• Energy Research

AbstractTropical forests face increasing climate risk1,2, yet our ability to predict their response to climate change is limited by poor understanding of their resistance to water stress. Although xylem embolism resistance thresholds (for example, $$\varPsi $$ Ψ 50) and hydraulic safety margins (for example, HSM50) are important predictors of drought-induced mortality risk3–5, little is known about how these vary across Earth’s largest tropical forest. Here, we present a pan-Amazon, fully standardized hydraulic traits dataset and use it to assess regional variation in drought sensitivity and hydraulic trait ability to predict species distributions and long-term forest biomass accumulation. Parameters $$\varPsi $$ Ψ 50 and HSM50 vary markedly across the Amazon and are related to average long-term rainfall characteristics. Both $$\varPsi $$ Ψ 50 and HSM50 influence the biogeographical distribution of Amazon tree species. However, HSM50 was the only significant predictor of observed decadal-scale changes in forest biomass. Old-growth forests with wide HSM50 are gaining more biomass than are low HSM50 forests. We propose that this may be associated with a growth–mortality trade-off whereby trees in forests consisting of fast-growing species take greater hydraulic risks and face greater mortality risk. Moreover, in regions of more pronounced climatic change, we find evidence that forests are losing biomass, suggesting that species in these regions may be operating beyond their hydraulic limits. Continued climate change is likely to further reduce HSM50 in the Amazon6,7, with strong implications for the Amazon carbon sink.

AbstractAs countries advance in greenhouse gas (GHG) accounting for climate change mitigation, consistent estimates of aboveground net biomass change (∆AGB) are needed. Countries with limited forest monitoring capabilities in the tropics and subtropics rely on IPCC 2006 default ∆AGB rates, which are values per ecological zone, per continent. Similarly, research into forest biomass change at a large scale also makes use of these rates. IPCC 2006 default rates come from a handful of studies, provide no uncertainty indications and do not distinguish between older secondary forests and old‐growth forests. As part of the 2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, we incorporate ∆AGB data available from 2006 onwards, comprising 176 chronosequences in secondary forests and 536 permanent plots in old‐growth and managed/logged forests located in 42 countries in Africa, North and South America and Asia. We generated ∆AGB rate estimates for younger secondary forests (≤20 years), older secondary forests (>20 years and up to 100 years) and old‐growth forests, and accounted for uncertainties in our estimates. In tropical rainforests, for which data availability was the highest, our ∆AGB rate estimates ranged from 3.4 (Asia) to 7.6 (Africa) Mg ha−1 year−1 in younger secondary forests, from 2.3 (North and South America) to 3.5 (Africa) Mg ha−1 year−1 in older secondary forests, and 0.7 (Asia) to 1.3 (Africa) Mg ha−1 year−1 in old‐growth forests. We provide a rigorous and traceable refinement of the IPCC 2006 default rates in tropical and subtropical ecological zones, and identify which areas require more research on ∆AGB. In this respect, this study should be considered as an important step towards quantifying the role of tropical and subtropical forests as carbon sinks with higher accuracy; our new rates can be used for large‐scale GHG accounting by governmental bodies, nongovernmental organizations and in scientific research.

