• Energy Research

Models reveal the high carbon mitigation potential of tropical forest regeneration.

The nutrient demands of regrowing tropical forests are partly satisfied by nitrogen-fixing legume trees, but our understanding of the abundance of those species is biased towards wet tropical regions. Here we show how the abundance of Leguminosae is affected by both recovery from disturbance and large-scale rainfall gradients through a synthesis of forest inventory plots from a network of 42 Neotropical forest chronosequences. During the first three decades of natural forest regeneration, legume basal area is twice as high in dry compared with wet secondary forests. The tremendous ecological success of legumes in recently disturbed, water-limited forests is likely to be related to both their reduced leaflet size and ability to fix N2, which together enhance legume drought tolerance and water-use efficiency. Earth system models should incorporate these large-scale successional and climatic patterns of legume dominance to provide more accurate estimates of the maximum potential for natural nitrogen fixation across tropical forests.

L'une des questions les plus fondamentales en écologie est de savoir combien d'espèces habitent la Terre. Cependant, en raison des défis logistiques et financiers massifs et des difficultés taxonomiques liées à la définition du concept d'espèce, le nombre global d'espèces, y compris celles des formes de vie importantes et bien étudiées telles que les arbres, reste encore largement inconnu. Ici, sur la base de données mondiales provenant de sources terrestres, nous estimons la richesse totale des espèces d'arbres aux niveaux mondial, continental et du biome. Nos résultats indiquent qu'il y a environ73 000 espèces d'arbres dans le monde, parmi lesquelles environ9 000 espèces d'arbres n'ont pas encore été découvertes. Environ 40 % des espèces d'arbres non découvertes se trouvent en Amérique du Sud. En outre, près d'un tiers de toutes les espèces d'arbres à découvrir peuvent être rares, avec des populations très faibles et une répartition spatiale limitée (probablement dans les basses terres tropicales et les montagnes éloignées). Ces résultats mettent en évidence la vulnérabilité de la biodiversité forestière mondiale aux changements anthropiques dans l'utilisation des terres et le climat, qui menacent de manière disproportionnée les espèces rares et donc la richesse mondiale en arbres. Una de las preguntas más fundamentales en ecología es cuántas especies habitan la Tierra. Sin embargo, debido a los enormes desafíos logísticos y financieros y a las dificultades taxonómicas relacionadas con la definición del concepto de especie, el número global de especies, incluidas las de formas de vida importantes y bien estudiadas, como los árboles, sigue siendo en gran medida desconocido. Aquí, con base en datos globales de fuentes terrestres, estimamos la riqueza total de especies de árboles a nivel global, continental y de biomas. Nuestros resultados indican que hay ~73,000 especies de árboles a nivel mundial, entre las cuales ~9,000 especies de árboles aún no se han descubierto. Aproximadamente el 40% de las especies de árboles no descubiertas se encuentran en América del Sur. Además, casi un tercio de todas las especies de árboles por descubrir pueden ser raras, con poblaciones muy bajas y una distribución espacial limitada (probablemente en tierras bajas y montañas tropicales remotas). Estos hallazgos ponen de relieve la vulnerabilidad de la biodiversidad forestal mundial a los cambios antropogénicos en el uso de la tierra y el clima, que amenazan desproporcionadamente a las especies raras y, por lo tanto, a la riqueza arbórea mundial. One of the most fundamental questions in ecology is how many species inhabit the Earth. However, due to massive logistical and financial challenges and taxonomic difficulties connected to the species concept definition, the global numbers of species, including those of important and well-studied life forms such as trees, still remain largely unknown. Here, based on global ground-sourced data, we