Scenario analyses suggest that negative emissions technologies (NETs) are necessary to limit dangerous warming. Here the authors assess the biophysical limits to, and economic costs of, the widespread application of NETs. To have a >50% chance of limiting warming below 2 °C, most recent scenarios from integrated assessment models (IAMs) require large-scale deployment of negative emissions technologies (NETs). These are technologies that result in the net removal of greenhouse gases from the atmosphere. We quantify potential global impacts of the different NETs on various factors (such as land, greenhouse gas emissions, water, albedo, nutrients and energy) to determine the biophysical limits to, and economic costs of, their widespread application. Resource implications vary between technologies and need to be satisfactorily addressed if NETs are to have a significant role in achieving climate goals.

Bioenergy with carbon capture and storage could be used to remove carbon dioxide from the atmosphere. However, its credibility as a climate change mitigation option is unproven and its widespread deployment in climate stabilization scenarios might become a dangerous distraction.

Recently, an active debate has emerged around greenhouse gas emissions due to indirect land use change (iLUC) of expanding agricultural areas dedicated to biofuel production. In this paper we provide a detailed analysis of the iLUC effect, and further address the issues of deforestation, irrigation water use, and crop price increases due to expanding biofuel acreage. We use GLOBIOM – an economic partial equilibrium model of the global forest, agriculture, and biomass sectors with a bottom-up representation of agricultural and forestry management practices. The results indicate that second generation biofuel production fed by wood from sustainably managed existing forests would lead to a negative iLUC factor, meaning that overall emissions are 27% lower compared to the "No biofuel" scenario by 2030. The iLUC factor of first generation biofuels global expansion is generally positive, requiring some 25 years to be paid back by the GHG savings from the substitution of biofuels for conventional fuels. Second generation biofuels perform better also with respect to the other investigated criteria; on the condition that they are not sourced from dedicated plantations directly competing for agricultural land. If so, then efficient first generation systems are preferable. Since no clear technology champion for all situations exists, we would recommend targeting policy instruments directly at the positive and negative effects of biofuel production rather than at the production itself.

Significance The livestock sector contributes significantly to global warming through greenhouse gas (GHG) emissions. At the same time, livestock is an invaluable source of nutrition and livelihood for millions of poor people. Therefore, climate mitigation policies involving livestock must be designed with extreme care. Here we demonstrate the large mitigation potential inherent in the heterogeneity of livestock production systems. We find that even within existing systems, autonomous transitions from extensive to more productive systems would decrease GHG emissions and improve food availability. Most effective climate policies involving livestock would be those targeting emissions from land-use change. To minimize the economic and social cost, policies should target emissions at their source—on the supply side—rather than on the demand side.

Abstract A new 1 km global IIASA ‐ IFPRI cropland percentage map for the baseline year 2005 has been developed which integrates a number of individual cropland maps at global to regional to national scales. The individual map products include existing global land cover maps such as GlobCover 2005 and MODIS v.5, regional maps such as AFRICOVER and national maps from mapping agencies and other organizations. The different products are ranked at the national level using crowdsourced data from Geo‐Wiki to create a map that reflects the likelihood of cropland. Calibration with national and subnational crop statistics was then undertaken to distribute the cropland within each country and subnational unit. The new IIASA ‐ IFPRI cropland product has been validated using very high‐resolution satellite imagery via Geo‐Wiki and has an overall accuracy of 82.4%. It has also been compared with the EarthStat cropland product and shows a lower root mean square error on an independent data set collected from Geo‐Wiki. The first ever global field size map was produced at the same resolution as the IIASA ‐ IFPRI cropland map based on interpolation of field size data collected via a Geo‐Wiki crowdsourcing campaign. A validation exercise of the global field size map revealed satisfactory agreement with control data, particularly given the relatively modest size of the field size data set used to create the map. Both are critical inputs to global agricultural monitoring in the frame of GEOGLAM and will serve the global land modelling and integrated assessment community, in particular for improving land use models that require baseline cropland information. These products are freely available for downloading from the http://cropland.geo-wiki.org website.

