Abstract Soil microbial communities play a crucial role in ecosystem functioning, but it is unknown how co-occurrence networks within these communities respond to disturbances such as climate extremes. This represents an important knowledge gap because changes in microbial networks could have implications for their functioning and vulnerability to future disturbances. Here, we show in grassland mesocosms that drought promotes destabilising properties in soil bacterial, but not fungal, co-occurrence networks, and that changes in bacterial communities link more strongly to soil functioning during recovery than do changes in fungal communities. Moreover, we reveal that drought has a prolonged effect on bacterial communities and their co-occurrence networks via changes in vegetation composition and resultant reductions in soil moisture. Our results provide new insight in the mechanisms through which drought alters soil microbial communities with potential long-term consequences, including future plant community composition and the ability of aboveground and belowground communities to withstand future disturbances.

A shortage of oxygen locks up carbon in peatlands by restraining a single enzyme.

Unique peatland properties, such as their ability to preserve intact ancient human remains (bog bodies) and to store globally significant quantities of atmospheric CO2, can be attributed to their low rates of enzymic decomposition. Peatland soils are normally devoid of molecular oxygen in all, but the uppermost layer, and thus enzymes such as phenol oxidase, which require molecular oxygen for their activity, are rarely active. Interestingly, even the activities of enzymes such as hydrolases that have no oxygen requirement, are also extremely limited in peatlands. Here, we show that those low hydrolase activities can be indirectly attributed to oxygen constraints on phenol oxidase. On addition of oxygen, phenol oxidase activity increased 7-fold, P<0.05, a response that allowed phenolic depletion in the peatland soil. Phenolic materials are highly inhibitory to enzymes and their lower abundance allowed higher hydrolase activities (β-glucosidase 26%, P<0.05, phosphatase 18%, P<0.05, sulphatase 47%, P<0.01, xylosidase 16%, P<0.05 and chitinase 22%, P<0.05). Thus, oxygen constraints upon phenol oxidase activity promote conditions that inhibit decomposition. This mechanism has important implications for preservation of archaeological organic materials, sequestration of atmospheric CO2 and potentially in the preservation of food and treatment of water pollution.

Processes in the soil remain among the least well-characterized components of the carbon cycle. Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi are ubiquitous root symbionts in many terrestrial ecosystems and account for a large fraction of photosynthate in a wide range of ecosystems; they therefore play a key role in the terrestrial carbon cycle. A large part of the fungal mycelium is outside the root (the extraradical mycelium, ERM) and, because of the dispersed growth pattern and the small diameter of the hyphae (<5 micrometers), exceptionally difficult to study quantitatively. Critically, the longevity of these fine hyphae has never been measured, although it is assumed to be short. To quantify carbon turnover in these hyphae, we exposed mycorrhizal plants to fossil (“carbon-14–dead”) carbon dioxide and collected samples of ERM hyphae (up to 116 micrograms) over the following 29 days. Analyses of their carbon-14 content by accelerator mass spectrometry (AMS) showed that most ERM hyphae of AM fungi live, on average, 5 to 6 days. This high turnover rate reveals a large and rapid mycorrhizal pathway of carbon in the soil carbon cycle.

Summary 1. Plant–soil interactions play a central role in the biogeochemical carbon (C), nitrogen (N) and hydrological cycles. In the context of global environmental change, they are important both in modulating the impact of climate change and in regulating the feedback of greenhouse gas emissions (CO 2 , CH 4 and N 2 O) to the climate system. 2. Dynamic global vegetation models (DGVMs) represent the most advanced tools available to predict the impacts of global change on terrestrial ecosystem functions and to examine their feedbacks to climate change. The accurate representation of plant–soil interactions in these models is crucial to improving predictions of the effects of climate change on a global scale. 3. In this paper, we describe the general structure of DGVMs that use plant functional types (PFTs) classifications as a means to integrate plant–soil interactions and illustrate how models have been developed to improve the simulation of: (a) soil carbon dynamics, (b) nitrogen cycling, (c) drought impacts and (d) vegetation dynamics. For each of these, we discuss some recent advances and identify knowledge gaps. 4. We identify three ongoing challenges, requiring collaboration between the global modelling community and process ecologists. First, the need for a critical evaluation of the representation of plant–soil processes in global models; second, the need to supply and integrate knowledge into global models; third, the testing of global model simulations against large‐scale multifactor experiments and data from observatory gradients. 5. Synthesis . This paper reviews how plant–soil interactions are represented in DGVMs that use PFTs and illustrates some model developments. We also identify areas of ecological understanding and experimentation needed to reduce uncertainty in future carbon coupled climate change predictions.

