Greening roofs or walls to cool down city areas during summer, to capture storm water, to abate pollution, and to increase human well-being while enhancing biodiversity: nature-based solutions (NBS) refer to the sustainable management and use of nature for tackling societal challenges. Building on and comple- menting traditional biodiversity conservation and management strategies, NBS integrate science, policy, and practice and create biodiversity benefits in terms of diverse, well-managed ecosystems.

Abstract Aims To identify approaches to improve our understanding of, and predictive capability for, mixed tree–grass systems. Elucidation of the interactions, dynamics and determinants, and identification of robust generalizations that can be broadly applied to tree–grass systems would benefit ecological theory, modelling and land management. Methods A series of workshops brought together scientific expertise to review theory, data availability, modelling approaches and key questions. Location Ecosystems characterized by mixtures of herbaceous and woody plant life‐forms, often termed ‘savannas’, range from open grasslands with few woody plants, to woodlands or forests with a grass layer. These ecosystems represent a substantial portion of the terrestrial biosphere, an important wildlife habitat, and a major resource for provision of livestock, fuel wood and other products. Results Although many concepts and principles developed for grassland and forest systems are relevant to these dual life‐form communities, the novel, complex, nonlinear behaviour of mixed tree–grass systems cannot be accounted for by simply studying or modelling woody and herbaceous components independently. A more robust understanding requires addressing three fundamental conundrums: (1) The ‘treeness’ conundrum. What controls the relative abundance of woody and herbaceous plants for a given set of conditions at given site? (2) The coexistence conundrum . How do the life‐forms interact with each other? Is a given woody–herbaceous ratio dynamically stable and persistent under a particular set of conditions? (3) The net primary productivity (NPP) conundrum . How does NPP of the woody vegetation, the herbaceous vegetation, and the total ecosystem (woody + herbaceous) change with changes in the tree–grass ratio? Tests of the theory and conceptual models of determinants of mixed woody–herbaceous systems have been largely site‐ or region‐specific and have seldom been broadly or quantitatively evaluated. Cross‐site syntheses based on data and modelling are required to address the conundrums and identify emerging patterns, yet, there are very few data sets for which either biomass or NPP have been quantified for both the woody and the herbaceous components of tree–grass systems. Furthermore, there are few cross‐site comparisons spanning the diverse array of woody–herbaceous mixtures. Hence, initial synthesis studies should focus on compiling and standardizing a global data base which could be (1) explored to ascertain if robust generalizations and consistent patterns exist; and (2) used to evaluate the performance of savanna simulation models over a range of woody–herbaceous mixtures. Savanna structure and productivity are the result of complex and dynamic interactions between climate, soils and disturbances, notably fire and herbivory. Such factors are difficult to isolate or experimentally manipulate in order to evaluate their impacts at spatial and temporal scales appropriate for assessing ecosystem dynamics. These factors can, however, be evaluated with simulation models. Existing savanna models vary markedly with respect to their conceptual approach, their data requirements and the extent to which they incorporate mechanistic processes. Model intercomparisons can elucidate those approaches most suitable for various research questions and management applications. Conclusion Theoretical and conceptual advances could be achieved by considering a broad continuum of grass–shrub–tree combinations using data meta‐analysis techniques and modelling.

