The high alpha-diversity of tropical forests has been amply documented, but beta-diversity—how species composition changes with distance—has seldom been studied. We present quantitative estimates of beta-diversity for tropical trees by comparing species composition of plots in lowland terra firme forest in Panama, Ecuador, and Peru. We compare observations with predictions derived from a neutral model in which habitat is uniform and only dispersal and speciation influence species turnover. We find that beta-diversity is higher in Panama than in western Amazonia and that patterns in both areas are inconsistent with the neutral model. In Panama, habitat variation appears to increase species turnover relative to Amazonia, where unexpectedly low turnover over great distances suggests that population densities of some species are bounded by as yet unidentified processes. At intermediate scales in both regions, observations can be matched by theory, suggesting that dispersal limitation, with speciation, influences species turnover.

The biodiversity-productivity relationship (BPR) is foundational to our understanding of the global extinction crisis and its impacts on ecosystem functioning. Understanding BPR is critical for the accurate valuation and effective conservation of biodiversity. Using ground-sourced data from 777,126 permanent plots, spanning 44 countries and most terrestrial biomes, we reveal a globally consistent positive concave-down BPR, showing that continued biodiversity loss would result in an accelerating decline in forest productivity worldwide. The value of biodiversity in maintaining commercial forest productivity alone-US$166 billion to 490 billion per year according to our estimation-is more than twice what it would cost to implement effective global conservation. This highlights the need for a worldwide reassessment of biodiversity values, forest management strategies, and conservation priorities.

It is debated whether species-level differences in ecological strategy, which play a key role in much of coexistence theory, are important in structuring highly diverse communities. We examined the co-occurrence patterns of over 1100 tree species in a 25-hectare Amazonian forest plot in relation to field-measured functional traits. Using a null model approach, we show that co-occurring trees are often less ecologically similar than a niche-free (neutral) model predicts. Furthermore, we find evidence for processes that simultaneously drive convergence and divergence in key aspects of plant strategy, suggesting that at least two distinct niche-based processes are occurring. Our results show that strategy differentiation among species contributes to the maintenance of diversity in one of the most diverse tropical forests in the world.

The importance of niche vs. neutral assembly mechanisms in structuring tropical tree communities remains an important unsettled question in community ecology [Bell G (2005) Ecology 86:1757-1770]. There is ample evidence that species distributions are determined by soils and habitat factors at landscape (<10(4) km(2)) and regional scales. At local scales (<1 km(2)), however, habitat factors and species distributions show comparable spatial aggregation, making it difficult to disentangle the importance of niche and dispersal processes. In this article, we test soil resource-based niche assembly at a local scale, using species and soil nutrient distributions obtained at high spatial resolution in three diverse neotropical forest plots in Colombia (La Planada), Ecuador (Yasuni), and Panama (Barro Colorado Island). Using spatial distribution maps of >0.5 million individual trees of 1,400 species and 10 essential plant nutrients, we used Monte Carlo simulations of species distributions to test plant-soil associations against null expectations based on dispersal assembly. We found that the spatial distributions of 36-51% of tree species at these sites show strong associations to soil nutrient distributions. Neutral dispersal assembly cannot account for these plant-soil associations or the observed niche breadths of these species. These results indicate that belowground resource availability plays an important role in the assembly of tropical tree communities at local scales and provide the basis for future investigations on the mechanisms of resource competition among tropical tree species.

Summary 1 We mapped and identified all trees ≥ 10 mm in diameter in 25 ha of lowland wet forest in Amazonian Ecuador, and found 1104 morphospecies among 152 353 individuals. The largest number of species was mid‐sized canopy trees with maximum height 10–20 m and understorey treelets with maximum height of 5–10 m. 2 Several species of understorey treelets in the genera Matisia and Rinorea dominated the forest numerically, while important canopy species were Iriartea deltoidea and Eschweilera coriacea . 3 We examined how species partition local topographic variation into niches, and how much this partitioning contributes to forest diversity. Evidence in favour of topographic niche‐partitioning was found: similarity in species composition between ridge and valley quadrats was lower than similarity between two valley (or two ridge) quadrats, and 25% of the species had large abundance differences between valley and ridge‐top. On the other hand, 25% of the species were generalists, with similar abundance on both valley and ridges, and half the species had only moderate abundance differences between valley and ridge. 4 Topographic niche‐partitioning was not finely grained. There were no more than three distinct vegetation zones: valley, mid‐slope, and upper‐ridge, and the latter two differed only slightly in species composition. 5 Similarity in species composition declined with distance even within a topographic habitat, to about the same degree as it declined between habitats. This suggests patchiness not related to topographic variation, and possibly due to dispersal limitation. 6 We conclude that partitioning of topographic niches does make a contribution to the α‐diversity of Amazonian trees, but only a minor one. It provides no explanation for the co‐occurrence of hundreds of topographic generalists, nor for the hundreds of species with similar life‐form appearing on a single ridge‐top.

