地球上森林的出现（~3.85亿年前，马）与大气CO2水平下降和全球气候变冷有关，通过改变大陆风化过程，但在森林增加之前对大气CO2的观测限制具有很大的，通常是无限的不确定性。在这里，我们校准了现代石松植物中气体交换的机理模型，并限制了来自相关化石植物的大气CO2水平410-380 马，其不确定度约为±100 ppm（1 sd）。我们发现，在大陆植树造林之前，大气中含有~525-715 ppm CO2，并且根据古气候模型，地球部分被冰川化。过程驱动的生物地球化学模型（COPSE）表明，根系较深的树木的出现并没有显著提高大气中的CO2去除率。相反，浅根维管生态系统可能在森林兴起之前很久就同时引起突然的大气氧合和气候变冷，尽管早期的二氧化碳水平仍然未知。
我们发现，年平均气温的升高会影响宏观经济增长。然而，经济的各种基本要素受到日气温与季节预期偏差的影响，这些偏差并未在年平均值中得到充分反映。在这里，我们表明，除了年度平均温度的变化外，季节性调整后日气温波动的增加会降低宏观经济增长。通过将观测到的日气温波动与全球1537个地区的40多年的国家以下经济数据相结合，我们在固定效应面板模型中发现，平均而言，每增加一度的气温波动会导致区域增长率下降5个百分点。日气温波动的影响受季节气温差异和收入的调节，导致低纬度、低收入地区受影响最大（12个百分点）。这些发现揭示了气候-经济关系中一个新的全球影响渠道，需要在气候和综合评估模型中进行更全面的评估。
随着中国迅速增加煤炭发电能力，同时二氧化碳排放量需要下降，这些产能将变成搁浅资产。为了应对这种风险，一个有前途的选择是对这些产能进行改造，以与生物质共同燃烧，并最终升级到CCS运营（BECCS），但其可行性在更广泛的可持续发展问题上的负面影响方面存在争议。在这里，我们提出了一种数据丰富的空间显式方法来估计中国电力部门使用BECCS脱碳的边际成本曲线。我们发现，通过在同一县共同燃烧0.9 Gt的生物质（其中一半是农业残留物），2836个县中有222 GW的电力产能潜力。我们的空间显式方法有助于减少BECCS的经济成本和排放量的不确定性，确定生物质能的最佳机会，并展示通过物流挑战实现中国电力部门大规模BECCS碳中和的限制。
重新造林和植树造林预计将实现《巴黎协定》下承诺减排的四分之一。树木在生物量和土壤中储存碳，但也改变地表能量平衡，使当地气候变暖或变冷。缓解情景和政策往往忽视这些生物地球物理（BGP）效应。在本文中，我们将观测到的BGP数据集与碳吸收或排放数据相结合，评估森林化对世纪末缓解潜力的影响。重新造林和保护热带雨林实现了最高的气候效益，每公顷可减少732.12吨二氧化碳当量。高纬度的森林会使当地冬季气候变暖，影响73.7%的温带森林。如果只考虑生物量，北纬56度以上的森林几乎有三分之一（29.8%）会引发净冬季变暖。包括土壤碳在内，净变暖面积减少到6.8%，但不确定性很高（2.9-42.0%）。我们的研究结果强调了保护和重建热带雨林的必要性，并建议在政策情景中考虑BGP效应。
尽管有大量保护措施，但全球生态系统的丧失仍在继续，与之相关的物种和自然对人类的贡献也在下降。为了支持生物多样性保护、联合国可持续发展目标和减缓气候变化的努力，迫切需要在2020年后的全球生物多样性框架中制定一个有效的生态系统目标，并辅以明确的里程碑、目标和指标。在此，我们描述了基于变革理论的生态系统目标和里程碑的科学基础，并回顾了可用的衡量进展的指标。生态系统目标应包括三个核心组成部分：面积、完整性和崩溃风险。目标——实现目标所必需的行动——应该解决生态系统损失和恢复的途径，包括保护受威胁生态系统的残余部分，恢复其面积和完整性以减少崩溃风险，并保留完整区域。需要多个指标来捕捉所有生态系统类型的不同维度的生态系统面积、完整性和崩溃风险，并且应该选择适合目的和与目标组件相关性强的指示物。基于科学的、得到良好制定的行动计划和适合目的的指标支持的目标，将为扭转生物多样性丧失和维持人类福祉提供最佳基础。