In the past two decades, a large number of studies have investigated the relationship between biodiversity and ecosystem functioning, most of which focussed on a limited set of ecosystem variables. The Jena Experiment was set up in 2002 to investigate the effects of plant diversity on element cycling and trophic interactions, using a multi-disciplinary approach. Here, we review the results of 15 years of research in the Jena Experiment, focussing on the effects of manipulating plant species richness and plant functional richness. With more than 85,000 measures taken from the plant diversity plots, the Jena Experiment has allowed answering fundamental questions important for functional biodiversity research. First, the question was how general the effect of plant species richness is, regarding the many different processes that take place in an ecosystem. About 45% of different types of ecosystem processes measured in the ‘main experiment’, where plant species richness ranged from 1 to 60 species, were significantly affected by plant species richness, providing strong support for the view that biodiversity is a significant driver of ecosystem functioning. Many measures were not saturating at the 60-species level, but increased linearly with the logarithm of species richness. There was, however, great variability in the strength of response among different processes. One striking pattern was that many processes, in particular belowground processes, took several years to respond to the manipulation of plant species richness, showing that biodiversity experiments have to be long-term, to distinguish trends from transitory patterns. In addition, the results from the Jena Experiment provide further evidence that diversity begets stability, for example stability against invasion of plant species, but unexpectedly some results also suggested the opposite, e.g. when plant communities experience severe perturbations or elevated resource availability. This highlights the need to revisit diversity–stability theory. Second, we explored whether individual plant species or individual plant functional groups, or biodiversity itself is more important for ecosystem functioning, in particular biomass production. We found strong effects of individual species and plant functional groups on biomass production, yet these effects mostly occurred in addition to, but not instead of, effects of plant species richness. Third, the Jena Experiment assessed the effect of diversity on multitrophic interactions. The diversity of most organisms responded positively to increases in plant species richness, and the effect was stronger for above- than for belowground organisms, and stronger for herbivores than for carnivores or detritivores. Thus, diversity begets diversity. In addition, the effect on organismic diversity was stronger than the effect on species abundances. Fourth, the Jena Experiment aimed to assess the effect of diversity on N, P and C cycling and the water balance of the plots, separating between element input into the ecosystem, element turnover, element stocks, and output from the ecosystem. While inputs were generally less affected by plant species richness, measures of element stocks, turnover and output were often positively affected by plant diversity, e.g. carbon storage strongly increased with increasing plant species richness. Variables of the N cycle responded less strongly to plant species richness than variables of the C cycle. Fifth, plant traits are often used to unravel mechanisms underlying the biodiversity–ecosystem functioning relationship. In the Jena Experiment, most investigated plant traits, both above- and belowground, were plastic and trait expression depended on plant diversity in a complex way, suggesting limitation to using database traits for linking plant traits to particular functions. Sixth, plant diversity effects on ecosystem processes are often caused by plant diversity effects on species interactions. Analyses in the Jena Experiment including structural equation modelling suggest complex interactions that changed with diversity, e.g. soil carbon storage and greenhouse gas emission were affected by changes in the composition and activity of the belowground microbial community. Manipulation experiments, in which particular organisms, e.g. belowground invertebrates, were excluded from plots in split-plot experiments, supported the important role of the biotic component for element and water fluxes. Seventh, the Jena Experiment aimed to put the results into the context of agricultural practices in managed grasslands. The effect of increasing plant species richness from 1 to 16 species on plant biomass was, in absolute terms, as strong as the effect of a more intensive grassland management, using fertiliser and increasing mowing frequency. Potential bioenergy production from high-diversity plots was similar to that of conventionally used energy crops. These results suggest that diverse ‘High Nature Value Grasslands’ are multifunctional and can deliver a range of ecosystem services including production-related services. A final task was to assess the importance of potential artefacts in biodiversity–ecosystem functioning relationships, caused by the weeding of the plant community to maintain plant species composition. While the effort (in hours) needed to weed a plot was often negatively related to plant species richness, species richness still affected the majority of ecosystem variables. Weeding also did not negatively affect monoculture performance; rather, monocultures deteriorated over time for a number of biological reasons, as shown in plant-soil feedback experiments. To summarize, the Jena Experiment has allowed for a comprehensive analysis of the functional role of biodiversity in an ecosystem. A main challenge for future biodiversity research is to increase our mechanistic understanding of why the magnitude of biodiversity effects differs among processes and contexts. It is likely that there will be no simple answer. For example, among the multitude of mechanisms suggested to underlie the positive plant species richness effect on biomass, some have received limited support in the Jena Experiment, such as vertical root niche partitioning. However, others could not be rejected in targeted analyses. Thus, from the current results in the Jena Experiment, it seems likely that the positive biodiversity effect results from several mechanisms acting simultaneously in more diverse communities, such as reduced pathogen attack, the presence of more plant growth promoting organisms, less seed limitation, and increased trait differences leading to complementarity in resource uptake. Distinguishing between different mechanisms requires careful testing of competing hypotheses. Biodiversity research has matured such that predictive approaches testing particular mechanisms are now possible.

Summary Analysing the consequences of the decrease in biodiversity for ecosystem functioning and stability has been a major concern in ecology. However, the impact of decline in soil microbial diversity on ecosystem sustainability remains largely unknown. This has been assessed for decomposition, which is insured by a large proportion of the soil microbial community, but not for more specialized and less diverse microbial groups. We determined the impact of a decrease in soil microbial diversity on the stability (i.e. resistance and resilience following disturbance) of two more specialized bacterial functional groups: denitrifiers and nitrite oxidizers. Soil microbial diversity was reduced using serial dilutions of a suspension obtained from a non‐sterile soil that led to loss of species with low cell abundance, inoculation of microcosms of the same sterile soil with these serial dilutions, and subsequent incubation to enable establishment of similar cell abundances between treatments. The structure, cell abundance and activity of denitrifying and nitrite‐oxidizing communities were characterized after incubation. Increasing dilution led to a progressive decrease in community diversity as assessed by the number of denaturating gradient gel electrophoresis (DGGE) bands, while community functioning was not impaired when cell abundance recovered after incubation. The microcosms were then subjected to a model disturbance: heating to 42°C for 24 h. Abundance, structure and activity of each community were measured 3 h after completion of the disturbance to assess resistance, and after incubation of microcosms for 1 month to assess resilience. Resistance and resilience to the disturbance differed between the two communities, nitrite oxidizers being more affected. However, reducing the diversity of the two microbial functional groups did not impair either their resistance or their resilience following the disturbance. These results demonstrate the low sensitivity of the resistance and resilience of both microbial groups to diversity decline provided that cell abundance is similar between treatments.