Abstract Aim To examine the contribution of large‐diameter trees to biomass, stand structure, and species richness across forest biomes. Location Global. Time period Early 21st century. Major taxa studied Woody plants. Methods We examined the contribution of large trees to forest density, richness and biomass using a global network of 48 large (from 2 to 60 ha) forest plots representing 5,601,473 stems across 9,298 species and 210 plant families. This contribution was assessed using three metrics: the largest 1% of trees ≥ 1 cm diameter at breast height (DBH), all trees ≥ 60 cm DBH, and those rank‐ordered largest trees that cumulatively comprise 50% of forest biomass. Results Averaged across these 48 forest plots, the largest 1% of trees ≥ 1 cm DBH comprised 50% of aboveground live biomass, with hectare‐scale standard deviation of 26%. Trees ≥ 60 cm DBH comprised 41% of aboveground live tree biomass. The size of the largest trees correlated with total forest biomass ( r 2 = .62, p < .001). Large‐diameter trees in high biomass forests represented far fewer species relative to overall forest richness ( r 2 = .45, p < .001). Forests with more diverse large‐diameter tree communities were comprised of smaller trees ( r 2 = .33, p < .001). Lower large‐diameter richness was associated with large‐diameter trees being individuals of more common species ( r 2 = .17, p = .002). The concentration of biomass in the largest 1% of trees declined with increasing absolute latitude ( r 2 = .46, p < .001), as did forest density ( r 2 = .31, p < .001). Forest structural complexity increased with increasing absolute latitude ( r 2 = .26, p < .001). Main conclusions Because large‐diameter trees constitute roughly half of the mature forest biomass worldwide, their dynamics and sensitivities to environmental change represent potentially large controls on global forest carbon cycling. We recommend managing forests for conservation of existing large‐diameter trees or those that can soon reach large diameters as a simple way to conserve and potentially enhance ecosystem services.

Significance People are fascinated by the amazing diversity of tropical forests and will be surprised to learn that robust estimates of the number of tropical tree species are lacking. We show that there are at least 40,000, but possibly more than 53,000, tree species in the tropics, in contrast to only 124 across temperate Europe. Almost all tropical tree species are restricted to their respective continents, and the Indo-Pacific region appears to be as species-rich as tropical America, with each of these two regions being almost five times as rich in tree species as African tropical forests. Our study shows that most tree species are extremely rare, meaning that they may be under serious risk of extinction at current deforestation rates.

Abstract Species spatial turnover, or β ‐diversity, induces a decay of community similarity with geographic distance known as the distance–decay relationship. Although this relationship is central to biodiversity and biogeography, its theoretical underpinnings remain poorly understood. Here, we develop a general framework to describe how the distance–decay relationship is influenced by population aggregation and the landscape‐scale species‐abundance distribution. We utilize this general framework and data from three tropical forests to show that rare species have a weak influence on distance–decay curves, and that overall similarity and rates of decay are primarily influenced by species abundances and population aggregation respectively. We illustrate the utility of the framework by deriving an exact analytical expression of the distance–decay relationship when population aggregation is characterized by the Poisson Cluster Process. Our study provides a foundation for understanding the distance–decay relationship, and for predicting and testing patterns of beta‐diversity under competing theories in ecology.

Summary The relationship between species richness and ecosystem function, as measured by productivity or biomass, is of long‐standing theoretical and practical interest in ecology. This is especially true for forests, which represent a majority of global biomass, productivity and biodiversity. Here, we conduct an analysis of relationships between tree species richness, biomass and productivity in 25 forest plots of area 8–50 ha from across the world. The data were collected using standardized protocols, obviating the need to correct for methodological differences that plague many studies on this topic. We found that at very small spatial grains (0.04 ha) species richness was generally positively related to productivity and biomass within plots, with a doubling of species richness corresponding to an average 48% increase in productivity and 53% increase in biomass. At larger spatial grains (0.25 ha, 1 ha), results were mixed, with negative relationships becoming more common. The results were qualitatively similar but much weaker when we controlled for stem density: at the 0.04 ha spatial grain, a doubling of species richness corresponded to a 5% increase in productivity and 7% increase in biomass. Productivity and biomass were themselves almost always positively related at all spatial grains. Synthesis . This is the first cross‐site study of the effect of tree species richness on forest biomass and productivity that systematically varies spatial grain within a controlled methodology. The scale‐dependent results are consistent with theoretical models in which sampling effects and niche complementarity dominate at small scales, while environmental gradients drive patterns at large scales. Our study shows that the relationship of tree species richness with biomass and productivity changes qualitatively when moving from scales typical of forest surveys (0.04 ha) to slightly larger scales (0.25 and 1 ha). This needs to be recognized in forest conservation policy and management.