Abstract The cycles of the key nutrient elements nitrogen (N) and phosphorus (P) have been massively altered by anthropogenic activities. Thus, it is essential to understand how photosynthetic production across diverse ecosystems is, or is not, limited by N and P. Via a large‐scale meta‐analysis of experimental enrichments, we show that P limitation is equally strong across these major habitats and that N and P limitation are equivalent within both terrestrial and freshwater systems. Furthermore, simultaneous N and P enrichment produces strongly positive synergistic responses in all three environments. Thus, contrary to some prevailing paradigms, freshwater, marine and terrestrial ecosystems are surprisingly similar in terms of N and P limitation.

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.

Abstract Biochar is a carbon‐rich coproduct resulting from pyrolyzing biomass. When applied to the soil it resists decomposition, effectively sequestering the applied carbon and mitigating anthropogenic CO 2 emissions. Other promoted benefits of biochar application to soil include increased plant productivity and reduced nutrient leaching. However, the effects of biochar are variable and it remains unclear if recent enthusiasm can be justified. We evaluate ecosystem responses to biochar application with a meta‐analysis of 371 independent studies culled from 114 published manuscripts. We find that despite variability introduced by soil and climate, the addition of biochar to soils resulted, on average, in increased aboveground productivity, crop yield, soil microbial biomass, rhizobia nodulation, plant K tissue concentration, soil phosphorus (P), soil potassium (K), total soil nitrogen (N), and total soil carbon (C) compared with control conditions. Soil pH also tended to increase, becoming less acidic, following the addition of biochar. Variables that showed no significant mean response to biochar included belowground productivity, the ratio of aboveground : belowground biomass, mycorrhizal colonization of roots, plant tissue N, and soil P concentration, and soil inorganic N. Additional analyses found no detectable relationship between the amount of biochar added and aboveground productivity. Our results provide the first quantitative review of the effects of biochar on multiple ecosystem functions and the central tendencies suggest that biochar holds promise in being a win‐win‐win solution to energy, carbon storage, and ecosystem function. However, biochar's impacts on a fourth component, the downstream nontarget environments, remain unknown and present a critical research gap.

Although research on the role of competitive interactions during community assembly began decades ago, a recent revival of interest has led to new discoveries and research opportunities. Using contemporary coexistence theory that emphasizes stabilizing niche differences and relative fitness differences, we evaluate three empirical approaches for studying community assembly. We show that experimental manipulations of the abiotic or biotic environment, assessments of trait-phylogeny-environment relationships, and investigations of frequency-dependent population growth all suggest strong influences of stabilizing niche differences and fitness differences on the outcome of plant community assembly. Nonetheless, due to the limitations of these approaches applied in isolation, we still have a poor understanding of which niche axes and which traits determine the outcome of competition and community structure. Combining current approaches represents our best chance of achieving this goal, which is fundamental to conceptual ecology and to the management of plant communities under global change.

Significance Human activities have resulted in large increases in the availability of nutrients in terrestrial ecosystems worldwide. Although plant community responses to elevated nutrients have been well studied, soil microbial community responses remain poorly understood, despite their critical importance to ecosystem functioning. Using DNA-sequencing approaches, we assessed the response of soil microbial communities to experimentally added nitrogen and phosphorus at 25 grassland sites across the globe. Our results demonstrate that the composition of these communities shifts in consistent ways with elevated nutrient inputs and that there are corresponding shifts in the ecological attributes of the community members. This study represents an important step forward for understanding the connection between elevated nutrient inputs, shifts in soil microbial communities, and altered ecosystem functioning.

