Summary Plant–soil feedbacks is becoming an important concept for explaining vegetation dynamics, the invasiveness of introduced exotic species in new habitats and how terrestrial ecosystems respond to global land use and climate change. Using a new conceptual model, we show how critical alterations in plant–soil feedback interactions can change the assemblage of plant communities. We highlight recent advances, define terms and identify future challenges in this area of research and discuss how variations in strengths and directions of plant–soil feedbacks can explain succession, invasion, response to climate warming and diversity‐productivity relationships. While there has been a rapid increase in understanding the biological, chemical and physical mechanisms and their interdependencies underlying plant–soil feedback interactions, further progress is to be expected from applying new experimental techniques and technologies, linking empirical studies to modelling and field‐based studies that can include plant–soil feedback interactions on longer time scales that also include long‐term processes such as litter decomposition and mineralization. Significant progress has also been made in analysing consequences of plant–soil feedbacks for biodiversity‐functioning relationships, plant fitness and selection. To further integrate plant–soil feedbacks into ecological theory, it will be important to determine where and how observed patterns may be generalized, and how they may influence evolution. Synthesis . Gaining a greater understanding of plant–soil feedbacks and underlying mechanisms is improving our ability to predict consequences of these interactions for plant community composition and productivity under a variety of conditions. Future research will enable better prediction and mitigation of the consequences of human‐induced global changes, improve efforts of restoration and conservation and promote sustainable provision of ecosystem services in a rapidly changing world.

Abstract. In this forum paper we discuss how soil scientists can help to reach the recently adopted UN Sustainable Development Goals (SDGs) in the most effective manner. Soil science, as a land-related discipline, has important links to several of the SDGs, which are demonstrated through the functions of soils and the ecosystem services that are linked to those functions (see graphical abstract in the Supplement). We explore and discuss how soil scientists can rise to the challenge both internally, in terms of our procedures and practices, and externally, in terms of our relations with colleague scientists in other disciplines, diverse groups of stakeholders and the policy arena. To meet these goals we recommend the following steps to be taken by the soil science community as a whole: (i) embrace the UN SDGs, as they provide a platform that allows soil science to demonstrate its relevance for realizing a sustainable society by 2030; (ii) show the specific value of soil science: research should explicitly show how using modern soil information can improve the results of inter- and transdisciplinary studies on SDGs related to food security, water scarcity, climate change, biodiversity loss and health threats; (iii) take leadership in overarching system analysis of ecosystems, as soils and soil scientists have an integrated nature and this places soil scientists in a unique position; (iii) raise awareness of soil organic matter as a key attribute of soils to illustrate its importance for soil functions and ecosystem services; (iv) improve the transfer of knowledge through knowledge brokers with a soil background; (v) start at the basis: educational programmes are needed at all levels, starting in primary schools, and emphasizing practical, down-to-earth examples; (vi) facilitate communication with the policy arena by framing research in terms that resonate with politicians in terms of the policy cycle or by considering drivers, pressures and responses affecting impacts of land use change; and finally (vii) all this is only possible if researchers, with soil scientists in the front lines, look over the hedge towards other disciplines, to the world at large and to the policy arena, reaching over to listen first, as a basis for genuine collaboration.

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.

Soil biodiversity plays a key role in regulating the processes that underpin the delivery of ecosystem goods and services in terrestrial ecosystems. Agricultural intensification is known to change the diversity of individual groups of soil biota, but less is known about how intensification affects biodiversity of the soil food web as a whole, and whether or not these effects may be generalized across regions. We examined biodiversity in soil food webs from grasslands, extensive, and intensive rotations in four agricultural regions across Europe: in Sweden, the UK, the Czech Republic and Greece. Effects of land-use intensity were quantified based on structure and diversity among functional groups in the soil food web, as well as on community-weighted mean body mass of soil fauna. We also elucidate land-use intensity effects on diversity of taxonomic units within taxonomic groups of soil fauna. We found that between regions soil food web diversity measures were variable, but that increasing land-use intensity caused highly consistent responses. In particular, land-use intensification reduced the complexity in the soil food webs, as well as the community-weighted mean body mass of soil fauna. In all regions across Europe, species richness of earthworms, Collembolans, and oribatid mites was negatively affected by increased land-use intensity. The taxonomic distinctness, which is a measure of taxonomic relatedness of species in a community that is independent of species richness, was also reduced by land-use intensification. We conclude that intensive agriculture reduces soil biodiversity, making soil food webs less diverse and composed of smaller bodied organisms. Land-use intensification results in fewer functional groups of soil biota with fewer and taxonomically more closely related species. We discuss how these changes in soil biodiversity due to land-use intensification may threaten the functioning of soil in agricultural production systems.

Soil organisms are a crucial part of the terrestrial biosphere. Despite their importance for ecosystem functioning, few quantitative, spatially explicit models of the active belowground community currently exist. In particular, nematodes are the most abundant animals on Earth, filling all trophic levels in the soil food web. Here we use 6,759 georeferenced samples to generate a mechanistic understanding of the patterns of the global abundance of nematodes in the soil and the composition of their functional groups. The resulting maps show that 4.4 ± 0.64 × 1020 nematodes (with a total biomass of approximately 0.3 gigatonnes) inhabit surface soils across the world, with higher abundances in sub-Arctic regions (38% of total) than in temperate (24%) or tropical (21%) regions. Regional variations in these global trends also provide insights into local patterns of soil fertility and functioning. These high-resolution models provide the first steps towards representing soil ecological processes in global biogeochemical models and will enable the prediction of elemental cycling under current and future climate scenarios. High-resolution spatial maps of the global abundance of soil nematodes and the composition of functional groups show that soil nematodes are found in higher abundances in sub-Arctic regions, than in temperate or tropical regions.

