• Energy Research

Grazing represents the most extensive use of land worldwide. Yet its impacts on ecosystem services remain uncertain because pervasive interactions between grazing pressure, climate, soil properties, and biodiversity may occur but have never been addressed simultaneously. Using a standardized survey at 98 sites across six continents, we show that interactions between grazing pressure, climate, soil, and biodiversity are critical to explain the delivery of fundamental ecosystem services across drylands worldwide. Increasing grazing pressure reduced ecosystem service delivery in warmer and species-poor drylands, whereas positive effects of grazing were observed in colder and species-rich areas. Considering interactions between grazing and local abiotic and biotic factors is key for understanding the fate of dryland ecosystems under climate change and increasing human pressure.

AbstractAlthough tropical forests account for only a fraction of the planet's terrestrial surface, they exchange more carbon dioxide with the atmosphere than any other biome on Earth, and thus play a disproportionate role in the global climate. In the next 20 years, the tropics will experience unprecedented warming, yet there is exceedingly high uncertainty about their potential responses to this imminent climatic change. Here, we prioritize research approaches given both funding and logistical constraints in order to resolve major uncertainties about how tropical forests function and also to improve predictive capacity of earth system models. We investigate overall model uncertainty of tropical latitudes and explore the scientific benefits and inevitable trade‐offs inherent in large‐scale manipulative field experiments. With a Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 analysis, we found that model variability in projected net ecosystem production was nearly 3 times greater in the tropics than for any other latitude. Through a review of the most current literature, we concluded that manipulative warming experiments are vital to accurately predict future tropical forest carbon balance, and we further recommend the establishment of a network of comparable studies spanning gradients of precipitation, edaphic qualities, plant types, and/or land use change. We provide arguments for long‐term, single‐factor warming experiments that incorporate warming of the most biogeochemically active ecosystem components (i.e. leaves, roots, soil microbes). Hypothesis testing of underlying mechanisms should be a priority, along with improving model parameterization and constraints. No single tropical forest is representative of all tropical forests; therefore logistical feasibility should be the most important consideration for locating large‐scale manipulative experiments. Above all, we advocate for multi‐faceted research programs, and we offer arguments for what we consider the most powerful and urgent way forward in order to improve our understanding of tropical forest responses to climate change.

Land use practices and climate change have driven substantial soil degradation across global drylands, impacting ecosystem functions and human livelihoods. Biological soil crusts, a common feature of dryland ecosystems, are under extensive exploration for their potential to restore the stability and fertility of degraded soils through the development of inoculants. However, stressful abiotic conditions often result in the failure of inoculation-based restoration in the field and may hinder the long-term success of biocrust restoration efforts. Taking an assisted migration approach, we cultivated biocrust inocula sourced from multiple hot-adapted sites (Mojave and Sonoran Deserts) in an outdoor facility at a cool desert site (Colorado Plateau). In addition to cultivating inoculum from each site, we created an inoculum mixture of biocrust from the Mojave Desert, Sonoran Desert, and Colorado Plateau. We then applied two habitat amelioration treatments to the cultivation site (growth substrate and shading) to enhance soil stability and water availability and reduce UV stress. Using marker gene sequencing, we found that the cultivated mixed inoculum comprised both local- and hot-adapted cyanobacteria at the end of cultivation but had similar cyanobacterial richness as each unmixed inoculum. All cultivated inocula had more cyanobacterial 16S rRNA gene copies and higher cyanobacterial richness when cultivated with a growth substrate and shade. Our work shows that it is possible to field cultivate biocrust inocula sourced from different deserts, but that community composition shifts toward that of the cultivation site unless habitat amelioration is employed. Future assessments of the function of a mixed inoculum in restoration and its resilience in the face of abiotic stressors are needed to determine the relative benefit of assisted migration compared to the challenges and risks of this approach.

Significance In drylands worldwide, where plant cover is sparse, large amounts of the ground surface are covered by specialized organisms that form biological soil crusts (biocrusts). Biocrusts fix carbon and nitrogen, stabilize soils, and influence hydrology. Extensive physical disturbance from livestock/human trampling and off-road vehicles is known to destroy biocrusts and alter ecosystem function. More recent work also indicates that climate change can affect biocrust communities. Contrary to our expectations, experimental climate change and physical disturbance had strikingly similar impacts on biocrust communities, with both promoting a shift to degraded, early successional states. These results herald ecological state transitions in drylands as temperatures rise, calling for management strategies that consider risks from both physical disturbances and climate change.

