• Energy Research

Impacts of climate change on the future dynamics of Central African forests are still largely unknown, despite the acuteness of the expected climate changes and the extent of these forests. The high diversity of species and the potentially equivalent diversity of responses to climate modifications are major difficulties encountered when using predictive models to evaluate these impacts. In this study, we applied a mixture of inhomogeneous matrix models to a long-term experimental site located in M’Baïki forests, in the Central African Republic. This model allows the clustering of tree species into processes-based groups while simultaneously selecting explanatory climate and stand variables at the group-level. Using downscaled outputs of 10 general circulation models (G cm ), we projected the future forest dynamics up to the end of the century, under constant climate and Representative Concentration Pathways 4.5 and 8.5. Through comparative analyses across G cm versions, we identified tree species meta-groups, which are more adapted than ecological guilds to describe the diversity of tree species dynamics and their responses to climate change. Projections under constant climate were consistent with a forest ageing phenomenon, with a slowdown in tree growth and a reduction of the relative abundance of short-lived pioneers. Projections under climate change showed a general increase in growth, mortality and recruitment. This acceleration in forest dynamics led to a strong natural thinning effect, with different magnitudes across species. These differences caused a compositional shift in favour of long-lived pioneers, at the detriment of shade-bearers. Consistent with other field studies and projections, our results show the importance of elucidating the diversity of tree species responses when considering the general sensitivity of Central African forests dynamics to climate change.

Africa is forecasted to experience large and rapid climate change1 and population growth2 during the twenty-first century, which threatens the world's second largest rainforest. Protecting and sustainably managing these African forests requires an increased understanding of their compositional heterogeneity, the environmental drivers of forest composition and their vulnerability to ongoing changes. Here, using a very large dataset of 6 million trees in more than 180,000 field plots, we jointly model the distribution in abundance of the most dominant tree taxa in central Africa, and produce continuous maps of the floristic and functional composition of central African forests. Our results show that the uncertainty in taxon-specific distributions averages out at the community level, and reveal highly deterministic assemblages. We uncover contrasting floristic and functional compositions across climates, soil types and anthropogenic gradients, with functional convergence among types of forest that are floristically dissimilar. Combining these spatial predictions with scenarios of climatic and anthropogenic global change suggests a high vulnerability of the northern and southern forest margins, the Atlantic forests and most forests in the Democratic Republic of the Congo, where both climate and anthropogenic threats are expected to increase sharply by 2085. These results constitute key quantitative benchmarks for scientists and policymakers to shape transnational conservation and management strategies that aim to provide a sustainable future for central African forests.

AbstractForest biomass is key in Earth carbon cycle and climate system, and thus under intense scrutiny in the context of international climate change mitigation initiatives (e.g. REDD+). In tropical forests, the spatial distribution of aboveground biomass (AGB) remains, however, highly uncertain. There is increasing recognition that progress is strongly limited by the lack of field observations over large and remote areas. Here, we introduce the Congo basin Forests AGB (CoFor-AGB) dataset that contains AGB estimations and associated uncertainty for 59,857 1-km pixels aggregated from nearly 100,000 ha of in situ forest management inventories for the 2000 – early 2010s period in five central African countries. A comprehensive error propagation scheme suggests that the uncertainty on AGB estimations derived from c. 0.5-ha inventory plots (8.6–15.0%) is only moderately higher than the error obtained from scientific sampling plots (8.3%). CoFor-AGB provides the first large scale view of forest AGB spatial variation from field data in central Africa, the second largest continuous tropical forest domain of the world.

