Elemental stoichiometry constitutes an inherent link between biogeochemistry and the structure and processes within food webs, and thus is at the core of ecosystem functioning. Stoichiometry allows for spanning different levels of biological organization, from cellular metabolism to ecosystem structure and nutrient cycling, and is therefore particularly useful for establishing links between different ecosystem compartments. We review elemental carbon : nitrogen : phosphorus (C:N:P) ratios in terrestrial ecosystems (from vegetation, leaf litter, woody debris, and dead roots, to soil microbes and organic matter). While the stoichiometry of the plant, litter, and soil compartments of ecosystems is well understood, heterotrophic microbial communities, which dominate the soil food web and drive nutrient cycling, have received increasing interest in recent years. This review highlights the effects of resource stoichiometry on soil microorganisms and decomposition, specifically on the structure and function of heterotrophic microbial communities and suggests several general patterns. First, latitudinal gradients of soil and litter stoichiometry are reflected in microbial community structure and function. Second, resource stoichiometry may cause changes in microbial interactions and community dynamics that lead to feedbacks in nutrient availability. Third, global change alters the C:N, C:P, and N:P ratios of primary producers, with repercussions for microbial decomposer communities and critical ecosystem services such as soil fertility. We argue that ecological stoichiometry provides a framework to analyze and predict such global change effects at various scales.

Microbial nitrogen use efficiency (NUE) describes the partitioning of organic N taken up between growth and the release of inorganic N to the environment (that is, N mineralization), and is thus central to our understanding of N cycling. Here we report empirical evidence that microbial decomposer communities in soil and plant litter regulate their NUE. We find that microbes retain most immobilized organic N (high NUE), when they are N limited, resulting in low N mineralization. However, when the metabolic control of microbial decomposers switches from N to C limitation, they release an increasing fraction of organic N as ammonium (low NUE). We conclude that the regulation of NUE is an essential strategy of microbial communities to cope with resource imbalances, independent of the regulation of microbial carbon use efficiency, with significant effects on terrestrial N cycling.

Processing of organic carbon (C) by soil microorganisms is a key process of terrestrial C cycling. For this reason we studied (i) microbial carbon use efficiency (CUE) defined as C allocated to growth over organic C taken up by the microbial community , and (ii) the turnover time of microbial biomass in a pasture and in two forest soils. We hypothesized that microbial CUE decreases in mineral soils with depth from the topsoil to the subsoil , while the turnover time of the microbial biomass increases due to energetic constrains. We determined microbial CUE and turnover of microbial biomass C using a novel substrate-independent method based on incorporation of 18 O from labeled water into microbial DNA with concurrent measurements of basal respiration. Microorganisms showed decreasing C uptake rates with decreasing C contents in the deeper soil layers. In the forest soils, no adaptation of microbial CUE with soil depth took place, i.e., microbes in the forest topsoil used C at the same efficiency as microbes in the subsoil . However, in the pasture soil, microbial CUE decreased in the lower soil layers compared to the topsoil, indicating that microorganisms in the deeper soil layers allocated relatively more C to respiration. In the organic soil layer, microorganisms respired more per unit microbial biomass C than in the subsoil, but had a similar CUE despite the high C-to-nitrogen and C-to-phosphorus ratios of the litter layers. The turnover time of microbial biomass increased with soil depth in the two forest soils. Thus, in the forest soils, a lower microbial C uptake rate in the deeper soil layers was partially compensated by a longer turnover time of microbial biomass C. In conclusion, our findings emphasize that in addition to microbial CUE, the turnover time of the microbial biomass strongly affects soil C cycling. • Microbial carbon use efficiency was determined by a substrate-independent method. • Microbial carbon use efficiency hardly changed with soil depth in forest soils. • Turnover time of the microbial biomass increased with soil depth. • Microbial carbon uptake rates decreased with soil depth. • Both microbial carbon use efficiency and biomass turnover affect carbon cycling.

There are numerous methods for measuring inorganic, dissolved organic, and microbial N in soils, although many of these are complex or require expensive equipment. We have modified methods for the measurement of NH 4 + , NO 3 − , total dissolved N (TDN), and soil microbial biomass N (SMBN) in soils. The methods are based on a microtiter plate format and are rapid and simple to perform. Ammonium is quantified by a colorimetric method based on the Berthelot reaction. Total dissolved N and SMBN (by CH 3 Cl fumigation‐extraction) are quantified as NO 3 − after alkaline persulfate oxidation. Nitrate is estimated directly or after persulfate oxidation by reduction of NO 3 − to NO 2 − by VCl 3 and subsequent colorimetric determination of NO 2 − by acidic Griess reaction. The new suite of methods was compared with conventional methods such as high‐performance anion‐exchange chromatography for NO 3 − and high‐temperature catalytic oxidation for TDN. Our methods produced comparable detection limits, linearities, and precisions compared with the conventional methods. Limits of quantification were 7 μg NH 4 + –N L −1 , 55 μg NO 3 − –N L −1 , and 0.275 mg TDN L −1 The accuracy of the proposed methods was excellent, with recoveries of added NH 4 + , NO 3 − , and glycine ranging between 96 and 99%. Linearities of the respective calibrations were high ( R 2 > 0.99), and precisions for NH 4 + (CV = 2.1%), NO 3 − (CV = 3.5%), and TDN (CV = 3.9%) were comparable to the reference methods. The simplicity, rapidity, and low cost of the proposed methods therefore allow an expansion of the scope and range of N cycle studies where sophisticated instrumentation is not available.