estimate the total tree species richness at global, continental, and biome levels. Our results indicate that there are ∼73,000 tree species globally, among which ∼9,000 tree species are yet to be discovered. Roughly 40% of undiscovered tree species are in South America. Moreover, almost one-third of all tree species to be discovered may be rare, with very low populations and limited spatial distribution (likely in remote tropical lowlands and mountains). These findings highlight the vulnerability of global forest biodiversity to anthropogenic changes in land use and climate, which disproportionately threaten rare species and thus, global tree richness. أحد أهم الأسئلة الأساسية في علم البيئة هو عدد الأنواع التي تعيش على الأرض. ومع ذلك، نظرًا للتحديات اللوجستية والمالية الهائلة والصعوبات التصنيفية المرتبطة بتعريف مفهوم الأنواع، لا تزال الأعداد العالمية للأنواع، بما في ذلك أشكال الحياة المهمة والمدروسة جيدًا مثل الأشجار، غير معروفة إلى حد كبير. هنا، استنادًا إلى البيانات العالمية من مصادر أرضية، نقدر إجمالي ثراء أنواع الأشجار على المستويات العالمية والقارية والبيولوجية. تشير نتائجنا إلى أن هناك 73000 نوع من الأشجار على مستوى العالم، من بينها 9000 نوع من الأشجار لم يتم اكتشافها بعد. يوجد ما يقرب من 40 ٪ من أنواع الأشجار غير المكتشفة في أمريكا الجنوبية. علاوة على ذلك، قد يكون ما يقرب من ثلث جميع أنواع الأشجار التي سيتم اكتشافها نادرًا، مع أعداد قليلة جدًا وتوزيع مكاني محدود (على الأرجح في الأراضي المنخفضة والجبال الاستوائية النائية). تسلط هذه النتائج الضوء على ضعف التنوع البيولوجي العالمي للغابات أمام التغيرات البشرية المنشأ في استخدام الأراضي والمناخ، والتي تهدد بشكل غير متناسب الأنواع النادرة وبالتالي ثراء الأشجار العالمي.

Le gradient de diversité latitudinale (LDG) est l'un des modèles mondiaux de richesse en espèces les plus reconnus dans un large éventail de taxons. De nombreuses hypothèses ont été proposées au cours des deux derniers siècles pour expliquer le LDG, mais des tests rigoureux des facteurs de LDG ont été limités par un manque de données mondiales de haute qualité sur la richesse en espèces. Ici, nous produisons une carte à haute résolution (0,025° × 0,025°) de la richesse des espèces d'arbres locales à l'aide d'une base de données d'inventaire forestier mondial avec des informations sur les arbres individuels et des caractéristiques biophysiques locales à partir d'environ 1,3 million de placettes-échantillons. Nous quantifions ensuite les moteurs des modèles de richesse des espèces d'arbres locales à travers les latitudes. En général, la température moyenne annuelle était un prédicteur dominant de la richesse des espèces d'arbres, ce qui est le plus conforme à la théorie métabolique de la biodiversité (MTB). Cependant, le MTB a sous-estimé le LDG sous les tropiques, où la richesse élevée en espèces a également été modérée par des facteurs topographiques, pédologiques et anthropiques opérant à l'échelle locale. Étant donné que les variables locales du paysage agissent en synergie avec les facteurs bioclimatiques dans la formation du modèle mondial de LDG, nous suggérons que le MTB soit étendu pour tenir compte de la co-limitation par les conducteurs subordonnés. En examinant les facteurs du gradient latitudinal de biodiversité dans une base de données mondiale sur la richesse des espèces locales d'arbres, les auteurs montrent que la co-limitation par de multiples facteurs environnementaux et anthropiques provoque des augmentations plus importantes de la richesse avec la latitude dans les zones tropicales par rapport aux zones tempérées et boréales. El gradiente de diversidad latitudinal (LDG) es uno de los patrones globales más reconocidos de riqueza de especies que se exhiben en una amplia gama de taxones. Se han propuesto numerosas hipótesis en los últimos dos siglos para explicar la LDG, pero las pruebas rigurosas de los impulsores de las LDG se han visto limitadas por la falta de datos globales de alta calidad sobre la riqueza de especies. Aquí producimos un mapa de alta resolución (0.025° × 0.025°) de la riqueza de especies de árboles locales utilizando una base de datos de inventario forestal global con información de árboles