

much carbon was also accumulated in the above-ground vegetation

(Poulton et al., 2003). On these two woodland sites SOC had not

reached a new equilibrium, even after

>

100 years (Figure 3). By con-

trast, when there was a change from old arable land to permanent

T A B L E 7

Changes in organic C from adding various amounts of straw. Rothamsted and Woburn, Amounts of Straw experiments

a

Site, experiment

and number

Treatment

b

Treatment

period

Organic C

c

Rate of

increase

e

(t C ha

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/yr)

Notes

At end

(% C)

At end

d

(t/ha)

Rothamsted

Amounts

of straw (5)

No straw

1987

–

2008

1.86

53.2

—

—

No straw added

Wheat straw incorporated since

autumn 1986

1987

–

2008

1.96

56.1

0.13

2.4

100 t/ha straw applied

Wheat straw

9

2 incorporated

since autumn 1986

1987

–

2008

2.07

59.2

0.27

5.1

201 t/ha straw applied

Wheat straw

9

4 incorporated

since autumn 1986

1987

–

2008

2.14

61.2

0.36

6.8

402 t/ha straw applied

SED

0.078 (differences in % C significant at

p

=

.05)

Woburn

Amounts

of straw (10)

No straw

1987

–

2008

1.00

34.4

—

—

No straw added

Wheat straw incorporated

since autumn 1986

1987

–

2008

1.10

37.8

0.16

4.5

87 t/ha straw applied

Wheat straw

9

2 incorporated

since autumn 1986

1987

–

2008

1.21

41.6

0.33

9.5

175 t/ha straw applied

Wheat straw

9

4 incorporated

since autumn 1986

1987

–

2008

1.22

42.0

0.34

10.0

340 t/ha straw applied

SED

0.091 (differences in % C not significant)

a

Adapted from Table 2, Powlson, Glendining, et al. (2011).

b

Straw was applied in autumn after soils were sampled.

c

% OC determined by combustion.

d

Using soil weights of 2,860 and 3,440 t/ha for Rothamsted and Woburn respectively.

e

Compared to treatment without added straw.

12

|

POULTON

ET AL

.

Page 14

Figures and page graphics, page 14

grassland, SOC had reached an equilibrium after about 100 years

(Johnston et al., 2009).

4

|

D I S C U S S I O N

4.1

|

General considerations

Any increases in SOC will almost certainly improve soil functioning

and quality. There is considerable evidence that even small increases

can have disproportionately large and beneficial effects on soil bio-

logical activities and physical properties such as water infiltration,

aggregate stability and ease of tillage (Haynes, Swift, & Stephen,

1991; Snyder & Vazquez, 2005; Blair, Faulkner, Till, & Poulton,

2006; Thierfelder & Wall, 2012; Thierfelder, Cheesman, & Rusi-

namhodzi, 2013; Verhulst et al., 2010; Watts, Clark, Poulton, Powl-

son, & Whitmore, 2006). For example, even where zero tillage

increases SOC

concentration

in near-surface soil (e.g. 0

–

10 cm), but

with minimal impact on SOC

stock

to a greater depth, various soil

physical properties can be considerably improved (Powlson, Stirling,

Thierfelder, White, & Jat, 2016; Thierfelder & Wall, 2012). As

pointed out by Janzen (2015), it is the process of decomposition of

organic matter entering soil that delivers improvements in soil struc-

ture and functioning and the release of nutrients to crops: it is not

necessary that a large increase in SOC stock is attained.

Where large amounts of FYM have been applied over many

years much of the FYM-C has been lost even though the increase in

SOC has been large. For example, in the silty clay loam soil on

Broadbalk only 11% of the 480 t organic carbon added in FYM since

1843 has been retained in the soil to a depth of 46cm (Table 10),

yet the soil properties are drastically altered compared to that with

no manure addition. In the treatment where FYM had only been

applied since 1968, SOC was still far from reaching a new equilib-

rium level and a much larger proportion (35%) of the added C could

be found. In the sandy loam at Woburn, modelling with RothC-26.3,

showed that 5%, at most, of the C added in plant residues over a

70-year period is still present in the soil (Johnston et al., 2017) but,

again, this caused measurable changes in soil properties. However,

improvements in soil physical properties caused by increased SOC

do not necessarily translate into consistently increased crop yields

(Hijbeek et al., 2017).

In contrast to the impacts of increasing SOC on soil properties and

quality, the requirements for SOC increases for mitigating climate

change through soil carbon sequestration are more stringent. First, it is

necessary that SOC

stock

(i.e. the quantity of organic C in soil) is

increased, not just the

concentration

of C in the surface layer. Second,

it is essential that the additional C sequestered in soil would otherwise

have been in atmospheric CO

2

and is not simply being transferred

from one terrestrial location to another. Other well-known caveats

must also be observed including the fact that the rate of SOC increase

slows as the new equilibrium value is approached (Johnston et al.,

2009; Powlson et al., 2012; Smith, 2014) and that increases are

reversed if the modified management practice is not continued

T A B L E 8

Changes in amount of organic C in continuous arable or ley-arable rotations. Woburn Ley-arable experiment (14)

a

Crop

rotation

b

Treatment

Sampling period

No. of

years

Amount of organic C

c

Rate of

increase

(t C ha

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/yr)

Notes

At start

(t/ha)

At end

d

(t/ha)

Ar

Arable with root crops

1938

–

1965/74

30.5

36.95

35.25

0.06

1.5

Arable after

long-term arable

AF

Arable with 2-year fallows

1965/74

–

2000/09

35

35.25

30.91

0.12

3.5

Ah

Arable with 1-year hay

1938

–

1965/74

30.5

36.95

38.64

0.06

1.5

”

AB

Arable

1965/74

–

2000/09

35

38.64

35.63

0.09

2.2

Lu3

3-year lucerne ley

+

2-year arable

1938

–

1965/74

30.5

36.95

40.34

0.11

3.0

Ley-arable rotations

after long-term

arable

LC3

3-year grass/clover ley

+

2-year arable

1965/74

–

2000/09

35

40.34

46.24

0.17

4.2

L3

3-year grazed ley

+

2-year arable

1938

–

1965/74

30.5

36.95

47.18

0.34

9.1

”

LN3

3-year grass ley with N

+

2-year arable

1965/74

–

2000/09

35

44.24

44.76

0.01

0.3

LC8

8-year grass/clover ley

+

2-year arable

1965/74

–

2000/09

35

41.28

51.69

0.30

7.2

”

LN8

8-year grass ley with N

+

2-year arable

1965/74

–

2000/09

35

39.77

52.61

0.37

9.2

”

Rotation X year group

F

-ratio

(10 302)

=

35.40,

p

<

0.001

SED for all amounts of organic C

=

1.84

a

Adapted from Tables 2 and 4, Johnston et al. (2017). Data are the mean of plots without FYM and with FYM once every 5th year from 1938 to the

mid-1960s.

b

Ar: 5-year arable crops including root crops; becomes AF: 5-year arable including 2-year bare fallow. Ah: 5-year arable including 1-year hay; becomes

AB: 5-year arable. Lu3: 3-year lucerne ley followed by 2-year arable; becomes LC3: 3-year grass/clover ley followed by 2-year arable. L3: 3-year grazed

grass/clover ley followed by 2-year arable; becomes LN3: 3-year grass

+

N ley followed by 2-year arable. LC8: 8-year grass/clover ley followed by 2-year

arable. LN8: 8-year grass

+

N ley followed by 2-year arable.

c

% OC determined by Tinsley or combustion.

d

Includes any additional C present in the soil to an

“

equivalent

”

depth; i.e. so that the same mass of mineral soil was being considered at both the start

and the end of each period.

