Abstract. Soils and other unconsolidated deposits in the northern circumpolar permafrost region store large amounts of soil organic carbon (SOC). This SOC is potentially vulnerable to remobilization following soil warming and permafrost thaw, but SOC stock estimates were poorly constrained and quantitative error estimates were lacking. This study presents revised estimates of permafrost SOC stocks, including quantitative uncertainty estimates, in the 0–3 m depth range in soils as well as for sediments deeper than 3 m in deltaic deposits of major rivers and in the Yedoma region of Siberia and Alaska. Revised estimates are based on significantly larger databases compared to previous studies. Despite this there is evidence of significant remaining regional data gaps. Estimates remain particularly poorly constrained for soils in the High Arctic region and physiographic regions with thin sedimentary overburden (mountains, highlands and plateaus) as well as for deposits below 3 m depth in deltas and the Yedoma region. While some components of the revised SOC stocks are similar in magnitude to those previously reported for this region, there are substantial differences in other components, including the fraction of perennially frozen SOC. Upscaled based on regional soil maps, estimated permafrost region SOC stocks are 217 ± 12 and 472 ± 27 Pg for the 0–0.3 and 0–1 m soil depths, respectively (±95% confidence intervals). Storage of SOC in 0–3 m of soils is estimated to 1035 ± 150 Pg. Of this, 34 ± 16 Pg C is stored in poorly developed soils of the High Arctic. Based on generalized calculations, storage of SOC below 3 m of surface soils in deltaic alluvium of major Arctic rivers is estimated as 91 ± 52 Pg. In the Yedoma region, estimated SOC stocks below 3 m depth are 181 ± 54 Pg, of which 74 ± 20 Pg is stored in intact Yedoma (late Pleistocene ice- and organic-rich silty sediments) with the remainder in refrozen thermokarst deposits. Total estimated SOC storage for the permafrost region is ∼1300 Pg with an uncertainty range of ∼1100 to 1500 Pg. Of this, ∼500 Pg is in non-permafrost soils, seasonally thawed in the active layer or in deeper taliks, while ∼800 Pg is perennially frozen. This represents a substantial ∼300 Pg lowering of the estimated perennially frozen SOC stock compared to previous estimates.

Fire activity has varied globally and continuously since the last glacial maximum (LGM) in response to long-term changes in global climate and shorter-term regional changes in climate, vegetation, and human land use. We have synthesized sedimentary charcoal records of biomass burning since the LGM and present global maps showing changes in fire activity for time slices during the past 21,000 years (as differences in charcoal accumulation values compared to pre-industrial). There is strong broad-scale coherence in fire activity after the LGM, but spatial heterogeneity in the signals increases thereafter. In North America, Europe and southern South America, charcoal records indicate less-than-present fire activity during the deglacial period, from 21,000 to ∼11,000 cal yr BP. In contrast, the tropical latitudes of South America and Africa show greater-than-present fire activity from ∼19,000 to ∼17,000 cal yr BP and most sites from Indochina and Australia show greater-than-present fire activity from 16,000 to ∼13,000 cal yr BP. Many sites indicate greater-than-present or near-present activity during the Holocene with the exception of eastern North America and eastern Asia from 8,000 to ∼3,000 cal yr BP, Indonesia and Australia from 11,000 to 4,000 cal yr BP, and southern South America from 6,000 to 3,000 cal yr BP where fire activity was less than present. Regional coherence in the patterns of change in fire activity was evident throughout the post-glacial period. These complex patterns can largely be explained in terms of large-scale climate controls modulated by local changes in vegetation and fuel load.

Here, we present results from the most comprehensive compilation of Holocene peat soil properties with associated carbon and nitrogen accumulation rates for northern peatlands. Our database consists of 268 peat cores from 215 sites located north of 45°N. It encompasses regions within which peat carbon data have only recently become available, such as the West Siberia Lowlands, the Hudson Bay Lowlands, Kamchatka in Far East Russia, and the Tibetan Plateau. For all northern peatlands, carbon content in organic matter was estimated at 42 ± 3% (standard deviation) for Sphagnum peat, 51 ± 2% for non- Sphagnum peat, and at 49 ± 2% overall. Dry bulk density averaged 0.12 ± 0.07 g/cm 3 , organic matter bulk density averaged 0.11 ± 0.05 g/cm 3 , and total carbon content in peat averaged 47 ± 6%. In general, large differences were found between Sphagnum and non- Sphagnum peat types in terms of peat properties. Time-weighted peat carbon accumulation rates averaged 23 ± 2 (standard error of mean) g C/m 2 /yr during the Holocene on the basis of 151 peat cores from 127 sites, with the highest rates of carbon accumulation (25–28 g C/m 2 /yr) recorded during the early Holocene when the climate was warmer than the present. Furthermore, we estimate the northern peatland carbon and nitrogen pools at 436 and 10 gigatons, respectively. The database is publicly available at https://peatlands.lehigh.edu .

