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.

Introduction Recent decades have seen a major international effort to inventory tree communities in the Amazon Basin and Guiana Shield (Amazonia), but the vast extent and record diversity of these forests have hampered an understanding of basinwide patterns. To overcome this obstacle, we compiled and standardized species-level data on more than half a million trees in 1170 plots sampling all major lowland forest types to explore patterns of commonness, rarity, and richness. Methods The ~6-million-km 2 Amazonian lowlands were divided into 1° cells, and mean tree density was estimated for each cell by using a loess regression model that included no environmental data but had its basis exclusively in the geographic location of tree plots. A similar model, allied with a bootstrapping exercise to quantify sampling error, was used to generate estimated Amazon-wide abundances of the 4962 valid species in the data set. We estimated the total number of tree species in the Amazon by fitting the mean rank-abundance data to Fisher’s log-series distribution. Results Our analyses suggest that lowland Amazonia harbors 3.9 × 10 11 trees and ~16,000 tree species. We found 227 “hyperdominant” species (1.4% of the total) to be so common that together they account for half of all trees in Amazonia, whereas the rarest 11,000 species account for just 0.12% of trees. Most hyperdominants are habitat specialists that have large geographic ranges but are only dominant in one or two regions of the basin, and a median of 41% of trees in individual plots belong to hyperdominants. A disproportionate number of hyperdominants are palms, Myristicaceae, and Lecythidaceae. Discussion The finding that Amazonia is dominated by just 227 tree species implies that most biogeochemical cycling in the world’s largest tropical forest is performed by a tiny sliver of its diversity. The causes underlying hyperdominance in these species remain unknown. Both competitive superiority and widespread pre-1492 cultivation by humans are compelling hypotheses that deserve testing. Although the data suggest that spatial models can effectively forecast tree community composition and structure of unstudied sites in Amazonia, incorporating environmental data may yield substantial improvements. An appreciation of how thoroughly common species dominate the basin has the potential to simplify research in Amazonian biogeochemistry, ecology, and vegetation mapping. Such advances are urgently needed in light of the >10,000 rare, poorly known, and potentially threatened tree species in the Amazon.

Featured paper: See Editorial p553

Past human influences on Amazonian forest The marks of prehistoric human societies on tropical forests can still be detected today. Levis et al. performed a basin-wide comparison of plant distributions, archaeological sites, and environmental data. Plants domesticated by pre-Columbian peoples are much more likely to be dominant in Amazonian forests than other species. Furthermore, forests close to archaeological sites often have a higher abundance and richness of domesticated species. Thus, modern-day Amazonian tree communities across the basin remain largely structured by historical human use. Science , this issue p. 925

Abstract. Aboveground tropical tree biomass and carbon storage estimates commonly ignore tree height (H). We estimate the effect of incorporating H on tropics-wide forest biomass estimates in 327 plots across four continents using 42 656 H and diameter measurements and harvested trees from 20 sites to answer the following questions: 1. What is the best H-model form and geographic unit to include in biomass models to minimise site-level uncertainty in estimates of destructive biomass? 2. To what extent does including H estimates derived in (1) reduce uncertainty in biomass estimates across all 327 plots? 3. What effect does accounting for H have on plot- and continental-scale forest biomass estimates? The mean relative error in biomass estimates of destructively harvested trees when including H (mean 0.06), was half that when excluding H (mean 0.13). Power- and Weibull-H models provided the greatest reduction in uncertainty, with regional Weibull-H models preferred because they reduce uncertainty in smaller-diameter classes (≤40 cm D) that store about one-third of biomass per hectare in most forests. Propagating the relationships from destructively harvested tree biomass to each of the 327 plots from across the tropics shows that including H reduces errors from 41.8 Mg ha−1 (range 6.6 to 112.4) to 8.0 Mg ha−1 (−2.5 to 23.0). For all plots, aboveground live biomass was −52.2 Mg ha−1 (−82.0 to −20.3 bootstrapped 95% CI), or 13%, lower when including H estimates, with the greatest relative reductions in estimated biomass in forests of the Brazilian Shield, east Africa, and Australia, and relatively little change in the Guiana Shield, central Africa and southeast Asia. Appreciably different stand structure was observed among regions across the tropical continents, with some storing significantly more biomass in small diameter stems, which affects selection of the best height models to reduce uncertainty and biomass reductions due to H. After accounting for variation in H, total biomass per hectare is greatest in Australia, the Guiana Shield, Asia, central and east Africa, and lowest in east-central Amazonia, W. Africa, W. Amazonia, and the Brazilian Shield (descending order). Thus, if tropical forests span 1668 million km2 and store 285 Pg C (estimate including H), then applying our regional relationships implies that carbon storage is overestimated by 35 Pg C (31–39 bootstrapped 95% CI) if H is ignored, assuming that the sampled plots are an unbiased statistical representation of all tropical forest in terms of biomass and height factors. Our results show that tree H is an important allometric factor that needs to be included in future forest biomass estimates to reduce error in estimates of tropical carbon stocks and emissions due to deforestation.

