• Energy Research

Summary Tree size shapes forest carbon dynamics and determines how trees interact with their environment, including a changing climate. Here, we conduct the first global analysis of among‐site differences in how aboveground biomass stocks and fluxes are distributed with tree size. We analyzed repeat tree censuses from 25 large‐scale (4–52 ha) forest plots spanning a broad climatic range over five continents to characterize how aboveground biomass, woody productivity, and woody mortality vary with tree diameter. We examined how the median, dispersion, and skewness of these size‐related distributions vary with mean annual temperature and precipitation. In warmer forests, aboveground biomass, woody productivity, and woody mortality were more broadly distributed with respect to tree size. In warmer and wetter forests, aboveground biomass and woody productivity were more right skewed, with a long tail towards large trees. Small trees (1–10 cm diameter) contributed more to productivity and mortality than to biomass, highlighting the importance of including these trees in analyses of forest dynamics. Our findings provide an improved characterization of climate‐driven forest differences in the size structure of aboveground biomass and dynamics of that biomass, as well as refined benchmarks for capturing climate influences in vegetation demographic models.

Dans les forêts tropicales amazoniennes, des études récentes ont rapporté des augmentations de la biomasse aérienne et de la productivité primaire, ainsi que des changements dans la composition des espèces végétales favorisant les espèces à croissance rapide par rapport aux espèces à croissance lente. Cette altération omniprésente des forêts tropicales matures a été attribuée aux changements environnementaux mondiaux, tels qu'une augmentation de la concentration atmosphérique de CO2, des dépôts de nutriments, de la température, de la fréquence des sécheresses et/ou de l'irradiance. Nous avons utilisé des mesures standardisées et répétées de plus de 2 millions d'arbres dans dix grandes parcelles forestières (16 à 52 ha chacune) sur trois continents pour évaluer la généralité de ces résultats dans les forêts tropicales. La biomasse aérienne a augmenté dans sept de nos dix parcelles, de manière significative dans quatre parcelles, et a montré une forte diminution dans une seule parcelle. L'accumulation de carbone regroupée entre les sites était significative (+0,24 MgC ha(-1) y(-1), intervalles de confiance à 95 % [0,07, 0,39] MgC ha(-1) y(-1)), mais inférieure à celle rapportée précédemment pour l'Amazonie. Sur trois sites pour lesquels nous avions des données pour plusieurs intervalles de recensement, nous n'avons trouvé aucune augmentation concertée du gain de biomasse, en contradiction avec l'hypothèse de productivité accrue. Sur l'ensemble des dix parcelles, le quartile d'espèces à la croissance la plus rapide a gagné de la biomasse (+0,33 [0,09, 0,55] % y(-1)) par rapport à la communauté arboricole dans son ensemble (+0,15 % y(-1)) ; cependant, cette tendance significative était due à une seule parcelle. La biomasse des espèces à croissance lente a augmenté de manière significative lorsqu'elle a été calculée sur toutes les placettes (+0,21 [0,02, 0,37] % y(-1)), et dans la moitié de nos placettes lorsqu'elle a été calculée individuellement. Nos résultats ne corroborent pas l'hypothèse selon laquelle les espèces à croissance rapide sont de plus en plus dominantes dans les communautés d'arbres tropicaux. Au lieu de cela, ils suggèrent que nos parcelles peuvent se remettre simultanément des perturbations passées et être affectées par les changements dans la disponibilité des ressources. Des études à plus long terme sont nécessaires pour clarifier la contribution du changement global au fonctionnement des forêts tropicales. En los bosques tropicales amazónicos, estudios recientes han reportado aumentos en la biomasa aérea y en la productividad primaria, así como cambios en la composición de las especies de plantas que favorecen a las especies de rápido crecimiento sobre las de crecimiento lento. Esta alteración generalizada de los bosques tropicales maduros se atribuyó al cambio ambiental global, como un aumento en la concentración atmosférica de CO2, la deposición de nutrientes, la temperatura, la frecuencia de la sequía y/o la irradiancia. Utilizamos mediciones estandarizadas