La biomasse forestière est un indicateur essentiel pour la surveillance des écosystèmes et du climat de la Terre. Il s'agit d'une contribution essentielle à la comptabilisation des gaz à effet de serre, à l'estimation des pertes de carbone et de la dégradation des forêts, à l'évaluation du potentiel des énergies renouvelables et à l'élaboration de politiques d'atténuation du changement climatique telles que REDD+, entre autres. La cartographie mur à mur de la biomasse aérienne (AGB) est maintenant possible avec la télédétection par satellite (RS). Cependant, les méthodes RS nécessitent des données in situ existantes, à jour, fiables, représentatives et comparables pour l'étalonnage et la validation. Nous présentons ici l'initiative Forest Observation System (Fos), une coopération internationale visant à établir et à maintenir une base de données mondiale sur la biomasse forestière in situ. Les estimations de la hauteur de l'AGB et de la canopée avec leurs incertitudes associées sont dérivées à une échelle de 0,25 ha à partir de mesures sur le terrain effectuées dans des parcelles de recherche permanentes à travers les forêts du monde. Toutes les estimations des placettes sont géolocalisées et ont une taille qui permet une comparaison directe avec de nombreuses mesures RS. Le Fos offre le potentiel d'améliorer la précision des produits de la biomasse à base de RS tout en développant de nouvelles synergies entre la RS et les communautés de recherche sur les écosystèmes terrestres. La biomasa forestal es un indicador esencial para monitorear los ecosistemas y el clima de la Tierra. Es un insumo crítico para la contabilidad de gases de efecto invernadero, la estimación de las pérdidas de carbono y la degradación forestal, la evaluación del potencial de energía renovable y para el desarrollo de políticas de mitigación del cambio climático como REDD+, entre otras. El mapeo de pared a pared de la biomasa sobre el suelo (AGB) ahora es posible con la teledetección satelital (RS). Sin embargo, los métodos de RS requieren datos in situ existentes, actualizados, confiables, representativos y comparables para la calibración y validación. Aquí, presentamos la iniciativa del Sistema de Observación Forestal (FOS), una cooperación internacional para establecer y mantener una base de datos global de biomasa forestal in situ. Las estimaciones de altura de AGB y dosel con sus incertidumbres asociadas se derivan a una escala de 0,25 ha a partir de mediciones de campo realizadas en parcelas de investigación permanentes en los bosques del mundo. Todas las estimaciones de parcelas están geolocalizadas y tienen un tamaño que permite la comparación directa con muchas mediciones de RS. El FOS ofrece el potencial de mejorar la precisión de los productos de biomasa basados en RS al tiempo que desarrolla nuevas sinergias entre las comunidades de investigación de ecosistemas basados en RS y en tierra. Forest biomass is an essential indicator for monitoring the Earth's ecosystems and climate. It is a critical input to greenhouse gas accounting, estimation of carbon losses and forest degradation, assessment of renewable energy potential, and for developing climate change mitigation policies such as REDD+, among others. Wall-to-wall mapping of aboveground biomass (AGB) is now possible with satellite remote sensing (RS). However, RS methods require extant, up-to-date, reliable, representative and comparable in situ data for calibration and validation. Here, we present the Forest Observation System (FOS) initiative, an international cooperation to establish and maintain a global in situ forest biomass database. AGB and canopy height estimates with their associated uncertainties are derived at a 0.25 ha scale from field measurements made in permanent research plots across the world's forests. All plot estimates are geolocated and have a size that allows for direct comparison with many RS measurements. The FOS offers the potential to improve the accuracy of RS-based biomass products while developing new synergies between the RS and ground-based ecosystem research communities. الكتلة الحيوية للغابات هي مؤشر أساسي لرصد النظم الإيكولوجية للأرض ومناخها. وهو مدخل حاسم في المحاسبة المتعلقة بغازات الدفيئة، وتقدير خسائر الكربون وتدهور الغابات، وتقييم إمكانات الطاقة المتجددة، ووضع سياسات للتخفيف من آثار تغير المناخ مثل المبادرة المعززة لخفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغاباتوتدهورها، من بين أمور أخرى. أصبح من الممكن الآن رسم خرائط من الجدار إلى الجدار للكتلة الحيوية فوق الأرض (AGB) باستخدام الاستشعار عن بعد عبر الأقمار الصناعية (RS). ومع ذلك، تتطلب طرق RS بيانات موجودة وحديثة وموثوقة وتمثيلية وقابلة للمقارنة في الموقع للمعايرة والتحقق من الصحة. نقدم هنا مبادرة نظام مراقبة الغابات، وهو تعاون دولي لإنشاء وصيانة قاعدة بيانات عالمية للكتلة الحيوية للغابات في الموقع. يتم اشتقاق تقديرات ارتفاع AGB والمظلة مع أوجه عدم اليقين المرتبطة بها على مقياس 0.25 هكتار من القياسات الميدانية التي تم إجراؤها في قطع البحث الدائمة عبر غابات العالم. جميع تقديرات المخطط محددة جغرافيًا ولها حجم يسمح بالمقارنة المباشرة مع العديد من قياسات RS. يوفر نظام التشغيل الحر إمكانية تحسين دقة منتجات الكتلة الحيوية القائمة على RS مع تطوير أوجه تآزر جديدة بين RS ومجتمعات أبحاث النظام الإيكولوجي الأرضية.

