Abstract Recent research using repeat photography, long-term ecological monitoring and dendrochronology has documented shrub expansion in arctic, high-latitude and alpine tundra ecosystems. Here, we (1) synthesize these findings, (2) present a conceptual framework that identifies mechanisms and constraints on shrub increase, (3) explore causes, feedbacks and implications of the increased shrub cover in tundra ecosystems, and (4) address potential lines of investigation for future research. Satellite observations from around the circumpolar Arctic, showing increased productivity, measured as changes in ‘greenness’, have coincided with a general rise in high-latitude air temperatures and have been partly attributed to increases in shrub cover. Studies indicate that warming temperatures, changes in snow cover, altered disturbance regimes as a result of permafrost thaw, tundra fires, and anthropogenic activities or changes in herbivory intensity are all contributing to observed changes in shrub abundance. A large-scale increase in shrub cover will change the structure of tundra ecosystems and alter energy fluxes, regional climate, soil–atmosphere exchange of water, carbon and nutrients, and ecological interactions between species. In order to project future rates of shrub expansion and understand the feedbacks to ecosystem and climate processes, future research should investigate the species or trait-specific responses of shrubs to climate change including: (1) the temperature sensitivity of shrub growth, (2) factors controlling the recruitment of new individuals, and (3) the relative influence of the positive and negative feedbacks involved in shrub expansion.

Animal movement is fundamental for ecosystem functioning and species survival, yet the effects of the anthropogenic footprint on animal movements have not been estimated across species. Using a unique GPS-tracking database of 803 individuals across 57 species, we found that movements of mammals in areas with a comparatively high human footprint were on average one-half to one-third the extent of their movements in areas with a low human footprint. We attribute this reduction to behavioral changes of individual animals and to the exclusion of species with long-range movements from areas with higher human impact. Global loss of vagility alters a key ecological trait of animals that affects not only population persistence but also ecosystem processes such as predator-prey interactions, nutrient cycling, and disease transmission.

Ecology Letters (2011) Abstract Understanding the sensitivity of tundra vegetation to climate warming is critical to forecasting future biodiversity and vegetation feedbacks to climate. In situ warming experiments accelerate climate change on a small scale to forecast responses of local plant communities. Limitations of this approach include the apparent site‐specificity of results and uncertainty about the power of short‐term studies to anticipate longer term change. We address these issues with a synthesis of 61 experimental warming studies, of up to 20 years duration, in tundra sites worldwide. The response of plant groups to warming often differed with ambient summer temperature, soil moisture and experimental duration. Shrubs increased with warming only where ambient temperature was high, whereas graminoids increased primarily in the coldest study sites. Linear increases in effect size over time were frequently observed. There was little indication of saturating or accelerating effects, as would be predicted if negative or positive vegetation feedbacks were common. These results indicate that tundra vegetation exhibits strong regional variation in response to warming, and that in vulnerable regions, cumulative effects of long‐term warming on tundra vegetation – and associated ecosystem consequences – have the potential to be much greater than we have observed to date.

Key observational indicators of climate change in the Arctic, most spanning a 47 year period (1971–2017) demonstrate fundamental changes among nine key elements of the Arctic system. We find that, coherent with increasing air temperature, there is an intensification of the hydrological cycle, evident from increases in humidity, precipitation, river discharge, glacier equilibrium line altitude and land ice wastage. Downward trends continue in sea ice thickness (and extent) and spring snow cover extent and duration, while near-surface permafrost continues to warm. Several of the climate indicators exhibit a significant statistical correlation with air temperature or precipitation, reinforcing the notion that increasing air temperatures and precipitation are drivers of major changes in various components of the Arctic system. To progress beyond a presentation of the Arctic physical climate changes, we find a correspondence between air temperature and biophysical indicators such as tundra biomass and identify numerous biophysical disruptions with cascading effects throughout the trophic levels. These include: increased delivery of organic matter and nutrients to Arctic near‐coastal zones; condensed flowering and pollination plant species periods; timing mismatch between plant flowering and pollinators; increased plant vulnerability to insect disturbance; increased shrub biomass; increased ignition of wildfires; increased growing season CO2 uptake, with counterbalancing increases in shoulder season and winter CO2 emissions; increased carbon cycling, regulated by local hydrology and permafrost thaw; conversion between terrestrial and aquatic ecosystems; and shifting animal distribution and demographics. The Arctic biophysical system is now clearly trending away from its 20th Century state and into an unprecedented state, with implications not only within but beyond the Arctic. The indicator time series of this study are freely downloadable at AMAP.no.

Rapid climate warming has been linked to increasing shrub dominance in the Arctic tundra. Research now shows that climate–shrub growth relationships vary spatially and according to site characteristics such as soil moisture and shrub height. Rapid climate warming in the tundra biome has been linked to increasing shrub dominance1,2,3,4. Shrub expansion can modify climate by altering surface albedo, energy and water balance, and permafrost2,5,6,7,8, yet the drivers of shrub growth remain poorly understood. Dendroecological data consisting of multi-decadal time series of annual shrub growth provide an underused resource to explore climate–growth relationships. Here, we analyse circumpolar data from 37 Arctic and alpine sites in 9 countries, including 25 species, and ∼42,000 annual growth records from 1,821 individuals. Our analyses demonstrate that the sensitivity of shrub growth to climate was: (1) heterogeneous, with European sites showing greater summer temperature sensitivity than North American sites, and (2) higher at sites with greater soil moisture and for taller shrubs (for example, alders and willows) growing at their northern or upper elevational range edges. Across latitude, climate sensitivity of growth was greatest at the boundary between the Low and High Arctic, where permafrost is thawing4 and most of the global permafrost soil carbon pool is stored9. The observed variation in climate–shrub growth relationships should be incorporated into Earth system models to improve future projections of climate change impacts across the tundra biome.

Risky in the tropics It is well known that diversity increases toward the tropics. Whether this increase translates into differences in interaction rates among species, however, remains unclear. To simplify the problem, Roslin et al. tested for predation rates by using a single approach involving model caterpillars across six continents. Predator attack rates were higher toward the equator, but only for arthropod predators. Science , this issue p. 742

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.