Biodiversity is rapidly declining worldwide, and there is consensus that this can decrease ecosystem functioning and services. It remains unclear, though, whether few or many of the species in an ecosystem are needed to sustain the provisioning of ecosystem services. It has been hypothesized that most species would promote ecosystem services if many times, places, functions and environmental changes were considered; however, no previous study has considered all of these factors together. Here we show that 84% of the 147 grassland plant species studied in 17 biodiversity experiments promoted ecosystem functioning at least once. Different species promoted ecosystem functioning during different years, at different places, for different functions and under different environmental change scenarios. Furthermore, the species needed to provide one function during multiple years were not the same as those needed to provide multiple functions within one year. Our results indicate that even more species will be needed to maintain ecosystem functioning and services than previously suggested by studies that have either (1) considered only the number of species needed to promote one function under one set of environmental conditions, or (2) separately considered the importance of biodiversity for providing ecosystem functioning across multiple years, places, functions or environmental change scenarios. Therefore, although species may appear functionally redundant when one function is considered under one set of environmental conditions, many species are needed to maintain multiple functions at multiple times and places in a changing world.

Data from experiments that manipulated grassland biodiversity across Europe and North America show that biodiversity increases an ecosystem’s resistance to, although not resilience after, climate extremes. Tests to establish whether biodiversity buffers ecosystems against extreme climate events have produced strongly contrasting results. Forest Isbell et al. combine data from 46 experiments that manipulated grassland plant diversity and measured productivity across Europe and North America and find that yes, biodiversity does increase an ecosystem's resistance to climate extremes. Plots with just a few species had their productivity reduced by 50% during climate extremes, whereas this effect was halved with a greater number of species. However, biodiversity had no discernible effect on the ecosystem resilience, with both low and high biodiversity treatments recovering from climate extremes within a year. It remains unclear whether biodiversity buffers ecosystems against climate extremes, which are becoming increasingly frequent worldwide1. Early results suggested that the ecosystem productivity of diverse grassland plant communities was more resistant, changing less during drought, and more resilient, recovering more quickly after drought, than that of depauperate communities2. However, subsequent experimental tests produced mixed results3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Here we use data from 46 experiments that manipulated grassland plant diversity to test whether biodiversity provides resistance during and resilience after climate events. We show that biodiversity increased ecosystem resistance for a broad range of climate events, including wet or dry, moderate or extreme, and brief or prolonged events. Across all studies and climate events, the productivity of low-diversity communities with one or two species changed by approximately 50% during climate events, whereas that of high-diversity communities with 16–32 species was more resistant, changing by only approximately 25%. By a year after each climate event, ecosystem productivity had often fully recovered, or overshot, normal levels of productivity in both high- and low-diversity communities, leading to no detectable dependence of ecosystem resilience on biodiversity. Our results suggest that biodiversity mainly stabilizes ecosystem productivity, and productivity-dependent ecosystem services, by increasing resistance to climate events. Anthropogenic environmental changes that drive biodiversity loss thus seem likely to decrease ecosystem stability14, and restoration of biodiversity to increase it, mainly by changing the resistance of ecosystem productivity to climate events.

