Abstract Forests are a substantial terrestrial carbon sink, but anthropogenic changes in land use and climate have considerably reduced the scale of this system 1 . Remote-sensing estimates to quantify carbon losses from global forests 2–5 are characterized by considerable uncertainty and we lack a comprehensive ground-sourced evaluation to benchmark these estimates. Here we combine several ground-sourced 6 and satellite-derived approaches 2,7,8 to evaluate the scale of the global forest carbon potential outside agricultural and urban lands. Despite regional variation, the predictions demonstrated remarkable consistency at a global scale, with only a 12% difference between the ground-sourced and satellite-derived estimates. At present, global forest carbon storage is markedly under the natural potential, with a total deficit of 226 Gt (model range = 151–363 Gt) in areas with low human footprint. Most (61%, 139 Gt C) of this potential is in areas with existing forests, in which ecosystem protection can allow forests to recover to maturity. The remaining 39% (87 Gt C) of potential lies in regions in which forests have been removed or fragmented. Although forests cannot be a substitute for emissions reductions, our results support the idea 2,3,9 that the conservation, restoration and sustainable management of diverse forests offer valuable contributions to meeting global climate and biodiversity targets.

Determining the drivers of non-native plant invasions is critical for managing native ecosystems and limiting the spread of invasive species1,2. Tree invasions in particular have been relatively overlooked, even though they have the potential to transform ecosystems and economies3,4. Here, leveraging global tree databases5-7, we explore how the phylogenetic and functional diversity of native tree communities, human pressure and the environment influence the establishment of non-native tree species and the subsequent invasion severity. We find that anthropogenic factors are key to predicting whether a location is invaded, but that invasion severity is underpinned by native diversity, with higher diversity predicting lower invasion severity. Temperature and precipitation emerge as strong predictors of invasion strategy, with non-native species invading successfully when they are similar to the native community in cold or dry extremes. Yet, despite the influence of these ecological forces in determining invasion strategy, we find evidence that these patterns can be obscured by human activity, with lower ecological signal in areas with higher proximity to shipping ports. Our global perspective of non-native tree invasion highlights that human drivers influence non-native tree presence, and that native phylogenetic and functional diversity have a critical role in the establishment and spread of subsequent invasions.

Abstract Resource allocation to reproduction is a critical trait for plant fitness 1,2 . This trait, called harvest index in the agricultural context 3–5 , determines how plant biomass is converted to seed yield and consequently financial revenue of numerous major staple crops. While plant diversity has been demonstrated to increase plant biomass 6–8 , plant diversity effects on seed yield of crops are ambiguous 9 . This discrepancy could be explained through changes in the proportion of resources invested into reproduction in response to changes in plant diversity, namely through changes of species interactions and microenvironmental conditions 10–13 . Here we show that increasing crop plant diversity from monoculture over 2- to 4-species mixtures increased annual primary productivity, resulting in overall higher plant biomass and, to a lesser extent, higher seed yield in mixtures compared with monocultures. The difference between the two responses to diversity was due to a reduced reproductive effort of the eight tested crop species in mixtures, possibly because their common cultivars have been bred for maximum performance in monoculture. While crop diversification provides a sustainable measure of agricultural intensification 14 , the use of currently available cultivars may compromise larger gains in seed yield. We therefore advocate regional breeding programs for crop varieties to be used in mixtures that should exploit facilitative interactions 15 among crop species.

Abstract Soil microbes are known to be involved in a number of essential ecosystem processes such as nutrient cycling, plant productivity and the maintenance of plant species diversity. However, how plant species diversity and identity affect soil microbial diversity and community composition is largely unknown. We tested whether, over the course of 11 years, distinct soil bacterial communities developed under plant monocultures and mixtures, and if over this timeframe plants with a monoculture or mixture history changed in the microbial communities they associated with. For eight species, we grew offspring of plants that had been grown for 11 years in the same monocultures or mixtures (monoculture- or mixture-type plants) in pots inoculated with microbes extracted from the monoculture and mixture soils. After five months of growth in the glasshouse, we collected rhizosphere soil from each plant and used 16S-rRNA gene sequencing to determine the community composition and diversity of the bacterial communities. Microbial community structure in the plant rhizosphere was primarily determined by soil legacy (monoculture vs. mixture soil) and by plant species identity, but not by plant legacy (monoculture- vs. mixture-type plants). In seven out of the eight plant species bacterial abundance was larger when inoculated with microbes from mixture soil. We conclude that plant diversity can strongly affect belowground community composition and diversity, feeding back to the assemblage of rhizosphere microbial communities in newly establishing plants. Thereby our work demonstrates that concerns for plant biodiversity loss are also concerns for soil biodiversity loss.

1. Biodiversity loss not only impairs ecosystem functioning but can also alter the selection for traits in plant communities. At high diversity selection favours traits that allow for greater niche partitioning, whereas at low diversity selection may favour greater defence against pathogens. However, it is unknown whether changes in plant diversity also select for altered interactions with soil organisms. 2. We assessed whether the responses in plant growth and functional traits to their local arbuscular mycorrhizal fungal (AMF) communities have been altered by the diversity of the plant communities from which both plants and AMF communities were obtained. We grew plants with AMF communities that originated from either plant monocultures or mixtures in a fully factorial design that included both negative and positive controls, by inoculating no AMF or a foreign AMF respectively. 3. We found that AMF from plant mixtures were more beneficial than monoculture AMF for two out of five plant species. Plants from mixtures generally grew better than those from monocultures, but suffered greater damage by leaf pathogens. Although plant growth and phenotypic responses were dependent on the AMF communities with which they associated, we found little evidence for plant growth responses specific to their local AMF communities and results differed between species and traits. 4. Our results show that plants from mixtures were selected for increased growth at the expense of reduced defence and vice versa for plants from monocultures, providing evidence for plant diversity-dependent selection on competitive growth vs. defence. Furthermore, our study suggests that effects of a common history between plants and AMF do not follow a general pattern leading to increased or decreased mutualism. 5. Synthesis: Here we provide evidence that biodiversity loss can alter evolutionary trajectories of plant phenotypes and responses to their local AMF communities. However, the selection for altered plant-AMF interactions differ between plant species. To understand how plant communities respond and evolve under a changing environment requires further knowledge about life strategies of plant species and their above-belowground interactions.