Le pâturage représente l'utilisation la plus étendue des terres dans le monde. Pourtant, ses impacts sur les services écosystémiques restent incertains car des interactions omniprésentes entre la pression de pâturage, le climat, les propriétés des sols et la biodiversité peuvent se produire mais n'ont jamais été traitées simultanément. En utilisant une enquête standardisée sur 98 sites sur six continents, nous montrons que les interactions entre la pression du pâturage, le climat, le sol et la biodiversité sont essentielles pour expliquer la fourniture de services écosystémiques fondamentaux dans les zones arides du monde entier. L'augmentation de la pression de pâturage a réduit la prestation de services écosystémiques dans les zones arides plus chaudes et pauvres en espèces, tandis que les effets positifs du pâturage ont été observés dans les zones plus froides et riches en espèces. La prise en compte des interactions entre le pâturage et les facteurs abiotiques et biotiques locaux est essentielle pour comprendre le sort des écosystèmes des terres arides sous le changement climatique et l'augmentation de la pression humaine. El pastoreo representa el uso más extenso de la tierra en todo el mundo. Sin embargo, sus impactos en los servicios ecosistémicos siguen siendo inciertos porque las interacciones generalizadas entre la presión del pastoreo, el clima, las propiedades del suelo y la biodiversidad pueden ocurrir, pero nunca se han abordado simultáneamente. Utilizando una encuesta estandarizada en 98 sitios en seis continentes, mostramos que las interacciones entre la presión del pastoreo, el clima, el suelo y la biodiversidad son fundamentales para explicar la prestación de servicios ecosistémicos fundamentales en las tierras secas de todo el mundo. El aumento de la presión del pastoreo redujo la prestación de servicios ecosistémicos en las tierras secas más cálidas y pobres en especies, mientras que los efectos positivos del pastoreo se observaron en las zonas más frías y ricas en especies. Considerar las interacciones entre el pastoreo y los factores abióticos y bióticos locales es clave para comprender el destino de los ecosistemas de tierras secas bajo el cambio climático y el aumento de la presión humana. Grazing represents the most extensive use of land worldwide. Yet its impacts on ecosystem services remain uncertain because pervasive interactions between grazing pressure, climate, soil properties, and biodiversity may occur but have never been addressed simultaneously. Using a standardized survey at 98 sites across six continents, we show that interactions between grazing pressure, climate, soil, and biodiversity are critical to explain the delivery of fundamental ecosystem services across drylands worldwide. Increasing grazing pressure reduced ecosystem service delivery in warmer and species-poor drylands, whereas positive effects of grazing were observed in colder and species-rich areas. Considering interactions between grazing and local abiotic and biotic factors is key for understanding the fate of dryland ecosystems under climate change and increasing human pressure. يمثل الرعي الاستخدام الأوسع للأراضي في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك، لا تزال آثاره على خدمات النظام الإيكولوجي غير مؤكدة لأن التفاعلات المنتشرة بين ضغط الرعي والمناخ وخصائص التربة والتنوع البيولوجي قد تحدث ولكن لم تتم معالجتها أبدًا في وقت واحد. باستخدام مسح موحد في 98 موقعًا في ست قارات، نوضح أن التفاعلات بين ضغط الرعي والمناخ والتربة والتنوع البيولوجي ضرورية لشرح تقديم خدمات النظام الإيكولوجي الأساسية عبر الأراضي الجافة في جميع أنحاء العالم. أدى الضغط المتزايد للرعي إلى تقليل تقديم خدمات النظام الإيكولوجي في الأراضي الجافة الأكثر دفئًا والفقيرة بالأنواع، في حين لوحظت آثار إيجابية للرعي في المناطق الأكثر برودة والغنية بالأنواع. يعتبر النظر في التفاعلات بين الرعي والعوامل المحلية اللاأحيائية والأحيائية أمرًا أساسيًا لفهم مصير النظم الإيكولوجية للأراضي الجافة في ظل تغير المناخ وزيادة الضغط البشري.