La masse de carbone contenue dans les arbres est régie par le volume et la densité de leur bois. Cela représente un défi pour la plupart des technologies de télédétection, qui détectent généralement la structure de la surface et les paramètres liés au volume du bois, mais pas à sa densité. Étant donné que la densité du bois est largement déterminée par l'identité taxonomique, ce défi est le plus important dans les forêts tropicales où il existe des dizaines de milliers d'espèces d'arbres. Ici, à l'aide de la littérature pan-tropicale et de nouvelles analyses en Amazonie avec des parcelles avec des identifications fiables, nous évaluons l'impact de la variation de la densité du bois liée aux espèces sur les estimations de la biomasse des forêts tropicales matures. Nous trouvons des impacts des espèces sur la biomasse forestière en raison de la densité du bois à toutes les échelles, de l'arbre individuel au biome entier : la variation de la composition des espèces d'arbres régule la quantité de carbone que les forêts peuvent stocker. Même les différences locales de composition peuvent entraîner une variation de la biomasse forestière et de la densité de carbone de 20 % entre des types de forêts locales subtilement différents, tandis qu'une variation floristique supplémentaire à grande échelle entraîne une variation de la densité moyenne du bois de 10 à 30 % en Amazonie et dans les tropiques. De plus, étant donné que la composition des espèces varie à toutes les échelles et même verticalement au sein d'un peuplement, notre analyse montre que le biais et l'incertitude résultent toujours si l'identité individuelle est ignorée. Étant donné qu'il existe maintenant suffisamment de preuves basées sur l'inventaire et basées sur l'identification botanique pour montrer que la composition des espèces est importante à l'échelle du biome pour la biomasse, nous assemblons et fournissons ici des valeurs moyennes de densité de bois pondérées en fonction de la surface terrière pour différentes forêts à travers le biome bas et tropical. Ceux-ci varient largement, de 0,467 à 0,728 g cm-3 avec une moyenne pan-tropicale de 0,619 g cm-3. Notre analyse montre que la cartographie du carbone des écosystèmes tropicaux bénéficie toujours d'une mesure validée localement de l'identité botanique arbre par arbre combinée à une mesure arbre par arbre des dimensions. Par conséquent, dans la mesure du possible, les efforts visant à cartographier et à surveiller le carbone des forêts tropicales à l'aide de techniques de télédétection devraient être combinés à la mesure de l'identité des espèces au niveau des arbres par des botanistes travaillant dans des parcelles d'inventaire. La masa de carbono contenida en los árboles se rige por el volumen y la densidad de su madera. Esto representa un desafío para la mayoría de las tecnologías de teledetección, que generalmente detectan la estructura de la superficie y los parámetros relacionados con el volumen de la madera, pero no con su densidad. Dado que la densidad de la madera está determinada en gran medida por la identidad taxonómica, este desafío es mayor en los bosques tropicales, donde hay decenas de miles de especies de árboles. Aquí, utilizando literatura pantropical y nuevos análisis en la Amazonía con parcelas con identificaciones confiables, evaluamos el impacto que la variación relacionada con las especies en la densidad de la madera tiene en las estimaciones de biomasa de los bosques tropicales maduros. Encontramos impactos de las especies en la biomasa forestal debido a la densidad de la madera en todas las escalas, desde el árbol individual hasta el bioma completo: la variación en la composición de las especies de árboles regula la cantidad de carbono que los bosques pueden almacenar. Incluso las diferencias locales en la composición pueden causar una variación en la biomasa forestal y una densidad de carbono del 20% entre tipos de bosques locales sutilmente diferentes, mientras que una variación florística adicional a gran escala conduce a una variación en la densidad media de la madera del 10-30% en la Amazonía y los trópicos. Además, debido a que la composición de las especies varía en todas las escalas e incluso verticalmente dentro de un rodal, nuestro análisis muestra que el sesgo y la incertidumbre siempre resultan si se ignora la identidad individual. Dado que ahora existe suficiente evidencia basada en el inventario basada en la identificación botánica para mostrar que la composición de las especies es importante en todo el bioma para la biomasa, aquí reunimos y proporcionamos valores medios de densidad de madera ponderados por área basal para diferentes bosques en el bioma bajo y tropical. Estos varían ampliamente, de 0.467 a 0.728 g cm-3 con una media pan-tropical de 0.619 g cm-3. Nuestro análisis muestra que el mapeo del carbono del ecosistema tropical siempre se beneficia de la medición validada localmente de la identidad botánica árbol por árbol combinada con la medición de las dimensiones árbol por árbol. Por lo tanto, siempre que sea posible, los esfuerzos para mapear y monitorear el carbono de los bosques tropicales utilizando técnicas de teledetección deben combinarse con la medición a nivel de árbol de la identidad de las especies por parte de los botánicos que trabajan en parcelas de inventario. The mass of carbon contained in trees is governed by the volume and density of their wood. This represents a challenge to most remote sensing technologies, which typically detect surface structure and parameters related to wood volume but not to its density. Since wood density is largely determined by taxonomic identity this challenge is greatest in tropical forests where there are tens of thousands of tree species. Here, using pan-tropical literature and new analyses in Amazonia with plots with reliable identifications we assess the impact that species-related variation in wood density has on biomass estimates of mature tropical forests. We find impacts of species on forest biomass due to wood density at all scales from the individual tree up to the whole biome: variation in tree species composition regulates how much carbon forests can store. Even local differences in composition can cause variation in forest biomass and carbon density of 20% between subtly different local forest types, while additional large-scale floristic variation leads to variation in mean wood density of 10-30% across Amazonia and the tropics. Further, because species composition varies at all scales and even vertically within a stand, our analysis shows that bias and uncertainty always result if individual identity is ignored. Since sufficient inventory-based evidence based on botanical identification now exists to show that species composition matters biome-wide for biomass, we here assemble and provide mean basal-area-weighted wood density values for different forests across the lowand tropical biome. These range widely, from 0.467 to 0.728 g cm-3 with a pan-tropical mean of 0.619 g cm-3. Our analysis shows that mapping tropical ecosystem carbon always benefits from locally validated measurement of tree-by-tree botanical identity combined with tree-by-tree measurement of dimensions. Therefore whenever possible, efforts to map and monitor tropical forest carbon using remote sensing techniques should be combined with tree-level measurement of species identity by botanists working in inventory plots. تخضع كتلة الكربون الموجودة في الأشجار لحجم وكثافة خشبها. يمثل هذا تحديًا لمعظم تقنيات الاستشعار عن بعد، والتي تكشف عادةً عن البنية السطحية والمعلمات المتعلقة بحجم الخشب ولكن ليس بكثافته. نظرًا لأن كثافة الخشب تتحدد إلى حد كبير بالهوية التصنيفية، فإن هذا التحدي هو الأكبر في الغابات الاستوائية حيث توجد عشرات الآلاف من أنواع الأشجار. هنا، باستخدام الأدبيات الاستوائية والتحليلات الجديدة في الأمازون مع قطع الأراضي ذات التعريفات الموثوقة، نقوم بتقييم تأثير التباين المرتبط بالأنواع في كثافة الخشب على تقديرات الكتلة الحيوية للغابات الاستوائية الناضجة. نجد تأثيرات الأنواع على الكتلة الحيوية للغابات بسبب كثافة الخشب على جميع المستويات من الشجرة الفردية حتى المنطقة الحيوية بأكملها: التباين في تكوين أنواع الأشجار ينظم مقدار ما يمكن أن تخزنه غابات الكربون. حتى الاختلافات المحلية في التكوين يمكن أن تسبب تباينًا في الكتلة الحيوية للغابات وكثافة الكربون بنسبة 20 ٪ بين أنواع الغابات المحلية المختلفة بمهارة، في حين أن التباين الزهري الإضافي على نطاق واسع يؤدي إلى تباين في متوسط كثافة الخشب بنسبة 10-30 ٪ عبر الأمازون والمناطق المدارية. علاوة على ذلك، نظرًا لأن تكوين الأنواع يختلف على جميع المستويات وحتى عموديًا داخل الحامل، يُظهر تحليلنا أن التحيز وعدم اليقين ينتجان دائمًا إذا تم تجاهل الهوية الفردية. نظرًا لوجود أدلة كافية تستند إلى الجرد تستند إلى التحديد النباتي لإظهار أن تكوين الأنواع مهم على مستوى المنطقة الحيوية للكتلة الحيوية، فإننا هنا نقوم بتجميع وتوفير قيم كثافة الخشب المرجحة في المنطقة القاعدية للغابات المختلفة عبر المنطقة الحيوية المنخفضة والاستوائية. تتراوح هذه على نطاق واسع، من 0.467 إلى 0.728 جم سم -3 بمتوسط استوائي يبلغ 0.619 جم سم -3. يوضح تحليلنا أن رسم خرائط كربون النظام البيئي الاستوائي يستفيد دائمًا من القياس المعتمد محليًا للهوية النباتية لكل شجرة على حدة جنبًا إلى جنب مع قياس الأبعاد لكل شجرة على حدة. لذلك، كلما أمكن ذلك، ينبغي الجمع بين الجهود المبذولة لرسم خرائط ورصد كربون الغابات الاستوائية باستخدام تقنيات الاستشعار عن بعد وقياس هوية الأنواع على مستوى الأشجار من قبل علماء النبات العاملين في قطع الجرد.

