Bringing together leaf trait data spanning 2,548 species and 175 sites we describe, for the first time at global scale, a universal spectrum of leaf economics consisting of key chemical, structural and physiological properties. The spectrum runs from quick to slow return on investments of nutrients and dry mass in leaves, and operates largely independently of growth form, plant functional type or biome. Categories along the spectrum would, in general, describe leaf economic variation at the global scale better than plant functional types, because functional types overlap substantially in their leaf traits. Overall, modulation of leaf traits and trait relationships by climate is surprisingly modest, although some striking and significant patterns can be seen. Reliable quantification of the leaf economics spectrum and its interaction with climate will prove valuable for modelling nutrient fluxes and vegetation boundaries under changing land-use and climate.

Earth is home to a remarkable diversity of plant forms and life histories, yet comparatively few essential trait combinations have proved evolutionarily viable in today’s terrestrial biosphere. By analysing worldwide variation in six major traits critical to growth, survival and reproduction within the largest sample of vascular plant species ever compiled, we found that occupancy of six-dimensional trait space is strongly concentrated, indicating coordination and trade-offs. Three-quarters of trait variation is captured in a two-dimensional global spectrum of plant form and function. One major dimension within this plane reflects the size of whole plants and their parts; the other represents the leaf economics spectrum, which balances leaf construction costs against growth potential. The global plant trait spectrum provides a backdrop for elucidating constraints on evolution, for functionally qualifying species and ecosystems, and for improving models that predict future vegetation based on continuous variation in plant form and function. The authors found that the key elements of plant form and function, analysed at global scale, are largely concentrated into a two-dimensional plane indexed by the size of whole plants and organs on the one hand, and the construction costs for photosynthetic leaf area, on the other. Within the possible variety of forms that organisms can take, only a few will prove evolutionarily successful. Sandra Díaz et al. analyse a comprehensive database mapping worldwide variation in six traits critical to growth, survival and reproduction of vascular plants, and arrive at a detailed quantitative global picture of plant functional diversity. Despite enormous possible variation, the authors find that coordination among traits means that all plants can be positioned along just two axes of variation: one corresponds to overall plant form and the other is the previously characterized leaf economics spectrum. Also in this issue of Nature, Georges Kunstler et al., in a study of data from millions of trees worldwide, show that functional traits consistently predict the competitive interactions between tree species.

• Global-scale quantification of relationships between plant traits gives insight into the evolution of the world's vegetation, and is crucial for parameterizing vegetation–climate models. • A database was compiled, comprising data for hundreds to thousands of species for the core ‘leaf economics’ traits leaf lifespan, leaf mass per area, photosynthetic capacity, dark respiration, and leaf nitrogen and phosphorus concentrations, as well as leaf potassium, photosynthetic N-use efficiency (PNUE), and leaf N : P ratio. • While mean trait values differed between plant functional types, the range found within groups was often larger than differences among them. Future vegetation–climate models could incorporate this knowledge. • The core leaf traits were intercorrelated, both globally and within plant functional types, forming a ‘leaf economics spectrum’. While these relationships are very general, they are not universal, as significant heterogeneity exists between relationships fitted to individual sites. Much, but not all, heterogeneity can be explained by variation in sample size alone. PNUE can also be considered as part of this trait spectrum, whereas leaf K and N : P ratios are only loosely related.