Assistant professor in the Department of Biology at Western Washington University, Bellingham, Washington 98225-9160 10: Professor at the Laboratoire d'Ecologie de Sols Tropicaux, ORSTOM/Universite Paris VI, 32 Avenue Henri Varagnat, 93143 Bondy, France 11: Senior scientist at the Centre for Terrestrial Ecology, Netherlands Institute of Ecology, 6666 ZG Heteren, Netherlands Utrecht, Netherlands 12: Professor at the Department of Environmental Studies, University of Utrecht, Utrecht, Netherlands 13: Professor at the Institute of Soil Biology, Academy of Sciences of the Czech Republic, Na sadkach 7, 370 05 Ceske Budejovice, Czech Republic 14: Professor at the Department of Environmental Science, Policy,and Management, University of California, Berkeley, California 94720-3110 15: Professor at the Center for Microbial Ecology, Michigan State University, 540 Plant and Soil Science Building, East Lansing, Michigan 48824-1325 16: Professor at the Department of Animal Ecology, Justus Liebig University of Giessen, Heinrich-Buff-Ring 26-32 (IFZ), D-35392 Giessen, Germany 2: Professor at the Queen Mary and Westfield College, School of Biological Sciences, University of London, London E1 4NS, United Kingdom 3: Research professor and the director of the Centre for Agri-Environmental Research, Department of Agriculture, University of Reading, Earley Gate, Reading RG6 6AT, United Kingdom 4: Professor of Soil Biology and Biological Soil Quality and director of the Department of Environmental Sciences, Wageningen University, 6700 EC Wageningen, Netherlands 5: Professor at the Centre for Biodiversity and Bioresources, School of Biological Sciences, Macquarie University, Sydney, New South Wales 2109, Australia 6: Chair, SCOPE Committee on Soil and Sediment Biodiversity and Ecosystem Functioning, and professor and director, Natural Resource Ecology Laboratory, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 80523 7: Scientist at Landcare Research, Lincoln, New Zealand 8: Research professor in the Institute of Ecology at the University of Georgia, 102 Ecology Annex, Athens, Georgia 30602-2360 9: Professor at the Department of Soil Science and Agricultural Engineering, University of Zimbabwe, Mount Pleasant, Harare, Zimbabwe

Abstract Despite decades of research, it remains controversial whether ecological communities converge towards a common structure determined by environmental conditions irrespective of assembly history. Here, we show experimentally that the answer depends on the level of community organization considered. In a 9‐year grassland experiment, we manipulated initial plant composition on abandoned arable land and subsequently allowed natural colonization. Initial compositional variation caused plant communities to remain divergent in species identities, even though these same communities converged strongly in species traits. This contrast between species divergence and trait convergence could not be explained by dispersal limitation or community neutrality alone. Our results show that the simultaneous operation of trait‐based assembly rules and species‐level priority effects drives community assembly, making it both deterministic and historically contingent, but at different levels of community organization.

Abstract Soil organisms have an important role in aboveground community dynamics and ecosystem functioning in terrestrial ecosystems. However, most studies have considered soil biota as a black box or focussed on specific groups, whereas little is known about entire soil networks. Here we show that during the course of nature restoration on abandoned arable land a compositional shift in soil biota, preceded by tightening of the belowground networks, corresponds with enhanced efficiency of carbon uptake. In mid- and long-term abandoned field soil, carbon uptake by fungi increases without an increase in fungal biomass or shift in bacterial-to-fungal ratio. The implication of our findings is that during nature restoration the efficiency of nutrient cycling and carbon uptake can increase by a shift in fungal composition and/or fungal activity. Therefore, we propose that relationships between soil food web structure and carbon cycling in soils need to be reconsidered.

Intensive land use reduces the diversity and abundance of many soil biota, with consequences for the processes that they govern and the ecosystem services that these processes underpin. Relationships between soil biota and ecosystem processes have mostly been found in laboratory experiments and rarely are found in the field. Here, we quantified, across four countries of contrasting climatic and soil conditions in Europe, how differences in soil food web composition resulting from land use systems (intensive wheat rotation, extensive rotation, and permanent grassland) influence the functioning of soils and the ecosystem services that they deliver. Intensive wheat rotation consistently reduced the biomass of all components of the soil food web across all countries. Soil food web properties strongly and consistently predicted processes of C and N cycling across land use systems and geographic locations, and they were a better predictor of these processes than land use. Processes of carbon loss increased with soil food web properties that correlated with soil C content, such as earthworm biomass and fungal/bacterial energy channel ratio, and were greatest in permanent grassland. In contrast, processes of N cycling were explained by soil food web properties independent of land use, such as arbuscular mycorrhizal fungi and bacterial channel biomass. Our quantification of the contribution of soil organisms to processes of C and N cycling across land use systems and geographic locations shows that soil biota need to be included in C and N cycling models and highlights the need to map and conserve soil biodiversity across the world.