Field experiments across aquatic and terrestrial ecosystems show that biodiversity positively affects carbon and nitrogen cycling in leaf litter decomposition, indicating that reduced decomposition caused by biodiversity loss would modify the global carbon cycle and limit the nitrogen supply to the organisms at the base of the food chain. It is well established that biodiversity has a positive effect on ecosystem functions such as primary production, but its effects on the diversity of plant litter and of the organisms that break it down are less clear cut. Stephan Hättenschwiler and colleagues examined litter diversity in parallel manipulative experiments at five sites ranging from subarctic to tropical, and including both aquatic and terrestrial ecosystems. Across all of the studied ecosystems, they show that reducing the diversity of litter or of detritivores (the invertebrates and microorganisms that break litter down) slows litter carbon and nitrogen cycling and the rate of decomposition. A reduction in decomposition caused by biodiversity loss would, for example, limit the nitrogen supply to primary producers. Although positive overall, the effects were weaker than commonly reported for primary production, thus challenging current thinking on the generality of relationships between biodiversity and ecosystem processes that are based on assessments of plant productivity. The decomposition of dead organic matter is a major determinant of carbon and nutrient cycling in ecosystems, and of carbon fluxes between the biosphere and the atmosphere1,2,3. Decomposition is driven by a vast diversity of organisms that are structured in complex food webs2,4. Identifying the mechanisms underlying the effects of biodiversity on decomposition is critical4,5,6 given the rapid loss of species worldwide and the effects of this loss on human well-being7,8,9. Yet despite comprehensive syntheses of studies on how biodiversity affects litter decomposition4,5,6,10, key questions remain, including when, where and how biodiversity has a role and whether general patterns and mechanisms occur across ecosystems and different functional types of organism4,9,10,11,12. Here, in field experiments across five terrestrial and aquatic locations, ranging from the subarctic to the tropics, we show that reducing the functional diversity of decomposer organisms and plant litter types slowed the cycling of litter carbon and nitrogen. Moreover, we found evidence of nitrogen transfer from the litter of nitrogen-fixing plants to that of rapidly decomposing plants, but not between other plant functional types, highlighting that specific interactions in litter mixtures control carbon and nitrogen cycling during decomposition. The emergence of this general mechanism and the coherence of patterns across contrasting terrestrial and aquatic ecosystems suggest that biodiversity loss has consistent consequences for litter decomposition and the cycling of major elements on broad spatial scales.

Collaboration broadens the “root economics space” ranging from “do-it-yourself” to “outsourcing” to mycorrhizal partners.

Abstract Plant litter decomposition is a key process in terrestrial carbon cycling, yet the relative importance of various control factors remains ambiguous at a global scale. A full reciprocal litter transplant study with 16 litter species that varied widely in traits and originated from four forest sites covering a large latitudinal gradient (subarctic to tropics) showed a consistent interspecific ranking of decomposition rates. At a global scale, variation in decomposition was driven by a small subset of litter traits (water saturation capacity and concentrations of magnesium and condensed tannins). These consistent findings, that were largely independent of the varying local decomposer communities, suggest that decomposer communities show little specialisation and high metabolic flexibility in processing plant litter, irrespective of litter origin. Our results provide strong support for using trait‐based approaches in modelling the global decomposition component of biosphere‐atmosphere carbon fluxes.

A common pattern emerging from studies on the relationship between plant diversity and ecosystem functioning is that productivity increases with diversity. Most of these studies have been carried out in perennial grasslands, but many lasted only two growing seasons or reported data from a single year. Especially for perennial plant communities, however, the long-term effects of diversity are important. The question whether interactions between few species or among many species lead to increased productivity remained largely unanswered. So far, the main mechanism addressed is the increased input of nitrogen by nitrogen-fixing legumes. We report that other mechanisms can also generate strong increases of productivity with diversity. Results from 4 consecutive years of a plant diversity experiment without legumes show that a positive relationship between plant species richness and productivity emerged in the second year and strengthened with time. We show that increased nutrient use efficiency at high species richness is an important underlying mechanism. This mechanism had not been discussed in earlier studies. Furthermore, our results suggest that complementary nutrient uptake in space and time is important. Together, these mechanisms sustain consistently high productivity at high diversity.

Previous studies on biodiversity and soil food web composition have mentioned plant species identity, as well as plant species diversity as the main factors affecting the abundance and diversity of soil organisms. However, most studies have been carried out under limitations of time, space, or appropriate controls. In order to further examine the relation between plant species diversity and the soil food web, we conducted a three‐year semi‐field experiment in which eight plant species (4 forb and 4 grass species) were grown in monocultures and mixtures of two, four and eight plant species. In addition there were communities with 16 plant species. We analyzed the abundance and identity of the nematodes in soil and roots, including feeding groups from various trophic levels (primary and secondary consumers, carnivores, and omnivores) in the soil food web. Plant species diversity and plant identity affected the diversity of nematodes. The effect of plant diversity was attributed to the complementarity in resource quality of the component plant species rather than to an increase in total resource quantity. The nematode diversity varied more between the different plant species than between different levels of plant species diversity, so that plant identity is more important than plant diversity. Nevertheless the nematode diversity in plant mixtures was higher than in any of the plant monocultures, due to the reduced dominance of the most abundant nematode taxa in the mixed plant communities. Plant species identity affected the abundances of the lower trophic consumer levels more than the higher trophic levels of nematodes. Plant species diversity and plant biomass did not affect nematode abundance. Our results, therefore, support the hypothesis that resource quality is more important than resource quantity for the diversity of soil food web components and that plant species identity is more important than plant diversity per se.

