Abstract Mechanisms to mitigate global climate change by sequestering carbon ( C ) in different ‘sinks' have been proposed as at least temporary measures. Of the major global C pools, terrestrial ecosystems hold the potential to capture and store substantially increased volumes of C in soil organic matter ( SOM ) through changes in management that are also of benefit to the multitude of ecosystem services that soils provide. This potential can only be realized by determining the amount of SOM stored in soils now, with subsequent quantification of how this is affected by management strategies intended to increase SOM concentrations, and used in soil C models for the prediction of the roles of soils in future climate change. An apparently obvious method to increase C stocks in soils is to augment the soil C pools with the longest mean residence times ( MRT ). Computer simulation models of soil C dynamics, e.g. RothC and Century, partition these refractory constituents into slow and passive pools with MRT s of centuries to millennia. This partitioning is assumed to reflect: (i) the average biomolecular properties of SOM in the pools with reference to their source in plant litter, (ii) the accessibility of the SOM to decomposer organisms or catalytic enzymes, or (iii) constraints imposed on decomposition by environmental conditions, including soil moisture and temperature. However, contemporary analytical approaches suggest that the chemical composition of these pools is not necessarily predictable because, despite considerable progress with understanding decomposition processes and the role of decomposer organisms, along with refinements in simulation models, little progress has been made in reconciling biochemical properties with the kinetically defined pools. In this review, we will explore how advances in quantitative analytical techniques have redefined the new understanding of SOM dynamics and how this is affecting the development and application of new modelling approaches to soil C .

Microbial community responses in soils from the Arctic to the Amazon often enhance the longer-term temperature sensitivity of respiration, particularly in soils with high carbon-to-nitrogen ratios and in soils from cold regions, suggesting that carbon stored in Arctic and boreal soils could be more vulnerable to climate warming than currently predicted. Much of the large amount of carbon stored in soils is released into the atmosphere as carbon dioxide through soil microbial respiration. It is thought that a warming induced stimulation of soil microbial respiration rates could increase soil carbon dioxide emissions and hence induce a positive climate feedback effect, but the response of soil microbial communities to changing temperatures remains uncertain. This paper investigates the role of microbial community level responses in controlling the temperature sensitivity of respiration in soils from the Arctic to the Amazon. The authors find that the microbial community level response enhances the longer-term temperature sensitivity of respiration more often than it reduces it. The strongest enhancing responses are observed in soils with high carbon-to-nitrogen ratios and in soils from cold climatic regions, suggesting that the substantial carbon stores in Arctic and boreal soils could be more vulnerable to climate warming than currently predicted. Soils store about four times as much carbon as plant biomass1, and soil microbial respiration releases about 60 petagrams of carbon per year to the atmosphere as carbon dioxide2. Short-term experiments have shown that soil microbial respiration increases exponentially with temperature3. This information has been incorporated into soil carbon and Earth-system models, which suggest that warming-induced increases in carbon dioxide release from soils represent an important positive feedback loop that could influence twenty-first-century climate change4. The magnitude of this feedback remains uncertain, however, not least because the response of soil microbial communities to changing temperatures has the potential to either decrease5,6,7 or increase8,9 warming-induced carbon losses substantially. Here we collect soils from different ecosystems along a climate gradient from the Arctic to the Amazon and investigate how microbial community-level responses control the temperature sensitivity of soil respiration. We find that the microbial community-level response more often enhances than reduces the mid- to long-term (90 days) temperature sensitivity of respiration. Furthermore, the strongest enhancing responses were observed in soils with high carbon-to-nitrogen ratios and in soils from cold climatic regions. After 90 days, microbial community responses increased the temperature sensitivity of respiration in high-latitude soils by a factor of 1.4 compared to the instantaneous temperature response. This suggests that the substantial carbon stores in Arctic and boreal soils could be more vulnerable to climate warming than currently predicted.