Societal Impact StatementThe approach that we take to our science is as important as the questions that we address if we would like our research to inform management. Here, we discuss our experience of using networks of permanent forest inventory plots to support sustainable management and conservation of intact tropical forests. A key conclusion is that to maximize the use of data from such large international networks within policymaking, it is crucial that leadership is widely shared among participants. Such an approach helps to address ethical concerns surrounding international collaborations and also achieves greater policy impact.SummaryLong‐term data from permanent forest inventory plots have much to offer the management and conservation of intact tropical forest landscapes. Knowledge of the growth and mortality rates of economically important species, forest carbon balance, and the impact of climate change on forest composition are all central to effective management. However, this information is rarely integrated within the policymaking process. The problem reflects broader issues in using evidence to influence environmental management, and in particular, the need to engage with potential users beyond the collection and publication of high‐quality data. To ensure permanent plot data are used, (a) key “policy windows”—opportunities to integrate data within policy making—need to be identified; (b) long‐term relationships need to be developed between scientists and policy makers and policymaking organizations; and (c) leadership of plot networks needs to be shared among all participants, and particularly between institutions in the global north and those in tropical countries. Addressing these issues will allow permanent plot networks to make tangible contributions to ensuring that intact tropical forest persists over coming decades.

AbstractNon-structural carbohydrates (NSC) are major substrates for plant metabolism and have been implicated in mediating drought-induced tree mortality. Despite their significance, NSC dynamics in tropical forests remain little studied. We present leaf and branch NSC data for 82 Amazon canopy tree species in six sites spanning a broad precipitation gradient. During the wet season, total NSC (NSCT) concentrations in both organs were remarkably similar across communities. However, NSCT and its soluble sugar (SS) and starch components varied much more across sites during the dry season. Notably, the proportion of leaf NSCT in the form of SS (SS:NSCT) increased greatly in the dry season in almost all species in the driest sites, implying an important role of SS in mediating water stress in these sites. This adjustment of leaf NSC balance was not observed in tree species less-adapted to water deficit, even under exceptionally dry conditions. Thus, leaf carbon metabolism may help to explain floristic sorting across water availability gradients in Amazonia and enable better prediction of forest responses to future climate change.