y repetidas de más de 2 millones de árboles en diez grandes parcelas forestales (16-52 ha cada una) en tres continentes para evaluar la generalidad de estos hallazgos en los bosques tropicales. La biomasa superficial aumentó en siete de nuestras diez parcelas, de manera significativa en cuatro parcelas, y mostró una gran disminución en una sola parcela. La acumulación de carbono agrupada en todos los sitios fue significativa (+0,24 MgC ha(-1) y(-1), intervalos de confianza del 95% [0,07, 0,39] MgC ha(-1) y(-1)), pero inferior a la informada anteriormente para la Amazonia. En tres sitios para los que teníamos datos para múltiples intervalos de censo, no encontramos un aumento concertado en la ganancia de biomasa, en conflicto con la hipótesis del aumento de la productividad. En las diez parcelas, el cuartil de especies de más rápido crecimiento ganó biomasa (+0,33 [0,09, 0,55] % y(-1)) en comparación con la comunidad arbórea en su conjunto (+0,15 % y(-1)); sin embargo, esta tendencia significativa se debió a una sola parcela. La biomasa de especies de crecimiento lento aumentó significativamente cuando se calculó en todas las parcelas (+0,21 [0,02, 0,37] % y(-1)), y en la mitad de nuestras parcelas cuando se calculó individualmente. Nuestros resultados no respaldan la hipótesis de que las especies de rápido crecimiento estén aumentando constantemente en dominio en las comunidades de árboles tropicales. En cambio, sugieren que nuestras parcelas pueden estar recuperándose simultáneamente de perturbaciones pasadas y verse afectadas por cambios en la disponibilidad de recursos. Se necesitan más estudios a largo plazo para aclarar la contribución del cambio global al funcionamiento de los bosques tropicales. In Amazonian tropical forests, recent studies have reported increases in aboveground biomass and in primary productivity, as well as shifts in plant species composition favouring fast-growing species over slow-growing ones. This pervasive alteration of mature tropical forests was attributed to global environmental change, such as an increase in atmospheric CO2 concentration, nutrient deposition, temperature, drought frequency, and/or irradiance. We used standardized, repeated measurements of over 2 million trees in ten large (16-52 ha each) forest plots on three continents to evaluate the generality of these findings across tropical forests. Aboveground biomass increased at seven of our ten plots, significantly so at four plots, and showed a large decrease at a single plot. Carbon accumulation pooled across sites was significant (+0.24 MgC ha(-1) y(-1), 95% confidence intervals [0.07, 0.39] MgC ha(-1) y(-1)), but lower than reported previously for Amazonia. At three sites for which we had data for multiple census intervals, we found no concerted increase in biomass gain, in conflict with the increased productivity hypothesis. Over all ten plots, the fastest-growing quartile of species gained biomass (+0.33 [0.09, 0.55] % y(-1)) compared with the tree community as a whole (+0.15 % y(-1)); however, this significant trend was due to a single plot. Biomass of slow-growing species increased significantly when calculated over all plots (+0.21 [0.02, 0.37] % y(-1)), and in half of our plots when calculated individually. Our results do not support the hypothesis that fast-growing species are consistently increasing in dominance in tropical tree communities. Instead, they suggest that our plots may be simultaneously recovering from past disturbances and affected by changes in resource availability. More long-term studies are necessary to clarify the contribution of global change to the functioning of tropical forests. في غابات الأمازون الاستوائية، أبلغت الدراسات الحديثة عن زيادات في الكتلة الحيوية فوق الأرض وفي الإنتاجية الأولية، فضلاً عن التحولات في تكوين الأنواع النباتية التي تفضل الأنواع سريعة النمو على الأنواع بطيئة النمو. ويعزى هذا التغيير المنتشر في الغابات الاستوائية الناضجة إلى التغير البيئي العالمي، مثل الزيادة في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وترسب المغذيات، ودرجة الحرارة، وتواتر الجفاف، و/أو الإشعاع. استخدمنا قياسات موحدة ومتكررة لأكثر من مليوني شجرة في عشر قطع غابات كبيرة (16-52 هكتار لكل منها) في ثلاث قارات لتقييم عمومية هذه النتائج عبر الغابات الاستوائية. زادت الكتلة الحيوية فوق الأرض في سبع من قطعنا العشر، بشكل ملحوظ في أربع قطع، وأظهرت انخفاضًا كبيرًا في قطعة أرض واحدة. كان تراكم الكربون المجمع عبر المواقع كبيرًا (+0.24 MgC ha(-1) y(-1)، فواصل ثقة 95 ٪ [0.07، 0.39] MgC ha(-1) y(-1))، ولكنه أقل مما تم الإبلاغ عنه سابقًا في الأمازون. في ثلاثة مواقع كان لدينا بيانات عنها لفترات تعداد متعددة، لم نجد أي زيادة منسقة في كسب الكتلة الحيوية، بما يتعارض مع فرضية زيادة الإنتاجية. على جميع القطع العشر، اكتسب الربع الأسرع نموًا من الأنواع الكتلة الحيوية (+0.33 [0.09، 0.55 ]٪ y(-1)) مقارنة بمجتمع الأشجار ككل (+0.15 ٪ y(-1 ))؛ ومع ذلك، كان هذا الاتجاه الكبير بسبب قطعة أرض واحدة. زادت الكتلة الحيوية للأنواع بطيئة النمو بشكل كبير عند حسابها على جميع القطع (+0.21 [0.02، 0.37 ]٪ y(-1))، وفي نصف قطعنا عند حسابها بشكل فردي. لا تدعم نتائجنا الفرضية القائلة بأن الأنواع سريعة النمو تتزايد باستمرار في الهيمنة في مجتمعات الأشجار الاستوائية. وبدلاً من ذلك، يشيرون إلى أن قطع أراضينا قد تتعافى في وقت واحد من الاضطرابات السابقة وتتأثر بالتغيرات في توافر الموارد. من الضروري إجراء المزيد من الدراسات طويلة الأجل لتوضيح مساهمة التغير العالمي في عمل الغابات المدارية.

AbstractTropical forests are global centres of biodiversity and carbon storage. Many tropical countries aspire to protect forest to fulfil biodiversity and climate mitigation policy targets, but the conservation strategies needed to achieve these two functions depend critically on the tropical forest tree diversity-carbon storage relationship. Assessing this relationship is challenging due to the scarcity of inventories where carbon stocks in aboveground biomass and species identifications have been simultaneously and robustly quantified. Here, we compile a unique pan-tropical dataset of 360 plots located in structurally intact old-growth closed-canopy forest, surveyed using standardised methods, allowing a multi-scale evaluation of diversity-carbon relationships in tropical forests. Diversity-carbon relationships among all plots at 1 ha scale across the tropics are absent, and within continents are either weak (Asia) or absent (Amazonia, Africa). A weak positive relationship is detectable within 1 ha plots, indicating that diversity effects in tropical forests may be scale dependent. The absence of clear diversity-carbon relationships at scales relevant to conservation planning means that carbon-centred conservation strategies will inevitably miss many high diversity ecosystems. As tropical forests can have any combination of tree diversity and carbon stocks both require explicit consideration when optimising policies to manage tropical carbon and biodiversity.

Abstract. Advances in forest carbon mapping have the potential to greatly reduce uncertainties in the global carbon budget and to facilitate effective emissions mitigation strategies such as REDD+ (Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation). Though broad-scale mapping is based primarily on remote sensing data, the accuracy of resulting forest carbon stock estimates depends critically on the quality of field measurements and calibration procedures. The mismatch in spatial scales between field inventory plots and larger pixels of current and planned remote sensing products for forest biomass mapping is of particular concern, as it has the potential to introduce errors, especially if forest biomass shows strong local spatial variation. Here, we used 30 large (8–50 ha) globally distributed permanent forest plots to quantify the spatial variability in aboveground biomass density (AGBD in Mg ha–1) at spatial scales ranging from 5 to 250 m (0.025–6.25 ha), and to evaluate the implications of this variability for calibrating remote sensing products using simulated remote sensing footprints. We found that local spatial variability in AGBD is large for standard plot sizes, averaging 46.3% for replicate 0.1 ha subplots within a single large plot, and 16.6% for 1 ha subplots. AGBD showed weak spatial autocorrelation at distances of 20–400 m, with autocorrelation higher in sites with higher topographic variability and statistically significant in half of the sites. We further show that when field calibration plots are smaller than the remote sensing pixels, the high local spatial variability in AGBD leads to a substantial "dilution" bias in calibration parameters, a bias that cannot be removed with standard statistical methods. Our results suggest that topography should be explicitly accounted for in future sampling strategies and that much care must be taken in designing calibration schemes if remote sensing of forest carbon is to achieve its promise.