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.

Abstract. Forest structure and dynamics vary across the Amazon Basin in an east-west gradient coincident with variations in soil fertility and geology. This has resulted in the hypothesis that soil fertility may play an important role in explaining Basin-wide variations in forest biomass, growth and stem turnover rates. Soil samples were collected in a total of 59 different forest plots across the Amazon Basin and analysed for exchangeable cations, carbon, nitrogen and pH, with several phosphorus fractions of likely different plant availability also quantified. Physical properties were additionally examined and an index of soil physical quality developed. Bivariate relationships of soil and climatic properties with above-ground wood productivity, stand-level tree turnover rates, above-ground wood biomass and wood density were first examined with multivariate regression models then applied. Both forms of analysis were undertaken with and without considerations regarding the underlying spatial structure of the dataset. Despite the presence of autocorrelated spatial structures complicating many analyses, forest structure and dynamics were found to be strongly and quantitatively related to edaphic as well as climatic conditions. Basin-wide differences in stand-level turnover rates are mostly influenced by soil physical properties with variations in rates of coarse wood production mostly related to soil phosphorus status. Total soil P was a better predictor of wood production rates than any of the fractionated organic- or inorganic-P pools. This suggests that it is not only the immediately available P forms, but probably the entire soil phosphorus pool that is interacting with forest growth on longer timescales. A role for soil potassium in modulating Amazon forest dynamics through its effects on stand-level wood density was also detected. Taking this into account, otherwise enigmatic variations in stand-level biomass across the Basin were then accounted for through the interacting effects of soil physical and chemical properties with climate. A hypothesis of self-maintaining forest dynamic feedback mechanisms initiated by edaphic conditions is proposed. It is further suggested that this is a major factor determining endogenous disturbance levels, species composition, and forest productivity across the Amazon Basin.

Featured paper: See Editorial p553

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. We analysed 1040 individual trees, located in 62 plots across the Amazon Basin for leaf mass per unit area (MA), foliar carbon isotopic composition (δ13C) and leaf level concentrations of C, N, P, Ca, Mg, K and Al. All trees were identified to the species level with the dataset containing 58 families, 236 genera and 508 species, distributed across a wide range of soil types and precipitation regimes. Some foliar characteristics such as MA, [C], [N] and [Mg] emerge as highly constrained by the taxonomic affiliation of tree species, but with others such as [P], [K], [Ca] and δ13C also strongly influenced by site growing conditions. By removing the environmental contribution to trait variation, we find that intrinsic values of most trait pairs coordinate, although different species (characterised by different trait suites) are found at discrete locations along a common axis of coordination. Species that tend to occupy higher fertility soils are characterised by a lower MA and have a higher intrinsic [N], [P], [K], [Mg] and δ13C than their lower fertility counterparts. Despite this consistency, different scaling patterns were observed between low and high fertility sites. Inter-relationships are thus substantially modified by growth environment. Analysing the environmental component of trait variation, we found soil fertility to be the most important predictor, influencing all leaf nutrient concentrations and δ13C and reducing MA. Mean annual temperature was negatively associated with leaf level [N], [P] and [K] concentrations. Total annual precipitation positively influences MA, [C] and δ13C, but with a negative impact on [Mg]. These results provide a first basis for understanding the relationship between the physiological functioning and distribution of tree species across Amazonia.