Land-use practices aiming at increasing agro-ecosystem sustainability, e.g. no-till systems and use of temporary grasslands, have been developed in cropping areas, but their environmental benefits could be counterbalanced by increased N2O emissions produced, in particular during denitrification. Modelling denitrification in this context is thus of major importance. However, to what extent can changes in denitrification be predicted by representing the denitrifying community as a black box, i.e. without an adequate representation of the biological characteristics (abundance and composition) of this community, remains unclear. We analysed the effect of changes in land uses on denitrifiers for two different agricultural systems: (i) crop/grassland conversion and (ii) cessation/application of tillage. We surveyed potential denitrification (PD), the abundance and genetic structure of denitrifiers (nitrite reducers), and soil environmental conditions. N2O emissions were also measured during periods of several days on control plots. Time-integrated N2O emissions and PD were well correlated among all control plots. Changes in PD were partly due to changes in denitrifier abundance but were not related to changes in the structure of the denitrifier community. Using multiple regression analysis, we showed that changes in PD were more related to changes in soil environmental conditions than in denitrifier abundance. Soil organic carbon explained 81% of the variance observed for PD at the crop/temporary grassland site, whereas soil organic carbon, water-filled pore space and nitrate explained 92% of PD variance at the till/no-till site, without any residual effect of denitrifier abundance. Soil environmental conditions influenced PD by modifying the specific activity of denitrifiers, and to a lesser extent by promoting a build-up of denitrifiers. Our results show that an accurate simulation of carbon, oxygen and nitrate availability to denitrifiers is more important than an accurate simulation of denitrifier abundance and community structure to adequately understand and predict changes in PD in response to land-use changes.

Abstract A novel conceptual framework is presented that proposes to apply trait‐based approaches to predicting the impact of environmental change on ecosystem service delivery by multi‐trophic systems. Development of the framework was based on an extension of the response–effect trait approach to capture functional relationships that drive trophic interactions. The framework was populated with worked examples to demonstrate its flexibility and value for linking disparate data sources, identifying knowledge gaps and generating hypotheses for quantitative models.

The roles of species richness, resource use, and resource availability are central to many hypotheses explaining the diversity-invasion phenomenon but are generally not investigated together. Here, we created a large diversity gradient of soil microbial communities by either assembling communities of pure bacterial strains or removing the diversity of a natural soil. Using data on the resource-use capacities of the soil communities and an invader that were gathered from 71 carbon sources, we quantified the niches available to both constituents by using the metrics community niche and remaining niche available to the invader. A strong positive relationship between species richness and community niche across both experiments indicated the presence of resource complementarity. Moreover, community niche and the remaining niche available to the invader predicted invader abundance well. This suggested that increased competition in communities of higher diversity limits community invasibility and underscored the importance of resource availability as a key mechanism through which diversity hinders invasions. As a proof of principle, we subjected selected invaded communities to a resource pulse, which progressively uncoupled the link between soil microbial diversity and invasion and allowed the invader to rebound after nearly being eliminated in some communities. Our results thus show that (1) resource competition suppresses invasion, (2) biodiversity increases resource competition and decreases invasion through niche preemption, and (3) resource pulses that cannot be fully used, even by diverse communities, are favorable to invasion.

Pyric herbivory, the combination of controlled burning and targeted grazing, is an effective strategy for restoring abandoned, shrub-encroached rangelands to open ecosystems. This practice may impact soil nitrogen pools by altering soil nitrification and denitrification rates, and may lead to an increase of nitrogen losses through nitrate leaching and N-gas emissions. This research, located in the south-western Pyrenees, investigated the effects of pyric herbivory on soil nitrification and denitrification potentials and mineral nitrogen content in a gorse-encroached temperate rangeland six months after the burning was implemented. The study included three treatments: high-severity burning plus grazing, low-severity burning plus grazing, and unburned and ungrazed areas (control). We measured soil nitrification and denitrification potentials (net and gross), the limitation of denitrifiers by nitrogen or organic carbon, and the abundance of nitrite- and nitrous oxide-reducing bacteria. Additional soil and vegetation data complemented these measurements. Results showed that pyric herbivory did not significantly affect nitrification potential, which was low and highly variable. However, it decreased gross denitrification potential and nitrous oxide reduction to dinitrogen in high-severely burned areas compared to the control. Denitrification rates directly correlated with microbial biomass nitrogen, soil organic carbon, soil water content and abundance of nirS-harbouring bacteria. Contrary to the expected, soil nitrate availability did not directly influence denitrification despite being highest in burned areas. Overall, the study suggests that pyric herbivory does not significantly affect mid-term nitrification rates in temperate open ecosystems, but may decrease denitrification rates in intensely burned areas. These findings highlight the importance of assessing the potential impacts of land management practices, such as pyric herbivory, on soil nutrient cycling and ecosystem functioning.