POULTON

ET AL

.

|

13

Page 15

Figures and page graphics, page 15

TAB

L

E

9

Changes

in

organ

ic

C

a

s

a

re

sult

of

a

cha

nge

from

long

-term

arab

le

or

grasslan

d

to

ley

-arable

rota

tions,

perman

ent

pasture

o

r

conti

nuous

arab

le

Experiment

and

number

Crop

Treatment

Sampling

period

a

Amount

of

organic

C

b

in

measured

depth

Org

C

in

extra

soil

c

(t/ha)

Total

at

end

with

extra

organic

C

(t/ha)

Difference

in

organic

C

a

t

start

and

end

(t/ha)

Rate

of

increase

(t

C

h

a

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/ha)

Notes

At

start

(t/ha)

At

end

(t/ha)

Woburn

Organic

Manuring

(11)

Ley

8-yr

grass

ley

with

N

1965

–

1971

d

28.0

30.0

2.4

32.4

4.4

0.96

0.75

0.160

27.0

Ley

after

long-term

arable

6-yr

grass/clover

ley

(previously

grass

ley

with

N)

1980

–

1986

29.8

29.8

2.6

32.6

2.6

0.47

0.43

0.078

14.5

Ley

after

9-year

arable

8-yr

grass/clover

ley

1965

–

1971

d

26.3

29.4

2.3

31.7

5.4

0.53

0.9

0.089

34.4

Ley

after

long-term

arable

6-yr

grass/clover

ley

(previously

grass/clover

ley)

1980

–

1986

28.7

29.1

2.5

31.6

2.8

0.60

0.47

0.100

16.5

Ley

after

9-year

arable

Grass/clover

Grass/clover

since

2003

2002

–

2012

31.3

35.0

2.7

37.7

6.4

2.12

0.64

0.212

20.6

Grass/clover

after

ley-arable

crops

Fosters

Ley-arable

(3)

Arable

cropping

NPKMg

1950

–

1987

41.0

37.8

0.0

37.8

3.2

0.09

2.1

Arable

after

1987

–

2008

37.8

37.9

0.0

37.9

0.1

0.01

0.2

long-term

arable

Ley-arable

cropping

3-yr

lucerne

ley

+

3-yr

arable

rotation

since

1949

1950

–

1987

41.0

42.4

0.0

42.4

1.4

0.04

0.9

Ley-arable

cropping

after

long-term

arable

3-yr

grass

ley

with

N

+

3-yr

arable

rotation

since

1949

1950

–

1987

41.0

43.5

0.0

43.5

2.5

0.07

1.6

”

3-yr

grazed

grass

ley

+

3-yr

arable

from

1949

to

1961/1962

then

3-yr

grass/clover

ley

+

3-yr

arable

since

1962/63

1950

–

1987

41.0

43.7

0.0

43.7

2.7

0.07

1.8

”

1987

–

2008

43.7

50.2

0.0

50.2

6.5

0.31

7.1

”

Grass

Grass

with

N

since

1949

1950

–

1987

41.0

60.2

2.1

62.3

21.3

0.57

14.0

Permanent

grass

with

N

after

long-term

arable

1987

–

2008

60.2

63.5

0.0

63.5

3.3

0.16

2.6

(Continues)

14

|

POULTON

ET AL

.

Page 16

Figures and page graphics, page 16

TAB

L

E

9

(Contin

ued)

Experiment

and

number

Crop

Treatment

Sampling

period

a

Amount

of

organic

C

b

in

measured

depth

Org

C

in

extra

soil

c

(t/ha)

Total

at

end

with

extra

organic

C

(t/ha)

Difference

in

organic

C

a

t

start

and

end

(t/ha)

Rate

of

increase

(t

C

h

a

1

year

1

)

Annual

increase

(

&

/ha)

Notes

At

start

(t/ha)

At

end

(t/ha)

Highfield

Ley-arable

(4)

Arable

cropping

NPKMg

1948

–

1987

61.3

39.6

5.4

34.2

27.1

0.69

11.3

Arable

after

grass

since

1838

1987

–

2008

39.6

37.9

1.7

36.1

3.5

0.16

4.2

Ley-arable

cropping

3-year

lucerne

ley

+

3-year

arable

rotation

since

1949

1948

–

1987

61.3

45.0

8.4

36.6

24.7

0.63

10.3

Ley-arable

cropping

after

grass

since

1838

3-year

grass

ley

with

N

+

3-year

arable

rotation

since

1949

1948

–

1987

61.3

45.9

8.4

37.5

23.8

0.61

9.9

”

3-year

grazed

grass

ley

+

3-year

arable

from

1949

to

1961/1962

then

3-year

grass/clover

ley

+

3-year

arable

since

1962/1963

1948

–

1987

61.3

45.7

8.4

37.3

24.0

0.61

10.0

”

1987

–

2008

45.7

49.4

0.0

49.4

3.7

0.18

3.9

”

Grass

Improved

grass

with

N

since

1949

1948

–

1987

61.3

66.5

0.0

66.5

5.2

0.13

2.2

Permanent

grass

with

N

after

grass

since

1838

1987

–

2008

66.5

73.2

0.0

73.2

6.7

0.32

4.8

a

Unless

stated,

soils

were

sampled

in

autumn.

b

See

Table

S5

for

soil

weights

and

%

O

C

determined

by

Walkley-Black

(corrected),

Tinsley

or

combustion.

c

Where

soil

weight

in

the

sampled

depth

has

decreased,

soils

should

have

been

sampled

deeper

so

that

the

same

mass

of

mineral

soil

was

being

considered.

W

here

the

soil

weight

has

increased

the

soil

should

have

been

sampled

less

deeply;

see

text

for

further

explanation.

d

Sampled

in

spring

1964;

there

is

assumed

to

have

been

no

change

between

spring

1964

and

autumn

1965.See

Table

3

for

effects

on

control

treatment

receivi

ng

NPKMg.

POULTON

ET AL

.

|

15

Page 17

Figures and page graphics, page 17

indefinitely (Powlson, Glendining, et al. 2011; Powlson, Whitmore, &

Goulding, 2011; Mackey et al., 2013).

In considering the climate change mitigation potential of any

change in land management practice, it is the overall impact on all

greenhouse gas fluxes that must be assessed, not only changes in

SOC (Smith et al., 2008). Some practices leading to C sequestration

may increase emissions of trace greenhouse gases, especially N

2

O.

For example, a recent global meta-analysis of experiments with

manure showed that, on average, manure addition increased N

2

O

emission by 33% compared to inorganic N fertilizer and this could

largely offset the benefit of increased SOC stock (Zhou et al., 2017).

However, the trend was smaller with FYM than with manures con-

taining a larger proportion of readily mineralizable N such as poultry

manure.

