Tree diversity improves forest productivity Experimental studies in grasslands have shown that the loss of species has negative consequences for ecosystem functioning. Is the same true for forests? Huang et al. report the first results from a large biodiversity experiment in a subtropical forest in China. The study combines many replicates, realistic tree densities, and large plot sizes with a wide range of species richness levels. After 8 years of the experiment, the findings suggest strong positive effects of tree diversity on forest productivity and carbon accumulation. Thus, changing from monocultures to more mixed forests could benefit both restoration of biodiversity and mitigation of climate change. Science , this issue p. 80

Forest ecosystems are an integral component of the global carbon cycle as they take up and release large amounts of C over short time periods (C flux) or accumulate it over longer time periods (C stock). However, there remains uncertainty about whether and in which direction C fluxes and in particular C stocks may differ between forests of high versus low species richness. Based on a comprehensive dataset derived from field-based measurements, we tested the effect of species richness (3-20 tree species) and stand age (22-116 years) on six compartments of above- and below-ground C stocks and four components of C fluxes in subtropical forests in southeast China. Across forest stands, total C stock was 149 ± 12 Mg ha

Abstract Recent studies report declines in biomass, abundance and diversity of terrestrial insect groups. While anthropogenic land use is one likely contributor to this decline, studies assessing land cover as a driver of insect dynamics are rare and mostly restricted in spatial scale and types of land cover. In this study, we used rooftop-mounted car nets in a citizen science project (‘InsectMobile’) to allow for large-scale geographic sampling of flying insects across Denmark and parts of Germany. Citizen scientists sampled insects along 278 10 km routes in urban, farmland and semi-natural (grassland, wetland and forest) landscapes in the summer of 2018. We assessed the importance of local to landscape-scale effects and land use intensity by relating insect biomass to land cover in buffers of 50, 250, 500 and 1000 m along the routes. We found a negative association of urban cover and a positive association of farmland on insect biomass at a landscape-scale (1000 m buffer) in both countries. In Denmark, we also found positive effects of all semi-natural land covers, i.e. grassland (largest at the landscape-scale, 1000 m), forests (largest at intermediate scales, 250 m), and wetlands (largest at the local-scale, 50 m). The negative association of insect biomass with urban land cover and positive association with farmland were not clearly modified by any variable associated with land use intensity. Our results show that land cover has an impact on flying insect biomass with the magnitude of this effect varying across spatial scales. Since we consistently found negative effects of urban land cover, our findings highlight the need for the conservation of semi-natural areas, such as wetlands, grasslands and forests, in Europe.

Extreme weather events are occurring more frequently, and research has shown that plant diversity can help mitigate impacts of climate change by increasing plant productivity and ecosystem stability 1,2 . Although soil temperature and its stability are key determinants of essential ecosystem processes related to water and nutrient uptake 3 as well as soil respiration and microbial activity 4 , no study has yet investigated whether plant diversity can buffer soil temperature fluctuations. Using 18 years of a continuous dataset with a resolution of 1 minute (∼795,312,000 individual measurements) from a large-scale grassland biodiversity experiment, we show that plant diversity buffers soil temperature throughout the year. Plant diversity helped to prevent soil heating in hot weather, and cooling in cold weather. Moreover, this effect of plant diversity increased over the 18-year observation period with the aging of experimental communities and was even stronger under extreme conditions, i.e., on hot days or in dry years. Using structural equation modelling, we found that plant diversity stabilized soil temperature by increasing soil organic carbon concentrations and, to a lesser extent, by increasing the plant leaf area index. We suggest that the diversity-induced stabilization of soil temperature may help to mitigate the negative effects of extreme climatic events such as soil carbon release, thus slow global warming.

Decades of studies have demonstrated links between biodiversity and ecosystem functioning, yet the generality of the relationships and the underlying mechanisms remain unclear, especially for forest ecosystems. Using 11 tree-diversity experiments, we tested tree species richness-community productivity relationships and the role of arbuscular (AM) or ectomycorrhizal (ECM) fungal-associated tree species in these relationships. Tree species richness had a positive effect on community productivity across experiments, modified by the diversity of tree mycorrhizal associations. In communities with both AM and ECM trees, species richness showed positive effects on community productivity, which could have resulted from complementarity between AM and ECM trees. Moreover, both AM and ECM trees were more productive in mixed communities with both AM and ECM trees than in communities assembled by their own mycorrhizal type of trees. In communities containing only ECM trees, species richness had a significant positive effect on productivity, whereas species richness did not show any significant effects on productivity in communities containing only AM trees. Our study provides novel explanations for variations in diversity-productivity relationships by suggesting that tree-mycorrhiza interactions can shape productivity in mixed-species forest ecosystems.

