Arctic terrestrial ecosystems are major global sources of methane (CH4); hence, it is important to understand the seasonal and climatic controls on CH4 emissions from these systems. Here, we report year-round CH4 emissions from Alaskan Arctic tundra eddy flux sites and regional fluxes derived from aircraft data. We find that emissions during the cold season (September to May) account for ≥ 50% of the annual CH4 flux, with the highest emissions from noninundated upland tundra. A major fraction of cold season emissions occur during the "zero curtain" period, when subsurface soil temperatures are poised near 0 °C. The zero curtain may persist longer than the growing season, and CH4 emissions are enhanced when the duration is extended by a deep thawed layer as can occur with thick snow cover. Regional scale fluxes of CH4 derived from aircraft data demonstrate the large spatial extent of late season CH4 emissions. Scaled to the circumpolar Arctic, cold season fluxes from tundra total 12 ± 5 (95% confidence interval) Tg CH4 y(-1), ∼ 25% of global emissions from extratropical wetlands, or ∼ 6% of total global wetland methane emissions. The dominance of late-season emissions, sensitivity to soil environmental conditions, and importance of dry tundra are not currently simulated in most global climate models. Because Arctic warming disproportionally impacts the cold season, our results suggest that higher cold-season CH4 emissions will result from observed and predicted increases in snow thickness, active layer depth, and soil temperature, representing important positive feedbacks on climate warming.

Recent warming in the Arctic, which has been amplified during the winter1-3, greatly enhances microbial decomposition of soil organic matter and subsequent release of carbon dioxide (CO2)4. However, the amount of CO2 released in winter is highly uncertain and has not been well represented by ecosystem models or by empirically-based estimates5,6. Here we synthesize regional in situ observations of CO2 flux from arctic and boreal soils to assess current and future winter carbon losses from the northern permafrost domain. We estimate a contemporary loss of 1662 Tg C yr-1 from the permafrost region during the winter season (October through April). This loss is greater than the average growing season carbon uptake for this region estimated from process models (-1032 Tg C yr-1). Extending model predictions to warmer conditions in 2100 indicates that winter CO2 emissions will increase 17% under a moderate mitigation scenario-Representative Concentration Pathway (RCP) 4.5-and 41% under business-as-usual emissions scenario-RCP 8.5. Our results provide a new baseline for winter CO2 emissions from northern terrestrial regions and indicate that enhanced soil CO2 loss due to winter warming may offset growing season carbon uptake under future climatic conditions.

Large datasets of greenhouse gas and energy surface-atmosphere fluxes measured with the eddy-covariance technique (e.g., FLUXNET2015, AmeriFlux BASE) are widely used to benchmark models and remote-sensing products. This study addresses one of the major challenges facing model-data integration: To what spatial extent do flux measurements taken at individual eddy-covariance sites reflect model- or satellite-based grid cells? We evaluate flux footprints—the temporally dynamic source areas that contribute to measured fluxes—and the representativeness of these footprints for target areas (e.g., within 250–3000 m radii around flux towers) that are often used in flux-data synthesis and modeling studies. We examine the land-cover composition and vegetation characteristics, represented here by the Enhanced Vegetation Index (EVI), in the flux footprints and target areas across 214 AmeriFlux sites, and evaluate potential biases as a consequence of the footprint-to-target-area mismatch. Monthly 80% footprint climatologies vary across sites and through time ranging four orders of magnitude from 103 to 107 m2 due to the measurement heights, underlying vegetation- and ground-surface characteristics, wind directions, and turbulent state of the atmosphere. Few eddy-covariance sites are located in a truly homogeneous landscape. Thus, the common model-data integration approaches that use a fixed-extent target area across sites introduce biases on the order of 4%–20% for EVI and 6%–20% for the dominant land cover percentage. These biases are site-specific functions of measurement heights, target area extents, and land-surface characteristics. We advocate that flux datasets need to be used with footprint awareness, especially in research and applications that benchmark against models and data products with explicit spatial information. We propose a simple representativeness index based on our evaluations that can be used as a guide to identify site-periods suitable for specific applications and to provide general guidance for data use.