Of the 114 treatment comparisons within the long-term experi-

ments reported in this paper, almost two-thirds showed SOC stock

increases

>

7

&

per year (or 5

&

in soils with larger initial SOC con-

tent); these increases, mostly measured in the 0

–

23 cm soil layer,

being roughly equivalent to 4

&

goal specified for the 0

–

40 cm layer

in the

“

4 per 1000

”

initiative. The increases were predominantly

from organic inputs (manure, compost or straw) or from inclusion of

pasture leys instead of continuous arable cropping. However, in eval-

uating the practicality of the

“

4 per 1000

”

initiative, considerable

caution is required in transferring results from experiments such as

these, and those reported by Minasny et al. (2017), to real world sit-

uations. Experimental results need to be evaluated in the light of the

following practical and logistical considerations:

1.

Is the practice suitable for a wide range of soil types and envi-

ronmental conditions and possible for farmers to adopt in practi-

cal situations?

2.

Is the practice profitable for a farmer? If the answer is

“

not under

current conditions

”

but the practice is highly beneficial, either for

climate change mitigation or long-term soil quality improvement

or food security, there could be an argument for changes in pol-

icy or financial arrangements to promote uptake of the practice.

3.

What are the implications for global food security if a practice is

widely adopted?

4.

Is the practice already widely used in the regions concerned, thus

giving limited opportunities for further adoption?

Below, we address the land management practices considered in

this paper from the viewpoint of these considerations.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1880

1920

1960

2000

a

/ht

,

C

ci

na

gr

O

Year

F I G U R E 3

Accumulation of soil organic carbon (SOC), t/ha, in

arable soils that were allowed to revert to woodland from the
1880s. The amount of SOC at the end of each sampling period has
been corrected for the change in soil bulk density. Broadbalk

Wilderness, (

■

); Geescroft Wilderness, (

♦

). Rothamsted

T A B L E 1 0

The retention of FYM-derived C in the soil

Experiment and

number

Treatment

Years applied

Soil

sampled

FYM-C

applied (t/ha)

Additional C in soil

compared to controls

a

FYM-derived C recovered

compared to controls

a

In topsoil

0

–

23 cm (t/ha)

In subsoil

23

–

46 cm (t/ha)

In topsoil

0

–

23 cm (%)

In subsoil

23

–

46 cm (%)

Broadbalk (1)

FYM 1843

Since 1843

b

2000

477

39.8

13.2

8

3

FYM 1885

Since 1885

b

2000

341

33.8

12.5

10

4

FYM 1968

1968

–

2000

2000

106

28.1

8.7

27

8

Hoosfield (2)

FYM 1852

Since 1852

1998

470

55.8

17.7

12

4

FYM residues

1852

–

71

1998

64

10.5

0.6

16

1

Exhaustion

Land (9)

FYM

1876

–

1901

1903

83

18.9

—

23

—

FYM residues

1876

–

1901

1974

83

6.7

—

8

—

a

For Broadbalk and Hoosfield, control treatments received N, P, K, Mg fertilizers; for the Exhaustion Land the control is the mean of plots receiving

either no fertilizers or N, P, K, Mg fertilizers.

b

Between 1926 and 1967, sections of the experiment were fallowed each year to control weeds. The two sections in continuous wheat being consid-

ered here (sampled in 2000) were fallowed nine times in this period (eight times on section 9; 10 times on Section 1); FYM was not applied in these

years.

16

|

POULTON

ET AL

.

Page 18

Figures and page graphics, page 18

4.2

|

Removal of land from agriculture

Removing land from arable cropping, and allowing natural regenera-

tion to deciduous woodland, led to large accumulations of organic C

in soil in addition to that in trees; SOC stock doubled or trebled in a

little over a century (Figure 3 and Poulton et al., 2003). Initially the

rates of increase in these woodland reversion sites were very large

and still exceeded 4

&

per year (in the 0

–

23 cm soil layer) during the

final 30 years of measurement. Similarly, conversion from arable to

permanent grass caused an increase of 55% in SOC in 58 years

(Table 9). Pi

~

neiro, Jobb

agy, Baker, Murray, and Jackson (2009) also

reported substantial increases in SOC at 142 sites in the United

States where agricultural land was set aside. There are obviously

severe limitations to the area of land that can be removed from agri-

culture globally if food security goals are to be met. But, in limited

situations where soils are either of low productivity or are fragile

and prone to erosion, conversion from agriculture to forest or grass-

land may be a logical strategy (Albanito et al., 2016; Smith et al.,

2013). A good example is the

“

grain for green

”

programme in China

that reduced soil erosion and led to considerable increases in SOC

(Chadwick et al., 2015; Song, Peng, Zhou, Jiang, & Wang, 2014).

4.3

|

Addition of manures and other organic

materials

The annual application of FYM at 35 t fresh material per hectare on

Broadbalk since 1843 and Hoosfield since 1852 led to a high rate of

SOC increase for several decades (Figures 1 and 2; Table 2) but such

increases are unlikely to be achieved in practical farming situations.

Few farmers would have such large quantities of animal manure

available each year for all fields on their farm and, even if they did,

they may be prevented from applying such amounts continuously

because of the risk of nitrate and phosphate pollution (Goulding,

Poulton, Webster, & Howe, 2000; Hesketh & Brookes, 2000) and/or

government legislation (e.g. www.gov.uk/guidance/nutrient-manage

ment-nitrate-vulnerable-zones). However, on the positive side, even

the more practically relevant application regimes (lower rates and/or

applied every second or fourth year) in the Saxmundham and

Woburn experiments led to rates of increase in SOC of 8

&

–

14

&

per year even when averaged over 20

–

70 years (Table 3). Thus,

manure applications are a very effective way of increasing SOC,

especially if used on soils with low initial SOC content where the

potential for increase is greatest; the reduced rate of increase as

SOC stock increased with time was very clear in all these experi-

ments. This has important implications for farming practice: from the

viewpoint of SOC management (and recycling of nutrients) it would

be desirable to have a mixed landscape comprising farms with grass

and arable fields in close proximity, as was the case some decades

ago in northern Europe. Such mixed farming facilitates the applica-

tion of manures to arable fields which tend to have a lower SOC

content, and so benefit the most from organic additions, but is con-

trary to the current tendency in many countries for specialization,

with animal and arable enterprises being spatially separated.

Specialization is favoured by a range of practical (soil type and cli-

mate) and economic factors. If this trend is to be reversed to achieve

environmental benefits, including increased SOC stocks, it is likely

that significant changes in policies and financial incentives will be

required. For example, if policies facilitated alterations in farm struc-

tures such that the estimated 300 Mt of solid manure produced in

the European Union (Foged et al., 2011) were distributed more

evenly this would be beneficial for soil quality.

While manure applications are very effective at increasing SOC

and improving a wide range of soil functions, it should be recognized

that these increases will generally not be delivering climate change

mitigation but are rather a transfer of C from one location to

another (Schlesinger, 2000). Globally, virtually all manure is currently

being applied to soil at some location, though often in a suboptimal

way. So, while there is certainly scope to make more rational and

efficient use of manures both for soil C enhancement and for nutri-

ent supply, almost all manure is already being used to some extent.

Thus, it is incorrect to assume that all SOC increases observed in

experiments on manure application can be transferred to practical

situations and fully treated as climate change mitigation: at least part

of the benefit will already be accruing (Powlson et al., 2012; Powl-

son, Glendining, et al., 2011; Powlson, Whitmore, et al., 2011).