individuales y características biofísicas locales de ~ 1.3 millones de parcelas de muestra. A continuación, cuantificamos los impulsores de los patrones de riqueza de especies arbóreas locales en todas las latitudes. En general, la temperatura media anual fue un predictor dominante de la riqueza de especies de árboles, lo que es más consistente con la teoría metabólica de la biodiversidad (MTB). Sin embargo, el MTB subestimó el LDG en los trópicos, donde la alta riqueza de especies también fue moderada por factores topográficos, del suelo y antropogénicos que operan a escala local. Dado que las variables del paisaje local operan sinérgicamente con factores bioclimáticos en la configuración del patrón global de LDG, sugerimos que el MTB se extienda para tener en cuenta la co-limitación por parte de los conductores subordinados. Al examinar los impulsores del gradiente de biodiversidad latitudinal en una base de datos global de la riqueza de especies de árboles locales, los autores muestran que la co-limitación por múltiples factores ambientales y antropogénicos causa aumentos más pronunciados en la riqueza con latitud en zonas tropicales versus templadas y boreales. The latitudinal diversity gradient (LDG) is one of the most recognized global patterns of species richness exhibited across a wide range of taxa. Numerous hypotheses have been proposed in the past two centuries to explain LDG, but rigorous tests of the drivers of LDGs have been limited by a lack of high-quality global species richness data. Here we produce a high-resolution (0.025° × 0.025°) map of local tree species richness using a global forest inventory database with individual tree information and local biophysical characteristics from ~1.3 million sample plots. We then quantify drivers of local tree species richness patterns across latitudes. Generally, annual mean temperature was a dominant predictor of tree species richness, which is most consistent with the metabolic theory of biodiversity (MTB). However, MTB underestimated LDG in the tropics, where high species richness was also moderated by topographic, soil and anthropogenic factors operating at local scales. Given that local landscape variables operate synergistically with bioclimatic factors in shaping the global LDG pattern, we suggest that MTB be extended to account for co-limitation by subordinate drivers. Examining drivers of the latitudinal biodiversity gradient in a global database of local tree species richness, the authors show that co-limitation by multiple environmental and anthropogenic factors causes steeper increases in richness with latitude in tropical versus temperate and boreal zones. يعد تدرج التنوع العرضي (LDG) أحد أكثر الأنماط العالمية المعترف بها لثراء الأنواع المعروضة عبر مجموعة واسعة من الأصناف. تم اقتراح العديد من الفرضيات في القرنين الماضيين لشرح غاز الديزل منخفض الكثافة، لكن الاختبارات الصارمة لمحركات غازات الديزل منخفض الكثافة كانت محدودة بسبب نقص بيانات ثراء الأنواع العالمية عالية الجودة. هنا ننتج خريطة عالية الدقة (0.025درجة × 0.025درجة) لثراء أنواع الأشجار المحلية باستخدام قاعدة بيانات جرد الغابات العالمية مع معلومات الأشجار الفردية والخصائص الفيزيائية الحيوية المحلية من حوالي 1.3 مليون قطعة عينة. ثم نحدد العوامل المحركة لأنماط ثراء أنواع الأشجار المحلية عبر خطوط العرض. بشكل عام، كان متوسط درجة الحرارة السنوية مؤشراً مهيمناً على ثراء أنواع الأشجار، وهو الأكثر اتساقاً مع نظرية التمثيل الغذائي للتنوع البيولوجي (MTB). ومع ذلك، قلل MTB من تقدير غاز التدهور المنخفض في المناطق المدارية، حيث كان ثراء الأنواع المرتفع معتدلاً أيضًا بسبب العوامل الطبوغرافية والتربة والعوامل البشرية المنشأ التي تعمل على المستويات المحلية. بالنظر إلى أن متغيرات المناظر الطبيعية المحلية تعمل بشكل تآزري مع العوامل المناخية الحيوية في تشكيل نمط الغازات المتدهورة عالميًا، فإننا نقترح توسيع نطاق الحد الأقصى للمناظر الطبيعية لمراعاة الحد المشترك من قبل الدوافع الثانوية. عند دراسة دوافع تدرج التنوع البيولوجي العرضي في قاعدة بيانات عالمية لثراء أنواع الأشجار المحلية، يوضح المؤلفون أن الحد المشترك من خلال عوامل بيئية وبشرية متعددة يسبب زيادات أكثر حدة في الثراء مع خط العرض في المناطق الاستوائية مقابل المناطق المعتدلة والشمالية.

