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.

Amazon deforestation has been measured by remote sensing for three decades. In comparison, selective logging has been mostly invisible to satellites. We developed a large-scale, high-resolution, automated remote-sensing analysis of selective logging in the top five timber-producing states of the Brazilian Amazon. Logged areas ranged from 12,075 to 19,823 square kilometers per year (+/-14%) between 1999 and 2002, equivalent to 60 to 123% of previously reported deforestation area. Up to 1200 square kilometers per year of logging were observed on conservation lands. Each year, 27 million to 50 million cubic meters of wood were extracted, and a gross flux of approximately 0.1 billion metric tons of carbon was destined for release to the atmosphere by logging.

Abstract Uncertainty in biomass estimates is one of the greatest limitations to models of carbon flux in tropical forests. Previous comparisons of field‐based estimates of the aboveground biomass (AGB) of trees greater than 10 cm diameter within Amazonia have been limited by the paucity of data for western Amazon forests, and the use of site‐specific methods to estimate biomass from inventory data. In addition, the role of regional variation in stand‐level wood specific gravity has not previously been considered. Using data from 56 mature forest plots across Amazonia, we consider the relative roles of species composition (wood specific gravity) and forest structure (basal area) in determining variation in AGB. Mean stand‐level wood specific gravity, on a per stem basis, is 15.8% higher in forests in central and eastern, compared with northwestern Amazonia. This pattern is due to the higher diversity and abundance of taxa with high specific gravity values in central and eastern Amazonia, and the greater diversity and abundance of taxa with low specific gravity values in western Amazonia. For two estimates of AGB derived using different allometric equations, basal area explains 51.7% and 63.4%, and stand‐level specific gravity 45.4% and 29.7%, of the total variation in AGB. The variation in specific gravity is important because it determines the regional scale, spatial pattern of AGB. When weighting by specific gravity is included, central and eastern Amazon forests have significantly higher AGB than stands in northwest or southwest Amazonia. The regional‐scale pattern of species composition therefore defines a broad gradient of AGB across Amazonia.

Abstract The biomass of tropical forests plays an important role in the global carbon cycle, both as a dynamic reservoir of carbon, and as a source of carbon dioxide to the atmosphere in areas undergoing deforestation. However, the absolute magnitude and environmental determinants of tropical forest biomass are still poorly understood. Here, we present a new synthesis and interpolation of the basal area and aboveground live biomass of old‐growth lowland tropical forests across South America, based on data from 227 forest plots, many previously unpublished. Forest biomass was analyzed in terms of two uncorrelated factors: basal area and mean wood density. Basal area is strongly affected by local landscape factors, but is relatively invariant at regional scale in moist tropical forests, and declines significantly at the dry periphery of the forest zone. Mean wood density is inversely correlated with forest dynamics, being lower in the dynamic forests of western Amazonia and high in the slow‐growing forests of eastern Amazonia. The combination of these two factors results in biomass being highest in the moderately seasonal, slow growing forests of central Amazonia and the Guyanas (up to 350 Mg dry weight ha −1 ) and declining to 200–250 Mg dry weight ha −1 at the western, southern and eastern margins. Overall, we estimate the total aboveground live biomass of intact Amazonian rainforests (area 5.76 × 10 6 km 2 in 2000) to be 93±23 Pg C, taking into account lianas and small trees. Including dead biomass and belowground biomass would increase this value by approximately 10% and 21%, respectively, but the spatial variation of these additional terms still needs to be quantified.

Featured paper: See Editorial p553

Abstract The net primary production of tropical forests and its partitioning between long‐lived carbon pools (wood) and shorter‐lived pools (leaves, fine roots) are of considerable importance in the global carbon cycle. However, these terms have only been studied at a handful of field sites, and with no consistent calculation methodology. Here we calculate above‐ground coarse wood carbon productivity for 104 forest plots in lowland New World humid tropical forests, using a consistent calculation methodology that incorporates corrections for spatial variations in tree‐size distributions and wood density, and for census interval length. Mean wood density is found to be lower in more productive forests. We estimate that above‐ground coarse wood productivity varies by more than a factor of three (between 1.5 and 5.5 Mg C ha −1 a −1 ) across the Neotropical plots, with a mean value of 3.1 Mg C ha −1 a −1 . There appear to be no obvious relationships between wood productivity and rainfall, dry season length or sunshine, but there is some hint of increased productivity at lower temperatures. There is, however, also strong evidence for a positive relationship between wood productivity and soil fertility. Fertile soils tend to become more common towards the Andes and at slightly higher than average elevations, so the apparent temperature/productivity relationship is probably not a direct one. Coarse wood productivity accounts for only a fraction of overall tropical forest net primary productivity, but the available data indicate that it is approximately proportional to total above‐ground productivity. We speculate that the large variation in wood productivity is unlikely to directly imply an equivalent variation in gross primary production. Instead a shifting balance in carbon allocation between respiration, wood carbon and fine root production seems the more likely explanation.