Abstract Theoretical and empirical advances have revealed the importance of biodiversity for stabilizing ecosystem functions through time. Yet despite the global degradation of soils, how the loss of soil microbial diversity can de-stabilizes ecosystem functioning is unknown. Here we experimentally quantified the contribution diversity and the temporal dynamics in the composition of soil microbial communities to the temporal stability of four key ecosystem functions related to nutrient and carbon cycling. Soil microbial diversity loss reduced the temporal stability of all ecosystem functions and was particularly strong when over 50% of microbial taxa were lost. The stabilizing effect of soil biodiversity was linked to asynchrony among microbial taxa whereby different soil fungi and bacteria were associated with different ecosystem functions at different times. Our results emphasize the need to conserve soil biodiversity in order to ensure the reliable provisioning of multiple ecosystems functions that soils provide to society.

Extreme weather events are occurring more frequently, and research has shown that plant diversity can help mitigate impacts of climate change by increasing plant productivity and ecosystem stability 1,2 . Although soil temperature and its stability are key determinants of essential ecosystem processes related to water and nutrient uptake 3 as well as soil respiration and microbial activity 4 , no study has yet investigated whether plant diversity can buffer soil temperature fluctuations. Using 18 years of a continuous dataset with a resolution of 1 minute (∼795,312,000 individual measurements) from a large-scale grassland biodiversity experiment, we show that plant diversity buffers soil temperature throughout the year. Plant diversity helped to prevent soil heating in hot weather, and cooling in cold weather. Moreover, this effect of plant diversity increased over the 18-year observation period with the aging of experimental communities and was even stronger under extreme conditions, i.e., on hot days or in dry years. Using structural equation modelling, we found that plant diversity stabilized soil temperature by increasing soil organic carbon concentrations and, to a lesser extent, by increasing the plant leaf area index. We suggest that the diversity-induced stabilization of soil temperature may help to mitigate the negative effects of extreme climatic events such as soil carbon release, thus slow global warming.

Decades of studies have demonstrated links between biodiversity and ecosystem functioning, yet the generality of the relationships and the underlying mechanisms remain unclear, especially for forest ecosystems. Using 11 tree-diversity experiments, we tested tree species richness-community productivity relationships and the role of arbuscular (AM) or ectomycorrhizal (ECM) fungal-associated tree species in these relationships. Tree species richness had a positive effect on community productivity across experiments, modified by the diversity of tree mycorrhizal associations. In communities with both AM and ECM trees, species richness showed positive effects on community productivity, which could have resulted from complementarity between AM and ECM trees. Moreover, both AM and ECM trees were more productive in mixed communities with both AM and ECM trees than in communities assembled by their own mycorrhizal type of trees. In communities containing only ECM trees, species richness had a significant positive effect on productivity, whereas species richness did not show any significant effects on productivity in communities containing only AM trees. Our study provides novel explanations for variations in diversity-productivity relationships by suggesting that tree-mycorrhiza interactions can shape productivity in mixed-species forest ecosystems.

Abstract Experiments under controlled conditions have established that ecosystem functioning is generally positively related to levels of biodiversity, but it is unclear how widespread these effects are in real-world settings and whether they can be harnessed for ecosystem restoration. We used a long-term, field-scale tropical restoration experiment to test how the diversity of planted trees affected recovery measured across a 500 ha area of selectively logged forest using multiple sources of satellite data. Replanting with species rich mixtures of tree seedlings that had higher phylogenetic and functional diversity accelerated restoration rates. Our results are consistent with a positive relationship between biodiversity and ecosystem functioning in the lowland dipterocarp rainforests of SE Asia and demonstrate that using diverse mixtures of species can enhance initial recovery after logging.

Summary In plant communities, diversity often increases community productivity and functioning, but the specific underlying drivers are difficult to identify. Most ecological theories attribute the positive diversity effects to complementary niches occupied by different species or genotypes. However, the type of niche complementarity often remains unclear, including how complementarity is expressed in terms of trait differences between plants. Here, we use a gene-centred approach to identify differences associated with positive diversity effects in mixtures of natural Arabidopsis thaliana genotypes. Using two orthogonal genetic mapping approaches, we found that between-plant allelic differences at the AtSUC8 locus contribute strongly to mixture overyielding. The corresponding gene encodes a proton-sucrose symporter and is expressed in root tissues. Genetic variation in AtSUC8 affected the biochemical activities of protein variants and resulted in different sensitivities of root growth to changes in substrate pH. We thus speculate that - in the particular case studied here - evolutionary divergence along an edaphic gradient resulted in the niche complementarity between genotypes that now drives overyielding in mixtures. Identifying such genes important for ecosystem functioning may ultimately allow the linking of ecological processes to evolutionary drivers, help to identify the traits underlying positive diversity effects, and facilitate the development of high-performing crop variety mixtures in agriculture.