Abstract [1] This synthesis addresses the vulnerability of the North American high-latitude soil organic carbon (SOC) pool to climate change. Disturbances caused by climate warming in arctic, subarctic, and boreal environments can result in significant redistribution of C among major reservoirs with potential global impacts. We divide the current northern high-latitude SOC pools into (1) near-surface soils where SOC is affected by seasonal freeze-thaw processes and changes in moisture status, and (2) deeper permafrost and peatland strata down to several tens of meters depth where SOC is usually not affected by short-term changes. We address key factors (permafrost, vegetation, hydrology, paleoenvironmental history) and processes (C input, storage, decomposition, and output) responsible for the formation of the large high-latitude SOC pool in North America and highlight how climate-related disturbances could alter this pool's character and size. Press disturbances of relatively slow but persistent nature such as top-down thawing of permafrost, and changes in hydrology, microbiological communities, pedological processes, and vegetation types, as well as pulse disturbances of relatively rapid and local nature such as wildfires and thermokarst, could substantially impact SOC stocks. Ongoing climate warming in the North American high-latitude region could result in crossing environmental thresholds, thereby accelerating press disturbances and increasingly triggering pulse disturbances and eventually affecting the C source/sink net character of northern high-latitude soils. Finally, we assess postdisturbance feedbacks, models, and predictions for the northern high-latitude SOC pool, and discuss data and research gaps to be addressed by future research.

Studies of tree recruitment are many, but they provide few general insights into the role of recruitment limitation for population dynamics. That role depends on the vital rates (transitions) from seed production to sapling stages and on overall population growth. To determine the state of our understanding of recruitment limitation we examined how well we can estimate parameters corresponding to these vital rates. Our two-part analysis consists of (1) a survey of published literature to determine the spatial and temporal scale of sampling that is basis for parameter estimates, and (2) an analysis of extensive data sets to evaluate sampling intensity found in the literature. We find that published studies focus on fine spatial scales, emphasizing large numbers of small samples within a single stand, and tend not to sample multiple stands or variability across landscapes. Where multiple stands are sampled, sampling is often inconsistent. Sampling of seed rain, seed banks, and seedlings typically span <1 yr and rarely last 5 yr. Most studies of seeding establishment and growth consider effects of a single variable and a single life history stage. By examining how parameter estimates are affected by the spatial and temporal extent of sampling we find that few published studies are sufficiently extensive to capture the variability in recruitment stages. Early recruitment stages are especially variable and require samples across multiple years and multiple stands. Ironically, the longest duration data sets are used to estimate mortality rates, which are less variable (in time) than are early life history stages. Because variables that affect recruitment rates interact, studies of these interactions are needed to assess their full impacts. We conclude that greater attention to spatially extensive and longer duration sampling for early life history stages is needed to assess the role of recruitment limitation in forests.

Approximately 1700 Pg of soil carbon (C) are stored in the northern circumpolar permafrost zone, more than twice as much C than in the atmosphere. The overall amount, rate, and form of C released to the atmosphere in a warmer world will influence the strength of the permafrost C feedback to climate change. We used a survey to quantify variability in the perception of the vulnerability of permafrost C to climate change. Experts were asked to provide quantitative estimates of permafrost change in response to four scenarios of warming. For the highest warming scenario (RCP 8.5), experts hypothesized that C release from permafrost zone soils could be 19–45 Pg C by 2040, 162–288 Pg C by 2100, and 381–616 Pg C by 2300 in CO2 equivalent using 100-year CH4 global warming potential (GWP). These values become 50 % larger using 20-year CH4 GWP, with a third to a half of expected climate forcing coming from CH4 even though CH4 was only 2.3 % of the expected C release. Experts projected that two-thirds of this release could be avoided under the lowest warming scenario (RCP 2.6). These results highlight the potential risk from permafrost thaw and serve to frame a hypothesis about the magnitude of this feedback to climate change. However, the level of emissions proposed here are unlikely to overshadow the impact of fossil fuel burning, which will continue to be the main source of C emissions and climate forcing.

Heterogeneous environmental controls on permafrost region soil organic carbon stocks can now be quantified with spatial modeling.

Abstract. High-latitude terrestrial ecosystems are key components in the global carbon cycle. The Northern Circumpolar Soil Carbon Database (NCSCD) was developed to quantify stocks of soil organic carbon (SOC) in the northern circumpolar permafrost region (a total area of 18.7 × 106 km2). The NCSCD is a geographical information system (GIS) data set that has been constructed using harmonized regional soil classification maps together with pedon data from the northern permafrost region. Previously, the NCSCD has been used to calculate SOC storage to the reference depths 0–30 cm and 0–100 cm (based on 1778 pedons). It has been shown that soils of the northern circumpolar permafrost region also contain significant quantities of SOC in the 100–300 cm depth range, but there has been no circumpolar compilation of pedon data to quantify this deeper SOC pool and there are no spatially distributed estimates of SOC storage below 100 cm depth in this region. Here we describe the synthesis of an updated pedon data set for SOC storage (kg C m−2) in deep soils of the northern circumpolar permafrost regions, with separate data sets for the 100–200 cm (524 pedons) and 200–300 cm (356 pedons) depth ranges. These pedons have been grouped into the North American and Eurasian sectors and the mean SOC storage for different soil taxa (subdivided into Gelisols including the sub-orders Histels, Turbels, Orthels, permafrost-free Histosols, and permafrost-free mineral soil orders) has been added to the updated NCSCDv2. The updated version of the data set is freely available online in different file formats and spatial resolutions that enable spatially explicit applications in GIS mapping and terrestrial ecosystem models. While this newly compiled data set adds to our knowledge of SOC in the 100–300 cm depth range, it also reveals that large uncertainties remain. Identified data gaps include spatial coverage of deep (> 100 cm) pedons in many regions as well as the spatial extent of areas with thin soils overlying bedrock and the quantity and distribution of massive ground ice. An open access data-portal for the pedon data set and the GIS-data sets is available online at http://bolin.su.se/data/ncscd/. The NCSCDv2 data set has a digital object identifier (doi:10.5879/ECDS/00000002).