Nitrous oxide (N2O), like carbon dioxide, is a long-lived greenhouse gas that accumulates in the atmosphere. Over the past 150 years, increasing atmospheric N2O concentrations have contributed to stratospheric ozone depletion1 and climate change2, with the current rate of increase estimated at 2 per cent per decade. Existing national inventories do not provide a full picture of N2O emissions, owing to their omission of natural sources and limitations in methodology for attributing anthropogenic sources. Here we present a global N2O inventory that incorporates both natural and anthropogenic sources and accounts for the interaction between nitrogen additions and the biochemical processes that control N2O emissions. We use bottom-up (inventory, statistical extrapolation of flux measurements, process-based land and ocean modelling) and top-down (atmospheric inversion) approaches to provide a comprehensive quantification of global N2O sources and sinks resulting from 21 natural and human sectors between 1980 and 2016. Global N2O emissions were 17.0 (minimum–maximum estimates: 12.2–23.5) teragrams of nitrogen per year (bottom-up) and 16.9 (15.9–17.7) teragrams of nitrogen per year (top-down) between 2007 and 2016. Global human-induced emissions, which are dominated by nitrogen additions to croplands, increased by 30% over the past four decades to 7.3 (4.2–11.4) teragrams of nitrogen per year. This increase was mainly responsible for the growth in the atmospheric burden. Our findings point to growing N2O emissions in emerging economies—particularly Brazil, China and India. Analysis of process-based model estimates reveals an emerging N2O–climate feedback resulting from interactions between nitrogen additions and climate change. The recent growth in N2O emissions exceeds some of the highest projected emission scenarios3,4, underscoring the urgency to mitigate N2O emissions. Bottom-up and top-down approaches are used to quantify global nitrous oxide sources and sinks resulting from both natural and anthropogenic sources, revealing a 30% increase in global human-induced emissions between 1980 and 2016.

Abstract Policies aiming to preserve vegetated coastal ecosystems (VCE; tidal marshes, mangroves and seagrasses) to mitigate greenhouse gas emissions require national assessments of blue carbon resources. Here, we present organic carbon (C) storage in VCE across Australian climate regions and estimate potential annual CO 2 emission benefits of VCE conservation and restoration. Australia contributes 5–11% of the C stored in VCE globally (70–185 Tg C in aboveground biomass, and 1,055–1,540 Tg C in the upper 1 m of soils). Potential CO 2 emissions from current VCE losses are estimated at 2.1–3.1 Tg CO 2 -e yr -1 , increasing annual CO 2 emissions from land use change in Australia by 12–21%. This assessment, the most comprehensive for any nation to-date, demonstrates the potential of conservation and restoration of VCE to underpin national policy development for reducing greenhouse gas emissions.

Atmospheric methane is a potent greenhouse gas that plays a major role in controlling the Earth’s climate. The causes of the renewed increase of methane concentration since 2007 are uncertain given the multiple sources and complex biogeochemistry. Here, we present a metadata analysis of methane fluxes from all major natural, impacted and human-made aquatic ecosystems. Our revised bottom-up global aquatic methane emissions combine diffusive, ebullitive and/or plant-mediated fluxes from 15 aquatic ecosystems. We emphasize the high variability of methane fluxes within and between aquatic ecosystems and a positively skewed distribution of empirical data, making global estimates sensitive to statistical assumptions and sampling design. We find aquatic ecosystems contribute (median) 41% or (mean) 53% of total global methane emissions from anthropogenic and natural sources. We show that methane emissions increase from natural to impacted aquatic ecosystems and from coastal to freshwater ecosystems. We argue that aquatic emissions will probably increase due to urbanization, eutrophication and positive climate feedbacks and suggest changes in land-use management as potential mitigation strategies to reduce aquatic methane emissions. Methane emissions from aquatic systems contribute approximately half of global methane emissions, according to meta-analysis of natural, impacted and human-made aquatic ecosystems and indicating potential mitigation strategies to reduce emissions.

A majority of the global net primary production of mangroves is unaccounted for by current carbon budgets. It has been hypothesized that this “missing carbon” is exported as dissolved inorganic carbon (DIC) from subsurface respiration and groundwater (or pore‐water) exchange driven by tidal pumping. We tested this hypothesis by measuring concentrations and δ 13 C values of DIC, dissolved organic carbon (DOC), and particulate organic carbon (POC), along with radon ( 222 Rn, a natural submarine groundwater discharge tracer), in a tidal creek in Moreton Bay, Australia. Concentrations and δ 13 C values displayed consistent tidal variations, and mirrored the trend in 222 Rn in summer and winter. DIC and DOC were exported from, and POC was imported to, the mangroves during all tidal cycles. The exported DOC had a similar δ 13 C value in summer and winter (∼ −30‰). The exported δ 13 C‐DIC showed no difference between summer and winter and had a δ 13 C value slightly more enriched (∼ −22.5‰) than the exported DOC. The imported POC had differing values in summer (∼ −16‰) and winter (∼ −22‰), reflecting a combination of seagrass and estuarine particulate organic matter (POM) in summer and most likely a dominance of estuarine POM in winter. A coupled 222 Rn and carbon model showed that 93–99% of the DIC and 89–92% of the DOC exports were driven by groundwater advection. DIC export averaged 3 g C m −2 d −1 and was an order of magnitude higher than DOC export, and similar to global estimates of the mangrove missing carbon (i.e., ∼ 1.9–2.7 g C m −2 d −1 ).