The accurate mapping of forest carbon stocks is essential for understanding the global carbon cycle, for assessing emissions from deforestation, and for rational land-use planning. Remote sensing (RS) is currently the key tool for this purpose, but RS does not estimate vegetation biomass directly, and thus may miss significant spatial variations in forest structure. We test the stated accuracy of pantropical carbon maps using a large independent field dataset.Tropical forests of the Amazon basin. The permanent archive of the field plot data can be accessed at: http://dx.doi.org/10.5521/FORESTPLOTS.NET/2014_1.Two recent pantropical RS maps of vegetation carbon are compared to a unique ground-plot dataset, involving tree measurements in 413 large inventory plots located in nine countries. The RS maps were compared directly to field plots, and kriging of the field data was used to allow area-based comparisons.The two RS carbon maps fail to capture the main gradient in Amazon forest carbon detected using 413 ground plots, from the densely wooded tall forests of the north-east, to the light-wooded, shorter forests of the south-west. The differences between plots and RS maps far exceed the uncertainties given in these studies, with whole regions over- or under-estimated by > 25%, whereas regional uncertainties for the maps were reported to be < 5%.Pantropical biomass maps are widely used by governments and by projects aiming to reduce deforestation using carbon offsets, but may have significant regional biases. Carbon-mapping techniques must be revised to account for the known ecological variation in tree wood density and allometry to create maps suitable for carbon accounting. The use of single relationships between tree canopy height and above-ground biomass inevitably yields large, spatially correlated errors. This presents a significant challenge to both the forest conservation and remote sensing communities, because neither wood density nor species assemblages can be reliably mapped from space.

Abstract While Amazonian forests are extraordinarily diverse, the abundance of trees is skewed strongly towards relatively few ‘hyperdominant’ species. In addition to their diversity, Amazonian trees are a key component of the global carbon cycle, assimilating and storing more carbon than any other ecosystem on Earth. Here we ask, using a unique data set of 530 forest plots, if the functions of storing and producing woody carbon are concentrated in a small number of tree species, whether the most abundant species also dominate carbon cycling, and whether dominant species are characterized by specific functional traits. We find that dominance of forest function is even more concentrated in a few species than is dominance of tree abundance, with only ≈1% of Amazon tree species responsible for 50% of carbon storage and productivity. Although those species that contribute most to biomass and productivity are often abundant, species maximum size is also influential, while the identity and ranking of dominant species varies by function and by region.

Abstract The Amazon Basin has experienced more variable climate over the last decade, with a severe and widespread drought in 2005 causing large basin‐wide losses of biomass. A drought of similar climatological magnitude occurred again in 2010; however, there has been no basin‐wide ground‐based evaluation of effects on vegetation. We examine to what extent the 2010 drought affected forest dynamics using ground‐based observations of mortality and growth from an extensive forest plot network. We find that during the 2010 drought interval, forests did not gain biomass (net change: −0.43 Mg ha −1 , confidence interval (CI): −1.11, 0.19, n = 97), regardless of whether forests experienced precipitation deficit anomalies. This contrasted with a long‐term biomass sink during the baseline pre‐2010 drought period (1998 to pre‐2010) of 1.33 Mg ha −1 yr −1 (CI: 0.90, 1.74, p < 0.01). The resulting net impact of the 2010 drought (i.e., reversal of the baseline net sink) was −1.95 Mg ha −1 yr −1 (CI:−2.77, −1.18; p < 0.001). This net biomass impact was driven by an increase in biomass mortality (1.45 Mg ha −1 yr −1 CI: 0.66, 2.25, p < 0.001) and a decline in biomass productivity (−0.50 Mg ha −1 yr −1 , CI:−0.78, −0.31; p < 0.001). Surprisingly, the magnitude of the losses through tree mortality was unrelated to estimated local precipitation anomalies and was independent of estimated local pre‐2010 drought history. Thus, there was no evidence that pre‐2010 droughts compounded the effects of the 2010 drought. We detected a systematic basin‐wide impact of the 2010 drought on tree growth rates across Amazonia, which was related to the strength of the moisture deficit. This impact differed from the drought event in 2005 which did not affect productivity. Based on these ground data, live biomass in trees and corresponding estimates of live biomass in lianas and roots, we estimate that intact forests in Amazonia were carbon neutral in 2010 (−0.07 Pg C yr −1 CI:−0.42, 0.23), consistent with results from an independent analysis of airborne estimates of land‐atmospheric fluxes during 2010. Relative to the long‐term mean, the 2010 drought resulted in a reduction in biomass carbon uptake of 1.1 Pg C, compared to 1.6 Pg C for the 2005 event.