Global Ecosystem Analysis The relationship between species richness and the functional properties of their ecosystems has often been studied at small scales in experimental plots. Maestre et al. (p. 214 ; see the Perspective by Midgley ) performed field measurements at 224 dryland sites from six continents and assessed 14 ecosystem functions related to carbon, nitrogen, and phosphorus cycling. Positive relationships were observed between perennial plant species richness and ecosystem functionality. The relative importance of biodiversity was found to be as large as, or larger than, many key abiotic variables. Thus, preservation of plant biodiversity is important to buffer negative effects of climate change and desertification in drylands, which collectively cover 41% of Earth's land surface and support over 38% of the human population.

Significance Climate change is increasing the degree of aridity in drylands, which occupy 41% of Earth’s surface and support 38% of its population. Soil bacteria and fungi are largely responsible for key ecosystem services, including soil fertility and climate regulation, yet their responses to changes in aridity are poorly understood. Using a field survey conducted in drylands worldwide and DNA-sequencing approaches, we found that increases in aridity reduce the diversity and abundance of soil bacteria and fungi. This study represents an important advancement in our understanding of soil microbial communities and their likely responses to ongoing climate change.

Soil samples collected from 224 dryland sites around the world show that aridity affects the concentration of organic carbon and total nitrogen differently from the concentration of inorganic phosphorus, suggesting that any predicted increase in aridity with climate change could uncouple the carbon, nitrogen and phosphorus cycles in drylands and negatively affect the services provided by these ecosystems. It is thought likely that climatic change, such as the increased aridity predicted for many drylands, could disrupt the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen and phosphorus during the twenty-first century. These elements are essential nutrients for biomass production in terrestrial ecosystems. This study finds that aridity has a negative effect on the concentration of global dryland soil organic carbon and nitrogen, but a positive effect on the concentration of inorganic phosphorus. This suggests a decoupling of nutrient cycles in response to an increase in aridity that could have a negative impact on biogeochemical reactions that control key ecosystem functions such as primary productivity. The biogeochemical cycles of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are interlinked by primary production, respiration and decomposition in terrestrial ecosystems1. It has been suggested that the C, N and P cycles could become uncoupled under rapid climate change because of the different degrees of control exerted on the supply of these elements by biological and geochemical processes1,2,3,4,5. Climatic controls on biogeochemical cycles are particularly relevant in arid, semi-arid and dry sub-humid ecosystems (drylands) because their biological activity is mainly driven by water availability6,7,8. The increase in aridity predicted for the twenty-first century in many drylands worldwide9,10,11 may therefore threaten the balance between these cycles, differentially affecting the availability of essential nutrients12,13,14. Here we evaluate how aridity affects the balance between C, N and P in soils collected from 224 dryland sites from all continents except Antarctica. We find a negative effect of aridity on the concentration of soil organic C and total N, but a positive effect on the concentration of inorganic P. Aridity is negatively related to plant cover, which may favour the dominance of physical processes such as rock weathering, a major source of P to ecosystems, over biological processes that provide more C and N, such as litter decomposition12,13,14. Our findings suggest that any predicted increase in aridity with climate change will probably reduce the concentrations of N and C in global drylands, but increase that of P. These changes would uncouple the C, N and P cycles in drylands and could negatively affect the provision of key services provided by these ecosystems.

The role of soil biodiversity in regulating multiple ecosystem functions is poorly understood, limiting our ability to predict how soil biodiversity loss might affect human wellbeing and ecosystem sustainability. Here, combining a global observational study with an experimental microcosm study, we provide evidence that soil biodiversity (bacteria, fungi, protists and invertebrates) is significantly and positively associated with multiple ecosystem functions. These functions include nutrient cycling, decomposition, plant production, and reduced potential for pathogenicity and belowground biological warfare. Our findings also reveal the context dependency of such relationships and the importance of the connectedness, biodiversity and nature of the globally distributed dominant phylotypes within the soil network in maintaining multiple functions. Moreover, our results suggest that the positive association between plant diversity and multifunctionality across biomes is indirectly driven by soil biodiversity. Together, our results provide insights into the importance of soil biodiversity for maintaining soil functionality locally and across biomes, as well as providing strong support for the inclusion of soil biodiversity in conservation and management programmes. Combining field data from 83 sites on five continents, together with microcosm experiments, the authors show that nutrient cycling, decomposition, plant production and other ecosystem functions are positively associated with a higher diversity of a wide range of soil organisms.

Understanding how drylands respond to ongoing environmental change is extremely important for global sustainability. In this review, we discuss how biotic attributes, climate, grazing pressure, land cover change, and nitrogen deposition affect the functioning of drylands at multiple spatial scales. Our synthesis highlights the importance of biotic attributes (e.g., species richness) in maintaining fundamental ecosystem processes such as primary productivity, illustrates how nitrogen deposition and grazing pressure are impacting ecosystem functioning in drylands worldwide, and highlights the importance of the traits of woody species as drivers of their expansion in former grasslands. We also emphasize the role of attributes such as species richness and abundance in controlling the responses of ecosystem functioning to climate change. This knowledge is essential to guide conservation and restoration efforts in drylands, as biotic attributes can be actively managed at the local scale to increase ecosystem resilience to global change.