Where manure is being used inefficiently, or is applied to soil with

an already high SOC stock, there is an opportunity to manage it dif-

ferently by applying instead to low-SOC soils with potential for

some degree of climate change mitigation plus numerous other ben-

efits for soil quality, nutrient supply and decreased water pollution

(Chadwick et al., 2015). Although, of course, there are major practi-

cal barriers to transporting manure, even over moderate distances.

The different organic amendments tested in experiments on a

sandy loam soil (sewage sludge, now commonly called biosolids, and

various composts) all led to high rates of SOC accumulation

(Table 5). As with most of the FYM treatments, the application rates

were large so the absolute rates of SOC increase cannot be directly

transferred to practical farming but there is a strong indication that,

for a given application rate, they deliver larger increases in SOC than

FYM and the effect is longer lasting. This is presumably because

these materials have already undergone greater decomposition than

FYM during composting or sewage treatment so the organic C

applied to soil will be somewhat more recalcitrant (Johnston, 1975).

An important factor regarding these materials is that they represent

organic resources that are not currently widely utilized. In many

countries, a significant proportion of food waste and similar organic

materials is currently disposed of in landfill where decomposition

returns CO

2

or CH

4

to the atmosphere (Bijaya, Barrington, & Marti-

nez, 2006). Their greater use as a soil amendment can contribute to

genuine climate change mitigation in addition to soil improvement

(Powlson et al., 2012). However, it is recognized that some of these

materials may have alternative uses that mitigate climate change in

other ways, such as feedstock for anaerobic digestion to generate

biogas as a substitute for fossil fuel. For example, about 8% of man-

ure in the EU is currently processed for such purposes (Foged et al.,

2011). To some extent these two uses can be combined if the

POULTON

ET AL

.

|

17

Page 19

Figures and page graphics, page 19

digestate residue is applied to soil as a source of C and crop nutri-

ents. Similarly, some organic wastes such as poultry litter are cur-

rently incinerated to generate electricity or heat, the residue being

used as source of crop nutrients.

4.4

|

Retention of crop residues

Straw additions had variable, though generally positive, impacts on

SOC stocks (Tables 6 and 7). Irrespective of soil type (silty clay loam at

Rothamsted or sandy loam at Woburn), any increases tended to be

greater where there was less SOC at the start of the experiment. Else-

where, in temperate climatic regions, straw addition has also given

positive but generally small increases in total SOC stock (Powlson

et al., 2012; Powlson, Glendining, et al., 2011; Powlson, Whitmore,

et al., 2011; van Groenigen et al., 2011). For example, in the 25 straw

incorporation experiments of 6- to 56-year duration reviewed by

Powlson, Glendining, et al. (2011) and Powlson, Whitmore, et al.

(2011), the increase in SOC was only statistically significant in six

cases. However, as mentioned earlier, there is evidence that even

small increases in SOC can have disproportionately large and benefi-

cial effects on soil physical and biological properties (Houot, Molina,

Chaussod, & Clapp, 1989; Malhi & Lemke, 2007; Ketcheson & Beau-

champ, 1978; Thierfelder & Wall, 2012). In many regions, much cereal

straw is already returned to soil (e.g. an estimate of 50% in the United

Kingdom in 2008; Copeland & Turley, 2008) with much of the remain-

der being used for animal bedding and eventually returned to soil as

FYM, so the scope for additional straw return to soil for climate

change mitigation is limited. In smallholder agriculture in tropical

regions the use of crop residues for animal feed or bedding is regarded

as a significant barrier to direct return of crop residues to soil as part

of wider adoption of conservation agriculture (Powlson et al., 2016;

Thierfelder et al., 2013; Giller et al., 2011).

4.5

|

Conversion from continuous arable to ley-

arable cropping

In the experiments considered here this change of management

often led to increases in SOC exceeding 7

&

per year (equivalent to

4

&

per year in the 0

–

40 cm depth), sometimes for several decades

(Tables 8 and 9). However, leys of just 3 years generally had only

small effects. Increases in SOC from growing leys compared to con-

tinuous arable crops is a genuine transfer of additional C from atmo-

sphere to soil due to additional inputs of photosynthate entering the

soil during the pasture phases of the rotation, mainly through the

root mass. The issues when considering the wider adoption of this

system mainly concern profitability at the farm scale. As discussed

above in the context of manure use, many farmers in developed

countries apparently find that the practical and economic benefits of

specialization outweigh the less immediate benefits of improved soil

quality that can be gained from a mixed animal/arable farming sys-

tem. An expansion of mixed systems would require changes in policy

and financial incentives and presupposes that there is a consumer

demand for the animal products derived from the grass phase. Such

a change would only be logical from consideration of climate change

if it was accompanied by a decrease in the number of animals fed

on grain in more intensive animal productions systems and probably

an overall decrease in consumption of meat and dairy products

(Baj

zelj et al., 2014). Such changes face major social and behavioural

barriers and are unlikely to be achieved rapidly.

4.6

|

Addition of N fertilizer

In three examples from the Broadbalk Experiment, increasing the

annual application of N fertilizer (with adequate supplies of other

nutrients) caused increases in SOC

>

4

&

per year in the 0

–

23 cm soil

layer that continued for periods of between 13 and 33 years (Table 6).

This is consistent with earlier studies on Broadbalk (Glendining et al.,

1996) and reviews of numerous experiments worldwide showing

increased SOC in soils receiving N fertilizer compared to unfertilized

or unbalanced fertilizer applications (Ladha, Reddy, Padre, & van Kes-

sel, 2011; Han, Zhang, Wang, Sun, & Huang, 2016). It is presumed that

this is due to increased inputs of organic C into soil from roots, exu-

dates and above-ground crop residues resulting from increased crop

growth. It may also be that increased %N in these residues leads to

greater conservation of organic C in soil organic matter. For regions of

the world where fertilizer applications are currently low or nonexis-

tent, this finding demonstrates a practical opportunity for increasing

SOC with simultaneous benefits for crop production, provided other

aspects of soil fertility, water availability and crop protection are in

place. However, in such regions (e.g. Africa), there are major infrastruc-

ture and economic barriers to overcome to achieve rational fertilizer

use. Where it does occur, it will be driven by food security goals, but

improved soil quality will be a welcome co-benefit. Increases in SOC

derived in this way are unlikely to deliver climate change mitigation

because of the greenhouse gas emissions associated with N fertilizer,

especially direct and indirect N

2

O emissions, though yield-scaled

greenhouse gas emissions (i.e. emission per unit of agricultural pro-

duct) may decrease (Linquist, van Groenigen, Adviento-Borbe, Pit-

telkow, & van Kessel, 2012). In addition, there are large CO

2

emissions

associated with the manufacture of N fertilizer (Schlesinger, 2000), for

example 3

–

8 t CO

2

-equivalent per t N under European manufacturing

conditions (Brentrup & Palli

ere, 2008). In regions where agriculture is

well developed (e.g. Europe, North America), N fertilizer is already

widely used, often at near-optimum rates, so there is little opportunity

to achieve increased SOC stocks through this mechanism. In regions

where N is frequently overused (e.g. China) the overriding aim is to

decrease applications to decrease water pollution and greenhouse gas

emissions (Zhang et al., 2013): it is clearly not acceptable to justify

excessively large N applications on the grounds of increasing SOC.