Ocean acidification refers to the lowering of the ocean's pH due to the uptake of anthropogenic CO2 from the atmosphere. Coral reef calcification is expected to decrease as the oceans become more acidic. Dissolving calcium carbonate (CaCO3) sands could greatly exacerbate reef loss associated with reduced calcification but is presently poorly constrained. Here we show that CaCO3 dissolution in reef sediments across five globally distributed sites is negatively correlated with the aragonite saturation state (Ωar) of overlying seawater and that CaCO3 sediment dissolution is 10-fold more sensitive to ocean acidification than coral calcification. Consequently, reef sediments globally will transition from net precipitation to net dissolution when seawater Ωar reaches 2.92 ± 0.16 (expected circa 2050 CE). Notably, some reefs are already experiencing net sediment dissolution.

Water and sediment methane emissions have the potential to offset “blue carbon” burial in mangrove coastal ecosystems.

Estuarine N2O emissions contribute to the atmospheric N2O budget, but little is known about estuary N2O fluxes under low dissolved inorganic nitrogen (DIN) conditions. We present high-resolution spatial surveys of N2O concentrations and water-air fluxes in three low-DIN (NO3− < 30 μmol L−1) tropical estuaries in Queensland, Australia (Johnstone River, Fitzroy River, Constant Creek) during consecutive wet and dry seasons. Constant Creek had the lowest concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN; 0.01 to 5.4 μmol L−1 of NO3− and 0.09 to 13.6 μmol L−1 of NH4+) and N2O (93 to 132 % saturation), and associated lowest N2O emissions (− 1.4 to 8.4 μmol m−2 d−1) in both seasons. The other two estuaries exhibited higher DIN inputs and higher N2O emissions. The Johnstone River Estuary had the highest N2O concentrations (97 to 245 % saturation) and emissions (− 0.03 to 25.7 μmol m−2 d−1), driven by groundwater inputs from upstream sources, with increased N2O input in the wet season. In the Fitzroy River Estuary, N2O concentrations (100 to 204 % saturation) and emissions (0.03 to 19.5 μmol m−2 d−1) were associated with wastewater inputs, which had a larger effect during the dry season and were diluted during the wet season. Overall N2O emissions from the three tropical estuaries were low compared to previous studies, and at times water-air N2O fluxes were actually negative, indicating that N2O consumption occurred. Low water column NO3− concentration (i.e. < 5 μmol L−1) appears to promote negative water-air N2O fluxes in estuary environments; considering the number of estuaries and mangrove creeks where DIN falls below this threshold, negative water-air N2O fluxes are likely common.

Abstract This study uses dual‐labeled ( 13 C and 15 N) stable isotope applications to examine microbial uptake and short‐term processing of carbon (C) and nitrogen (N) from organic and inorganic compounds in subtropical intertidal sediment. Four treatment applications were applied: (1) algal dissolved organic matter (DOM), (2) amino acid mixture, (3) glucose and , and (4) NaHCO 3 and to assess bioavailability effects on processing (1 vs. 2) and short‐term processing for OM fixed via microphytobenthos only (pennate diatom dominated) (4) vs. material taken up by the entire microbial community (3) across 24 h. 13 C from algal‐DOM was preferentially used by the microbial community vs. 15 N. At 24 h more 13 C from algal‐DOM remained in microbial biomass indicating use of labeled precursor molecules to form biomass. Conversely, 13 C from the amino acid treatment was not incorporated into biomass and was either rapidly respired to DIC or discarded as the in situ microbial community preferentially used and retained 15 N from amino acids. Short‐term export of 13 C as CO 2 from glucose was lower than from microphytobenthos‐C, while retention of 15 N from was similar between treatments (3 and 4) despite doubling the application N concentration, suggesting potentially higher glucose‐stimulated 15 N export via nitrification–denitrification that was not confirmed via flux measurements in this study. Despite careful site selection for similar tidal exposure and sediment types among the three estuaries, the uptake and processing of labeled substrate varied substantially between replicates and sites which challenged traditional statistical analysis. Disproportionate processing of substrates occurring in sediment hotspots of microbial activity can cause variability spanning orders of magnitude which was found to be widespread through comparison of our results against 19 previous studies in intertidal settings. Development of robust analytical techniques to handle variability from abiotic and biotic factors will allow greater clarity surrounding in situ biogeochemical processing in intertidal environments.

This study uses dual-labelled (13C and 15N) stable isotope applications to examine uptake and short-term processing of carbon (C) and nitrogen (N) by microbial communities in intertidal sediment from three subtropical estuarine sites. We examine differences in microbial uptake and retention that arise due to domination of microbial processing by either microphytobenthos or heterotrophic bacteria. We compare amino acids and algal dissolved organic matter (Algal DOM) and glucose and NH4+ versus newly fixed microphytobenthos C (MPB-C) and NH4+ using in situ applications across 24 h to identify uptake into the microbial community and sediment OM. Algal DOM had preferential C uptake and more retention across 24 h indicating precursors incorporated into biosynthetic pathways for biomass. Conversely, amino acid C was not incorporated or rapidly respired to DIC but displayed clear preferential uptake and retention of 15N. Short-term (24 h) retention of glucose was higher than MPB-C, while uptake of 15N from NH4+ was similar between treatments, potentially indicating glucose-stimulated export of 15N via coupled nitrification-dentrification. Despite careful selection of similar sites and sediment types, we found substantial variability between replicates and sites in the uptake and processing of labeled substrate that challenged traditional statistical analysis due to non-homogenous variance. Uptake variability across orders of magnitude is likely due to disproportionate processing of substrates occurring in hotspots of microbial processing within sediment. Development of analytical techniques to provide robust strategies to handle variability caused by abiotic and biotic factors will allow greater clarity surrounding in situ biogeochemical processing in intertidal environments.