A global analysis shows that for most tree species the largest trees are the fastest-growing trees, a finding that resolves conflicting assumptions about tree growth and that has implications for understanding forest carbon dynamics, resource allocation trade-offs within trees and plant senescence. Old forests and their leaves fix less carbon than do new forests, but does this apply at the individual tree level? This study uses a global analysis of more that 400 tree species to show that it does not. Rather, larger and older trees accumulate carbon more rapidly than do younger, smaller ones. This can be reconciled with the effects at other levels by taking into account increases in leaf number and reductions in forest density with age. The rapid growth of large trees means that, relative to their numbers, they could have a disproportionately important role in forest feedbacks to the terrestrial carbon cycle and global climate system. Forests are major components of the global carbon cycle, providing substantial feedback to atmospheric greenhouse gas concentrations1. Our ability to understand and predict changes in the forest carbon cycle—particularly net primary productivity and carbon storage—increasingly relies on models that represent biological processes across several scales of biological organization, from tree leaves to forest stands2,3. Yet, despite advances in our understanding of productivity at the scales of leaves and stands, no consensus exists about the nature of productivity at the scale of the individual tree4,5,6,7, in part because we lack a broad empirical assessment of whether rates of absolute tree mass growth (and thus carbon accumulation) decrease, remain constant, or increase as trees increase in size and age. Here we present a global analysis of 403 tropical and temperate tree species, showing that for most species mass growth rate increases continuously with tree size. Thus, large, old trees do not act simply as senescent carbon reservoirs but actively fix large amounts of carbon compared to smaller trees; at the extreme, a single big tree can add the same amount of carbon to the forest within a year as is contained in an entire mid-sized tree. The apparent paradoxes of individual tree growth increasing with tree size despite declining leaf-level8,9,10 and stand-level10 productivity can be explained, respectively, by increases in a tree’s total leaf area that outpace declines in productivity per unit of leaf area and, among other factors, age-related reductions in population density. Our results resolve conflicting assumptions about the nature of tree growth, inform efforts to undertand and model forest carbon dynamics, and have additional implications for theories of resource allocation11 and plant senescence12.

Structurally intact tropical forests sequestered about half of the global terrestrial carbon uptake over the 1990s and early 2000s, removing about 15 per cent of anthropogenic carbon dioxide emissions1–3. Climate-driven vegetation models typically predict that this tropical forest ‘carbon sink’ will continue for decades4,5. Here we assess trends in the carbon sink using 244 structurally intact African tropical forests spanning 11 countries, compare them with 321 published plots from Amazonia and investigate the underlying drivers of the trends. The carbon sink in live aboveground biomass in intact African tropical forests has been stable for the three decades to 2015, at 0.66 tonnes of carbon per hectare per year (95 per cent confidence interval 0.53–0.79), in contrast to the long-term decline in Amazonian forests6. Therefore the carbon sink responses of Earth’s two largest expanses of tropical forest have diverged. The difference is largely driven by carbon losses from tree mortality, with no detectable multi-decadal trend in Africa and a long-term increase in Amazonia. Both continents show increasing tree growth, consistent with the expected net effect of rising atmospheric carbon dioxide and air temperature7–9. Despite the past stability of the African carbon sink, our most intensively monitored plots suggest a post-2010 increase in carbon losses, delayed compared to Amazonia, indicating asynchronous carbon sink saturation on the two continents. A statistical model including carbon dioxide, temperature, drought and forest dynamics accounts for the observed trends and indicates a long-term future decline in the African sink, whereas the Amazonian sink continues to weaken rapidly. Overall, the uptake of carbon into Earth’s intact tropical forests peaked in the 1990s. Given that the global terrestrial carbon sink is increasing in size, independent observations indicating greater recent carbon uptake into the Northern Hemisphere landmass10 reinforce our conclusion that the intact tropical forest carbon sink has already peaked. This saturation and ongoing decline of the tropical forest carbon sink has consequences for policies intended to stabilize Earth’s climate. Unlike Amazonian forests, African forests have maintained their carbon sink until recently but by 2030 the African carbon sink will have shrunk by 14 per cent and the Amazonian sink will reach almost zero.

In resource dependent rural areas of developing countries, common property resource management has been considered as one of the most viable options for combining poverty reduction, enhancement of local level economic development and biodiversity conservation. The past decade has witnessed an increasing emphasis on community-based forest management, with transference of forest management responsibility into the hands of local communities. However, although community forestry (CF) has succeeded in halting resource degradation and conservation of biodiversity, the equity aspect of CF not been fully examined. Nepal is a good location for a case study to examine this question, as community forest programs have been in place longer than in many other countries. This study analyzes the relationship between key household characteristics and common property resources used in order to assess whether poorer households are able to gain greater access to community forests as a result of institutional change. Both quantitative and qualitative analyses suggest that forest product collection from community forests is dependent on various socio-economic variables. In general it appears that land and livestock holdings, caste, education of family members and household economic status exert a strong influence on appropriating benefits from the commons. Based on this analysis, it can be concluded that, at least for some key products, poorer households are currently facing more restricted access to community forests than ‘less poor’ or relatively better off households.

