Recent attention has focused on the high rates of annual carbon sequestration in vegetated coastal ecosystems—marshes, mangroves, and seagrasses—that may be lost with habitat destruction (‘conversion’). Relatively unappreciated, however, is that conversion of these coastal ecosystems also impacts very large pools of previously-sequestered carbon. Residing mostly in sediments, this ‘blue carbon’ can be released to the atmosphere when these ecosystems are converted or degraded. Here we provide the first global estimates of this impact and evaluate its economic implications. Combining the best available data on global area, land-use conversion rates, and near-surface carbon stocks in each of the three ecosystems, using an uncertainty-propagation approach, we estimate that 0.15–1.02 Pg (billion tons) of carbon dioxide are being released annually, several times higher than previous estimates that account only for lost sequestration. These emissions are equivalent to 3–19% of those from deforestation globally, and result in economic damages of $US 6–42 billion annually. The largest sources of uncertainty in these estimates stems from limited certitude in global area and rates of land-use conversion, but research is also needed on the fates of ecosystem carbon upon conversion. Currently, carbon emissions from the conversion of vegetated coastal ecosystems are not included in emissions accounting or carbon market protocols, but this analysis suggests they may be disproportionally important to both. Although the relevant science supporting these initial estimates will need to be refined in coming years, it is clear that policies encouraging the sustainable management of coastal ecosystems could significantly reduce carbon emissions from the land-use sector, in addition to sustaining the well-recognized ecosystem services of coastal habitats.

Increased carbon storage in ecosystems due to elevated CO 2 may help stabilize atmospheric CO 2 concentrations and slow global warming. Many field studies have found that elevated CO 2 leads to higher carbon assimilation by plants, and others suggest that this can lead to higher carbon storage in soils, the largest and most stable terrestrial carbon pool. Here we show that 6 years of experimental CO 2 doubling reduced soil carbon in a scrub-oak ecosystem despite higher plant growth, offsetting ≈52% of the additional carbon that had accumulated at elevated CO 2 in aboveground and coarse root biomass. The decline in soil carbon was driven by changes in soil microbial composition and activity. Soils exposed to elevated CO 2 had higher relative abundances of fungi and higher activities of a soil carbon-degrading enzyme, which led to more rapid rates of soil organic matter degradation than soils exposed to ambient CO 2 . The isotopic composition of microbial fatty acids confirmed that elevated CO 2 increased microbial utilization of soil organic matter. These results show how elevated CO 2 , by altering soil microbial communities, can cause a potential carbon sink to become a carbon source.

Abstract For decades, ecosystem scientists have used global warming potentials (GWPs) to compare the radiative forcing of various greenhouse gases to determine if ecosystems have a net warming or cooling effect on climate. On a conceptual basis, the continued use of GWPs by the ecological community may be untenable because the use of GWPs requires the implicit assumption that greenhouse gas emissions occur as a single pulse; this assumption is rarely justified in ecosystem studies. We present two alternate metrics—the sustained-flux global warming potential (SGWP, for gas emissions) and the sustained-flux global cooling potential (SGCP, for gas uptake)—for use when gas fluxes persist over time. The SGWP is generally larger than the GWP (by up to ~40%) for both methane and nitrous oxide emissions, creating situations where the GWP and SGWP metrics could provide opposing interpretations about the climatic role of an ecosystem. Further, there is an asymmetry in methane and nitrous oxide dynamics between persistent emission and uptake situations, producing very different values for the SGWP vs. SGCP and leading to the conclusion that ecosystems that take up these gases are very effective at reducing radiative forcing. Although the new metrics are more realistic than the GWP for ecosystem fluxes, we further argue that even these metrics may be insufficient in the context of trying to understand the lifetime climatic role of an ecosystem. A dynamic modeling approach that has the flexibility to account for temporally variable rates of greenhouse gas exchange, and is not limited by a fixed time frame, may be more informative than the SGWP, SGCP, or GWP. Ultimately, we hope this article will stimulate discussion within the ecosystem science community about the most appropriate way(s) of assessing the role of ecosystems as regulators of global climate.