Abstract Aim Large trees (d.b.h. ≥ 70 cm) store large amounts of biomass. Several studies suggest that large trees may be vulnerable to changing climate, potentially leading to declining forest biomass storage. Here we determine the importance of large trees for tropical forest biomass storage and explore which intrinsic (species trait) and extrinsic (environment) variables are associated with the density of large trees and forest biomass at continental and pan‐tropical scales. Location Pan‐tropical. Methods Aboveground biomass ( AGB) was calculated for 120 intact lowland moist forest locations. Linear regression was used to calculate variation in AGB explained by the density of large trees. Akaike information criterion weights ( AICc ‐wi) were used to calculate averaged correlation coefficients for all possible multiple regression models between AGB /density of large trees and environmental and species trait variables correcting for spatial autocorrelation. Results Density of large trees explained c . 70% of the variation in pan‐tropical AGB and was also responsible for significantly lower AGB in Neotropical [287.8 (mean) ± 105.0 ( SD ) M g ha −1 ] versus Palaeotropical forests (Africa 418.3 ± 91.8 M g ha −1 ; Asia 393.3 ± 109.3 M g ha −1 ). Pan‐tropical variation in density of large trees and AGB was associated with soil coarseness (negative), soil fertility (positive), community wood density (positive) and dominance of wind dispersed species (positive), temperature in the coldest month (negative), temperature in the warmest month (negative) and rainfall in the wettest month (positive), but results were not always consistent among continents. Main conclusions Density of large trees and AGB were significantly associated with climatic variables, indicating that climate change will affect tropical forest biomass storage. Species trait composition will interact with these future biomass changes as they are also affected by a warmer climate. Given the importance of large trees for variation in AGB across the tropics, and their sensitivity to climate change, we emphasize the need for in‐depth analyses of the community dynamics of large trees.

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 Forests are a substantial terrestrial carbon sink, but anthropogenic changes in land use and climate have considerably reduced the scale of this system 1 . Remote-sensing estimates to quantify carbon losses from global forests 2–5 are characterized by considerable uncertainty and we lack a comprehensive ground-sourced evaluation to benchmark these estimates. Here we combine several ground-sourced 6 and satellite-derived approaches 2,7,8 to evaluate the scale of the global forest carbon potential outside agricultural and urban lands. Despite regional variation, the predictions demonstrated remarkable consistency at a global scale, with only a 12% difference between the ground-sourced and satellite-derived estimates. At present, global forest carbon storage is markedly under the natural potential, with a total deficit of 226 Gt (model range = 151–363 Gt) in areas with low human footprint. Most (61%, 139 Gt C) of this potential is in areas with existing forests, in which ecosystem protection can allow forests to recover to maturity. The remaining 39% (87 Gt C) of potential lies in regions in which forests have been removed or fragmented. Although forests cannot be a substitute for emissions reductions, our results support the idea 2,3,9 that the conservation, restoration and sustainable management of diverse forests offer valuable contributions to meeting global climate and biodiversity targets.

Determining the drivers of non-native plant invasions is critical for managing native ecosystems and limiting the spread of invasive species1,2. Tree invasions in particular have been relatively overlooked, even though they have the potential to transform ecosystems and economies3,4. Here, leveraging global tree databases5-7, we explore how the phylogenetic and functional diversity of native tree communities, human pressure and the environment influence the establishment of non-native tree species and the subsequent invasion severity. We find that anthropogenic factors are key to predicting whether a location is invaded, but that invasion severity is underpinned by native diversity, with higher diversity predicting lower invasion severity. Temperature and precipitation emerge as strong predictors of invasion strategy, with non-native species invading successfully when they are similar to the native community in cold or dry extremes. Yet, despite the influence of these ecological forces in determining invasion strategy, we find evidence that these patterns can be obscured by human activity, with lower ecological signal in areas with higher proximity to shipping ports. Our global perspective of non-native tree invasion highlights that human drivers influence non-native tree presence, and that native phylogenetic and functional diversity have a critical role in the establishment and spread of subsequent invasions.

Trees structure the Earth's most biodiverse ecosystem, tropical forests. The vast number of tree species presents a formidable challenge to understanding these forests, including their response to environmental change, as very little is known about most tropical tree species. A focus on the common species may circumvent this challenge. Here we investigate abundance patterns of common tree species using inventory data on 1,003,805 trees with trunk diameters of at least 10 cm across 1,568 locations1-6 in closed-canopy, structurally intact old-growth tropical forests in Africa, Amazonia and Southeast Asia. We estimate that 2.2%, 2.2% and 2.3% of species comprise 50% of the tropical trees in these regions, respectively. Extrapolating across all closed-canopy tropical forests, we estimate that just 1,053 species comprise half of Earth's 800 billion tropical trees with trunk diameters of at least 10 cm. Despite differing biogeographic, climatic and anthropogenic histories7, we find notably consistent patterns of common species and species abundance distributions across the continents. This suggests that fundamental mechanisms of tree community assembly may apply to all tropical forests. Resampling analyses show that the most common species are likely to belong to a manageable list of known species, enabling targeted efforts to understand their ecology. Although they do not detract from the importance of rare species, our results open new opportunities to understand the world's most diverse forests, including modelling their response to environmental change, by focusing on the common species that constitute the majority of their trees.