Human alterations to nutrient cycles and herbivore communities are affecting global biodiversity dramatically. Ecological theory predicts these changes should be strongly counteractive: nutrient addition drives plant species loss through intensified competition for light, whereas herbivores prevent competitive exclusion by increasing ground-level light, particularly in productive systems. Here we use experimental data spanning a globally relevant range of conditions to test the hypothesis that herbaceous plant species losses caused by eutrophication may be offset by increased light availability due to herbivory. This experiment, replicated in 40 grasslands on 6 continents, demonstrates that nutrients and herbivores can serve as counteracting forces to control local plant diversity through light limitation, independent of site productivity, soil nitrogen, herbivore type and climate. Nutrient addition consistently reduced local diversity through light limitation, and herbivory rescued diversity at sites where it alleviated light limitation. Thus, species loss from anthropogenic eutrophication can be ameliorated in grasslands where herbivory increases ground-level light.

Data from grasslands across five continents show clear signals of numerous underlying mechanisms linking ecosystem productivity and species richness. The relationship between species richness and ecosystem productivity is a central topic in ecological research, and also the focus of competing and overlapping hypotheses. These authors use data from grassland experiments across five continents to compare the different mechanistic explanations in an integrative framework. They show how important components of different mechanisms are operating together, and increase considerably our power to explain the results. How ecosystem productivity and species richness are interrelated is one of the most debated subjects in the history of ecology1. Decades of intensive study have yet to discern the actual mechanisms behind observed global patterns2,3. Here, by integrating the predictions from multiple theories into a single model and using data from 1,126 grassland plots spanning five continents, we detect the clear signals of numerous underlying mechanisms linking productivity and richness. We find that an integrative model has substantially higher explanatory power than traditional bivariate analyses. In addition, the specific results unveil several surprising findings that conflict with classical models4,5,6,7. These include the isolation of a strong and consistent enhancement of productivity by richness, an effect in striking contrast with superficial data patterns. Also revealed is a consistent importance of competition across the full range of productivity values, in direct conflict with some (but not all) proposed models. The promotion of local richness by macroecological gradients in climatic favourability, generally seen as a competing hypothesis8, is also found to be important in our analysis. The results demonstrate that an integrative modelling approach leads to a major advance in our ability to discern the underlying processes operating in ecological systems.

The dynamics of invasive species may depend on their abilities to compete for resources and exploit disturbances relative to the abilities of native species. We test this hypothesis and explore its implications for the restoration of native ecosystems in one of the most dramatic ecological invasions worldwide, the replacement of native perennial grasses by exotic annual grasses and forbs in 9.2 million hectares of California grasslands. The long-term persistence of these exotic annuals has been thought to imply that the exotics are superior competitors. However, seed-addition experiments in a southern California grassland revealed that native perennial species, which had lower requirements for deep soil water, soil nitrate, and light, were strong competitors, and they markedly depressed the abundance and fecundity of exotic annuals after overcoming recruitment limitations. Native species reinvaded exotic grasslands across experimentally imposed nitrogen, water, and disturbance gradients. Thus, exotic annuals are not superior competitors but rather may dominate because of prior disturbance and the low dispersal abilities and extreme current rarity of native perennials. If our results prove to be general, it may be feasible to restore native California grassland flora to at least parts of its former range.

Abstract Aboveground–belowground interactions exert critical controls on the composition and function of terrestrial ecosystems, yet the fundamental relationships between plant diversity and soil microbial diversity remain elusive. Theory predicts predominantly positive associations but tests within single sites have shown variable relationships, and associations between plant and microbial diversity across broad spatial scales remain largely unexplored. We compared the diversity of plant, bacterial, archaeal and fungal communities in one hundred and forty‐five 1 m 2 plots across 25 temperate grassland sites from four continents. Across sites, the plant alpha diversity patterns were poorly related to those observed for any soil microbial group. However, plant beta diversity (compositional dissimilarity between sites) was significantly correlated with the beta diversity of bacterial and fungal communities, even after controlling for environmental factors. Thus, across a global range of temperate grasslands, plant diversity can predict patterns in the composition of soil microbial communities, but not patterns in alpha diversity.

Standardized sampling from many sites worldwide was used to address an important ecological problem.