Nitrogen is a key element controlling the species composition, diversity, dynamics, and functioning of many terrestrial, freshwater, and marine ecosystems. Many of the original plant species living in these ecosystems are adapted to, and function optimally in, soils and solutions with low levels of available nitrogen. The growth and dynamics of herbivore populations, and ultimately those of their predators, also are affected by N. Agriculture, combustion of fossil fuels, and other human activities have altered the global cycle of N substantially, generally increasing both the availability and the mobility of N over large regions of Earth. The mobility of N means that while most deliberate applications of N occur locally, their influence spreads regionally and even globally. Moreover, many of the mobile forms of N themselves have environmental consequences. Although most nitrogen inputs serve human needs such as agricultural production, their environmental consequences are serious and long term. Based on our review of available scientific evidence, we are certain that human alterations of the nitrogen cycle have: approximately doubled the rate of nitrogen input into the terrestrial nitrogen cycle, with these rates still increasing; increased concentrations of the potent greenhouse gas N2O globally, and increased concentrations of other oxides of nitrogen that drive the formation of photochemical smog over large regions of Earth; caused losses of soil nutrients, such as calcium and potassium, that are essential for the long-term maintenance of soil fertility; contributed substantially to the acidification of soils, streams, and lakes in several regions; and greatly increased the transfer of nitrogen through rivers to estuaries and coastal oceans. In addition, based on our review of available scientific evidence we are confident that human alterations of the nitrogen cycle have: increased the quantity of organic carbon stored within terrestrial ecosystems; accelerated losses of biological diversity, especially losses of plants adapted to efficient use of nitrogen, and losses of the animals and microorganisms that depend on them; and caused changes in the composition and functioning of estuarine and nearshore ecosystems, and contributed to long-term declines in coastal marine fisheries.

During the next 50 years, which is likely to be the final period of rapid agricultural expansion, demand for food by a wealthier and 50% larger global population will be a major driver of global environmental change. Should past dependences of the global environmental impacts of agriculture on human population and consumption continue, 10(9) hectares of natural ecosystems would be converted to agriculture by 2050. This would be accompanied by 2.4- to 2.7-fold increases in nitrogen- and phosphorus-driven eutrophication of terrestrial, freshwater, and near-shore marine ecosystems, and comparable increases in pesticide use. This eutrophication and habitat destruction would cause unprecedented ecosystem simplification, loss of ecosystem services, and species extinctions. Significant scientific advances and regulatory, technological, and policy changes are needed to control the environmental impacts of agricultural expansion.

We review measured rates of soil respiration from terrestrial and wetland ecosystems to define the annual global CO2 flux from soils, to identify uncertainties in the global flux estimate, and to investigate the influences of temperature, precipitation, and vegetation on soil respiration rates. The annual global CO2 flux from soils is estimated to average (± S.D.) 68 ± 4 PgC/yr, based on extrapolations from biome land areas. Relatively few measurements of soil respiration exist from arid, semi-arid, and tropical regions; these regions should be priorities for additional research. On a global scale, soil respiration rates are positively correlated with mean annual air temperatures and mean annual precipitation. There is a close correlation between mean annual net primary productivity (NPP) of different vegetation biomes and their mean annual soil respiration rates, with soil respiration averaging 24% higher than mean annual NPP. This difference represents a minimum estimate of the contribution of root respiration to the total soil CO2 efflux. Estimates of soil C turnover rates range from 500 years in tundra and peaty wetlands to 10 years in tropical savannas. We also evaluate the potential impacts of human activities on soil respiration rates, with particular focus on land use changes, soil fertilization, irrigation and drainage, and climate changes. The impacts of human activities on soil respiration rates are poorly documented, and vary among sites. Of particular importance are potential changes in temperatures and precipitation. Based on a review of in situ measurements, the Q10 value for total soil respiration has a median value of 2.4. Increased soil respiration with global warming is likely to provide a positive feedback to the greenhouse effect.

Significance Most nations recently agreed to hold global average temperature rise to well below 2 °C. We examine how much climate mitigation nature can contribute to this goal with a comprehensive analysis of “natural climate solutions” (NCS): 20 conservation, restoration, and/or improved land management actions that increase carbon storage and/or avoid greenhouse gas emissions across global forests, wetlands, grasslands, and agricultural lands. We show that NCS can provide over one-third of the cost-effective climate mitigation needed between now and 2030 to stabilize warming to below 2 °C. Alongside aggressive fossil fuel emissions reductions, NCS offer a powerful set of options for nations to deliver on the Paris Climate Agreement while improving soil productivity, cleaning our air and water, and maintaining biodiversity.