Requirements for research, practices and policies affecting soil management in relation to global food security are reviewed. Managing soil organic carbon (C) is central because soil organic matter influences numerous soil properties relevant to ecosystem functioning and crop growth. Even small changes in total C content can have disproportionately large impacts on key soil physical properties. Practices to encourage maintenance of soil C are important for ensuring sustainability of all soil functions. Soil is a major store of C within the biosphere – increases or decreases in this large stock can either mitigate or worsen climate change. Deforestation, conversion of grasslands to arable cropping and drainage of wetlands all cause emission of C; policies and international action to minimise these changes are urgently required. Sequestration of C in soil can contribute to climate change mitigation but the real impact of different options is often misunderstood. Some changes in management that are beneficial for soil C, increase emissions of nitrous oxide (a powerful greenhouse gas) thus cancelling the benefit. Research on soil physical processes and their interactions with roots can lead to improved and novel practices to improve crop access to water and nutrients. Increased understanding of root function has implications for selection and breeding of crops to maximise capture of water and nutrients. Roots are also a means of delivering natural plant-produced chemicals into soil with potentially beneficial impacts. These include biocontrol of soil-borne pests and diseases and inhibition of the nitrification process in soil (conversion of ammonium to nitrate) with possible benefits for improved nitrogen use efficiency and decreased nitrous oxide emission. The application of molecular methods to studies of soil organisms, and their interactions with roots, is providing new understanding of soil ecology and the basis for novel practical applications. Policy makers and those concerned with development of management approaches need to keep a watching brief on emerging possibilities from this fast-moving area of science. Nutrient management is a key challenge for global food production: there is an urgent need to increase nutrient availability to crops grown by smallholder farmers in developing countries. Many changes in practices including inter-cropping, inclusion of nitrogen-fixing crops, agroforestry and improved recycling have been clearly demonstrated to be beneficial: facilitating policies and practical strategies are needed to make these widely available, taking account of local economic and social conditions. In the longer term fertilizers will be essential for food security: policies and actions are needed to make these available and affordable to small farmers. In developed regions, and those developing rapidly such as China, strategies and policies to manage more precisely the necessarily large flows of nutrients in ways that minimise environmental damage are essential. A specific issue is to minimise emissions of nitrous oxide whilst ensuring sufficient nitrogen is available for adequate food production. Application of known strategies (through either regulation or education), technological developments, and continued research to improve understanding of basic processes will all play a part. Decreasing soil erosion is essential, both to maintain the soil resource and to minimise downstream damage such as sedimentation of rivers with adverse impacts on fisheries. Practical strategies are well known but often have financial implications for farmers. Examples of systems for paying one group of land users for ecosystem services affecting others exist in several parts of the world and serve as a model.

Abstract Global environmental change, related to climate change and the deposition of airborne N‐containing contaminants, has already resulted in shifts in plant community composition among plant functional types in Arctic and temperate alpine regions. In this paper, we review how key ecosystem processes will be altered by these transformations, the complex biological cascades and feedbacks that might result, and some of the potential broader consequences for the earth system. Firstly, we consider how patterns of growth and allocation, and nutrient uptake, will be altered by the shifts in plant dominance. The ways in which these changes may disproportionately affect the consumer communities, and rates of decomposition, are then discussed. We show that the occurrence of a broad spectrum of plant growth forms in these regions (from cryptogams to deciduous and evergreen dwarf shrubs, graminoids and forbs), together with hypothesized low functional redundancy, will mean that shifts in plant dominance result in a complex series of biotic cascades, couplings and feedbacks which are supplemental to the direct responses of ecosystem components to the primary global change drivers. The nature of these complex interactions is highlighted using the example of the climate‐driven increase in shrub cover in low‐Arctic tundra, and the contrasting transformations in plant functional composition in mid‐latitude alpine systems. Finally, the potential effects of the transformations on ecosystem properties and processes that link with the earth system are reviewed. We conclude that the effects of global change on these ecosystems, and potential climate‐change feedbacks, cannot be predicted from simple empirical relationships between processes and driving variables. Rather, the effects of changes in species distributions and dominances on key ecosystem processes and properties must also be considered, based upon best estimates of the trajectories of key transformations, their magnitude and rates of change.

Abstract— –A small computer on line with a single‐beam spectrophotometer was used to obtain absorption spectra and higher derivatives (up to the fourth) of the absorption spectra. The spectral resolution was markedly enhanced in the higher derivative curves. The computer was also used to synthesize absorption spectra from Gaussian, Lorentzian and mixed Gaussian‐Lorentzian band shapes in order to explore the higher derivative analysis of completely defined spectra.

The balance of nutrients in soil is critical for microbial growth and function, and stoichiometric values below the Redfield ratio for C:N:P can negatively affect microbial ecosystem services. However, few studies have assessed the relationships between nutrient balance and biological productivity in extremely nutrient-poor habitats. The Mackay Glacier region of Eastern Antarctica is a hyper-oligotrophic ice-free desert and is an appropriate landscape to evaluate the effects of nutrient deficiency and imbalance on microbial community ecology. In a survey of multiple, widely dispersed soil samples from this region, we detected only low rates of microbial respiration, and observed that C:N:P ratios were well below those required for optimal activity. In silico metagenomic and soil isotopic ratio (δ15N) analyses indicated that the capacity for nitrogen fixation was low, but that soil microbial communities were enriched for soil nitrate assimilation processes, mostly associated with heterotrophic taxa. δ13C isotope ratio data suggested that carbon dioxide was fixed principally via the Calvin cycle. Genes involved in this pathway were common to all metagenomes and were primarily attributed to members of the dominant soil bacterial phyla: Bacteroidetes and Acidobacteria. The identification of multiple genes encoding non-photoautotrophic RUBISCO and carbon dioxide dehydrogenase enzymes in both the metagenomic sequences and assembled MAGs is suggestive of a trace-gas scavenging physiology in members of these soil communities.