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.

More than 70,000 large dams have been built worldwide. With growing water stress and demand for energy, this number will continue to increase in the foreseeable future. Damming greatly modifies the ecological functioning of river systems. In particular, dam reservoirs sequester nutrient elements and, hence, reduce downstream transfer of nutrients to floodplains, lakes, wetlands, and coastal marine environments. Here, we quantify the global impact of dams on the riverine fluxes and speciation of the limiting nutrient phosphorus (P), using a mechanistic modeling approach that accounts for the in-reservoir biogeochemical transformations of P. According to the model calculations, the mass of total P (TP) trapped in reservoirs nearly doubled between 1970 and 2000, reaching 42 Gmol y(-1), or 12% of the global river TP load in 2000. Because of the current surge in dam building, we project that by 2030, about 17% of the global river TP load will be sequestered in reservoir sediments. The largest projected increases in TP and reactive P (RP) retention by damming will take place in Asia and South America, especially in the Yangtze, Mekong, and Amazon drainage basins. Despite the large P retention capacity of reservoirs, the export of RP from watersheds will continue to grow unless additional measures are taken to curb anthropogenic P emissions.

Abstract The damming of rivers represents one of the most far-reaching human modifications of the flows of water and associated matter from land to sea. Dam reservoirs are hotspots of sediment accumulation, primary productivity ( P ) and carbon mineralization ( R ) along the river continuum. Here we show that for the period 1970–2030, global carbon mineralization in reservoirs exceeds carbon fixation ( P<R ); the global P/R ratio, however, varies significantly, from 0.20 to 0.58 because of the changing age distribution of dams. We further estimate that at the start of the twenty-first century, in-reservoir burial plus mineralization eliminated 4.0±0.9 Tmol per year (48±11 Tg C per year) or 13% of total organic carbon (OC) carried by rivers to the oceans. Because of the ongoing boom in dam building, in particular in emerging economies, this value could rise to 6.9±1.5 Tmol per year (83±18 Tg C per year) or 19% by 2030.

Abstract An accurate quantification of global methane sources and sinks is imperative for assessing realistic pathways to mitigate climate change. A key challenge of quantifying the Global Methane Budget (Saunois et al., 2020, https://doi.org/10.5194/essd‐12‐1561‐2020 ) is the lack of consistency in uncertainties between sectors. Here we provide a new perspective on bottom‐up (BU) and top‐down (TD) methane uncertainties by using an expert opinion analysis based on a questionnaire conducted in 2021. Expectedly, experts rank highest uncertainty and lowest confidence levels in the Global Methane Budget related to natural sources in BU budgets. Here, we further reveal specific uncertainty types and introduce a ranking system for uncertainties in each sector. We find that natural source uncertainty is related particularly to driver data uncertainty in freshwater, vegetation, and coastal/ocean sources, as well as parameter uncertainty in wetland models. Reducing uncertainties, most notably in aquatic and wetland sources will help balance future BU and TD global methane budgets. We suggest a new methane source partitioning over gradients of human disturbance and demonstrate that 76.3% (75.8%–79.4%) or 561 (443–700) Tg CH 4 yr −1 of global emissions can be attributed to moderately impacted, man‐made, artificial, or fully anthropogenic sources and 23.7% (20.6%–24.2%) or 174 (115–223) Tg CH 4 yr −1 to natural and low impacted methane sources. Finally, we identify current research gaps and provide a plan of action to reduce current uncertainties in the Global Methane Budget.

Abstract. Nitrous oxide (N2O) is a long-lived potent greenhouse gas and stratospheric ozone-depleting substance that has been accumulating in the atmosphere since the preindustrial period. The mole fraction of atmospheric N2O has increased by nearly 25 % from 270 ppb (parts per billion) in 1750 to 336 ppb in 2022, with the fastest annual growth rate since 1980 of more than 1.3 ppb yr−1 in both 2020 and 2021. According to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC AR6), the relative contribution of N2O to the total enhanced effective radiative forcing of greenhouse gases was 6.4 % for 1750–2022. As a core component of our global greenhouse gas assessments coordinated by the Global Carbon Project (GCP), our global N2O budget incorporates both natural and anthropogenic sources and sinks and accounts for the interactions between nitrogen additions and the biogeochemical processes that control N2O emissions. We use bottom-up (BU: inventory, statistical extrapolation of flux measurements, and process-based land and ocean modeling) and top-down (TD: atmospheric measurement-based inversion) approaches. We provide a comprehensive quantification of global N2O sources and sinks in 21 natural and anthropogenic categories in 18 regions between 1980 and 2020. We estimate that total annual anthropogenic N2O emissions have increased 40 % (or 1.9 Tg N yr−1) in the past 4 decades (1980–2020). Direct agricultural emissions in 2020 (3.9 Tg N yr−1, best estimate) represent the large majority of anthropogenic emissions, followed by other direct anthropogenic sources, including fossil fuel and industry, waste and wastewater, and biomass burning (2.1 Tg N yr−1), and indirect anthropogenic sources (1.3 Tg N yr−1) . For the year 2020, our best estimate of total BU emissions for natural and anthropogenic sources was 18.5 (lower–upper bounds: 10.6–27.0) Tg N yr−1, close to our TD estimate of 17.0 (16.6–17.4) Tg N yr−1. For the 2010–2019 period, the annual BU decadal-average emissions for both natural and anthropogenic sources were 18.2 (10.6–25.9) Tg N yr−1 and TD emissions were 17.4 (15.8–19.20) Tg N yr−1. The once top emitter Europe has reduced its emissions by 31 % since the 1980s, while those of emerging economies have grown, making China the top emitter since the 2010s. The observed atmospheric N2O concentrations in recent years have exceeded projected levels under all scenarios in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6), underscoring the importance of reducing anthropogenic N2O emissions. To evaluate mitigation efforts and contribute to the Global Stocktake of the United Nations Framework Convention on Climate Change, we propose the establishment of a global network for monitoring and modeling N2O from the surface through to the stratosphere. The data presented in this work can be downloaded from https://doi.org/10.18160/RQ8P-2Z4R (Tian et al., 2023).