Abstract Question: A set of easily‐measured (‘soft’) plant traits has been identified as potentially useful predictors of ecosystem functioning in previous studies. Here we aimed to discover whether the screening techniques remain operational in widely contrasted circumstances, to test for the existence of axes of variation in the particular sets of traits, and to test for their links with ‘harder’ traits of proven importance to ecosystem functioning. Location: central‐western Argentina, central England, northern upland Iran, and north‐eastern Spain. Recurrent patterns of ecological specialization: Through ordination of a matrix of 640 vascular plant taxa by 12 standardized traits, we detected similar patterns of specialization in the four floras. The first PCA axis was identified as an axis of resource capture, usage and release. PCA axis 2 appeared to be a size‐related axis. Individual PCA for each country showed that the same traits remained valuable as predictors of resource capture and utilization in all of them, despite their major differences in climate, biogeography and land‐use. The results were not significantly driven by particular taxa: the main traits determining PCA axis 1 were very similar in eudicotyledons and monocotyledons and Asteraceae, Fabaceae and Poaceae. Links between recurrent suites of ‘soft’ traits and ‘hard’ traits: The validity of PCA axis 1 as a key predictor of resource capture and utilization was tested by comparisons between this axis and values of more rigorously established predictors (‘hard’ traits) for the floras of Argentina and England. PCA axis 1 was correlated with variation in relative growth rate, leaf nitrogen content, and litter decomposition rate. It also coincided with palatability to model generalist herbivores. Therefore, location on PCA axis 1 can be linked to major ecosystem processes in those habitats where the plants are dominant. Conclusion: We confirm the existence at the global scale of a major axis of evolutionary specialization, previously recognised in several local floras. This axis reflects a fundamental trade‐off between rapid acquisition of resources and conservation of resources within well‐protected tissues. These major trends of specialization were maintained across different environmental situations (including differences in the proximate causes of low productivity, i.e. drought or mineral nutrient deficiency). The trends were also consistent across floras and major phylogenetic groups, and were linked with traits directly relevant to ecosystem processes.

Abstract Predicting ecosystem responses to global change is a major challenge in ecology. A critical step in that challenge is to understand how changing environmental conditions influence processes across levels of ecological organization. While direct scaling from individual to ecosystem dynamics can lead to robust and mechanistic predictions, new approaches are needed to appropriately translate questions through the community level. Species invasion, loss, and turnover all necessitate this scaling through community processes, but predicting how such changes may influence ecosystem function is notoriously difficult. We suggest that community‐level dynamics can be incorporated into scaling predictions using a trait‐based response–effect framework that differentiates the community response to environmental change (predicted by response traits) and the effect of that change on ecosystem processes (predicted by effect traits). We develop a response‐and‐effect functional framework, concentrating on how the relationships among species' response, effect, and abundance can lead to general predictions concerning the magnitude and direction of the influence of environmental change on function. We then detail several key research directions needed to better scale the effects of environmental change through the community level. These include (1) effect and response trait characterization, (2) linkages between response‐and‐effect traits, (3) the importance of species interactions on trait expression, and (4) incorporation of feedbacks across multiple temporal scales. Increasing rates of extinction and invasion that are modifying communities worldwide make such a research agenda imperative.

Managing ecosystems to ensure the provision of multiple ecosystem services is a key challenge for applied ecology. Functional traits are receiving increasing attention as the main ecological attributes by which different organisms and biological communities influence ecosystem services through their effects on underlying ecosystem processes. Here we synthesize concepts and empirical evidence on linkages between functional traits and ecosystem services across different trophic levels. Most of the 247 studies reviewed considered plants and soil invertebrates, but quantitative trait–service associations have been documented for a range of organisms and ecosystems, illustrating the wide applicability of the trait approach. Within each trophic level, specific processes are affected by a combination of traits while particular key traits are simultaneously involved in the control of multiple processes. These multiple associations between traits and ecosystem processes can help to identify predictable trait–service clusters that depend on several trophic levels, such as clusters of traits of plants and soil organisms that underlie nutrient cycling, herbivory, and fodder and fibre production. We propose that the assessment of trait–service clusters will represent a crucial step in ecosystem service monitoring and in balancing the delivery of multiple, and sometimes conflicting, services in ecosystem management.

