Amazon forests are a key but poorly understood component of the global carbon cycle. If, as anticipated, they dry this century, they might accelerate climate change through carbon losses and changed surface energy balances. We used records from multiple long-term monitoring plots across Amazonia to assess forest responses to the intense 2005 drought, a possible analog of future events. Affected forest lost biomass, reversing a large long-term carbon sink, with the greatest impacts observed where the dry season was unusually intense. Relative to pre-2005 conditions, forest subjected to a 100-millimeter increase in water deficit lost 5.3 megagrams of aboveground biomass of carbon per hectare. The drought had a total biomass carbon impact of 1.2 to 1.6 petagrams (1.2 × 10 15 to 1.6 × 10 15 grams). Amazon forests therefore appear vulnerable to increasing moisture stress, with the potential for large carbon losses to exert feedback on climate change.

The role of the world's forests as a "sink" for atmospheric carbon dioxide is the subject of active debate. Long-term monitoring of plots in mature humid tropical forests concentrated in South America revealed that biomass gain by tree growth exceeded losses from tree death in 38 of 50 Neotropical sites. These forest plots have accumulated 0.71 ton, plus or minus 0.34 ton, of carbon per hectare per year in recent decades. The data suggest that Neotropical forests may be a significant carbon sink, reducing the rate of increase in atmospheric carbon dioxide.

Abstract The biomass of tropical forests plays an important role in the global carbon cycle, both as a dynamic reservoir of carbon, and as a source of carbon dioxide to the atmosphere in areas undergoing deforestation. However, the absolute magnitude and environmental determinants of tropical forest biomass are still poorly understood. Here, we present a new synthesis and interpolation of the basal area and aboveground live biomass of old‐growth lowland tropical forests across South America, based on data from 227 forest plots, many previously unpublished. Forest biomass was analyzed in terms of two uncorrelated factors: basal area and mean wood density. Basal area is strongly affected by local landscape factors, but is relatively invariant at regional scale in moist tropical forests, and declines significantly at the dry periphery of the forest zone. Mean wood density is inversely correlated with forest dynamics, being lower in the dynamic forests of western Amazonia and high in the slow‐growing forests of eastern Amazonia. The combination of these two factors results in biomass being highest in the moderately seasonal, slow growing forests of central Amazonia and the Guyanas (up to 350 Mg dry weight ha −1 ) and declining to 200–250 Mg dry weight ha −1 at the western, southern and eastern margins. Overall, we estimate the total aboveground live biomass of intact Amazonian rainforests (area 5.76 × 10 6 km 2 in 2000) to be 93±23 Pg C, taking into account lianas and small trees. Including dead biomass and belowground biomass would increase this value by approximately 10% and 21%, respectively, but the spatial variation of these additional terms still needs to be quantified.

Abstract. Forest structure and dynamics vary across the Amazon Basin in an east-west gradient coincident with variations in soil fertility and geology. This has resulted in the hypothesis that soil fertility may play an important role in explaining Basin-wide variations in forest biomass, growth and stem turnover rates. Soil samples were collected in a total of 59 different forest plots across the Amazon Basin and analysed for exchangeable cations, carbon, nitrogen and pH, with several phosphorus fractions of likely different plant availability also quantified. Physical properties were additionally examined and an index of soil physical quality developed. Bivariate relationships of soil and climatic properties with above-ground wood productivity, stand-level tree turnover rates, above-ground wood biomass and wood density were first examined with multivariate regression models then applied. Both forms of analysis were undertaken with and without considerations regarding the underlying spatial structure of the dataset. Despite the presence of autocorrelated spatial structures complicating many analyses, forest structure and dynamics were found to be strongly and quantitatively related to edaphic as well as climatic conditions. Basin-wide differences in stand-level turnover rates are mostly influenced by soil physical properties with variations in rates of coarse wood production mostly related to soil phosphorus status. Total soil P was a better predictor of wood production rates than any of the fractionated organic- or inorganic-P pools. This suggests that it is not only the immediately available P forms, but probably the entire soil phosphorus pool that is interacting with forest growth on longer timescales. A role for soil potassium in modulating Amazon forest dynamics through its effects on stand-level wood density was also detected. Taking this into account, otherwise enigmatic variations in stand-level biomass across the Basin were then accounted for through the interacting effects of soil physical and chemical properties with climate. A hypothesis of self-maintaining forest dynamic feedback mechanisms initiated by edaphic conditions is proposed. It is further suggested that this is a major factor determining endogenous disturbance levels, species composition, and forest productivity across the Amazon Basin.

Featured paper: See Editorial p553

Abstract The net primary production of tropical forests and its partitioning between long‐lived carbon pools (wood) and shorter‐lived pools (leaves, fine roots) are of considerable importance in the global carbon cycle. However, these terms have only been studied at a handful of field sites, and with no consistent calculation methodology. Here we calculate above‐ground coarse wood carbon productivity for 104 forest plots in lowland New World humid tropical forests, using a consistent calculation methodology that incorporates corrections for spatial variations in tree‐size distributions and wood density, and for census interval length. Mean wood density is found to be lower in more productive forests. We estimate that above‐ground coarse wood productivity varies by more than a factor of three (between 1.5 and 5.5 Mg C ha −1 a −1 ) across the Neotropical plots, with a mean value of 3.1 Mg C ha −1 a −1 . There appear to be no obvious relationships between wood productivity and rainfall, dry season length or sunshine, but there is some hint of increased productivity at lower temperatures. There is, however, also strong evidence for a positive relationship between wood productivity and soil fertility. Fertile soils tend to become more common towards the Andes and at slightly higher than average elevations, so the apparent temperature/productivity relationship is probably not a direct one. Coarse wood productivity accounts for only a fraction of overall tropical forest net primary productivity, but the available data indicate that it is approximately proportional to total above‐ground productivity. We speculate that the large variation in wood productivity is unlikely to directly imply an equivalent variation in gross primary production. Instead a shifting balance in carbon allocation between respiration, wood carbon and fine root production seems the more likely explanation.