Significance Wetlands are unique ecosystems because they are in general sinks for carbon dioxide and sources of methane. Their climate footprint therefore depends on the relative sign and magnitude of the land–atmosphere exchange of these two major greenhouse gases. This work presents a synthesis of simultaneous measurements of carbon dioxide and methane fluxes to assess the radiative forcing of natural wetlands converted to agricultural or forested land. The net climate impact of wetlands is strongly dependent on whether they are natural or managed. Here we show that the conversion of natural wetlands produces a significant increase of the atmospheric radiative forcing. The findings suggest that management plans for these complex ecosystems should carefully account for the potential biogeochemical effects on climate.

Abstract This paper describes the formation of, and initial results for, a new FLUXNET coordination network for ecosystem-scale methane (CH 4 ) measurements at 60 sites globally, organized by the Global Carbon Project in partnership with other initiatives and regional flux tower networks. The objectives of the effort are presented along with an overview of the coverage of eddy covariance (EC) CH 4 flux measurements globally, initial results comparing CH 4 fluxes across the sites, and future research directions and needs. Annual estimates of net CH 4 fluxes across sites ranged from −0.2 ± 0.02 g C m –2 yr –1 for an upland forest site to 114.9 ± 13.4 g C m –2 yr –1 for an estuarine freshwater marsh, with fluxes exceeding 40 g C m –2 yr –1 at multiple sites. Average annual soil and air temperatures were found to be the strongest predictor of annual CH 4 flux across wetland sites globally. Water table position was positively correlated with annual CH 4 emissions, although only for wetland sites that were not consistently inundated throughout the year. The ratio of annual CH 4 fluxes to ecosystem respiration increased significantly with mean site temperature. Uncertainties in annual CH 4 estimates due to gap-filling and random errors were on average ±1.6 g C m –2 yr –1 at 95% confidence, with the relative error decreasing exponentially with increasing flux magnitude across sites. Through the analysis and synthesis of a growing EC CH 4 flux database, the controls on ecosystem CH 4 fluxes can be better understood, used to inform and validate Earth system models, and reconcile differences between land surface model- and atmospheric-based estimates of CH 4 emissions.

Abstract The Arctic-Boreal Zone (ABZ) is rapidly warming, impacting its large soil carbon stocks. We use a new compilation of terrestrial ecosystem CO 2 fluxes, geospatial datasets and random forest models to show that although the ABZ was an increasing terrestrial CO 2 sink from 2001 to 2020 (mean ± standard deviation in net ecosystem exchange: -548 ± 140 Tg C yr -1 ; trend: -14 Tg C yr -1 , p<0.001), more than 30% of the region was a net CO 2 source. Tundra regions may have already started to function on average as CO 2 sources, demonstrating a critical shift in carbon dynamics. After factoring in fire emissions, the increasing ABZ sink was no longer statistically significant (budget: -319 ± 140 Tg C yr -1 ; trend: -9 Tg C yr -1 ), with the permafrost region becoming CO 2 neutral (budget: -24 ± 123 Tg C yr -1 ; trend: -3 Tg C yr -1 ), underscoring the importance of fire in this region.

Abstract Tundra and boreal ecosystems encompass the northern circumpolar permafrost region and are experiencing rapid environmental change with important implications for the global carbon (C) budget. We analysed multi-decadal time series containing 302 annual estimates of carbon dioxide (CO 2 ) flux across 70 permafrost and non-permafrost ecosystems, and 672 estimates of summer CO 2 flux across 181 ecosystems. We find an increase in the annual CO 2 sink across non-permafrost ecosystems but not permafrost ecosystems, despite similar increases in summer uptake. Thus, recent non-growing-season CO 2 losses have substantially impacted the CO 2 balance of permafrost ecosystems. Furthermore, analysis of interannual variability reveals warmer summers amplify the C cycle (increase productivity and respiration) at putatively nitrogen-limited sites and at sites less reliant on summer precipitation for water use. Our findings suggest that water and nutrient availability will be important predictors of the C-cycle response of these ecosystems to future warming.