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.

We examine the evidence for the possibility that 21st-century climate change may cause a large-scale “dieback” or degradation of Amazonian rainforest. We employ a new framework for evaluating the rainfall regime of tropical forests and from this deduce precipitation-based boundaries for current forest viability. We then examine climate simulations by 19 global climate models (GCMs) in this context and find that most tend to underestimate current rainfall. GCMs also vary greatly in their projections of future climate change in Amazonia. We attempt to take into account the differences between GCM-simulated and observed rainfall regimes in the 20th century. Our analysis suggests that dry-season water stress is likely to increase in E. Amazonia over the 21st century, but the region tends toward a climate more appropriate to seasonal forest than to savanna. These seasonal forests may be resilient to seasonal drought but are likely to face intensified water stress caused by higher temperatures and to be vulnerable to fires, which are at present naturally rare in much of Amazonia. The spread of fire ignition associated with advancing deforestation, logging, and fragmentation may act as nucleation points that trigger the transition of these seasonal forests into fire-dominated, low biomass forests. Conversely, deliberate limitation of deforestation and fire may be an effective intervention to maintain Amazonian forest resilience in the face of imposed 21st-century climate change. Such intervention may be enough to navigate E. Amazonia away from a possible “tipping point,” beyond which extensive rainforest would become unsustainable.

Drought threatens tropical rainforests over seasonal to decadal timescales, but the drivers of tree mortality following drought remain poorly understood. It has been suggested that reduced availability of non-structural carbohydrates (NSC) critically increases mortality risk through insufficient carbon supply to metabolism ('carbon starvation'). However, little is known about how NSC stores are affected by drought, especially over the long term, and whether they are more important than hydraulic processes in determining drought-induced mortality. Using data from the world's longest-running experimental drought study in tropical rainforest (in the Brazilian Amazon), we test whether carbon starvation or deterioration of the water-conducting pathways from soil to leaf trigger tree mortality. Biomass loss from mortality in the experimentally droughted forest increased substantially after >10 years of reduced soil moisture availability. The mortality signal was dominated by the death of large trees, which were at a much greater risk of hydraulic deterioration than smaller trees. However, we find no evidence that the droughted trees suffered carbon starvation, as their NSC concentrations were similar to those of non-droughted trees, and growth rates did not decline in either living or dying trees. Our results indicate that hydraulics, rather than carbon starvation, triggers tree death from drought in tropical rainforest.

Featured paper: See Editorial p553

Accumulating evidence highlights increased mortality risks for trees during severe drought, particularly under warmer temperatures and increasing vapour pressure deficit (VPD). Resulting forest die-off events have severe consequences for ecosystem services, biophysical and biogeochemical land-atmosphere processes. Despite advances in monitoring, modelling and experimental studies of the causes and consequences of tree death from individual tree to ecosystem and global scale, a general mechanistic understanding and realistic predictions of drought mortality under future climate conditions are still lacking. We update a global tree mortality map and present a roadmap to a more holistic understanding of forest mortality across scales. We highlight priority research frontiers that promote: (1) new avenues for research on key tree ecophysiological responses to drought; (2) scaling from the tree/plot level to the ecosystem and region; (3) improvements of mortality risk predictions based on both empirical and mechanistic insights; and (4) a global monitoring network of forest mortality. In light of recent and anticipated large forest die-off events such a research agenda is timely and needed to achieve scientific understanding for realistic predictions of drought-induced tree mortality. The implementation of a sustainable network will require support by stakeholders and political authorities at the international level.

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.

The Amazon basin hosts half the planet's remaining moist tropical forests, but they may be threatened in a warming world. Nevertheless, climate model predictions vary from rapid drying to modest wetting. Here we report that the catchment of the world's largest river is experiencing a substantial wetting trend since approximately 1990. This intensification of the hydrological cycle is concentrated overwhelmingly in the wet season driving progressively greater differences in Amazon peak and minimum flows. The onset of the trend coincides with the onset of an upward trend in tropical Atlantic sea surface temperatures (SST). This positive longer‐term correlation contrasts with the short‐term, negative response of basin‐wide precipitation to positive anomalies in tropical North Atlantic SST, which are driven by temporary shifts in the intertropical convergence zone position. We propose that the Amazon precipitation changes since 1990 are instead related to increasing atmospheric water vapor import from the warming tropical Atlantic.

Featured paper: See Editorial p553

Summary Considerable uncertainty surrounds the fate of Amazon rainforests in response to climate change. Here, carbon (C) flux predictions of five terrestrial biosphere models (Community Land Model version 3.5 (CLM3.5), Ecosystem Demography model version 2.1 (ED2), Integrated BIosphere Simulator version 2.6.4 (IBIS), Joint UK Land Environment Simulator version 2.1 (JULES) and Simple Biosphere model version 3 (SiB3)) and a hydrodynamic terrestrial ecosystem model (the Soil–Plant–Atmosphere (SPA) model) were evaluated against measurements from two large‐scale Amazon drought experiments. Model predictions agreed with the observed C fluxes in the control plots of both experiments, but poorly replicated the responses to the drought treatments. Most notably, with the exception of ED2, the models predicted negligible reductions in aboveground biomass in response to the drought treatments, which was in contrast to an observed c . 20% reduction at both sites. For ED2, the timing of the decline in aboveground biomass was accurate, but the magnitude was too high for one site and too low for the other. Three key findings indicate critical areas for future research and model development. First, the models predicted declines in autotrophic respiration under prolonged drought in contrast to measured increases at one of the sites. Secondly, models lacking a phenological response to drought introduced bias in the sensitivity of canopy productivity and respiration to drought. Thirdly, the phenomenological water‐stress functions used by the terrestrial biosphere models to represent the effects of soil moisture on stomatal conductance yielded unrealistic diurnal and seasonal responses to drought.