Limiting climate warming to <2°C requires increased mitigation efforts, including land stewardship, whose potential in the United States is poorly understood. We quantified the potential of natural climate solutions (NCS)—21 conservation, restoration, and improved land management interventions on natural and agricultural lands—to increase carbon storage and avoid greenhouse gas emissions in the United States. We found a maximum potential of 1.2 (0.9 to 1.6) Pg CO2e year−1, the equivalent of 21% of current net annual emissions of the United States. At current carbon market prices (USD 10 per Mg CO2e), 299 Tg CO2e year−1 could be achieved. NCS would also provide air and water filtration, flood control, soil health, wildlife habitat, and climate resilience benefits.

Summary Rising atmospheric CO 2 and temperatures are probably altering ecosystem carbon cycling, causing both positive and negative feedbacks to climate. Below‐ground processes play a key role in the global carbon (C) cycle because they regulate storage of large quantities of C, and are potentially very sensitive to direct and indirect effects of elevated CO 2 and temperature. Soil organic matter pools, roots and associated rhizosphere organisms all have distinct responses to environmental change drivers, although availability of C substrates will regulate all the responses. Elevated CO 2 increases C supply below‐ground, whereas warming is likely to increase respiration and decomposition rates, leading to speculation that these effects will moderate one another. However, indirect effects on soil moisture availability and nutrient supply may alter processes in unexpected directions. Detailed, mechanistic understanding and modelling of below‐ground flux components, pool sizes and turnover rates is needed to adequately predict long‐term, net C storage in ecosystems. In this synthesis, we discuss the current status of below‐ground responses to elevated CO 2 and temperature and potential feedback effects, methodological challenges, and approaches to integrating models and measurements.

Tidal wetlands experiencing increased rates of sea-level rise (SLR) must increase rates of soil elevation gain to avoid permanent conversion to open water. The maximal rate of SLR that these ecosystems can tolerate depends partly on mineral sediment deposition, but the accumulation of organic matter is equally important for many wetlands. Plant productivity drives organic matter dynamics and is sensitive to global change factors, such as rising atmospheric CO(2) concentration. It remains unknown how global change will influence organic mechanisms that determine future tidal wetland viability. Here, we present experimental evidence that plant response to elevated atmospheric [CO(2)] stimulates biogenic mechanisms of elevation gain in a brackish marsh. Elevated CO(2) (ambient + 340 ppm) accelerated soil elevation gain by 3.9 mm yr(-1) in this 2-year field study, an effect mediated by stimulation of below-ground plant productivity. Further, a companion greenhouse experiment revealed that the CO(2) effect was enhanced under salinity and flooding conditions likely to accompany future SLR. Our results indicate that by stimulating biogenic contributions to marsh elevation, increases in the greenhouse gas, CO(2), may paradoxically aid some coastal wetlands in counterbalancing rising seas.

A mixing model derived from first principles describes the bulk density (BD) of intertidal wetland sediments as a function of loss on ignition (LOI). The model assumes that the bulk volume of sediment equates to the sum of self-packing volumes of organic and mineral components or BD = 1/[LOI/k1 + (1-LOI)/k2], where k1 and k2 are the self-packing densities of the pure organic and inorganic components, respectively. The model explained 78% of the variability in total BD when fitted to 5075 measurements drawn from 33 wetlands distributed around the conterminous United States. The values of k1 and k2 were estimated to be 0.085 ± 0.0007 g cm-3 and 1.99 ± 0.028 g cm-3, respectively. Based on the fitted organic density (k1) and constrained by primary production, the model suggests that the maximum steady state accretion arising from the sequestration of refractory organic matter is ≤ 0.3 cm yr-1. Thus, tidal peatlands are unlikely to indefinitely survive a higher rate of sea-level rise in the absence of a significant source of mineral sediment. Application of k2 to a mineral sediment load typical of East and eastern Gulf Coast estuaries gives a vertical accretion rate from inorganic sediment of 0.2 cm yr-1. Total steady state accretion is the sum of the parts and therefore should not be greater than 0.5 cm yr-1 under the assumptions of the model. Accretion rates could deviate from this value depending on variation in plant productivity, root:shoot ratio, suspended sediment concentration, sediment-capture efficiency, and episodic events.