An analysis of above-ground biomass recovery during secondary succession in forest sites and plots, covering the major environmental gradients in the Neotropics. Plus de la moitié des forêts tropicales du monde sont le produit d'une croissance secondaire, suite à des perturbations anthropiques. Il est donc important de savoir à quelle vitesse ces forêts secondaires se rétablissent suffisamment pour fournir des services écosystémiques équivalents à ceux des forêts anciennes. Ces auteurs se concentrent sur la séquestration du carbone dans les forêts néotropicales et constatent que l'absorption de carbone est beaucoup plus élevée que dans les forêts anciennes, ce qui permet de récupérer 90 % des stocks de carbone en 66 ans en moyenne, mais il existe également une grande variation du potentiel de récupération. Ces connaissances pourraient aider à évaluer les implications de la perte de forêts — et le potentiel de rétablissement — dans différentes zones. Le changement d'affectation des terres ne se produit nulle part plus rapidement que dans les tropiques, où le déséquilibre entre la déforestation et la repousse forestière a des conséquences importantes sur le cycle mondial du carbone1. Cependant, une incertitude considérable demeure quant au taux de récupération de la biomasse dans les forêts secondaires et à la manière dont ces taux sont influencés par le climat, le paysage et l'utilisation antérieure des terres2,3,4. Nous analysons ici la récupération de la biomasse aérienne au cours de la succession secondaire dans 45 sites forestiers et environ 1 500 parcelles forestières couvrant les principaux gradients environnementaux des Néotropiques. Les forêts secondaires étudiées sont très productives et résilientes. La récupération de la biomasse aérienne après 20 ans était en moyenne de 122 mégagrammes par hectare (Mg ha−1), ce qui correspond à une absorption nette de carbone de 3,05 Mg C ha−1 an−1, soit 11 fois le taux d'absorption des forêts anciennes. Les stocks de biomasse aérienne ont pris un temps médian de 66 ans pour se rétablir à 90 % des anciennes valeurs de croissance. La récupération de la biomasse aérienne après 20 ans a varié de 11,3 fois (de 20 à 225 Mg ha−1) d'un site à l'autre, et cette récupération a augmenté avec la disponibilité en eau (pluviométrie locale plus élevée et déficit en eau climatique plus faible). Nous présentons une carte de récupération de la biomasse d'Amérique latine, qui illustre la variation géographique et climatique du potentiel de séquestration du carbone au cours de la repousse forestière. La carte soutiendra les politiques visant à minimiser la perte de forêts dans les zones où la résilience de la biomasse est naturellement faible (telles que les régions forestières saisonnièrement sèches) et à promouvoir la régénération et la restauration des forêts dans les zones tropicales humides de plaine à forte résilience de la biomasse. Un análisis de la recuperación de biomasa sobre el suelo durante la sucesión secundaria en sitios forestales y parcelas, que cubre los principales gradientes ambientales en el Neotrópico. Más de la mitad de los bosques tropicales del mundo son producto de un crecimiento secundario, tras una perturbación antropogénica. Por lo tanto, es importante saber qué tan rápido se recuperan estos bosques secundarios lo suficiente como para proporcionar servicios ecosistémicos equivalentes a los de los bosques primarios. Estos autores se centran en el