Abstract Species‐rich plant communities have been shown to be more productive and to exhibit increased long‐term soil organic carbon (SOC) storage. Soil microorganisms are central to the conversion of plant organic matter into SOC, yet the relationship between plant diversity, soil microbial growth, turnover as well as carbon use efficiency (CUE) and SOC accumulation is unknown. As heterotrophic soil microbes are primarily carbon limited, it is important to understand how they respond to increased plant‐derived carbon inputs at higher plant species richness (PSR). We used the long‐term grassland biodiversity experiment in Jena, Germany, to examine how microbial physiology responds to changes in plant diversity and how this affects SOC content. The Jena Experiment considers different numbers of species (1–60), functional groups (1–4) as well as functional identity (small herbs, tall herbs, grasses, and legumes). We found that PSR accelerated microbial growth and turnover and increased microbial biomass and necromass. PSR also accelerated microbial respiration, but this effect was less strong than for microbial growth. In contrast, PSR did not affect microbial CUE or biomass‐specific respiration. Structural equation models revealed that PSR had direct positive effects on root biomass, and thereby on microbial growth and microbial biomass carbon. Finally, PSR increased SOC content via its positive influence on microbial biomass carbon. We suggest that PSR favors faster rates of microbial growth and turnover, likely due to greater plant productivity, resulting in higher amounts of microbial biomass and necromass that translate into the observed increase in SOC. We thus identify the microbial mechanism linking species‐rich plant communities to a carbon cycle process of importance to Earth's climate system.

Microorganisms are critical in mediating carbon (C) and nitrogen (N) cycling processes in soils. Yet, it has long been debated whether the processes underlying biogeochemical cycles are affected by the composition and diversity of the soil microbial community or not. The composition and diversity of soil microbial communities can be influenced by various environmental factors, which in turn are known to impact biogeochemical processes. The objectives of this study were to test effects of multiple edaphic drivers individually and represented as the multivariate soil environment interacting with microbial community composition and diversity, and concomitantly on multiple soil functions (i.e. soil enzyme activities, soil C and N processes). We employed high-throughput sequencing (Illumina MiSeq) to analyze bacterial/archaeal and fungal community composition by targeting the 16S rRNA gene and the ITS1 region of soils collected from three land uses (cropland, grassland and forest) deriving from two bedrock forms (silicate and limestone). Based on this data set we explored single and combined effects of edaphic variables on soil microbial community structure and diversity, as well as on soil enzyme activities and several soil C and N processes. We found that both bacterial/archaeal and fungal communities were shaped by the same edaphic factors, with most single edaphic variables and the combined soil environment representation exerting stronger effects on bacterial/archaeal communities than on fungal communities, as demonstrated by (partial) Mantel tests. We also found similar edaphic controls on the bacterial/archaeal/fungal richness and diversity. Soil C processes were only directly affected by the soil environment but not affected by microbial community composition. In contrast, soil N processes were significantly related to bacterial/archaeal community composition and bacterial/archaeal/fungal richness/diversity but not directly affected by the soil environment. This indicates direct control of the soil environment on soil C processes and indirect control of the soil environment on soil N processes by structuring the microbial communities. The study further highlights the importance of edaphic drivers and microbial communities (i.e. composition and diversity) on important soil C and N processes.

The carbon-use-efficiency (CUE) of microorganisms is an important parameter in determining ecosystem-level carbon (C) cycling; however, little is known about how variance in resources affects microbial CUE. To elucidate how resource quantity and resource stoichiometry affect microbial CUE, we cultured four microorganisms – two fungi (Aspergillus nidulans and Trichoderma harzianum) and two bacteria (Pectobacterium carotovorum and Verrucomicrobium spinosum) – under 12 unique C, nitrogen (N) and phosphorus (P) ratios. Whereas the CUE of A. nidulans was strongly affected by C, bacterial CUE was more strongly affected by mineral nutrients (N and P). Specifically, CUE in P. carotovorum was positively correlated with P, while CUE of V. spinosum primarily depended on N. This resulted in a positive relationship between fungal CUE and resource C : nutrient stoichiometry and a negative relationship between bacterial CUE and resource C : nutrient stoichiometry. The difference in the direction of the relationship between CUE and C : nutrient for fungi vs. bacteria was consistent with differences in biomass stoichiometry and suggested that fungi have a higher C demand than bacteria. These results suggest that the links between biomass stoichiometry, resource demand and CUE may provide a mechanism for commonly observed temporal and spatial patterns in microbial community structure and function in natural habitats.

The ratio of stable isotopes in leaves and wood reveals an increase in nitrogen availability in Panamanian and Thai tropical forests.