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.

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.

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.

Abstract The emergence of alternative stable states in forest systems has significant implications for the functioning and structure of the terrestrial biosphere, yet empirical evidence remains scarce. Here, we combine global forest biodiversity observations and simulations to test for alternative stable states in the presence of evergreen and deciduous forest types. We reveal a bimodal distribution of forest leaf types across temperate regions of the Northern Hemisphere that cannot be explained by the environment alone, suggesting signatures of alternative forest states. Moreover, we empirically demonstrate the existence of positive feedbacks in tree growth, recruitment and mortality, with trees having 4–43% higher growth rates, 14–17% higher survival rates and 4–7 times higher recruitment rates when they are surrounded by trees of their own leaf type. Simulations show that the observed positive feedbacks are necessary and sufficient to generate alternative forest states, which also lead to dependency on history (hysteresis) during ecosystem transition from evergreen to deciduous forests and vice versa. We identify hotspots of bistable forest types in evergreen-deciduous ecotones, which are likely driven by soil-related positive feedbacks. These findings are integral to predicting the distribution of forest biomes, and aid to our understanding of biodiversity, carbon turnover, and terrestrial climate feedbacks.