Plants buffer increasing atmospheric carbon dioxide (CO2) concentrations through enhanced growth, but the question whether nitrogen availability constrains the magnitude of this ecosystem service remains unresolved. Synthesizing experiments from around the world, we show that CO2 fertilization is best explained by a simple interaction between nitrogen availability and mycorrhizal association. Plant species that associate with ectomycorrhizal fungi show a strong biomass increase (30 ± 3%, P < 0.001) in response to elevated CO2 regardless of nitrogen availability, whereas low nitrogen availability limits CO2 fertilization (0 ± 5%, P = 0.946) in plants that associate with arbuscular mycorrhizal fungi. The incorporation of mycorrhizae in global carbon cycle models is feasible, and crucial if we are to accurately project ecosystem responses and feedbacks to climate change.

Elevated CO2 (eCO2) experiments provide critical information to quantify the effects of rising CO2 on vegetation1–6. Many eCO2 experiments suggest that nutrient limitations modulate the local magnitude of the eCO2 effect on plant biomass1,3,5, but the global extent of these limitations has not been empirically quantified, complicating projections of the capacity of plants to take up CO27,8. Here, we present a data-driven global quantification of the eCO2 effect on biomass based on 138 eCO2 experiments. The strength of CO2 fertilization is primarily driven by nitrogen (N) in ~65% of global vegetation and by phosphorus (P) in ~25% of global vegetation, with N- or P-limitation modulated by mycorrhizal association. Our approach suggests that CO2 levels expected by 2100 can potentially enhance plant biomass by 12 ± 3% above current values, equivalent to 59 ± 13 PgC. The future effect of eCO2 we derive from experiments is geographically consistent with past changes in greenness9, but is considerably lower than the past effect derived from models10. If borne out, our results suggest that the stimulatory effect of CO2 on carbon storage could slow considerably this century. Our research provides an empirical estimate of the biomass sensitivity to eCO2 that may help to constrain climate projections. Elevated CO2 increases plant biomass, providing a negative feedback on global warming. Nutrient availability was found to drive the magnitude of this effect for the majority of vegetation globally, and analyses indicated that CO2 will continue to fertilize plant growth in the next century.

Vegetation impacts on ecosystem functioning are mediated by mycorrhizas, plant-fungal associations formed by most plant species. Ecosystems dominated by distinct mycorrhizal types differ strongly in their biogeochemistry. Quantitative analyses of mycorrhizal impacts on ecosystem functioning are hindered by the scarcity of information on mycorrhizal distributions. Here we present global, high-resolution maps of vegetation biomass distribution by dominant mycorrhizal associations. Arbuscular, ectomycorrhizal, and ericoid mycorrhizal vegetation store, respectively, 241 ± 15, 100 ± 17, and 7 ± 1.8 GT carbon in aboveground biomass, whereas non-mycorrhizal vegetation stores 29 ± 5.5 GT carbon. Soil carbon stocks in both topsoil and subsoil are positively related to the community-level biomass fraction of ectomycorrhizal plants, though the strength of this relationship varies across biomes. We show that human-induced transformations of Earth's ecosystems have reduced ectomycorrhizal vegetation, with potential ramifications to terrestrial carbon stocks. Our work provides a benchmark for spatially explicit and globally quantitative assessments of mycorrhizal impacts on ecosystem functioning and biogeochemical cycling.

Abstract Vegetation impacts on ecosystem functioning are mediated by mycorrhiza, a plant-fungal association formed by most plant species. Ecosystems dominated by distinct mycorrhizal types differ strongly in their biogeochemistry. Quantitative analyses of mycorrhizal impacts on ecosystem functioning are hindered by the absence of information on mycorrhizal distribution. We present the first global high-resolution maps of vegetation biomass distribution among main types of mycorrhizal associations. Arbuscular, ecto-, ericoid and non-mycorrhizal vegetation store 241±15, 100±17, 7±1.8 and 29 ± 5.5 GT carbon in aboveground biomass, respectively. Soil carbon stocks in both topsoil and subsoil are positively related to the biomass fraction of ectomycorrhizal plants in the community, though the strength of this relationship varies across biomes. We show that human-induced transformations of Earth’s ecosystems have reduced ectomycorrhizal vegetation, with potential knock-on effects on terrestrial carbon stocks. Our work provides a benchmark for spatially explicit global quantitative assessments of mycorrhizal impacts on ecosystem functioning and biogeochemical cycles. One Sentence Summary First maps of the global distribution of mycorrhizal plants reveal global losses of ectomycorrhizal vegetation, and quantitative links between mycorrhizal vegetation patterns and terrestrial carbon stocks.