4.7

|

Practical limitations to achieving SOC

increases of 4 per 1000 compared to initial SOC
stock in agricultural soils

Any policies or initiatives, such as

“

4 per 1000

”

, that lead to

increased SOC and remove CO

2

from the atmosphere are to be

18

|

POULTON

ET AL

.

Page 20

Figures and page graphics, page 20

welcomed. Even small increases in SOC are likely to improve soil

quality and functioning for sustainable crop production, ecosystem

services or both. But only in some cases will there be a concurrent

benefit for climate change mitigation. Results from the long-term

experiments reviewed here demonstrate several land management

practices that can increase SOC stocks, often at rates well above the

4

&

per year rate (in the 0

–

40 cm depth). However, as discussed

above, there are many situations where these practices cannot be

widely adopted, either because they are impractical for farmers or

because of wider global issues. The limitations influencing wide-

spread adoption vary between different regions of the world but

mostly fall into one or more of the following categories:

1.

Farmers do not have the necessary resources available, e.g. insuf-

ficient manure due to lack of animals or insufficient crop residues

because they are required for other purposes, e.g. smallholder

farmers in Africa (Thierfelder et al., 2013; Giller et al., 2015).

2.

The practice is already widely used, giving limited scope for

achieving increased SOC accumulation through greater adoption.

An example is the return of crop residues to soil in many situa-

tions in Europe and North America.

3.

Widespread adoption would have a negative impact on global

food security, e.g. converting agricultural land to forest or grass-

land.

4.

The necessary change of management would be uneconomic to

the farmer under current conditions or impractical for some other

reason. To implement such changes would probably require

changes in government policies, regulations or subsidies to pro-

mote the practice.

For these reasons, we conclude that promoting the

“

4 per 1000

”

initiative as a major contribution to climate change mitigation is

unrealistic. Of course, any contribution to mitigating climate change

is beneficial but the reasoning we have set out, and that of Baveye

et al. (2018), strongly indicate that the magnitude is far smaller than

claimed, or implied, by the proposers of the initiative. We suggest

that a more logical rationale for promoting practices that increase

SOC is the urgent need to preserve and improve the functioning of

soils, both for sustainable food security and wider ecosystem ser-

vices. As discussed earlier, there is significant evidence that even

small increases in SOC can have disproportionately large impacts on

a range of soil physical properties so even very partial success in

meeting the

“

4 per 1000

”

target can be highly beneficial in this

respect. We recognize that this is a more nuanced argument with

less obvious political appeal but it is more firmly based on sound evi-

dence. It is also in line with attempting to meet the UN Sustainable

Development Goals (http://www.un.org/sustainabledevelopment/sus

tainable-development-goals). We also emphasize that SOC increases

are not necessarily the key issue when considering the success of

climate change mitigation through land management practices: the

impacts of management changes on emissions of trace greenhouse

gases, especially N

2

O, must be given equal weight (Smith et al.,

2008; Zhou et al., 2017; Tian et al., 2016).

A C K N O W L E D G E M E N T S

Rothamsted Research receives strategic funding from the UK

Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC).

The Rothamsted Long-term Experiments National Capability is sup-

ported by the BBSRC Grant BBS/E/C/000J0300. The authors also

thank the Lawes Agricultural Trust, the managers of the Electronic

Rothamsted Archive, Tony Scott, Steve Freeman and Chris Hall for

their assistance and numerous past and present farm and analytical

staff for conducting the experiments and carrying out the analysis.

O R C I D

David Powlson

http://orcid.org/0000-0001-8776-2339

R E F E R E N C E S

Albanito, F., Beringer, T., Corstanje, R., Poulter, B., Stephenson, A.,

Zawadzka, J., & Smith, P. (2016). Carbon implications of converting

cropland to bioenergy crops or forest for climate mitigation: A global

assessment.

Global Change Biology Bioenergy

,

8

, 81

–

95. https://doi.

org/10.1111/gcbb.12242

Austin, R. B., Ford, M. A., Morgan, C. L., & Yeoman, D. (1993). Old and

modern wheat cultivars compared on the Broadbalk wheat experi-

ment.

European Journal of Agronomy

,

2

, 141

–

147. https://doi.org/10.

1016/S1161-0301(14)80144-5

Baj

zelj, B., Richards, K. S., Allwood, J. M., Smith, P., Dennis, J. S., Curmi,

E., & Gilligan, C. A. (2014). Importance of food-demand management

for climate mitigation.

Nature Climate Change

,

4

, 924

–

929. https://d

oi.org/10.1038/nclimate2353

Baveye, P. C., Berthelin, J., Tessier, D., & Lemaire, G. (2018). The

“

4 per

1000

”

initiative: A credibility issue for the soil science community?

Geoderma

,

309

, 118

–

123. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.

05.005

Bijaya, K. A., Barrington, S., & Martinez, J. (2006). Predicted growth of

world urban food waste and methane production.

Waste Management

and

Research

,

24

,

421

–

433.

https://doi.org/10.1177/

0734242X06067767

Blair, N., Faulkner, R. D., Till, A. R., & Poulton, P. R. (2006). Long-term

management impacts on soil C, N and physical fertility. Part 1: Broad-

balk experiment.

Soil Tillage Research

,

91

, 30

–

38. https://doi.org/10.

1016/j.still.2005.11.002

Brentrup, F., & Palli

ere, C. (2008). GHG emissions and energy efficiency

in European nitrogen fertiliser production and use. Proceeding 639,

International Fertiliser Society

, York, UK, pp. 26

Chabbi, A., Lehmann, J., Ciais, P., Loescher, H. W., Cotrufo, M. F., Don,

A.,

. . .

Rumpel, C. (2017). Aligning agriculture and climate policy.

Nat-

ure Climate Change

,

7

, 307

–

309. https://doi.org/10.1038/nclimate

3286

Chadwick, D., Wei, J., Yan

’

an, T., Guanghui, Y., Qirong, S., & Qing, C.

(2015). Improving manure nutrient management towards sustainable

agricultural intensification in China.

Agriculture, Ecosystems and Envi-

ronment

,

209

, 34

–

46. https://doi.org/10.1016/j.agee.2015.03.025

Chambers, A., Lal, R., & Paustian, K. (2016). Soil carbon sequestration

potential of US croplands and grasslands: Implementing the 4 per

Thousand Initiative.

Journal of Soil and Water Conservation

,

71

, 68A

–

74A. https://doi.org/10.2489/jswc.71.3.68A

Chater, M., & Gasser, J. K. R. (1970). Effects of green manuring, farmyard

manure, and straw on the organic matter of soil and of green manur-

ing on available nitrogen.

Journal of Soil Science

,

21

, 127

–

137.

https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1970.tb01160.x

POULTON

ET AL

.

|

19

Page 21

Figures and page graphics, page 21

Copeland, J., & Turley, D. (2008).

National and regional supply/demand for

agricultural straw in Great Britain

. Report prepared for the National

Non-Food Crops Centre, York, p. 17.

Foged, L. H., Flotats, X., Blasi, A. B., Palatsi, J., Magri, A., & Schelde, K. M.

(2011).

Inventory of manure processing activities in Europe

. Technical

Report No. I concerning

“

Manure Processing Activities in Europe

”

to

the European Commission, Directorate-General Environment. 138 pp.