Comprendre les facteurs qui façonnent la répartition des espèces d'arbres tropicaux à grande échelle est un enjeu central de l'écologie, de la conservation et de la gestion forestière. Les objectifs de cette étude étaient (i) d'évaluer l'importance des facteurs environnementaux par rapport aux facteurs historiques pour la répartition des espèces d'arbres dans les forêts semi-vertes du nord du bassin du Congo ; et (ii) d'identifier les mécanismes potentiels expliquant les schémas de répartition par une approche basée sur les traits. Nous avons analysé les schémas de répartition de 31 espèces d'arbres communes dans une zone de plus de 700 000 km(2) couvrant les frontières du Cameroun, de la République centrafricaine et de la République du Congo à l'aide de données d'inventaire forestier provenant de 56 445 parcelles de 0,5 ha. La variation spatiale des facteurs environnementaux (climat, topographie et géologie) et historiques (perturbation humaine) a été quantifiée à partir de cartes et d'enregistrements satellitaires. Quatre traits fonctionnels clés (phénologie foliaire, tolérance à l'ombre, densité du bois et taux de croissance maximal) ont été extraits de la littérature. Le substrat géologique était d'une importance majeure pour la distribution des espèces focales, tandis que le climat et les perturbations humaines passées avaient un impact significatif mais moindre. Les patrons de distribution des espèces étaient significativement liés aux traits fonctionnels. Les espèces associées aux sols sablonneux typiques du grès et de l'alluvion ont été caractérisées par des taux de croissance lents, une tolérance à l'ombre, des feuilles persistantes et une densité de bois élevée, traits permettant la persistance sur les sols pauvres en ressources. En revanche, les espèces pionnières à croissance rapide se sont rarement produites sur des sols sablonneux, à l'exception de Lophira alata. Les résultats indiquent un fort filtrage environnemental en raison de la disponibilité différentielle des ressources du sol entre les substrats géologiques. De plus, les perturbations humaines à long terme dans les zones riches en ressources peuvent avoir accentué les modèles observés de distribution des espèces et des traits. Les différences de traits entre les substrats géologiques impliquent des différences prononcées dans les processus démographiques et écosystémiques et nécessitent des stratégies de conservation et de gestion différentes. Comprender los factores que dan forma a la distribución de las especies de árboles tropicales a gran escala es un tema central en la ecología, la protección y la gestión forestal. Los objetivos de este estudio fueron (i) evaluar la importancia de los factores ambientales en relación con los factores históricos para la distribución de especies arbóreas en los bosques semiperennifolios de la cuenca norte del Congo; y (ii) identificar posibles mecanismos que expliquen los patrones de distribución a través de un enfoque basado en rasgos. Analizamos los patrones de distribución de 31 especies arbóreas comunes en un área de más de 700.000 km(2) que abarca las fronteras de Camerún, la República Centroafricana y la República del Congo utilizando datos de inventario forestal de 56.445 parcelas de 0,5 hectáreas. La variación espacial de los factores ambientales (clima, topografía y geología) e históricos (perturbación humana) se cuantificó a partir de mapas y registros satelitales. Se extrajeron de la literatura cuatro rasgos funcionales clave (fenología de las hojas, tolerancia a la sombra, densidad de la madera y tasa máxima de crecimiento). El sustrato geológico fue de gran importancia para la distribución de las especies focales, mientras que el clima y las perturbaciones humanas pasadas tuvieron un impacto significativo pero menor. Los patrones de distribución de las especies se relacionaron significativamente con los rasgos funcionales. Las especies asociadas con suelos arenosos típicos de arenisca y aluvión se caracterizaron por tasas de crecimiento lentas, tolerancia a la sombra, hojas de hoja perenne y alta densidad de madera, rasgos que permiten la persistencia en suelos de escasos recursos. Por el contrario, las especies pioneras de rápido crecimiento rara vez ocurrieron en suelos arenosos, a excepción de Lophira alata. Los resultados indican un fuerte filtrado ambiental debido a la disponibilidad diferencial de recursos del suelo en los sustratos geológicos. Además, las perturbaciones humanas a largo plazo en áreas ricas en recursos pueden haber acentuado los patrones observados de especies y distribuciones de rasgos. Las diferencias de rasgos entre los sustratos geológicos implican diferencias pronunciadas en los procesos de la población y los ecosistemas, y requieren diferentes estrategias de protección y gestión. Understanding the factors that shape the distribution of tropical tree species at large scales is a central issue in ecology, conservation and forest management. The aims of this study were to (i) assess the importance of environmental factors relative to historical factors for tree species distributions in the semi-evergreen forests of the northern Congo basin; and to (ii) identify potential mechanisms explaining distribution patterns through a trait-based approach.We analyzed the distribution patterns of 31 common tree species in an area of more than 700,000 km(2) spanning the borders of Cameroon, the Central African Republic, and the Republic of Congo using