气候变化对冰季节性和水温的影响危及湖泊生态系统。然而，历史上的模拟并未被用于正式将湖泊冰和温度的变化归因于人为驱动因素。此外，这些特性的未来预测仅限于单个湖泊或来自单个湖泊模型的全球模拟。在这里，我们使用五个湖泊模型的回溯和预测来揭示全球湖泊上的人类印记。最近几十年来，重新分析的湖泊温度和冰盖趋势极不可能仅由工业化前气候变异性解释。重新分析中的冰盖趋势与历史条件下的湖泊模型模拟一致，为湖泊变化提供了人为气候变化的解释。此外，在全球平均气温升高的情况下（+0.9°C°Cair–1），湖泊温度、冰厚和持续时间会显著改变（分别为-0.033 m°Cair–1和-9.7 d°Cair–1）。这些影响将深刻改变湖泊生态系统的功能及其提供的服务。
需要加大努力，防止陆地生物多样性及其提供的生态系统服务的进一步损失1,2。提出了雄心勃勃的目标，例如扭转生物多样性下降的趋势3；然而，仅仅养活不断增长的人口将使这成为一个挑战4。在这里，我们使用一套土地利用和生物多样性模型来评估人类是否以及如何扭转栖息地转换导致的陆地生物多样性下降，这是对生物多样性的主要威胁5。我们表明，根据更广泛的可持续性议程，但具有前所未有的雄心和协调，立即做出努力，可以为不断增长的人口提供粮食，同时扭转栖息地转换造成的全球陆地生物多样性趋势。如果我们决定增加受保护管理的土地的范围，恢复退化的土地，并推广景观级保护规划，到21世纪中期，栖息地转换带来的生物多样性趋势可能会在各个模型中平均为正（置信区间，2042-2061），但并非所有模型都是如此。粮食价格可能会上涨，而且，在各个模型中，几乎一半（置信区间，34-50%）的未来生物多样性损失是无法避免的。然而，另外解决土地使用变化的驱动因素可以避免与负担得起的粮食供应发生冲突，并减少粮食供应系统对环境的影响。通过进一步的可持续集约化和贸易、减少食物浪费和更多的植物性人类饮食，避免了未来三分之二以上的生物多样性损失，到2050年，几乎所有模型的栖息地转换带来的生物多样度趋势都将逆转。尽管在几个生物多样性丰富的地区，限制进一步的损失仍然具有挑战性，而且必须应对气候变化等其他威胁，才能真正扭转生物多样性的下降趋势，但我们的研究结果表明，雄心勃勃的保护努力和粮食系统转型是有效的2020年后生物多样性战略的核心。
地球系统科学（ESS）是一项迅速兴起的跨学科研究，旨在了解地球作为一个复杂、适应性系统的结构和功能。在这里，我们讨论ESS的出现和演变，概述这些发展对推进我们对全球变化的理解的重要性。受早期生物圈-地圈相互作用研究和盖亚假说等新观点的启发，ESS于20世纪80年代出现，当时人们对新的“地球科学”提出了要求。国际地圈-生物圈方案紧随其后，导致了前所未有的国际承诺和学科融合。ESS提出了全球变化话语的核心概念和框架，包括人类世、临界要素和行星边界。展望未来，ESS面临的巨大挑战是实现生物物理过程和人类动力学的深度融合，以建立对地球系统的真正统一理解。
全球作物产量对气温升高的反应是气候变化下可持续发展的基础，但仍不确定。在这里，我们将小麦、玉米、水稻和大豆的全球田间变暖实验数据集（48个地点）与网格化全球作物模型相结合，用紧急约束方法对作物产量对温度变化的响应进行田间数据约束估计。我们的有限估计表明，温度升高会降低玉米产量的可能性大于95%（−7.1 ± 2.8% K−1）、水稻（−5.6 ± 2% K−1）和大豆（−10.6 ± 5.8% K−1）。对于小麦，ST为阴性的可能性为89%（−2.9 ± 2.3% K−1）。四种作物与建模ST相关的不确定性减少了12-54%，但数据限制不允许进一步解开不同作物类型的ST。《巴黎协定》后影响评估的一个关键含义是，仅直接变暖影响就将使主要作物产量在2 K全球变暖，而不考虑二氧化碳的施肥效应和适应性。即使升温限制在1.5 K、 所有主要生产国仍将面临气候变暖导致的显著减产。这种产量损失可能会被二氧化碳浓度升高带来的预计收益部分抵消，二氧化碳浓度升高的幅度仍不确定，这凸显了通过自主适应来弥补这一损失的挑战。