Fornara, D. A., Steinbeiss, S., McNamara, N. P., Gleixner, G., Oakley, S.,

Poulton, P. R.,

. . .

Bardgett, R. D. (2011). Increases in soil organic car-

bon sequestration can reduce the global warming potential of long-

term liming to permanent grassland.

Global Change Biology

,

17

, 1925

–

1934. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2010.02328.x

GenStat

â

(2016). Sixteenth Edition,

©

VSN International, Hemel Hemp-

stead, UK.

Giller, K. E., Andersson, J. A., Corbeels, M., Kirkegaard, J., Mortensen, D.,

Erenstein, O., & Vanlauwe, B. (2015). Beyond conservation agricul-

ture.

Frontiers in Plant Science

,

6

, article 870, 1

–

14.

Giller, K. E., Corbeels, M., Nyamangara, J., Triomphe, B., Affholder, F.,

Scopel, E., & Tittonell, P. (2011). A research agenda to explore the

role of conservation agriculture in African smallholder farming sys-

tems.

Field Crops Research

,

124

, 468

–

472. https://doi.org/10.1016/

j.fcr.2011.04.010

Glendining, M. J., Powlson, D. S., Poulton, P. R., Bradbury, N. J., Palazzo,

D., & Li, X. (1996). The effects of long-term applications of inorganic

nitrogen fertilizer on soil nitrogen in the Broadbalk Wheat Experi-

ment.

Journal of Agricultural Science

,

127

, 347

–

363. https://doi.org/

10.1017/S0021859600078527

Gollany, H. T., Rickman, R. W., Liang, Y., Albrecht, S. L., Machado, S., &

Kang, S. (2011). Predicting agricultural management influence on

long-term soil organic carbon dynamics: Implications for biofuel pro-

duction.

Agronomy Journal

,

103

, 234

–

246. https://doi.org/10.2134/

agronj2010.0203s

Goulding, K. W. T., Poulton, P. R., Webster, C. P., & Howe, M. T. (2000).

Nitrate leaching from the Broadbalk Wheat Experiment, Rothamsted,

UK, as influenced by fertilizer and manure inputs and the weather.

Soil Use and Management

,

16

, 244

–

250. https://doi.org/10.1111/j.

1475-2743.2000.tb00203.x

van Groenigen, K. J., Hastings, A., Forristal, D., Roth, B., Jones, M., &

Smith, P. (2011). Soil C storage as affected by tillage and straw man-

agement: An assessment using field measurements and model predic-

tions.

Agriculture

Ecosystems

and

Environment

,

140

,

218

–

225.

https://doi.org/10.1016/j.agee.2010.12.008

van Groeningen, J. W., van Kessel, C., Hungate, B. A., & Oenema, O.

(2017). Powlson DS & van Groeningen KJ (2017) Sequestering soil

organic carbon: A nitrogen dilemma.

Environmental Science & Technol-

ogy

,

51

, 4738

–

4739. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b01427

Han, P., Zhang, W., Wang, G., Sun, W., & Huang, Y. (2016). Changes in

soil organic carbon in croplands subjected to fertilizer management:

A global metaanalysis.

Scientific Reports

,

6

, 27199. https://doi.org/10.

1038/srep27199

Haynes, R. J., Swift, R. S., & Stephen, R. C. (1991). Influence of mixed crop-

ping rotations (pasture-arable) on organic matter content, water stable

aggregation and clod porosity in a group of soils.

Soil Tillage Research

,

19

, 77

–

87. https://doi.org/10.1016/0167-1987(91)90111-A

Hesketh, N., & Brookes, P. C. (2000). Development of an indicator for

risk of phosphorus leaching.

Journal of Environmental Qualiy

,

29

, 105

–

110. https://doi.org/10.2134/jeq2000.00472425002900010013x

Hijbeek, R., van Ittersum, M. K., ten Berge, H. F. M., Gort, G., Spiegel, H.,

& Whitmore, A. P. (2017). Do organic inputs matter - a meta-analysis

of additional yield effects for arable crops in Europe.

Plant and Soil

,

411

, 293

–

303. https://doi.org/10.1007/s11104-016-3031-x

Houot, S., Molina, J. A. E., Chaussod, R., & Clapp, C. E. (1989). Simulation

by NCSOIL of net mineralization in soils from the Deherain and 36 Par-

celles fields at Grignon.

Soil Science Society of America Journal

,

53

, 451

–

455. https://doi.org/10.2136/sssaj1989.03615995005300020023x

IUSS Working Group WRB (2015). World Reference Base for Soil

Resources 2014, update 2015. International soil classification system

for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil

Resources Reports No. 106. FAO, Rome.

Janzen, H. H. (2015). Beyond carbon sequestration: Soil as conduit of

solar energy.

European Journal of Soil Science

,

66

, 19

–

32. https://doi.

org/10.1111/ejss.12194

Jenkinson, D. S., Poulton, P. R., & Bryant, C. (2008). The turnover of

organic carbon in subsoils. Part 1. Natural and bomb radiocarbon in

soil profiles from the Rothamsted long-term field experiments.

Eur-

opean Journal of Soil Science

,

59

, 391

–

399. https://doi.org/10.1111/

j.1365-2389.2008.01025.x

Jenkinson, D. S., & Johnston, A. E. (1977). Soil organic matter in the

Hoosfield continuous barley experiment. Rothamsted Experimental

Station, Report for 1976, Part 2, 87-101. Lawes Agricultural Trust,

Harpenden, UK. https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-34448

Johnston, A. E. (1973). The effects of ley and arable cropping systems on

the amounts of soil organic matter in the Rothamsted and Woburn

Ley-Arable experiments. Rothamsted Experimental Station, Report for

1972, Part 2, 131-159. Lawes Agricultural Trust, Harpenden, UK.

https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-34692

Johnston, A. E. (1975). The Woburn Market Garden Experiment, 1942-

69: II. The effects of the treatments on soil ph, soil carbon, nitrogen,

phosphorus and potassium. Rothamsted Experimental Station, Report

for 1974, Part 2, 102-131. Lawes Agricultural Trust, Harpenden, UK.

https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-33162

Johnston, A. E., & Garner, H. V. (1969). The Broadbalk Wheat experi-

ment: historical introduction.

Rothamsted

Experimental

Station,

Report for 1968, Part 2, 12-25. Lawes Agricultural Trust, Harpenden,

UK. https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-34916

Johnston, A. E., & Poulton, P. R. (1977). Yields on the exhaustion land

and changes in the NPK content of the soils due to cropping and

manuring, 1852

–

1975. Rothamsted Experimental Station, Report for

1976, Part 2, 53

–

85. Lawes Agricultural Trust, Harpenden, UK.

https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-34447

Johnston, A. E., Poulton, P. R., & Coleman, K. (2009). Soil organic matter:

Its importance in sustainable agriculture and carbon dioxide fluxes.

Advances in Agronomy

,

101

, 2

–

57.

Johnston, A. E., Poulton, P. R., Coleman, K., Macdonald, A. J., & White, R.

P. (2017). Changes in soil organic matter over 70 years in continuous

arable and ley-arable rotations on a sandy loam soil in England.

