Biological invasions are gaining attention as a major threat to biodiversity and an important element of global change. Recent research indicates that other components of global change, such as increases in nitrogen deposition and atmospheric CO2 concentration, favor groups of species that share certain physiological or life history traits. New evidence suggests that many invasive species share traits that will allow them to capitalize on the various elements of global change. Increases in the prevalence of some of these biological invaders would alter basic ecosystem properties in ways that feed back to affect many components of global change.

A highly controversial issue in global biogeochemistry is the regulation of terrestrial carbon (C) sequestration by soil nitrogen (N) availability. This controversy translates into great uncertainty in predicting future global terrestrial C sequestration. We propose a new framework that centers on the concept of progressive N limitation (PNL) for studying the interactions between C and N in terrestrial ecosystems. In PNL, available soil N becomes increasingly limiting as C and N are sequestered in long-lived plant biomass and soil organic matter. Our analysis focuses on the role of PNL in regulating ecosystem responses to rising atmospheric carbon dioxide concentration, but the concept applies to any perturbation that initially causes C and N to accumulate in organic forms. This article examines conditions under which PNL may or may not constrain net primary production and C sequestration in terrestrial ecosystems. While the PNL-centered framework has the potential to explain diverse experimental results and to help researchers integrate models and data, direct tests of the PNL hypothesis remain a great challenge to the research community.

Abstract: Scientific and societal unknowns make it difficult to predict how global environmental changes such as climate change and biological invasions will affect ecological systems. In the long term, these changes may have interacting effects and compound the uncertainty associated with each individual driver. Nonetheless, invasive species are likely to respond in ways that should be qualitatively predictable, and some of these responses will be distinct from those of native counterparts. We used the stages of invasion known as the “invasion pathway” to identify 5 nonexclusive consequences of climate change for invasive species: (1) altered transport and introduction mechanisms, (2) establishment of new invasive species, (3) altered impact of existing invasive species, (4) altered distribution of existing invasive species, and (5) altered effectiveness of control strategies. We then used these consequences to identify testable hypotheses about the responses of invasive species to climate change and provide suggestions for invasive‐species management plans. The 5 consequences also emphasize the need for enhanced environmental monitoring and expanded coordination among entities involved in invasive‐species management.

Abstract Invasive alien species (IAS) threaten human livelihoods and biodiversity globally. Increasing globalization facilitates IAS arrival, and environmental changes, including climate change, facilitate IAS establishment. Here we provide the first global, spatial analysis of the terrestrial threat from IAS in light of twenty-first century globalization and environmental change, and evaluate national capacities to prevent and manage species invasions. We find that one-sixth of the global land surface is highly vulnerable to invasion, including substantial areas in developing economies and biodiversity hotspots. The dominant invasion vectors differ between high-income countries (imports, particularly of plants and pets) and low-income countries (air travel). Uniting data on the causes of introduction and establishment can improve early-warning and eradication schemes. Most countries have limited capacity to act against invasions. In particular, we reveal a clear need for proactive invasion strategies in areas with high poverty levels, high biodiversity and low historical levels of invasion.

Models project that land ecosystems may be able take up a considerable proportion of the carbon dioxide released by human activities, thereby counteracting the anthropogenic emissions. In their Perspective, Hungate et al . argue that these carbon uptake estimates are too high because the models do not take other nutrients such as nitrogen into account appropriately. The authors estimate that there will not be enough nitrogen available to sustain the high carbon uptake scenarios. Nutrients other than nitrogen may also affect carbon uptake in ways not captured by most models.

Climate models project that by 2100, the northeastern US and eastern Canada will warm by approximately 3–5 °C, with increased winter precipitation. These changes will affect trees directly and also indirectly through effects on “nuisance” species, such as insect pests, pathogens, and invasive plants. We review how basic ecological principles can be used to predict nuisance species’ responses to climate change and how this is likely to impact northeastern forests. We then examine in detail the potential responses of two pest species (hemlock woolly adelgid ( Adelges tsugae Annand) and forest tent caterpillar ( Malacosoma disstria Hubner)), two pathogens (armillaria root rot ( Armillaria spp.) and beech bark disease ( Cryptococcus fagisuga Lind. + Neonectria spp.)), and two invasive plant species (glossy buckthorn ( Frangula alnus Mill.) and oriental bittersweet ( Celastrus orbiculatus Thunb.)). Several of these species are likely to have stronger or more widespread effects on forest composition and structure under the projected climate. However, uncertainty pervades our predictions because we lack adequate data on the species and because some species depend on complex, incompletely understood, unstable relationships. While targeted research will increase our confidence in making predictions, some uncertainty will always persist. Therefore, we encourage policies that allow for this uncertainty by considering a wide range of possible scenarios.