forest inventory data from 56,445 0.5-ha plots. Spatial variation of environmental (climate, topography and geology) and historical factors (human disturbance) were quantified from maps and satellite records. Four key functional traits (leaf phenology, shade tolerance, wood density, and maximum growth rate) were extracted from the literature. The geological substrate was of major importance for the distribution of the focal species, while climate and past human disturbances had a significant but lesser impact. Species distribution patterns were significantly related to functional traits. Species associated with sandy soils typical of sandstone and alluvium were characterized by slow growth rates, shade tolerance, evergreen leaves, and high wood density, traits allowing persistence on resource-poor soils. In contrast, fast-growing pioneer species rarely occurred on sandy soils, except for Lophira alata.The results indicate strong environmental filtering due to differential soil resource availability across geological substrates. Additionally, long-term human disturbances in resource-rich areas may have accentuated the observed patterns of species and trait distributions. Trait differences across geological substrates imply pronounced differences in population and ecosystem processes, and call for different conservation and management strategies. يعد فهم العوامل التي تشكل توزيع أنواع الأشجار الاستوائية على نطاق واسع قضية مركزية في البيئة والحفظ وإدارة الغابات. كانت أهداف هذه الدراسة هي (1) تقييم أهمية العوامل البيئية بالنسبة للعوامل التاريخية لتوزيع أنواع الأشجار في الغابات شبه الخضراء في حوض شمال الكونغو ؛ و (2) تحديد الآليات المحتملة التي تشرح أنماط التوزيع من خلال نهج قائم على السمات. قمنا بتحليل أنماط التوزيع لـ 31 نوعًا من الأشجار الشائعة في منطقة تزيد مساحتها عن 700000 كيلومتر(2) تمتد على حدود الكاميرون وجمهورية أفريقيا الوسطى وجمهورية الكونغو باستخدام بيانات جرد الغابات من 56،445 قطعة أرض مساحتها 0.5 هكتار. تم قياس التباين المكاني للعوامل البيئية (المناخ والتضاريس والجيولوجيا) والتاريخية (الاضطراب البشري) من الخرائط وسجلات الأقمار الصناعية. تم استخراج أربع سمات وظيفية رئيسية (الفينولوجيا الورقية، وتحمل الظل، وكثافة الخشب، والحد الأقصى لمعدل النمو) من الأدبيات. كانت الركيزة الجيولوجية ذات أهمية كبيرة لتوزيع الأنواع المحورية، في حين كان للمناخ والاضطرابات البشرية السابقة تأثير كبير ولكن أقل. كانت أنماط توزيع الأنواع مرتبطة بشكل كبير بالسمات الوظيفية. تميزت الأنواع المرتبطة بالتربة الرملية النموذجية للحجر الرملي والطمي بمعدلات نمو بطيئة، وتحمل الظل، والأوراق دائمة الخضرة، وكثافة الخشب العالية، والسمات التي تسمح بالثبات على التربة الفقيرة بالموارد. على النقيض من ذلك، نادرًا ما تحدث الأنواع الرائدة سريعة النمو في التربة الرملية، باستثناء Lophira alata. تشير النتائج إلى ترشيح بيئي قوي بسبب توافر موارد التربة التفاضلية عبر الركائز الجيولوجية. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون الاضطرابات البشرية طويلة الأجل في المناطق الغنية بالموارد قد أبرزت الأنماط المرصودة لتوزيع الأنواع والسمات. تنطوي اختلافات السمات عبر الركائز الجيولوجية على اختلافات واضحة في عمليات السكان والنظم الإيكولوجية، وتستدعي استراتيجيات مختلفة للحفظ والإدارة.

Abstract Significant research efforts have been made to uncover links between biodiversity and biomass productivity in forest ecosystems. However, the causal link between these two ecosystem components, and the underlying mediation role of disturbance, are yet poorly understood for hyper‐diverse tropical forests, because multiple ecological mechanisms are sequentially or simultaneously in play, leading to contradictory results in observational studies. Here, we introduce a novel framework for inferring the expected effects of evolutionary diversity on biomass stocks and productivity within forest ecosystems using observational field data. This framework involves an analytical decomposition of stand biomass into three key components: the number of trees, the mean size of trees and the mean wood density. Through this approach, we can distinguish structure‐ and compositional‐based diversity effects, which likely have distinct ecological origins. We tested this framework in one of the oldest tropical forest experiments, where different levels of silvicultural disturbances were applied in the 1980s, with regular monitoring since then. Our results revealed that disturbance history mediates the effect of evolutionary diversity on forest biomass dynamics and that several Biodiversity Ecosystem Function (BEF) relationships may be hidden behind the composite biomass variable. We specifically found an overall significant negative relationship between evolutionary diversity and biomass productivity soon after disturbances (~5–8 years), mostly via mean tree size, despite a positive evolutionary diversity effect on mean wood density. This result reflects that the productivity of disturbed forests is driven by a few dominant and disturbance‐prone species with low wood density and large potential stature, and not by niche complementarity among species. However, these effects rapidly vanished with time, with non‐significant overall effect of evolutionary diversity on productivity both ~30 years after disturbance and in the undisturbed plots. Synthesis. By disentangling the effects of evolutionary diversity on the different components of forest biomass, our framework unveiled how evolutionary diversity impacts forest productivity through different ecological mechanisms, and suggests that it plays a major role, albeit mainly negative, only soon after a disturbance.