Ecology Letters (2011) Abstract Understanding the sensitivity of tundra vegetation to climate warming is critical to forecasting future biodiversity and vegetation feedbacks to climate. In situ warming experiments accelerate climate change on a small scale to forecast responses of local plant communities. Limitations of this approach include the apparent site‐specificity of results and uncertainty about the power of short‐term studies to anticipate longer term change. We address these issues with a synthesis of 61 experimental warming studies, of up to 20 years duration, in tundra sites worldwide. The response of plant groups to warming often differed with ambient summer temperature, soil moisture and experimental duration. Shrubs increased with warming only where ambient temperature was high, whereas graminoids increased primarily in the coldest study sites. Linear increases in effect size over time were frequently observed. There was little indication of saturating or accelerating effects, as would be predicted if negative or positive vegetation feedbacks were common. These results indicate that tundra vegetation exhibits strong regional variation in response to warming, and that in vulnerable regions, cumulative effects of long‐term warming on tundra vegetation – and associated ecosystem consequences – have the potential to be much greater than we have observed to date.

Data from millions of trees in thousands of locations are used to show that certain key traits affect competitive ability in predictable ways, and that there are trade-offs between traits that favour growth with and without competition. The properties of plants affect their physiology in predictable and consistent ways, but it is not clear if this can be extended to effects on ecological competitiveness. Georges Kunstler et al. assemble data from three million trees, 140,000 forest growth plots, and many vegetation types worldwide to show that certain key traits affect competitive ability in predictable ways, and that there are trade-offs between traits that favour growth with, and without, competition. Elsewhere in this issue of Nature, Sandra Díaz et al. analyse a comprehensive database mapping worldwide variation in six traits critical to growth, survival and reproduction of vascular plants and arrive at a detailed quantitative global picture of plant functional diversity. Phenotypic traits and their associated trade-offs have been shown to have globally consistent effects on individual plant physiological functions1,2,3, but how these effects scale up to influence competition, a key driver of community assembly in terrestrial vegetation, has remained unclear4. Here we use growth data from more than 3 million trees in over 140,000 plots across the world to show how three key functional traits—wood density, specific leaf area and maximum height—consistently influence competitive interactions. Fast maximum growth of a species was correlated negatively with its wood density in all biomes, and positively with its specific leaf area in most biomes. Low wood density was also correlated with a low ability to tolerate competition and a low competitive effect on neighbours, while high specific leaf area was correlated with a low competitive effect. Thus, traits generate trade-offs between performance with competition versus performance without competition, a fundamental ingredient in the classical hypothesis that the coexistence of plant species is enabled via differentiation in their successional strategies5. Competition within species was stronger than between species, but an increase in trait dissimilarity between species had little influence in weakening competition. No benefit of dissimilarity was detected for specific leaf area or wood density, and only a weak benefit for maximum height. Our trait-based approach to modelling competition makes generalization possible across the forest ecosystems of the world and their highly diverse species composition.

ABSTRACT Aim Our aim was to quantify climatic influences on key leaf traits and relationships at the global scale. This knowledge provides insight into how plants have adapted to different environmental pressures, and will lead to better calibration of future vegetation–climate models. Location The data set represents vegetation from 175 sites around the world. Methods For more than 2500 vascular plant species, we compiled data on leaf mass per area (LMA), leaf life span (LL), nitrogen concentration (N mass ) and photosynthetic capacity (A mass ). Site climate was described with several standard indices. Correlation and regression analyses were used for quantifying relationships between single leaf traits and climate. Standardized major axis (SMA) analyses were used for assessing the effect of climate on bivariate relationships between leaf traits. Principal components analysis (PCA) was used to summarize multidimensional trait variation. Results At hotter, drier and higher irradiance sites, (1) mean LMA and leaf N per area were higher; (2) average LL was shorter at a given LMA, or the increase in LL was less for a given increase in LMA (LL–LMA relationships became less positive); and (3) A mass was lower at a given N mass , or the increase in A mass was less for a given increase in N mass . Considering all traits simultaneously, 18% of variation along the principal multivariate trait axis was explained by climate. Main conclusions Trait‐shifts with climate were of sufficient magnitude to have major implications for plant dry mass and nutrient economics, and represent substantial selective pressures associated with adaptation to different climatic regimes.