Global change has resulted in chronic shifts in fire regimes, increasing fire frequency in some regions and decreasing it in others. Predicting the response of ecosystems to changing fire frequencies is challenging because of the multi-decadal timescales over which fire effects emerge and the variability in environmental conditions, fire types, and plant composition across biomes. Here, we address these challenges using surveys of tree communities across 29 sites that experienced multi-decadal alterations in fire frequencies spanning ecosystems and environmental conditions. Relative to unburned plots, more frequently burned plots had lower tree basal area and stem densities that compounded over multiple decades: average fire frequencies reduced basal area by only 4% after 16 years but 57% after 64 years, relative to unburned plots. Fire frequency had the largest effects on basal area in savanna ecosystems and in sites with strong wet seasons. Analyses of tree functional-trait data across North American sites revealed that frequently burned plots had tree communities dominated by species with low biomass nitrogen and phosphorus content and with more efficient nitrogen acquisition through ectomycorrhizal symbioses (rising from 85% to nearly 100%). Our data elucidate the impact of long-term fire regimes on tree community structure and composition, with the magnitude of change depending on climate, vegetation type, and fire history. The effects of widespread changes in fire regimes underway today will manifest in decades to come and have long-term consequences for carbon storage and nutrient cycling.

Abstract Predation structures food webs, influences energy flow, and alters rates and pathways of nutrient cycling through ecosystems, effects that are well documented for macroscopic predators. In the microbial world, predatory bacteria are common, yet little is known about their rates of growth and roles in energy flows through microbial food webs, in part because these are difficult to quantify. Here, we show that growth and carbon uptake were higher in predatory bacteria compared to non-predatory bacteria, a finding across 15 sites, synthesizing 82 experiments and over 100,000 taxon-specific measurements of element flow into newly synthesized bacterial DNA. Obligate predatory bacteria grew 36% faster and assimilated carbon at rates 211% higher than non-predatory bacteria. These differences were less pronounced for facultative predators (6% higher growth rates, 17% higher carbon assimilation rates), though high growth and carbon assimilation rates were observed for some facultative predators, such as members of the genera Lysobacter and Cytophaga , both capable of gliding motility and wolfpack hunting behavior. Added carbon substrates disproportionately stimulated growth of obligate predators, with responses 63% higher than non-predators for the Bdellovibrionales and 81% higher for the Vampirovibrionales, whereas responses of facultative predators to substrate addition were no different from non-predators. This finding supports ecological theory that higher productivity increases predator control of lower trophic levels. These findings also indicate that the functional significance of bacterial predators increases with energy flow, and that predatory bacteria influence element flow through microbial food webs.

Summary It is well‐known that the mycorrhizal type of plants correlates with different modes of nutrient cycling and availability. However, the differences in drought tolerance between arbuscular mycorrhizal (AM) and ectomycorrhizal (EcM) plants remains poorly characterized. We synthesized a global dataset of four hydraulic traits associated with drought tolerance of 1457 woody species (1139 AM and 318 EcM species) at 308 field sites. We compared these traits between AM and EcM species, with evolutionary history (i.e. angiosperms vs gymnosperms), water availability (i.e. aridity index) and biomes considered as additional factors. Overall, we found that evolutionary history and biogeography influenced differences in hydraulic traits between mycorrhizal types. Specifically, we found that (1) AM angiosperms are less drought‐tolerant than EcM angiosperms in wet regions or biomes, but AM gymnosperms are more drought‐tolerant than EcM gymnosperms in dry regions or biomes, and (2) in both angiosperms and gymnosperms, variation in hydraulic traits as well as their sensitivity to water availability were higher in AM species than in EcM species. Our results suggest that global shifts in water availability (especially drought) may alter the biogeographic distribution and abundance of AM and EcM plants, with consequences for ecosystem element cycling and ultimately, the land carbon sink.

Societal Impact Statement Forest ecosystems absorb and store about 25% of global carbon dioxide emissions annually and are increasingly shaped by human land use and management. Climate change interacts with land use and forest dynamics to influence observed carbon stocks and the strength of the land carbon sink. We show that climate change effects on modeled forest land carbon stocks are strongest in tropical wildlands that have limited human influence. Global forest carbon stocks and carbon sink strength may decline as climate change and anthropogenic influences intensify, with wildland tropical forests, especially in Amazonia, likely being especially vulnerable. Summary Human effects on ecosystems date back thousands of years, and anthropogenic biomes—anthromes—broadly incorporate the effects of human population density and land use on ecosystems. Forests are integral to the global carbon cycle, containing large biomass carbon stocks, yet their responses to land use and climate change are uncertain but critical to informing climate change mitigation strategies, ecosystem management, and Earth system modeling. Using an anthromes perspective and the site locations from the Global Forest Carbon (ForC) Database, we compare intensively used, cultured, and wildland forest lands in tropical and extratropical regions. We summarize recent past (1900‐present) patterns of land use intensification, and we use a feedback analysis of Earth system models from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 to estimate the sensitivity of forest carbon stocks to CO 2 and temperature change for different anthromes among regions. Modeled global forest carbon stock responses are positive for CO 2 increase but neutral to negative for temperature increase. Across anthromes (intensively used, cultured, and wildland forest areas), modeled forest carbon stock responses of temperate and boreal forests are less variable than those of tropical forests. Tropical wildland forest areas appear especially sensitive to CO 2 and temperature change, with the negative temperature response highlighting the potential vulnerability of the globally significant carbon stock in tropical forests. The net effect of anthropogenic activities—including land‐use intensification and environmental change and their interactions with natural forest dynamics—will shape future forest carbon stock changes. These interactive effects will likely be strongest in tropical wildlands.