Tree diversity increases carbon stocks and fluxes above-but not belowground in a tropical forest experiment

Schnabel Florian, Guillemot Joannès, Barry Kathryn E., Brunn Mélanie, Cesarz Simone, Eisenhauer Nico, Gebauer Tobias, Guerrero-Ramírez Nathaly R., Handa Tanya, Madsen Chris, Mancilla Lady, Monteza Jose, Moore Tim, Oelmann Yvonne, Scherer-Lorenzen Michael, Schwendenmann Luitgard, Wagner Audrey, Wirth Christian, Potvin Catherine. 2025. Tree diversity increases carbon stocks and fluxes above-but not belowground in a tropical forest experiment. Global Change Biology, 31 (2):e70089, 16 p.

https://doi.org/10.1111/gcb.70089

Article de revue ; Article de recherche ; Article de revue à facteur d'impact

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Résumé : International commitments advocate large-scale forest restoration as a nature-based solution to climate change mitigation through carbon (C) sequestration. Mounting evidence suggests that mixed compared to monospecific planted forests may sequester more C, exhibit lower susceptibility to climate extremes and offer a broader range of ecosystem services. However, experimental studies comprehensively examining the control of tree diversity on multiple C stocks and fluxes above- and belowground are lacking. To address this gap, we leverage data from the Sardinilla experiment in Panama, the oldest tropical tree diversity experiment, which features a gradient of one-, two-, three- and five-species mixtures of native tree species. Over 16 years, we measured multiple above- and belowground C stocks and fluxes, ranging from tree aboveground C, over leaf litter C production, to soil organic carbon (SOC). We show that tree diversity significantly increased aboveground C stocks and fluxes, with a 57% higher gain in aboveground tree C in five-species mixtures compared to monocultures (35.7 ± 1.8 vs. 22.8 ± 3.4 Mg C ha−1) 16 years after planting. In contrast, we observed a net reduction in SOC (on average −11.2 ± 1.1 Mg C ha−1 across diversity levels) and no significant difference in SOC3 stocks (the predominantly tree-derived, i.e., C3 plant-derived SOC fraction) between five-species mixtures and monocultures (13.0 ± 0.9 vs. 15.1 ± 1.3 Mg C ha−1). Positive tree diversity effects persisted despite repeated climate extremes and strengthened over time for aboveground tree growth. Structural equation models showed that higher tree growth in mixtures enhanced leaf litter and coarse woody debris C fluxes to the soil, resulting in a tightly linked C cycle aboveground. However, we did not observe significant links between above- and belowground C stocks and fluxes. Our study elucidates the mechanisms through which higher tree diversity bolsters the climate mitigation potential of tropical forest restoration. Restoration schemes should prioritize mixed over monospecific planted forests.

Résumé (autre langue) : Los compromisos internacionales abogan por la restauración forestal a gran escala como solución basada en la naturaleza para mitigar el cambio climático mediante el secuestro de carbono (C). Cada vez hay más pruebas de que los bosques mixtos, en comparación con los monoespecíficos, pueden secuestrar más C, ser menos susceptibles a los extremos climáticos y ofrecer una gama más amplia de servicios ecosistémicos. Sin embargo, faltan estudios experimentales que examinen exhaustivamente cómo la diversidad de árboles controla los diferentes reservas y flujos de C por encima y por debajo del suelo. Para abordar esta carencia, analizamos los datos del experimento Sardinilla en Panamá, el experimento de diversidad arbórea tropical más antiguo, que tiene un gradiente de mezclas de una, dos, tres y cinco especies de árboles autóctonos. A lo largo de 16 años, hemos medido diferentes reservas y flujos de C por encima y por debajo del suelo, incluyendo entre otros biomasa viva aérea de los árboles, hojarasca, y materia orgánica del suelo (SOC). Nuestro estudio demuestra que la diversidad arbórea incrementó significativamente las reservas y flujos de C encima del suelo, con una ganancia de C en biomasa viva aérea de los árboles un 57% mayor en masas mixtas de cinco especies en comparación con monocultivos (35,7 ± 1,8 vs. 22,8 ± 3,4 Mg C ha−1) después de 16 años desde la plantación. Por el contrario, observamos una reducción neta del SOC (en promedio −11,2 ± 1,1 Mg C ha−1 a través de niveles de diversidad) y ninguna diferencia significativa en las existencias de SOC3 (la fracción de SOC predominantemente derivada de los árboles, es decir, derivada de plantas C3) entre las masas mixtas de cinco especies y los monocultivos (13,0 ± 0,9 vs. 15,1 ± 1,3 Mg C ha−1). Los efectos positivos de la diversidad arbórea persistieron a pesar de repetidos extremos climáticos y se reforzaron con el tiempo para el crecimiento arbóreo por encima del suelo. Modelos de ecuaciones estructurales mostraron que un mayor crecimiento arbóreo en las masas mixtas mejoraba los flujos de C de la hojarasca y de la madera muerta hacia el suelo, dando lugar a un ciclo de C por encima del suelo estrechamente vinculado. Sin embargo, no se observaron vínculos significativos entre las reservas y flujos de C por encima y por debajo del suelo. Nuestro estudio mejora la comprensión de los mecanismos a través de los cuales una mayor diversidad arbórea refuerza el potencial de mitigación climática de la restauración de los bosques tropicales. Los proyectos de restauración deberían dar prioridad a los bosques mixtos frente a los monoespecíficos.

Mots-clés Agrovoc : séquestration du carbone, forêt tropicale, changement climatique, reconstitution forestière, écosystème forestier, plantation forestière, atténuation des effets du changement climatique, services écosystémiques, biodiversité, litière végétale, culture en mélange, forêt mélangée, arbre forestier, litière forestière

Mots-clés géographiques Agrovoc : Panama

Mots-clés libres : Carbon flux, Carbon storage, Ecosystem functioning, Forest biodiversity, Reforestation, Sardinilla experiment, Soil organic carbon, TreeDivNet, Tropical planted forest

Agences de financement hors UE : Deutsche Forschungsgemeinschaft, Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement, McGill University, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada

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