Euro-

pean Journal of Soil Science

,

68

, 305

–

316. https://doi.org/101111/

ejss.12415

Kalembasa, S. J., & Jenkinson, D. S. (1973). Comparative study of titri-

metric and gravimetric methods for determination of organic carbon

in soil.

Journal of the Science of Food and Agriculture

,

24

, 1085

–

1090.

https://doi.org/10.1002/(ISSN)1097-0010

Ketcheson, J. W., & Beauchamp, E. G. (1978). Effects of stover, manure and

nitrogen on soil properties and crop yield.

Agronomy Journal

,

70

, 792

–

797. https://doi.org/10.2134/agronj1978.00021962007000050003x

Ladha, J. K., Reddy, C. K., Padre, A. T., & van Kessel, C. (2011). Role of

nitrogen fertilization in sustaining organic matter in cultivated soils.

Journal of Environmental Quality

,

40

, 1756

–

1766. https://doi.org/10.

2134/jeq2011.0064

Lal, R. (2016). Beyond COP21: Potential and challenges of the

“

4 per

Thousand

”

initiative.

Journal of Soil and Water Conservation

,

71

, 20A

–

25A. https://doi.org/10.2489/jswc.71.1.20A

Lawes, J. B., & Gilbert, J. H. (1885). On some points in the composition

of soils; with results illustrating the sources of the fertility of Mani-

toba prairie soils.

Journal of the Chemical Society

,

47

, 380

–

422.

Lawes, J. B., & Gilbert, J. H. (1895). The Rothamsted Experiments; being

an account of some of the results of the agricultural investigations

conducted at Rothamsted, in the field, the feeding shed, and the lab-

oratory, over a period of fifty years.

Transactions of the Highland and

Agricultural Society of Scotland

, Fifth Series,

7

, 1

–

354.

20

|

POULTON

ET AL

.

Page 22

Figures and page graphics, page 22

Linquist, B., van Groenigen, K. J., Adviento-Borbe, M. A., Pittelkow, C., &

van Kessel, C. (2012). An agronomic assessment of greenhouse gas

emissions from major cereal crops.

Global Change Biology

,

18

, 194

–

209. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02502.x

Macdonald, A. J., Powlson, D. S., Poulton, P. R., Watts, C. J., Clark, I. M.,

Storkey, J.,

. . .

McGrath, S. P. (2015). The Rothamsted long-term

experiments.

Aspects of Applied Biology

,

128

, 1

–

10.

Mackey, B., Prentice, I. C., Steffen, W., House, J. I., Lindenmayer, D.,

Keith, H., & Berry, S. (2013). Untangling the confusion around land

carbon science and climate change mitigation policy.

Nature Climate

Change

,

3

, 552

–

558. https://doi.org/10.1038/nclimate1804

Malhi, S. S., & Lemke, R. (2007). Tillage, crop residue and N fertilizer

effects on crop yield, nutrient uptake, soil quality and nitrous oxide

gas emissions in a second 4-yr rotation cycle.

Soil Tillage Research

,

96

,

269

–

283. https://doi.org/10.1016/j.still.2007.06.011

Mattingly, G. E. G. M., Chater, M., & Poulton, P. R. (1974). The Woburn

Organic Manuring Experiment: II. Soil analyses, 1964

–

72, with special

reference to changes in carbon and nitrogen. Rothamsted Experimen-

tal Station, Report for 1973, Part 2, 134-151. Lawes Agricultural

Trust, Harpenden, UK. https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-34636

Mattingly, G. E. G. M., Johnston, A. E., & Chater, M. (1969). The residual

value of farmyard manure and superphosphate in the Saxmundham

rotation II experiment, 1899

–

1968. Rothamsted Experimental Station,

Report for 1969, Part 2, 91

–

112. Lawes Agricultural Trust, Harpen-

den, UK. https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-34865

Minasny, B., Arrouays, D., McBratney, A. B., Angers, D. A., Chambers, A.,

Chaplot, V.,

. . .

Winowiecki, L. (2018). Rejoinder to Comments on

Minasny

et al

., 2017 Soil carbon 4 per mille

Geoderma

,

292

, 59

–

86.

Geoderma

,

309

, 124

–

129. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.

05.026

Minasny, B., Malone, B. P., McBratney, A. B., Angers, D. A., Arrouays, D.,

Chambers, A.,

. . .

Field, D. J. (2017). Soil carbon 4 per mille.

Geo-

derma

,

292

, 59

–

86. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.01.002

Pi

~

neiro, G., Jobb

agy, E. G., Baker, J., Murray, B. C., & Jackson, R. B. (2009).

Set-asides can be better climate investment than corn ethanol.

Ecologi-

cal Applications

,

19

, 277

–

282. https://doi.org/10.1890/08-0645.1

Poulton, P. R., Pye, E., Hargreaves, P. R., & Jenkinson, D. S. (2003). Accu-

mulation of carbon and nitrogen by old arable land reverting to

woodland.

Global Change Biology

,

9

, 942

–

955. https://doi.org/10.

1046/j.1365-2486.2003.00633.x

Powlson, D. S., Bhogal, A., Chambers, B. J., Macdonald, A. J., Goulding, K.

W. T., & Whitmore, A. P. (2012). The potential to increase soil carbon

stocks through reduced tillage or organic material additions in Eng-

land and Wales: A case study.

Agriculture Ecosystems and Environment

,

146

, 23

–

33. https://doi.org/10.1016/j.agee.2011.10.004

Powlson, D. S., Glendining, M. J., Coleman, K., & Whitmore, A. P. (2011).

Implications for soil properties of removing cereal straw: Results from

long-term studies.

Agronomy Journal

,

103

, 279

–

287. https://doi.org/

10.2134/agronj2010.0146s

Powlson, D. S., Stirling, C. M., Thierfelder, C., White, R. P., & Jat, M. L.

(2016). Does conservation agriculture deliver climate change mitiga-

tion through soil carbon sequestration in tropical agro-ecosystems?

Agriculture Ecosystems and Environment

,

220

, 164

–

174. https://doi.

org/10.1016/j.agee.2016.01.005

Powlson, D. S., Whitmore, A. P., & Goulding, K. W. T. (2011). Soil carbon

sequestration to mitigate climate change: A critical re-examination to

identify the true and the false.

European Journal of Soil Science

,

62

,

42

–

55. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2010.01342.x

Rothamsted Research (2006). Guide to the Classical and other Long-term

Experiments, Datasets and Sample Archive. Lawes Agricultural Trust,

Harpenden,

UK.

https://doi.org/10.23637/ROTHAMSTED-LONG-

TERM-EXPERIMENTS-GUIDE-2006

Schlesinger, W. H. (2000). Carbon sequestration in soils: Some cautions

amidst optimism.

Agriculture, Ecosystems and Environment

,

82

, 121

–

127. https://doi.org/10.1016/S0167-8809(00)00221-8

Scott, T., Macdonald, A., & Goulding, K. (2014). The U.K. Environmental

Change Network, Rothamsted. Physical and Atmospheric Measure-

ments: The first 20 years.

Lawes Agricultural Trust

, 32 pp. ISBN 978-

0-9564424-0-6 (Revised edition, 2015. ISBN 978-0-9564424-1-3).

Smith, P. (2004). How long before a change in soil organic carbon can be

detected?

Global Change Biology

,

10

, 1878

–

1883. https://doi.org/10.