Abstract Tree species are known to predominantly interact either with arbuscular mycorrhizal (AM) or ectomycorrhizal (EM) fungi. However, there is a knowledge gap whether these mycorrhizae differently influence biodiversity-ecosystem functioning (BEF) relationships and whether a combination of both can increase community productivity. In 2015, we established a tree-diversity experiment by growing tree communities with varying species-richness levels (1, 2, or 4 species), and either with AM or EM tree species, or a combination of both. We investigated basal area and annual basal area increment from 2015 to 2020 as proxy for community productivity. We found significant positive relationships between tree species richness and community productivity, which strengthened over time. Further, AM and EM tree species differently influenced productivity; however, there was no overyielding when AM and EM trees grew together. EM tree communities were characterized by low productivity in the beginning, but an increase of increment over time, and showed overall strong biodiversity effects. For AM tree communities the opposite was true. While young trees did not benefit from the presence of the other mycorrhizal type, dissimilar mechanisms underlying BEF relationships in AM and EM trees indicate that maximizing tree and mycorrhizal diversity may increase ecosystem functioning in the long run.

Global warming is increasing the frequency and intensity of climate extremes. Forests may buffer such extreme events by creating their own microclimate below their canopy via cooling hot and insulating against cold macroclimate air temperatures. This buffering capacity of forests may be increased by tree diversity and may itself maintain forest functioning and biodiversity. However, despite its relevance for many ecosystem processes, the effect of tree diversity on temperature buffering is largely unexplored. Here, we show that tree species richness consistently increases forest temperature buffering across daily, monthly, and annual scales over six years. This finding is based on data from a large-scale tree diversity experiment covering a species richness gradient of 1 to 24 tree species. We found that species richness strengthened both components of forest temperature buffering: the attenuation of hot and of cold macroclimate air temperatures, with the cooling effect being more pronounced. The buffering effect of tree species richness was mediated by canopy density and structural diversity, assessed as leaf area index and stand structural complexity index, respectively. Safeguarding and planting diverse forests may thus mitigate negative effects of global warming and climate extremes on ecosystem functions and communities below the tree canopy.

Species-specific differences in nutrient acquisition strategies allow for complementary use of resources among plants in mixtures, which may be further shaped by mycorrhizal associations. However, empirical evidence of these relationships is scarce, particularly for tree communities. We investigated the impact of tree species richness and mycorrhizal types, arbuscular mycorrhizal fungi (AM) and ectomycorrhizal fungi (EM), on the above- and belowground carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P) dynamics. Soil and microbial biomass elemental pools did not strongly respond to tree species richness or mycorrhizal type. Tree species richness increased foliage C and P pools depending on mycorrhizal type. Additive partitioning analyses showed that net biodiversity effects for C, N, P pools in EM tree communities, and N pools in AM tree communities, were driven by selection effects, while mixtures of both mycorrhizal types were influenced by complementarity effects. Furthermore, tree species richness enhanced soil nitrate uptake over two years but had no impact on ammonium and phosphate levels. Our results indicate that positive effects of tree diversity on aboveground nutrient storage are mediated by complementary mycorrhizal strategies. Given the prevalence of anthropogenic impacts on tree species richness globally, these results may have important implications for reforestation of multifunctional forests.

Forest ecosystems contribute substantially to global terrestrial primary productivity and climate regulation, but, in contrast to grasslands, experimental evidence for a positive biodiversity-productivity relationship in highly diverse forests is still lacking. Here, we provide such evidence from a large forest biodiversity experiment with a novel design in subtropical China. Productivity (stand-level tree basal area, aboveground volume and carbon and their annual increment) increased linearly with the logarithm of tree species richness. Additive partitioning showed that increasing positive complementarity effects combined with weakening negative selection effects caused a strengthening of the relationship over time. In 2-species mixed stands, complementary effects increased with functional distance and selection effects with vertical crown dissimilarity between species. Understorey shrubs reduced stand-level tree productivity, but this effect of competition was attenuated by shrub species richness, indicating that a diverse understorey may facilitate overall ecosystem functioning. Identical biodiversity-productivity relationships were found in plots of different size, suggesting that extrapolation to larger scales is possible. Our results highlight the potential of multi-species afforestation strategies to simultaneously contribute to mitigation of climate change and biodiversity restoration.