secuestro de carbono en los bosques neotropicales y encuentran que la absorción de carbono es mucho mayor que en los bosques primarios, lo que permite la recuperación del 90% de las reservas de carbono en un promedio de 66 años, pero también hay una amplia variación en el potencial de recuperación. Este conocimiento podría ayudar a evaluar las implicaciones de la pérdida de bosques, y el potencial de recuperación, en diferentes áreas. El cambio en el uso de la tierra no ocurre en ninguna parte más rápidamente que en los trópicos, donde el desequilibrio entre la deforestación y el rebrote de los bosques tiene grandes consecuencias para el ciclo global del carbono1. Sin embargo, persiste una considerable incertidumbre sobre la tasa de recuperación de biomasa en los bosques secundarios y cómo estas tasas están influenciadas por el clima, el paisaje y el uso previo de la tierra2,3,4. Aquí analizamos la recuperación de biomasa sobre el suelo durante la sucesión secundaria en 45 sitios forestales y alrededor de 1.500 parcelas forestales que cubren los principales gradientes ambientales en el Neotrópico. Los bosques secundarios estudiados son altamente productivos y resilientes. La recuperación de biomasa sobre el suelo después de 20 años fue en promedio de 122 megagramas por hectárea (Mg ha−1), lo que corresponde a una absorción neta de carbono de 3,05 Mg C ha−1 año−1, 11 veces la tasa de absorción de los bosques antiguos. Las existencias de biomasa sobre el suelo tardaron una mediana de 66 años en recuperarse hasta el 90% de los valores de crecimiento antiguo. La recuperación de biomasa sobre el suelo después de 20 años varió 11,3 veces (de 20 a 225 Mg ha-1) entre los sitios, y esta recuperación aumentó con la disponibilidad de agua (mayores precipitaciones locales y menor déficit climático de agua). Presentamos un mapa de recuperación de biomasa de América Latina, que ilustra la variación geográfica y climática en el potencial de secuestro de carbono durante el recrecimiento forestal. El mapa apoyará las políticas para minimizar la pérdida de bosques en áreas donde la resiliencia de la biomasa es naturalmente baja (como las regiones forestales estacionalmente secas) y promoverá la regeneración y restauración de bosques en áreas tropicales húmedas de tierras bajas con alta resiliencia a la biomasa. An analysis of above-ground biomass recovery during secondary succession in forest sites and plots, covering the major environmental gradients in the Neotropics. More than half the world's tropical forests are the product of secondary growth, following anthropogenic disturbance. It is therefore important to know how quickly these secondary forests recover sufficiently to provide ecosystem services equivalent to those of old-growth forest. These authors focus on carbon sequestration in Neotropical forests, and find that carbon uptake is much higher than in old-growth forest, allowing recovery to 90% of the carbon stocks in an average of 66 years, but there is also wide variation in recovery potential. This knowledge could help assess the implications of forest loss — and potential for recovery — in different areas. Land-use change occurs nowhere more rapidly than in the tropics, where the imbalance between deforestation and forest regrowth has large consequences for the global carbon cycle1. However, considerable uncertainty remains about the rate of biomass recovery in secondary forests, and how these rates are