The relationship between biological diversity and ecological stability has fascinated ecologists for decades. Determining the generality of this relationship, and discovering the mechanisms that underlie it, are vitally important for ecosystem management. Here, we investigate how species richness affects the temporal stability of biomass production by reanalyzing 27 recent biodiversity experiments conducted with primary producers. We find that, in grasslands, increasing species richness stabilizes whole-community biomass but destabilizes the dynamics of constituent populations. Community biomass is stabilized because species richness impacts mean biomass more strongly than its variance. In algal communities, species richness has a minimal effect on community stability because richness affects the mean and variance of biomass nearly equally. Using a new measure of synchrony among species, we find that for both grasslands and algae, temporal correlations in species biomass are lower when species are grown together in polyculture than when grown alone in monoculture. These results suggest that interspecific interactions tend to stabilize community biomass in diverse communities. Contrary to prevailing theory, we found no evidence that species’ responses to environmental variation in monoculture predicted the strength of diversity’s stabilizing effect. Together, these results deepen our understanding of when and why increasing species richness stabilizes community biomass.

Summary The storage of carbon (C) and nitrogen (N) in soil is important ecosystem functions. Grassland biodiversity experiments have shown a positive effect of plant diversity on soil C and N storage. However, these experiments all included legumes, which constitute an important N input through N 2 ‐fixation. Indeed, the results of these experiments suggest that N 2 fixation by legumes is a major driver of soil C and N storage. We studied whether plant diversity affects soil C and N storage in the absence of legumes. In an 11‐year grassland biodiversity experiment without legumes, we measured soil C and N stocks. We further determined above‐ground biomass productivity, standing root biomass, soil organic matter decomposition and N mineralization rates to understand the mechanisms underlying the change in soil C and N stocks in relation to plant diversity and their feedbacks to plant productivity. We found that soil C and N stocks increased by 18% and 16% in eight‐species mixtures compared to the average of monocultures of the same species, respectively. Increased soil C and N stocks were mainly driven by increased C input and N retention, resulting from enhanced plant productivity, which surpassed enhanced C loss from decomposition. Importantly, higher soil C and N stocks were associated with enhanced soil N mineralization rates, which can explain the strengthening of the positive diversity–productivity relationship observed in the last years of the experiment. Synthesis . We demonstrated that also in the absence of legumes, plant species richness promotes soil carbon (C) and nitrogen (N) stocks via increased plant productivity. In turn, enhanced soil C and N stocks showed a positive feedback to plant productivity via enhanced N mineralization, which could further accelerate soil C and N storage in the long term.

In many estuarine areas around the world, the safety of human societies depends on the functioning of embankments (dikes) that provide protection against river floods and storm tides. Vegetation on land-side slopes protects these embankments from erosion by heavy rains or overtopping waves. We carried out a field experiment to investigate the effect of plant species diversity on soil loss through erosion on a simulated dike. The experiment included four diversity treatments (1, 2, 4, and 8 species). In the third year of the experiment, we measured net annual soil loss by measuring erosion losses every 2 weeks. We show that loss of plant species diversity reduces erosion resistance on these slopes: net annual soil loss increased twofold when diversity declines fourfold. The different plant species had strongly diverging effects on soil erosion, both in the single-species and in the multi-species plots. Analysis of the dynamics of the individual species revealed that the main mechanism explaining the strong effects of plant species diversity on soil erosion is the compensation or insurance effect, that is, the capacity of diverse communities to supply species to take over the functions of species that went extinct as a consequence of fluctuating environmental conditions. We conclude that the protection and restoration of diverse plant communities on embankments and other vegetated slopes are essential to minimize soil erosion, and can contribute to greater safety in the most densely populated areas of the world.