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.

Atmospheric carbon dioxide records indicate that the land surface has acted as a strong global carbon sink over recent decades, with a substantial fraction of this sink probably located in the tropics, particularly in the Amazon. Nevertheless, it is unclear how the terrestrial carbon sink will evolve as climate and atmospheric composition continue to change. Here we analyse the historical evolution of the biomass dynamics of the Amazon rainforest over three decades using a distributed network of 321 plots. While this analysis confirms that Amazon forests have acted as a long-term net biomass sink, we find a long-term decreasing trend of carbon accumulation. Rates of net increase in above-ground biomass declined by one-third during the past decade compared to the 1990s. This is a consequence of growth rate increases levelling off recently, while biomass mortality persistently increased throughout, leading to a shortening of carbon residence times. Potential drivers for the mortality increase include greater climate variability, and feedbacks of faster growth on mortality, resulting in shortened tree longevity. The observed decline of the Amazon sink diverges markedly from the recent increase in terrestrial carbon uptake at the global scale, and is contrary to expectations based on models.

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.

Abstract Most of the planet's diversity is concentrated in the tropics, which includes many regions undergoing rapid climate change. Yet, while climate‐induced biodiversity changes are widely documented elsewhere, few studies have addressed this issue for lowland tropical ecosystems. Here we investigate whether the floristic and functional composition of intact lowland Amazonian forests have been changing by evaluating records from 106 long‐term inventory plots spanning 30 years. We analyse three traits that have been hypothesized to respond to different environmental drivers (increase in moisture stress and atmospheric CO 2 concentrations): maximum tree size, biogeographic water‐deficit affiliation and wood density. Tree communities have become increasingly dominated by large‐statured taxa, but to date there has been no detectable change in mean wood density or water deficit affiliation at the community level, despite most forest plots having experienced an intensification of the dry season. However, among newly recruited trees, dry‐affiliated genera have become more abundant, while the mortality of wet‐affiliated genera has increased in those plots where the dry season has intensified most. Thus, a slow shift to a more dry‐affiliated Amazonia is underway, with changes in compositional dynamics (recruits and mortality) consistent with climate‐change drivers, but yet to significantly impact whole‐community composition. The Amazon observational record suggests that the increase in atmospheric CO 2 is driving a shift within tree communities to large‐statured species and that climate changes to date will impact forest composition, but long generation times of tropical trees mean that biodiversity change is lagging behind climate change.

Abstract Aim Palms are an iconic, diverse and often abundant component of tropical ecosystems that provide many ecosystem services. Being monocots, tree palms are evolutionarily, morphologically and physiologically distinct from other trees, and these differences have important consequences for ecosystem services (e.g., carbon sequestration and storage) and in terms of responses to climate change. We quantified global patterns of tree palm relative abundance to help improve understanding of tropical forests and reduce uncertainty about these ecosystems under climate change. Location Tropical and subtropical moist forests. Time period Current. Major taxa studied Palms (Arecaceae). Methods We assembled a pantropical dataset of 2,548 forest plots (covering 1,191 ha) and quantified tree palm (i.e., ≥10 cm diameter at breast height) abundance relative to co‐occurring non‐palm trees. We compared the relative abundance of tree palms across biogeographical realms and tested for associations with palaeoclimate stability, current climate, edaphic conditions and metrics of forest structure. Results On average, the relative abundance of tree palms was more than five times larger between Neotropical locations and other biogeographical realms. Tree palms were absent in most locations outside the Neotropics but present in >80% of Neotropical locations. The relative abundance of tree palms was more strongly associated with local conditions (e.g., higher mean annual precipitation, lower soil fertility, shallower water table and lower plot mean wood density) than metrics of long‐term climate stability. Life‐form diversity also influenced the patterns; palm assemblages outside the Neotropics comprise many non‐tree (e.g., climbing) palms. Finally, we show that tree palms can influence estimates of above‐ground biomass, but the magnitude and direction of the effect require additional work. Conclusions Tree palms are not only quintessentially tropical, but they are also overwhelmingly Neotropical. Future work to understand the contributions of tree palms to biomass estimates and carbon cycling will be particularly crucial in Neotropical forests.

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.