Una amplia gama de investigaciones muestra que la disponibilidad de nutrientes influye fuertemente en el ciclo del carbono (C) terrestre y da forma a las respuestas de los ecosistemas a los cambios ambientales y, por lo tanto, a las retroalimentaciones terrestres al clima. Sin embargo, nuestra comprensión de los controles de nutrientes sigue estando lejos de ser completa y mal cuantificada, al menos en parte debido a la falta de conjuntos de datos informativos, comparables y accesibles a escalas regionales a globales. Una creciente infraestructura de investigación de redes multisitio está proporcionando datos valiosos sobre flujos y existencias de C y está monitoreando sus respuestas al cambio ambiental global y midiendo las respuestas a los tratamientos experimentales. Por lo tanto, estas redes brindan una oportunidad para mejorar nuestra comprensión de las interacciones del ciclo de los nutrientes C y nuestra capacidad para modelarlas. Sin embargo, todavía falta información coherente sobre cómo interactúa el ciclo de nutrientes con los patrones del ciclo C observados. Aquí, argumentamos que complementar las mediciones del ciclo C disponibles de los sitios de monitoreo y experimentación con los datos que caracterizan la disponibilidad de nutrientes mejorará en gran medida su poder y mejorará nuestra capacidad para pronosticar futuras trayectorias del ciclo C terrestre y el clima. Por lo tanto, proponemos un conjunto de mediciones complementarias que son relativamente fáciles de realizar de forma rutinaria en cualquier sitio o experimento y que, en combinación con las observaciones del ciclo C, pueden proporcionar una caracterización sólida de los efectos de la disponibilidad de nutrientes en todos los sitios. Además, discutimos el poder de diferentes variables observables para informar la formulación de modelos y restringir sus predicciones. La mayoría de las mediciones ampliamente disponibles de la disponibilidad de nutrientes a menudo no se alinean bien con las necesidades actuales de modelado. Esto pone de relieve la importancia de fomentar la interacción entre las comunidades empírica y de modelización para establecer futuras prioridades de investigación. Un large éventail de recherches montre que la disponibilité des nutriments influence fortement le cycle du carbone terrestre (C) et façonne les réponses des écosystèmes aux changements environnementaux et donc les rétroactions terrestres sur le climat. Néanmoins, notre compréhension des contrôles des nutriments reste loin d'être complète et mal quantifiée, du moins en partie en raison d'un manque d'ensembles de données informatifs, comparables et accessibles à l'échelle régionale et mondiale. Une infrastructure de recherche croissante de réseaux multi-sites fournit des données précieuses sur les flux et les stocks de C et surveille leurs réponses aux changements environnementaux mondiaux et mesure les réponses aux traitements expérimentaux. Ces réseaux offrent ainsi une opportunité d'améliorer notre compréhension des interactions du cycle C-nutriment et notre capacité à les modéliser. Cependant, il manque encore généralement des informations cohérentes sur la façon dont le cycle des nutriments interagit avec les modèles de cycle C observés. Ici, nous soutenons que le fait de compléter les mesures de cycle C disponibles à partir de sites de surveillance et expérimentaux par des données caractérisant la disponibilité des nutriments améliorera considérablement leur puissance et améliorera notre capacité à prévoir les trajectoires futures du cycle C terrestre et du climat. Par conséquent, nous proposons un ensemble de mesures complémentaires qui sont relativement faciles à effectuer de manière routinière sur n'importe quel site ou expérience et qui, en combinaison avec les observations du cycle C, peuvent fournir une caractérisation robuste des effets de la disponibilité des nutriments sur tous les sites. De plus, nous discutons de la puissance des différentes variables observables pour éclairer la formulation des modèles et contraindre leurs prédictions. La plupart des mesures largement disponibles de la disponibilité des nutriments ne correspondent souvent pas bien aux besoins actuels de modélisation. Cela souligne l'importance de favoriser l'interaction entre les communautés empiriques et de modélisation pour établir les futures priorités de recherche. A wide range of research shows that nutrient availability strongly influences terrestrial carbon (C) cycling and shapes ecosystem responses to environmental changes and hence terrestrial feedbacks to climate. Nonetheless, our understanding of nutrient controls remains far from complete and poorly quantified, at least partly due to a lack of informative, comparable, and accessible datasets at regional-to-global scales. A growing research infrastructure of multi-site networks are providing valuable data on C fluxes and stocks and are monitoring their responses to global environmental change and measuring responses to experimental treatments. These networks thus provide an opportunity for improving our understanding of C-nutrient cycle interactions and our ability to model them. However, coherent information on how nutrient cycling interacts with observed C cycle patterns is still generally lacking. Here, we argue that complementing available C-cycle measurements from monitoring and experimental sites with data characterizing nutrient availability will greatly enhance their power and will improve our capacity to forecast future trajectories of terrestrial C cycling and climate. Therefore, we propose a set of complementary measurements that are relatively easy to conduct routinely at any site or experiment and that, in combination with C cycle observations, can provide a robust characterization of the effects of nutrient availability across sites. In addition, we discuss the power of different observable variables for informing the formulation of models and constraining their predictions. Most widely available measurements of nutrient availability often do not align well with current modelling needs. This highlights the importance to foster the interaction between the empirical and modelling communities for setting future research priorities. تُظهر مجموعة واسعة من الأبحاث أن توافر المغذيات يؤثر بشدة على دورة الكربون الأرضي (C) ويشكل استجابات النظام البيئي للتغيرات البيئية وبالتالي التغذية المرتدة الأرضية للمناخ. ومع ذلك، لا يزال فهمنا لضوابط المغذيات بعيدًا عن الاكتمال وقياسه الكمي ضعيفًا، ويرجع ذلك جزئيًا على الأقل إلى نقص مجموعات البيانات المفيدة والقابلة للمقارنة والتي يمكن الوصول إليها على المستويات الإقليمية والعالمية. توفر البنية التحتية البحثية المتنامية للشبكات متعددة المواقع بيانات قيمة عن تدفقات الكربون والمخزونات وترصد استجاباتها للتغير البيئي العالمي وتقيس استجاباتها للعلاجات التجريبية. وبالتالي توفر هذه الشبكات فرصة لتحسين فهمنا لتفاعلات دورة المغذيات C وقدرتنا على نمذجتها. ومع ذلك، لا تزال المعلومات المتماسكة حول كيفية تفاعل دورة المغذيات مع أنماط الدورة C المرصودة غير متوفرة بشكل عام. هنا، نجادل بأن استكمال قياسات الدورة C المتاحة من مواقع المراقبة والتجربة بالبيانات التي تميز توافر المغذيات سيعزز إلى حد كبير قوتها وسيحسن قدرتنا على التنبؤ بالمسارات المستقبلية للدورة C الأرضية والمناخ. لذلك، نقترح مجموعة من القياسات التكميلية التي يسهل إجراؤها نسبيًا بشكل روتيني في أي موقع أو تجربة والتي، جنبًا إلى جنب مع ملاحظات الدورة ج، يمكن أن توفر توصيفًا قويًا لتأثيرات توفر المغذيات عبر المواقع. بالإضافة إلى ذلك، نناقش قوة المتغيرات المختلفة التي يمكن ملاحظتها للإبلاغ عن صياغة النماذج وتقييد تنبؤاتها. غالبًا ما لا تتوافق معظم القياسات المتاحة على نطاق واسع لتوافر المغذيات بشكل جيد مع احتياجات النمذجة الحالية. وهذا يسلط الضوء على أهمية تعزيز التفاعل بين المجتمعات التجريبية والنمذجة لتحديد أولويات البحث في المستقبل.