Palm oil production has boomed over the last decade, resulting in an expansion of the global oil palm planting area from 10 to 17 Million hectares between 2000 and 2012. Previous studies showed that a significant share of this expansion has come at the expense of tropical forests, notably in Indonesia and Malaysia, the current production centers. Governments of developing and emerging countries in all tropical regions increasingly promote oil palm cultivation as a major contributor to poverty alleviation, as well as food and energy independence. However, being under pressure from several non-governmental environmental organizations and consumers, the main palm oil traders have committed to sourcing sustainable palm oil. Against this backdrop we assess the area of suitable land and what are the limits to future oil palm expansion when several constraints are considered. We find that suitability is mainly determined by climatic conditions resulting in 1.37 billion hectares of suitable land for oil palm cultivation concentrated in twelve tropical countries. However, we estimate that half of the biophysically suitable area is already allocated to other uses, including protected areas which cover 30% of oil palm suitable area. Our results also highlight that the non-conversion of high carbon stock forest (>100 t AGB/ha) would be the most constraining factor for future oil palm expansion as it would exclude two-thirds of global oil palm suitable area. Combining eight criteria which might restrict future land availability for oil palm expansion, we find that 234 million hectares or 17% of worldwide suitable area are left. This might seem that the limits for oil palm expansion are far from being reached but one needs to take into account that some of this area might be hardly accessible currently with only 18% of this remaining area being under 2 h transportation to the closest city and that growing demand for other agricultural commodities which might also compete for this land has not been yet taken into account.

Global land cover is one of the essential terrestrial baseline datasets available for ecosystem modeling, however uncertainty remains an issue. Tools such as Google Earth offer enormous potential for land cover validation. With an ever increasing amount of very fine spatial resolution images (up to 50 cm × 50 cm) available on Google Earth, it is becoming possible for every Internet user (including non remote sensing experts) to distinguish land cover features with a high degree of reliability. Such an approach is inexpensive and allows Internet users from any region of the world to get involved in this global validation exercise. The Geo-Wiki Project is a global network of volunteers who wish to help improve the quality of global land cover maps. Since large differences occur between existing global land cover maps, current ecosystem and land-use science lacks crucial accurate data (e.g., to determine the potential of additional agricultural land available to grow crops in Africa), volunteers are asked to review hotspot maps of global land cover disagreement and determine, based on what they actually see in Google Earth and their local knowledge, if the land cover maps are correct or incorrect. Their input is recorded in a database, along with uploaded photos, to be used in the future for the creation of a new and improved hybrid global land cover map.

Land cover derived from remotely sensed products is an important input to a number of different global, regional and national scale applications including resource assessments and economic land use models. During the last decade three global land cover datasets have been created, i.e. the GLC-2000, MODIS and GlobCover, but comparison studies have shown that there are large spatial discrepancies between these three products. One of the reasons for these discrepancies is the lack of sufficient in-situ data for the development of these products. To address this issue, a crowdsourcing tool called Geo-Wiki has been developed. Geo-Wiki has two main aims: to increase the amount of in-situ land cover data available for training, calibration and validation, and to create a hybrid global land cover map that provides more accurate land cover information than any current individual product. This paper outlines the components that comprise Geo-Wiki and how they are integrated in the architectural design. An overview of the main functionality of Geo-Wiki is then provided along with the current usage statistics and the lessons learned to date, in particular the need to add a mechanism for feedback and interaction as part of community building, and the need to address issues of data quality. The tool is located at geo-wiki.org.

Land-management options for greenhouse gas removal (GGR) include afforestation or reforestation (AR), wetland restoration, soil carbon sequestration (SCS), biochar, terrestrial enhanced weathering (TEW), and bioenergy with carbon capture and storage (BECCS). We assess the opportunities and risks associated with these options through the lens of their potential impacts on ecosystem services (Nature's Contributions to People; NCPs) and the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs). We find that all land-based GGR options contribute positively to at least some NCPs and SDGs. Wetland restoration and SCS almost exclusively deliver positive impacts. A few GGR options, such as afforestation, BECCS, and biochar potentially impact negatively some NCPs and SDGs, particularly when implemented at scale, largely through competition for land. For those that present risks or are least understood, more research is required, and demonstration projects need to proceed with caution. For options that present low risks and provide cobenefits, implementation can proceed more rapidly following no-regrets principles.