Forest fragmentation results from deforestation and disturbance, with subsequent edge effects extending deep into remaining forest areas. No study has quantified the effects of both deforestation and selective logging, separately and combined, on forest fragmentation and edge effects over large regions. The main objectives of this study were to: (1) quantify the rates and extent of forest fragmentation from deforestation and logging within the Brazilian Amazon, and (2) contextualize the spatio-temporal dynamics of this forest fragmentation through a literature review of potential ecological repercussions of edge creation. Using GIS and remote sensing, we quantified forest fragmentation – defined as both increases in the forest edge-to-area ratio and number of forest fragments – and edge-effected forest occurring from these activities across more than 1.1 million km2 of the Brazilian Amazon from 1999 to 2002. Annually, deforestation and logging generated ∼32,000 and 38,000 km of new forest edge while increasing the edge-to-area ratio of remaining forest by 0.14 and 0.15, respectively. Combined deforestation and logging increased the edge-to-area ratio of remaining forest by 65% over our study period, while generating 5539 and 3383 new forest fragments, respectively. Although we found that 90% of individual forest fragments were smaller than 4 km2, we also found that 50% of the remaining intact forests were located in contiguous forest areas greater than 35,000 km2. We then conducted a literature review documenting 146 edge effects and found that these penetrated to a median distance of 100 m, a distance encompassing 6.4% of all remaining forests in our study region in the year 2002, while 53% of forests were located within two km of an edge. Annually deforestation and logging increased the proportion of edge-forest by 0.8% and 3.1%, respectively. As a result of both activities, the total proportion of edge-forest increased by 2.6% per year, while the proportion within 100-m increased by 0.5%. Over our study period, deforestation resulted in an additional ∼3000 km2 of edge-forest, whereas logging generated ∼20,000 km2, as it extended deep into intact forest areas. These results show the large extent and rapid expansion of previously unquantified soft-edges throughout the Amazon and highlight the need for greater research into their ecological impacts.

A previous study by Phillips et al . of changes in the biomass of permanent sample plots in Amazonian forests was used to infer the presence of a regional carbon sink. However, these results generated a vigorous debate about sampling and methodological issues. Therefore we present a new analysis of biomass change in old–growth Amazonian forest plots using updated inventory data. We find that across 59 sites, the above–ground dry biomass in trees that are more than 10 cm in diameter (AGB) has increased since plot establishment by 1.22 ± 0.43 Mg per hectare per year (ha −1 yr −1 ), where 1 ha = 10 4 m 2 ), or 0.98 ± 0.38 Mg ha −1 yr −1 if individual plot values are weighted by the number of hectare years of monitoring. This significant increase is neither confounded by spatial or temporal variation in wood specific gravity, nor dependent on the allometric equation used to estimate AGB. The conclusion is also robust to uncertainty about diameter measurements for problematic trees: for 34 plots in western Amazon forests a significant increase in AGB is found even with a conservative assumption of zero growth for all trees where diameter measurements were made using optical methods and/or growth rates needed to be estimated following fieldwork. Overall, our results suggest a slightly greater rate of net stand–level change than was reported by Phillips et al . Considering the spatial and temporal scale of sampling and associated studies showing increases in forest growth and stem turnover, the results presented here suggest that the total biomass of these plots has on average increased and that there has been a regional–scale carbon sink in old–growth Amazonian forests during the previous two decades.

Previous work has shown that tree turnover, tree biomass and large liana densities have increased in mature tropical forest plots in the late twentieth century. These results point to a concerted shift in forest ecological processes that may already be having significant impacts on terrestrial carbon stocks, fluxes and biodiversity. However, the findings have proved controversial, partly because a rather limited number of permanent plots have been monitored for rather short periods. The aim of this paper is to characterize regional–scale patterns of ‘tree turnover’ (the rate with which trees die and recruit into a population) by using improved datasets now available for Amazonia that span the past 25 years. Specifically, we assess whether concerted changes in turnover are occurring, and if so whether they are general throughout the Amazon or restricted to one region or environmental zone. In addition, we ask whether they are driven by changes in recruitment, mortality or both. We find that: (i) trees 10 cm or more in diameter recruit and die twice as fast on the richer soils of southern and western Amazonia than on the poorer soils of eastern and central Amazonia; (ii) turnover rates have increased throughout Amazonia over the past two decades; (iii) mortality and recruitment rates have both increased significantly in every region and environmental zone, with the exception of mortality in eastern Amazonia; (iv) recruitment rates have consistently exceeded mortality rates; (v) absolute increases in recruitment and mortality rates are greatest in western Amazonian sites; and (vi) mortality appears to be lagging recruitment at regional scales. These spatial patterns and temporal trends are not caused by obvious artefacts in the data or the analyses. The trends cannot be directly driven by a mortality driver (such as increased drought or fragmentation–related death) because the biomass in these forests has simultaneously increased. Our findings therefore indicate that long–acting and widespread environmental changes are stimulating the growth and productivity of Amazon forests.