Abstract Dissolved organic carbon ( DOC ) concentrations in surface waters have increased across much of E urope and N orth A merica, with implications for the terrestrial carbon balance, aquatic ecosystem functioning, water treatment costs and human health. Over the past decade, many hypotheses have been put forward to explain this phenomenon, from changing climate and land management to eutrophication and acid deposition. Resolution of this debate has been hindered by a reliance on correlative analyses of time series data, and a lack of robust experimental testing of proposed mechanisms. In a 4 year, four‐site replicated field experiment involving both acidifying and deacidifying treatments, we tested the hypothesis that DOC leaching was previously suppressed by high levels of soil acidity in peat and organo‐mineral soils, and therefore that observed DOC increases a consequence of decreasing soil acidity. We observed a consistent, positive relationship between DOC and acidity change at all sites. Responses were described by similar hyperbolic relationships between standardized changes in DOC and hydrogen ion concentrations at all sites, suggesting potentially general applicability. These relationships explained a substantial proportion of observed changes in peak DOC concentrations in nearby monitoring streams, and application to a UK ‐wide upland soil p H dataset suggests that recovery from acidification alone could have led to soil solution DOC increases in the range 46–126% by habitat type since 1978. Our findings raise the possibility that changing soil acidity may have wider impacts on ecosystem carbon balances. Decreasing sulphur deposition may be accelerating terrestrial carbon loss, and returning surface waters to a natural, high‐ DOC condition.

Abstract More than 200 years ago, Alexander von Humboldt reported that tropical plant species richness decreased with increasing elevation and decreasing temperature. Surprisingly, coordinated patterns in plant, bacterial, and fungal diversity on tropical mountains have not yet been observed, despite the central role of soil microorganisms in terrestrial biogeochemistry and ecology. We studied an Andean transect traversing 3.5 km in elevation to test whether the species diversity and composition of tropical forest plants, soil bacteria, and fungi follow similar biogeographical patterns with shared environmental drivers. We found coordinated changes with elevation in all three groups: species richness declined as elevation increased, and the compositional dissimilarity among communities increased with increased separation in elevation, although changes in plant diversity were larger than in bacteria and fungi. Temperature was the dominant driver of these diversity gradients, with weak influences of edaphic properties, including soil pH . The gradients in microbial diversity were strongly correlated with the activities of enzymes involved in organic matter cycling, and were accompanied by a transition in microbial traits towards slower‐growing, oligotrophic taxa at higher elevations. We provide the first evidence of coordinated temperature‐driven patterns in the diversity and distribution of three major biotic groups in tropical ecosystems: soil bacteria, fungi, and plants. These findings suggest that interrelated and fundamental patterns of plant and microbial communities with shared environmental drivers occur across landscape scales. These patterns are revealed where soil pH is relatively constant, and have implications for tropical forest communities under future climate change.

1. The Andes are predicted to warm by 3-5 °C this century with the potential to alter the processes regulating carbon (C) cycling in these tropical forest soils. This rapid warming is expected to stimulate soil microbial respiration and change plant species distributions, thereby affecting the quantity and quality of C inputs to the soil and influencing the quantity of soil-derived CO2 released to the atmosphere. 2. We studied tropical lowland, premontane and montane forest soils taken from along a 3200-m elevation gradient located in south-east Andean Peru. We determined how soil microbial communities and abiotic soil properties differed with elevation. We then examined how these differences in microbial composition and soil abiotic properties affected soil C-cycling processes, by amending soils with C substrates varying in complexity and measuring soil heterotrophic respiration (RH). 3. Our results show that there were consistent patterns of change in soil biotic and abiotic properties with elevation. Microbial biomass and the abundance of fungi relative to bacteria increased significantly with elevation, and these differences in microbial community composition were strongly correlated with greater soil C content and C:N (nitrogen) ratios. We also found that RH increased with added C substrate quality and quantity and was positively related to microbial biomass and fungal abundance. 4. Statistical modelling revealed that RH responses to changing C inputs were best predicted by soil pH and microbial community composition, with the abundance of fungi relative to bacteria, and abundance of gram-positive relative to gram-negative bacteria explaining much of the model variance. 5. Synthesis. Our results show that the relative abundance of microbial functional groups is an important determinant of RH responses to changing C inputs along an extensive tropical elevation gradient in Andean Peru. Although we do not make an experimental test of the effects of climate change on soil, these results challenge the assumption that different soil microbial communities will be 'functionally equivalent' as climate change progresses, and they emphasize the need for better ecological metrics of soil microbial communities to help predict C cycle responses to climate change in tropical biomes.