Several leaf litter decay studies have indicated that decomposition occurs more rapidly when litter is placed beneath the plant species from which it had been derived than beneath a different plant species (i.e. home-field advantage, HFA), although support for this notion has not been universal. We provide the first quantification of HFA in relation to leaf litter decomposition using published litter mass loss data from forest ecosystems in North America, South America, and Europe. Our findings indicate that HFA is widespread in forest ecosystems; on average litter mass loss was 8% faster at home than away. We hypothesize that HFA results from specialization of the soil biotic community in decomposing litter derived from the plant above it. Climate and initial litter quality data can be used to explain about 70% of the variability in litter decomposition at a global scale, leaving about 30% unexplained. We suggest that HFA be recognized as a factor that explains some of this remaining variability.

Accurate representation of photosynthesis in terrestrial biosphere models (TBMs) is essential for robust projections of global change. However, current representations vary markedly between TBMs, contributing uncertainty to projections of global carbon fluxes. Here we compared the representation of photosynthesis in seven TBMs by examining leaf and canopy level responses of photosynthetic CO2 assimilation (A) to key environmental variables: light, temperature, CO2 concentration, vapor pressure deficit and soil water content. We identified research areas where limited process knowledge prevents inclusion of physiological phenomena in current TBMs and research areas where data are urgently needed for model parameterization or evaluation. We provide a roadmap for new science needed to improve the representation of photosynthesis in the next generation of terrestrial biosphere and Earth system models.

Abstract Microbial decomposition of soil organic matter produces a major flux of CO 2 from terrestrial ecosystems and can act as a feedback to climate change. Although climate‐carbon models suggest that warming will accelerate the release of CO 2 from soils, the magnitude of this feedback is uncertain, mostly due to uncertainty in the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition. We examined how warming and altered precipitation affected the rate and temperature sensitivity of heterotrophic respiration ( R h ) at the B oston‐Area Climate Experiment, in M assachusetts, USA . We measured R h inside deep collars that excluded plant roots and litter inputs. In this mesic ecosystem, R h responded strongly to precipitation. Drought reduced R h , both annually and during the growing season. Warming increased R h only in early spring. During the summer, when R h was highest, we found evidence of threshold, hysteretic responses to soil moisture: R h decreased sharply when volumetric soil moisture dropped below ~15% or exceeded ~26%, but R h increased more gradually when soil moisture rose from the lower threshold. The effect of climate treatments on the temperature sensitivity of R h depended on the season. Apparent Q 10 decreased with high warming (~3.5 °C) in spring and fall. Presumably due to limiting soil moisture, warming and precipitation treatments did not affect apparent Q 10 in summer. Drought decreased apparent Q 10 in fall compared to ambient and wet precipitation treatments. To our knowledge, this is the first field study to examine the response of R h and its temperature sensitivity to the combined effects of warming and altered precipitation. Our results highlight the complex responses of R h to soil moisture, and to our knowledge identify for the first time the seasonal variation in the temperature sensitivity of microbial respiration in the field. We emphasize the importance of adequately simulating responses such as these when modeling trajectories of soil carbon stocks under climate change scenarios.

Significance One of the greatest challenges in projecting future shifts in the global climate is understanding how soil respiration rates will change with warming. Multiple experimental warming studies have explored this response, but no consensus has been reached. Based on a global synthesis of 27 experimental warming studies spanning nine biomes, we find that although warming increases soil respiration rates, there is limited evidence for a shifting respiration response with experimental warming. We also note a universal decline in the temperature sensitivity of respiration at soil temperatures >25 °C. Together, our data indicate that future respiration rates are likely to follow the current temperature response function, but higher latitudes will be more responsive to warmer temperatures.