Abstract Intercropping, the simultaneous cultivation of multiple crop species in a single field, increases aboveground productivity due to species complementarity. We hypothesized that intercrops may have greater belowground productivity than sole crops, and sequester more soil carbon over time due to greater input of root litter. Here, we demonstrate a divergence in soil organic carbon (C) and nitrogen (N) content over 7 years in a field experiment that compared rotational strip intercrop systems and ordinary crop rotations. Soil organic C content in the top 20 cm was 4% ± 1% greater in intercrops than in sole crops, indicating a difference in C sequestration rate between intercrop and sole crop systems of 184 ± 86 kg C ha −1 yr −1 . Soil organic N content in the top 20 cm was 11% ± 1% greater in intercrops than in sole crops, indicating a difference in N sequestration rate between intercrop and sole crop systems of 45 ± 10 kg N ha −1 yr −1 . Total root biomass in intercrops was on average 23% greater than the average root biomass in sole crops, providing a possible mechanism for the observed divergence in soil C sequestration between sole crop and intercrop systems. A lowering of the soil δ 15 N signature suggested that increased biological N fixation and/or reduced gaseous N losses contributed to the increases in soil N in intercrop rotations with faba bean. Increases in soil N in wheat/maize intercrop pointed to contributions from a broader suite of mechanisms for N retention, e.g., complementary N uptake strategies of the intercropped plant species. Our results indicate that soil C sequestration potential of strip intercropping is similar in magnitude to that of currently recommended management practises to conserve organic matter in soil. Intercropping can contribute to multiple agroecosystem services by increased yield, better soil quality and soil C sequestration.

Summary The storage of carbon (C) and nitrogen (N) in soil is important ecosystem functions. Grassland biodiversity experiments have shown a positive effect of plant diversity on soil C and N storage. However, these experiments all included legumes, which constitute an important N input through N 2 ‐fixation. Indeed, the results of these experiments suggest that N 2 fixation by legumes is a major driver of soil C and N storage. We studied whether plant diversity affects soil C and N storage in the absence of legumes. In an 11‐year grassland biodiversity experiment without legumes, we measured soil C and N stocks. We further determined above‐ground biomass productivity, standing root biomass, soil organic matter decomposition and N mineralization rates to understand the mechanisms underlying the change in soil C and N stocks in relation to plant diversity and their feedbacks to plant productivity. We found that soil C and N stocks increased by 18% and 16% in eight‐species mixtures compared to the average of monocultures of the same species, respectively. Increased soil C and N stocks were mainly driven by increased C input and N retention, resulting from enhanced plant productivity, which surpassed enhanced C loss from decomposition. Importantly, higher soil C and N stocks were associated with enhanced soil N mineralization rates, which can explain the strengthening of the positive diversity–productivity relationship observed in the last years of the experiment. Synthesis . We demonstrated that also in the absence of legumes, plant species richness promotes soil carbon (C) and nitrogen (N) stocks via increased plant productivity. In turn, enhanced soil C and N stocks showed a positive feedback to plant productivity via enhanced N mineralization, which could further accelerate soil C and N storage in the long term.

Crop diversification practices offer numerous synergistic benefits. So far, research has traditionally been confined to exploring isolated, unidirectional single-process interactions among plants, soil, and microorganisms. Here, we present a novel and systematic perspective, unveiling the intricate web of plant-soil-microbiome interactions that trigger cascading effects. Applying the principles of cascading interactions can be an alternative way to overcome soil obstacles such as soil compaction and soil pathogen pressure. Finally, we introduce a research framework comprising the design of diversified cropping systems by including commercial varieties and crops with resource-efficient traits, the exploration of cascading effects, and the innovation of field management. We propose that this provides theoretical and methodological insights that can reveal new mechanisms by which crop diversity increases productivity.