ABSTRACT Biological soil crusts (biocrusts) colonize plant interspaces in many drylands and are critical to soil nutrient cycling. Multiple climate change and land use factors have been shown to detrimentally impact biocrusts on a macroscopic (i.e., visual) scale. However, the impact of these perturbations on the bacterial components of the biocrusts remains poorly understood. We employed multiple long-term field experiments to assess the impacts of chronic physical (foot trampling) and climatic changes (2°C soil warming, altered summer precipitation [wetting], and combined warming and wetting) on biocrust bacterial biomass, composition, and metabolic profile. The biocrust bacterial communities adopted distinct states based on the mechanism of disturbance. Chronic trampling decreased biomass and caused small community compositional changes. Soil warming had little effect on biocrust biomass or composition, while wetting resulted in an increase in the cyanobacterial biomass and altered bacterial composition. Warming combined with wetting dramatically altered bacterial composition and decreased Cyanobacteria abundance. Shotgun metagenomic sequencing identified four functional gene categories that differed in relative abundance among the manipulations, suggesting that climate and land use changes affected soil bacterial functional potential. This study illustrates that different types of biocrust disturbance damage biocrusts in macroscopically similar ways, but they differentially impact the resident soil bacterial communities, and the communities' functional profiles can differ depending on the disturbance type. Therefore, the nature of the perturbation and the microbial response are important considerations for management and restoration of drylands.