1111/j.1365-2486.2004.00854.x

Smith, P. (2014). Do grasslands act as a perpetual sink for carbon?

Global

Change Biology

,

20

, 2708

–

2711. https://doi.org/10.1111/gcb.12561

Smith, P. (2016). Soil carbon sequestration and biochar as negative emis-

sion technologies.

Global Change Biology

,

22

, 1315

–

1324. https://doi.

org/10.1111/gcb.13178

Smith, P., Haberl, H., Popp, A., Erb, K. H., Lauk, C., Harper, R.,

. . .

Rose, S.

(2013). How much land-based greenhouse gas mitigation can be

achieved without compromising food security and environmental

goals?

Global Change Biology

,

19

, 2285

–

2302. https://doi.org/10.

1111/gcb.12160

Smith, P., Martino, D., Cai, Z., Gwary, D., Janzen, H., Kumar, P.,

. . .

Smith,

J. (2008). Greenhouse gas mitigation in agriculture.

Philosophical

Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences

,

363

, 789

–

813.

https://doi.org/10.1098/rstb.2007.2184

Snyder, V. A., & Vazquez, M. A. (2005). Structure. In D. Hillell, et al.

(Eds.),

Encyclopedia of soils in the environment

(Vol.

4

, pp. 54

–

68).

Oxford,

UK:

Elsevier.

https://doi.org/10.1016/B0-12-348530-4/

00533-6

Song, X., Peng, C., Zhou, G., Jiang, H., & Wang, W. (2014). Chinese Grain

for Green Program led to highly increased soil organic carbon levels:

A meta-analysis.

Scientific Reports

,

4

, 4460. https://doi.org/10.1038/

srep04460

Storkey, J., Macdonald, A. J., Bell, J. R., Clark, I. M., Gregory, A. S., Haw-

kins, N. J.,

. . .

Whitmore, A. P. (2016). The unique contribution of

Rothamsted to ecological research at large temporal scales. In A. J.

Dumbrell, R. L. Kordas, & G. Woodward (Eds.),

Advances in ecological

research

(Vol.

55

, pp. 3

–

42), Chapter 1, Cambridge: MA: Academic

Press.

Thierfelder, C., Cheesman, S., & Rusinamhodzi, L. (2013). Benefits and

challenges of crop rotations in maize-based conservation agriculture

(CA) cropping systems of southern Africa.

International Journal of Agri-

cultural

Sustainability

,

11

,

108

–

124.

https://doi.org/10.1080/

14735903.2012.703894

Thierfelder, C., & Wall, P. C. (2012). Effects of conservation agriculture

on soil quality and productivity in contrasting agro-ecological envi-

ronments of Zimbabwe.

Soil Use and Management.

,

28

, 209

–

220.

https://doi.org/10.1111/j.1475-2743.2012.00406.x

Tian, H., Lu, C., Ciais, P., Michalak, A. M., Canadell, J. G., Saikawa, E.,

. . .

Wofsy, S. C. (2016). The terrestrial biosphere as a net source of

greenhouse gases to

the atmosphere.

Nature

,

531

, 225

–

228.

https://doi.org/10.1038/nature16946

Tinsley, J. (1950). The determination of organic carbon in soils by dichro-

mic mixtures. In: vanBaren F. A., J. Doeksen, W. R. Domingo, J. Ch. L

Favejee, H. J. Hardon, E. G. Mulder, P. K. Peerlkamp, A. C. Schuffe-

len, J. G. Vermaat, W. C. Visser, A. J. Zuur, & J. J. Schuurman (Eds.),

Transactions of the 4th International Congress of Soil Science

(Vol.

1

,

pp. 161

–

164), Amsterdam, the Netherlands: Hoitsema Brothers.

UNCCD (2017).

The Global Land Outlook

, first edition. Bonn, Germany.

SBN: 978-92-95110-48-9. Retrieved from https://global-land-out

look.squarespace.com/the-outlook/#the-bokk

VandenBygaart, A. J. (2018). Comments on soil carbon 4 per mille by

Minasny et al. 2017.

Geoderma

,

309

, 113

–

114. https://doi.org/10.

1016/j.geoderma.2017.05.024

Verhulst, N., Govaerts, B., Verachtert, E., Castellanos-Navarrete, A., Mez-

zalama, M., Wall, P.,

. . .

Sayre, K. D. (2010). Conservation agriculture,

improving soil quality for sustainable production systems. In R. Lal, &

B. A. Srewart (Eds.),

Advances in soil science: Food security and soil

quality

(pp. 137

–

208). Boca Roton, FL: CRC Press.

POULTON

ET AL

.

|

21

Page 23

Figures and page graphics, page 23

de Vries, W. (2018). Soil carbon 4 per mille: A good initiative but let

’

s

manage not only the soil but also the expectations.

Geoderma

,

309

,

111

–

112. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.023

Warren, R. G., & Johnston, A. E. (1964). The Park Grass Experiment.

Rothamsted Experimental Station, Report for 1963, 240

–

262. Lawes

Agricultural Trust, Harpenden, UK. https://doi.org/10.23637/ERA

DOC-1-38770

Watts, C. W., Clark, J., Poulton, P. R., Powlson, D. S., & Whitmore, A. P.

(2006). The role of clay, organic carbon and long-term management

on mouldboard plough draught measured on the Broadbalk Wheat

experiment at Rothamsted.

Soil Use and Management

,

22

, 334

–

341.

https://doi.org/10.1111/j.1475-2743.2006.00054.x

White, R. E., Davidson, B., Lam, S. K., & Chen, D. (2018). A critique of the

paper

‘

Soil carbon 4 per mille

’

by Minasny et al. (2017).

Geoderma

,

309

,

115

–

117. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.025

Williams, R. J. B., & Cooke, G. W. (1971). Results of the Rotation I Exper-

iment at Saxmundham, 1964

–

69. Rothamsted Experimental Station,

Report for 1970, Part 2, 68

–

97. Lawes Agricultural Trust, Harpenden,

UK. https://doi.org/10.23637/ERADOC-1-34801

Zhang, W. F., Dou, Z. X., He, P., Ju, X. T., Powlson, D., Chadwick, D.,

. . .

Zhang, F. S. (2013). New technologies reduce greenhouse gas emis-

sions from nitrogenous fertilizer in China.

Proceedings of the National

Academy of Sciences of the United States of America

,

110

, 8375

–

8380.

https://doi.org/10.1073/pnas.1210447110

Zhou, M., Zhu, B., Wang, S., Zhu, X., Vereecken, H., & Br

€

uggemann, N.

(2017). Stimulation of N

2

O emission by manure application to agricul-

tural soils may largely offset carbon benefits: A global meta-analysis.

Global Change Biology

,

23

, 4068

–

4083. https://doi.org/10.1111/gcb.

13648

S U P P O R T I N G I N F O R M A T I O N

Additional Supporting Information may be found online in the sup-

porting information tab for this article.

How to cite this article:

Poulton P, Johnston J, Macdonald A,

White R, Powlson D. Major limitations to achieving

“

4 per

1000

”

increases in soil organic carbon stock in temperate

regions: Evidence from long-term experiments at Rothamsted

Research, United Kingdom.

Glob Change Biol

. 2018;00:1

–

22.

https://doi.org/10.1111/gcb.14066

22

|

POULTON

ET AL

.