A substantial amount of atmospheric carbon taken up on land is transported laterally from upland terrestrial ecosystems to the ocean. A synthesis of the available literature suggests that human activities have significantly increased soil carbon inputs to inland waters, but have only slightly affected carbon delivery to the open ocean. A substantial amount of the atmospheric carbon taken up on land through photosynthesis and chemical weathering is transported laterally along the aquatic continuum from upland terrestrial ecosystems to the ocean. So far, global carbon budget estimates have implicitly assumed that the transformation and lateral transport of carbon along this aquatic continuum has remained unchanged since pre-industrial times. A synthesis of published work reveals the magnitude of present-day lateral carbon fluxes from land to ocean, and the extent to which human activities have altered these fluxes. We show that anthropogenic perturbation may have increased the flux of carbon to inland waters by as much as 1.0 Pg C yr−1 since pre-industrial times, mainly owing to enhanced carbon export from soils. Most of this additional carbon input to upstream rivers is either emitted back to the atmosphere as carbon dioxide (∼0.4 Pg C yr−1) or sequestered in sediments (∼0.5 Pg C yr−1) along the continuum of freshwater bodies, estuaries and coastal waters, leaving only a perturbation carbon input of ∼0.1 Pg C yr−1 to the open ocean. According to our analysis, terrestrial ecosystems store ∼0.9 Pg C yr−1 at present, which is in agreement with results from forest inventories but significantly differs from the figure of 1.5 Pg C yr−1 previously estimated when ignoring changes in lateral carbon fluxes. We suggest that carbon fluxes along the land–ocean aquatic continuum need to be included in global carbon dioxide budgets.

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 We report a new synthesis of best estimates of the inputs of fixed nitrogen to the world ocean via atmospheric deposition and compare this to fluvial inputs and dinitrogen fixation. We evaluate the scale of human perturbation of these fluxes. Fluvial inputs dominate inputs to the continental shelf, and we estimate that about 75% of this fluvial nitrogen escapes from the shelf to the open ocean. Biological dinitrogen fixation is the main external source of nitrogen to the open ocean, i.e., beyond the continental shelf. Atmospheric deposition is the primary mechanism by which land‐based nitrogen inputs, and hence human perturbations of the nitrogen cycle, reach the open ocean. We estimate that anthropogenic inputs are currently leading to an increase in overall ocean carbon sequestration of ~0.4% (equivalent to an uptake of 0.15 Pg C yr −1 and less than the Duce et al. (2008) estimate). The resulting reduction in climate change forcing from this ocean CO 2 uptake is offset to a small extent by an increase in ocean N 2 O emissions. We identify four important feedbacks in the ocean atmosphere nitrogen system that need to be better quantified to improve our understanding of the perturbation of ocean biogeochemistry by atmospheric nitrogen inputs. These feedbacks are recycling of (1) ammonia and (2) organic nitrogen from the ocean to the atmosphere and back, (3) the suppression of nitrogen fixation by increased nitrogen concentrations in surface waters from atmospheric deposition, and (4) increased loss of nitrogen from the ocean by denitrification due to increased productivity stimulated by atmospheric inputs.