Abstract. Tropical tree height-diameter (H:D) relationships may vary by forest type and region making large-scale estimates of above-ground biomass subject to bias if they ignore these differences in stem allometry. We have therefore developed a new global tropical forest database consisting of 39 955 concurrent H and D measurements encompassing 283 sites in 22 tropical countries. Utilising this database, our objectives were: 1. to determine if H:D relationships differ by geographic region and forest type (wet to dry forests, including zones of tension where forest and savanna overlap). 2. to ascertain if the H:D relationship is modulated by climate and/or forest structural characteristics (e.g. stand-level basal area, A). 3. to develop H:D allometric equations and evaluate biases to reduce error in future local-to-global estimates of tropical forest biomass. Annual precipitation coefficient of variation (PV), dry season length (SD), and mean annual air temperature (TA) emerged as key drivers of variation in H:D relationships at the pantropical and region scales. Vegetation structure also played a role with trees in forests of a high A being, on average, taller at any given D. After the effects of environment and forest structure are taken into account, two main regional groups can be identified. Forests in Asia, Africa and the Guyana Shield all have, on average, similar H:D relationships, but with trees in the forests of much of the Amazon Basin and tropical Australia typically being shorter at any given D than their counterparts elsewhere. The region-environment-structure model with the lowest Akaike's information criterion and lowest deviation estimated stand-level H across all plots to within amedian −2.7 to 0.9% of the true value. Some of the plot-to-plot variability in H:D relationships not accounted for by this model could be attributed to variations in soil physical conditions. Other things being equal, trees tend to be more slender in the absence of soil physical constraints, especially at smaller D. Pantropical and continental-level models provided less robust estimates of H, especially when the roles of climate and stand structure in modulating H:D allometry were not simultaneously taken into account.

A previous study by Phillips et al . of changes in the biomass of permanent sample plots in Amazonian forests was used to infer the presence of a regional carbon sink. However, these results generated a vigorous debate about sampling and methodological issues. Therefore we present a new analysis of biomass change in old–growth Amazonian forest plots using updated inventory data. We find that across 59 sites, the above–ground dry biomass in trees that are more than 10 cm in diameter (AGB) has increased since plot establishment by 1.22 ± 0.43 Mg per hectare per year (ha −1 yr −1 ), where 1 ha = 10 4 m 2 ), or 0.98 ± 0.38 Mg ha −1 yr −1 if individual plot values are weighted by the number of hectare years of monitoring. This significant increase is neither confounded by spatial or temporal variation in wood specific gravity, nor dependent on the allometric equation used to estimate AGB. The conclusion is also robust to uncertainty about diameter measurements for problematic trees: for 34 plots in western Amazon forests a significant increase in AGB is found even with a conservative assumption of zero growth for all trees where diameter measurements were made using optical methods and/or growth rates needed to be estimated following fieldwork. Overall, our results suggest a slightly greater rate of net stand–level change than was reported by Phillips et al . Considering the spatial and temporal scale of sampling and associated studies showing increases in forest growth and stem turnover, the results presented here suggest that the total biomass of these plots has on average increased and that there has been a regional–scale carbon sink in old–growth Amazonian forests during the previous two decades.

Previous work has shown that tree turnover, tree biomass and large liana densities have increased in mature tropical forest plots in the late twentieth century. These results point to a concerted shift in forest ecological processes that may already be having significant impacts on terrestrial carbon stocks, fluxes and biodiversity. However, the findings have proved controversial, partly because a rather limited number of permanent plots have been monitored for rather short periods. The aim of this paper is to characterize regional–scale patterns of ‘tree turnover’ (the rate with which trees die and recruit into a population) by using improved datasets now available for Amazonia that span the past 25 years. Specifically, we assess whether concerted changes in turnover are occurring, and if so whether they are general throughout the Amazon or restricted to one region or environmental zone. In addition, we ask whether they are driven by changes in recruitment, mortality or both. We find that: (i) trees 10 cm or more in diameter recruit and die twice as fast on the richer soils of southern and western Amazonia than on the poorer soils of eastern and central Amazonia; (ii) turnover rates have increased throughout Amazonia over the past two decades; (iii) mortality and recruitment rates have both increased significantly in every region and environmental zone, with the exception of mortality in eastern Amazonia; (iv) recruitment rates have consistently exceeded mortality rates; (v) absolute increases in recruitment and mortality rates are greatest in western Amazonian sites; and (vi) mortality appears to be lagging recruitment at regional scales. These spatial patterns and temporal trends are not caused by obvious artefacts in the data or the analyses. The trends cannot be directly driven by a mortality driver (such as increased drought or fragmentation–related death) because the biomass in these forests has simultaneously increased. Our findings therefore indicate that long–acting and widespread environmental changes are stimulating the growth and productivity of Amazon forests.