influenced by climate, landscape, and prior land use2,3,4. Here we analyse aboveground biomass recovery during secondary succession in 45 forest sites and about 1,500 forest plots covering the major environmental gradients in the Neotropics. The studied secondary forests are highly productive and resilient. Aboveground biomass recovery after 20 years was on average 122 megagrams per hectare (Mg ha−1), corresponding to a net carbon uptake of 3.05 Mg C ha−1 yr−1, 11 times the uptake rate of old-growth forests. Aboveground biomass stocks took a median time of 66 years to recover to 90% of old-growth values. Aboveground biomass recovery after 20 years varied 11.3-fold (from 20 to 225 Mg ha−1) across sites, and this recovery increased with water availability (higher local rainfall and lower climatic water deficit). We present a biomass recovery map of Latin America, which illustrates geographical and climatic variation in carbon sequestration potential during forest regrowth. The map will support policies to minimize forest loss in areas where biomass resilience is naturally low (such as seasonally dry forest regions) and promote forest regeneration and restoration in humid tropical lowland areas with high biomass resilience. تحليل لاسترداد الكتلة الحيوية فوق الأرض خلال التعاقب الثانوي في مواقع الغابات وقطع الأراضي، والتي تغطي التدرجات البيئية الرئيسية في المناطق المدارية الحديثة. أكثر من نصف الغابات الاستوائية في العالم هي نتاج نمو ثانوي، بعد الاضطرابات البشرية. لذلك من المهم معرفة مدى سرعة تعافي هذه الغابات الثانوية بما يكفي لتوفير خدمات نظام بيئي مكافئة لتلك الموجودة في الغابات القديمة النمو. يركز هؤلاء المؤلفون على عزل الكربون في الغابات المدارية الحديثة، ويجدون أن امتصاص الكربون أعلى بكثير منه في الغابات القديمة النمو، مما يسمح بالتعافي إلى 90 ٪ من مخزونات الكربون في متوسط 66 عامًا، ولكن هناك أيضًا تباينًا كبيرًا في إمكانات الاسترداد. يمكن أن تساعد هذه المعرفة في تقييم الآثار المترتبة على فقدان الغابات — وإمكانية التعافي — في مناطق مختلفة. لا يحدث تغير استخدام الأراضي في أي مكان بسرعة أكبر من المناطق المدارية، حيث يكون للاختلال بين إزالة الغابات وإعادة نمو الغابات عواقب كبيرة على دورة الكربون العالمية1. ومع ذلك، لا يزال هناك قدر كبير من عدم اليقين بشأن معدل استرداد الكتلة الحيوية في الغابات الثانوية، وكيف تتأثر هذه المعدلات بالمناخ والمناظر الطبيعية والاستخدام السابق للأراضي 2،3،4. نقوم هنا بتحليل استرداد الكتلة الحيوية فوق الأرض خلال التعاقب الثانوي في 45 موقعًا للغابات وحوالي 1500 قطعة غابات تغطي التدرجات البيئية الرئيسية في المناطق المدارية الحديثة. الغابات الثانوية المدروسة عالية الإنتاجية والمرونة. كان استرداد الكتلة الحيوية فوق الأرض بعد 20 عامًا في المتوسط 122 ميغاغرام لكل هكتار (Mg ha−1)، وهو ما يعادل امتصاصًا صافياً للكربون قدره 3.05 Mg C ha−1 سنة−1، أي 11 ضعف معدل امتصاص الغابات القديمة النمو. استغرقت مخزونات الكتلة الحيوية فوق الأرض وقتًا متوسطًا قدره 66 عامًا للتعافي إلى 90 ٪ من قيم النمو القديمة. تفاوت استرداد الكتلة الحيوية فوق الأرض بعد 20 عامًا 11.3 ضعفًا (من 20 إلى 225 ملليغرام هكتار−1) عبر المواقع، وزاد هذا الانتعاش مع توافر المياه (ارتفاع هطول الأمطار المحلية وانخفاض العجز المائي المناخي). نقدم خريطة استرداد الكتلة الحيوية لأمريكا اللاتينية، والتي توضح التباين الجغرافي والمناخي في إمكانات عزل الكربون أثناء إعادة نمو الغابات. ستدعم الخريطة السياسات الرامية إلى تقليل فقدان الغابات في المناطق التي تكون فيها مرونة الكتلة الحيوية منخفضة بشكل طبيعي (مثل مناطق الغابات الجافة الموسمية) وتعزيز تجديد الغابات واستعادتها في المناطق المنخفضة الاستوائية الرطبة ذات المرونة العالية للكتلة الحيوية.