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.

We report above-ground biomass (AGB), basal area, stem density and wood mass density estimates from 260 sample plots (mean size: 1.2 ha) in intact closed-canopy tropical forests across 12 African countries. Mean AGB is 395.7 Mg dry mass ha −1 (95% CI: 14.3), substantially higher than Amazonian values, with the Congo Basin and contiguous forest region attaining AGB values (429 Mg ha −1 ) similar to those of Bornean forests, and significantly greater than East or West African forests. AGB therefore appears generally higher in palaeo- compared with neotropical forests. However, mean stem density is low (426 ± 11 stems ha −1 greater than or equal to 100 mm diameter) compared with both Amazonian and Bornean forests (cf. approx. 600) and is the signature structural feature of African tropical forests. While spatial autocorrelation complicates analyses, AGB shows a positive relationship with rainfall in the driest nine months of the year, and an opposite association with the wettest three months of the year; a negative relationship with temperature; positive relationship with clay-rich soils; and negative relationships with C : N ratio (suggesting a positive soil phosphorus–AGB relationship), and soil fertility computed as the sum of base cations. The results indicate that AGB is mediated by both climate and soils, and suggest that the AGB of African closed-canopy tropical forests may be particularly sensitive to future precipitation and temperature changes.

Abstract Tropical forests are global centres of biodiversity and carbon storage. Many tropical countries aspire to protect forest to fulfil biodiversity and climate mitigation policy targets, but the conservation strategies needed to achieve these two functions depend critically on the tropical forest tree diversity-carbon storage relationship. Assessing this relationship is challenging due to the scarcity of inventories where carbon stocks in aboveground biomass and species identifications have been simultaneously and robustly quantified. Here, we compile a unique pan-tropical dataset of 360 plots located in structurally intact old-growth closed-canopy forest, surveyed using standardised methods, allowing a multi-scale evaluation of diversity-carbon relationships in tropical forests. Diversity-carbon relationships among all plots at 1 ha scale across the tropics are absent, and within continents are either weak (Asia) or absent (Amazonia, Africa). A weak positive relationship is detectable within 1 ha plots, indicating that diversity effects in tropical forests may be scale dependent. The absence of clear diversity-carbon relationships at scales relevant to conservation planning means that carbon-centred conservation strategies will inevitably miss many high diversity ecosystems. As tropical forests can have any combination of tree diversity and carbon stocks both require explicit consideration when optimising policies to manage tropical carbon and biodiversity.

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.

Populations of forest trees exhibit large temporal fluctuations, but little is known about the synchrony of these fluctuations across space, including their sign, magnitude, causes and characteristic scales. These have important implications for metapopulation persistence and theoretical community ecology. Using data from permanent forest plots spanning local, regional and global spatial scales, we measured spatial synchrony in tree population growth rates over sub-decadal and decadal timescales and explored the relationship of synchrony to geographical distance. Synchrony was high at local scales of less than 1 km, with estimated Pearson correlations of approximately 0.6–0.8 between species’ population growth rates across pairs of quadrats. Synchrony decayed by approximately 17–44% with each order of magnitude increase in distance but was still detectably positive at distances of 100 km and beyond. Dispersal cannot explain observed large-scale synchrony because typical seed dispersal distances (<100 m) are far too short to couple the dynamics of distant forests on decadal timescales. We attribute the observed synchrony in forest dynamics primarily to the effect of spatially synchronous environmental drivers (the Moran effect), in particular climate, although pests, pathogens and anthropogenic drivers may play a role for some species.

Abstract The future trajectory of global forests is closely intertwined with tree demography, and a major fundamental goal in ecology is to understand the key mechanisms governing spatial-temporal patterns in tree population dynamics. While historical research has made substantial progress in identifying the mechanisms individually, their relative importance among forests remains unclear mainly due to practical limitations. One approach is to group mechanisms according to their shared effects on the variability of tree vital rates and to quantify patterns therein. We developed a conceptual and statistical framework (variance partitioning of Bayesian multilevel models) that attributes the variability in tree growth, mortality, and recruitment to variation in species, space, and time, and their interactions, categories we refer to as organising principles (OPs). We applied the framework to data from 21 forest plots covering more than 2.9 million trees of approximately 6,500 species. We found that differences among species, the species OP, proved a major source of variability in tree vital rates, explaining 28-33% of demographic variance alone, and in interaction with space 14-17%, totalling 40-43%. The average variability among species declined with species richness across forests, indicating that diverse forests featured smaller interspecific differences in vital rates supporting the theory that the range of vital rates is similar across global forests. Decomposing the variance in vital rates into the proposed OPs showed that taxonomy is crucial to predicting and understanding tree demography on large forest plots. A focus on how variance is organized in forests can facilitate the construction of more targeted models with clearer expectations of which covariates might drive a vital rate. This study therefore highlights the most promising avenues for future research, both in terms of understanding the relative contributions of groups of mechanisms to forest demography and diversity, and for improving projections of forest ecosystems.