Abstract The worldwide phenomenon of shrub encroachment in grass‐dominated dryland ecosystems is commonly associated with desertification. Studies of the purported desertification effects associated with shrub encroachment are often restricted to relatively few study areas, and document a narrow range of possible impacts upon biota and ecosystem processes. We conducted a study in degraded Mediterranean grasslands dominated by Stipa tenacissima to simultaneously evaluate the effects of shrub encroachment on the structure and composition of multiple biotic community components, and on various indicators of ecosystem function. Shrub encroachment enhanced vascular plant richness, biomass of fungi, actinomycetes and other bacteria, and was linked with greater soil fertility and N mineralization rates. While shrub encroachment may be a widespread phenomenon in drylands, an interpretation that this is an expression of desertification is not universal. Our results suggest that shrub establishment may be an important step in the reversal of desertification processes in the Mediterranean region.

Climate change and global warming have worldwide adverse consequences. Biochar production and its use in agriculture can play a key role in climate change mitigation and help improve the quality and management of waste materials coming from agriculture and forestry. Biochar is a carbonaceous material obtained from thermal decomposition of residual biomass at relatively low temperature and under oxygen limited conditions (pyrolysis). Biochar is currently a subject of active research worldwide because it can constitute a viable option for sustainable agriculture due to its potential as a long-term sink for carbon in soil and benefits for crops. However, to date, the results of research studies on biochar effects on crop production show great variability, depending on the biochar type and experimental conditions. Therefore, it is important to identify the beneficial aspects of biochar addition to soil on crop yield in order to promote the adoption of this practice in agriculture. In this study, the effects of two types of biochar from agricultural wastes typical of Southern Spain: wheat straw and olive tree pruning, combined with different mineral fertilization levels on the growth and yield of wheat (Triticum durum L. cv. Vitron) were evaluated. Durum wheat was pot-grown for 2 months in a growth chamber on a soil collected from an agricultural field near Córdoba, Southern Spain. Soil properties and plant growth variables were studied in order to assess the agronomic efficiency of biochar. Our results show that biochar addition to a nutrient-poor, slightly acidic loamy sand soil had little effect on wheat yield in the absence of mineral fertilization. However, at the highest mineral fertilizer rate, addition of biochar led to about 20–30 % increase in grain yield compared with the use of the mineral fertilizer alone. Both biochars acted as a source of available P, which led to beneficial effects on crop production. In contrast, the addition of biochar resulted in decreases in available N and Mn. A maximum reduction in plant nutrient concentration of 25 and 80 % compared to nonbiochar-treated soils for N and Mn, respectively, was detected. This fact was related to the own nature of biochar: low available nitrogen content, high adsorption capacity, and low mineralization rate for N; and alkaline pH and high carbonate content for Mn. Our results indicate that biochar-based soil management strategies can enhance wheat production with the environmental benefits of global warming mitigation. This can contribute positively to the viability and benefits of agricultural production systems. However, the nutrient–biochar interactions should receive special attention due to the great variability in the properties of biochar-type materials.

Abstract The use of biochar as a soil amendment is gaining interest to mitigate climate change and improve soil fertility and crop productivity. However, studies to date show a great variability in the results depending on raw materials and pyrolysis conditions, soil characteristics, and plant species. In this study, we evaluated the effects of biochars produced from five agricultural and forestry wastes on the properties of an organic‐C‐poor, slightly acidic, and loamy sand soil and on sunflower ( Helianthus annuus L.) growth. The addition of biochar, especially at high application rates, decreased soil bulk density and increased soil field capacity, which should impact positively on plant growth and water economy. Furthermore, biochar addition to soil increased dissolved organic C (wheat‐straw and olive‐tree‐pruning biochars), available P (wheat‐straw biochar), and seed germination, and decreased soil nitrate concentration in all cases. The effects of biochar addition on plant dry biomass were greatly dependent upon the biochar‐application rate and biochar type, mainly associated to its nutrient content due to the low fertility of the soil used. As a result, the addition of ash‐rich biochars (produced from wheat straw and olive‐tree pruning) increased total plant dry biomass. On the other hand, the addition of biochar increased the leaf biomass allocation and decreased the stem biomass allocation. Therefore, biochar can improve soil properties and increase crop production with a consequent benefit to agriculture. However, the use of biochar as an amendment to agricultural soils should take into account its high heterogeneity, particularly in terms of nutrient availability.

Dryland ecosystems account for ca. 27% of global soil organic carbon (C) reserves, yet it is largely unknown how climate change will impact C cycling and storage in these areas. In drylands, soil C concentrates at the surface, making it particularly sensitive to the activity of organisms inhabiting the soil uppermost levels, such as communities dominated by lichens, mosses, bacteria and fungi (biocrusts). We conducted a full factorial warming and rainfall exclusion experiment at two semiarid sites in Spain to show how an average increase of air temperature of 2-3 °C promoted a drastic reduction in biocrust cover (ca. 44% in 4 years). Warming significantly increased soil CO2 efflux, and reduced soil net CO2 uptake, in biocrust-dominated microsites. Losses of biocrust cover with warming through time were paralleled by increases in recalcitrant C sources, such as aromatic compounds, and in the abundance of fungi relative to bacteria. The dramatic reduction in biocrust cover with warming will lessen the capacity of drylands to sequester atmospheric CO2 . This decrease may act synergistically with other warming-induced effects, such as the increase in soil CO2 efflux and the changes in microbial communities to alter C cycling in drylands, and to reduce soil C stocks in the mid to long term.