Studies of ecosystem processes on the Jornada Experimental Range in southern New Mexico suggest that long-term grazing of semiarid grasslands leads to an increase in the spatial and temporal heterogeneity of water, nitrogen, and other soil resources. Heterogeneity of soil resources promotes invasion by desert shrubs, which leads to a further localization of soil resources under shrub canopies. In the barren area between shrubs, soil fertility is lost by erosion and gaseous emissions. This positive feedback leads to the desertification of formerly productive land in southern New Mexico and in other regions, such as the Sahel. Future desertification is likely to be exacerbated by global climate warming and to cause significant changes in global biogeochemical cycles.

We examined the spatial distribution of soil nutrients in desert ecosystems of the southwestern United States to test the hypothesis that the invasion of semiarid grasslands by desert shrubs is associated with the development of "islands of fertility" under shrubs. In grasslands of the Chihuahuan Desert of New Mexico, 35—76% of the variation in soil N was found at distances <20 cm, which may be due to local accumulations of soil N under Bouteloua eriopoda, a perennial bunchgrass. The remaining variance is found over distances extending to 7 m, which is unlikely to be related to nutrient cycling by grasses. In adjacent shrublands, in which Larrea tridentata has replaced these grasses over the last century, soil N is more concentrated under shrubs and autocorrelated over distances extending 1.0—3.0 m, similar to mean shrub size and reflecting local nutrient cycling by shrubs. A similar pattern was seen in the shrublands of the Mojave Desert of California. Soil PO_4, Cl, SO_4, and K also accumulate under desert shrubs, whereas Rb, Na, Li, Ca, Mg, and Sr are usually more concentrated in the intershrub spaces. Changes in the distribution of soil properties may be a useful index of desertification in arid and semiarid grasslands worldwide.

Recent projections of climatic change have focused a great deal of scientific and public attention on patterns of carbon (C) cycling as well as its controls, particularly the factors that determine whether an ecosystem is a net source or sink of atmospheric carbon dioxide (CO2). Net ecosystem production (NEP), a central concept in C-cycling research, has been used by scientists to represent two different concepts. We propose that NEP be restricted to just one of its two original definitions—the imbalance between gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (ER). We further propose that a new term—net ecosystem carbon balance (NECB)—be applied to the net rate of C accumulation in (or loss from [negative sign]) ecosystems. Net ecosystem carbon balance differs from NEP when C fluxes other than C fixation and respiration occur, or when inorganic C enters or leaves in dissolved form. These fluxes include the leaching loss or lateral transfer of C from the ecosystem; the emission of volatile organic C, methane, and carbon monoxide; and the release of soot and CO2 from fire. Carbon fluxes in addition to NEP are particularly important determinants of NECB over long time scales. However, even over short time scales, they are important in ecosystems such as streams, estuaries, wetlands, and cities. Recent technological advances have led to a diversity of approaches to the measurement of C fluxes at different temporal and spatial scales. These approaches frequently capture different components of NEP or NECB and can therefore be compared across scales only by carefully specifying the fluxes included in the measurements. By explicitly identifying the fluxes that comprise NECB and other components of the C cycle, such as net ecosystem exchange (NEE) and net biome production (NBP), we can provide a less ambiguous framework for understanding and communicating recent changes in the global C cycle.

In the absence of human activities, biotic fixation is the primary source of reactive N, providing about 90–130 Tg N yr −1 (Tg = 10 12 g) on the continents. Human activities have resulted in the fixation of an additional ≈140 Tg N yr −1 by energy production (≈20 Tg N yr −1 ), fertilizer production (≈80 Tg N yr −1 ), and cultivation of crops (e.g., legumes, rice) (≈40 Tg N yr −1 ). We can only account for part of this anthropogenic N. N 2 O is accumulating in the atmosphere at a rate of 3 Tg N yr −1 . Coastal oceans receive another 41 Tg N yr −1 via rivers, much of which is buried or denitrified. Open oceans receive 18 Tg N yr −1 by atmospheric deposition, which is incorporated into oceanic N pools (e.g., NO 3 − , N 2 ). The remaining 80 Tg N yr −1 are either retained on continents in groundwater, soils, or vegetation or denitrified to N 2 . Field studies and calculations indicate that uncertainties about the size of each sink can account for the remaining anthropogenic N. Thus although anthropogenic N is clearly accumulating on continents, we do not know rates of individual processes. We predict the anthropogenic N‐fixation rate will increase by about 60% by the year 2020, primarily due to increased fertilizer use and fossil‐fuel combustion. About two‐thirds of the increase will occur in Asia, which by 2020 will account for over half of the global anthropogenic N fixation.