Global-scale studies suggest that dryland ecosystems dominate an increasing trend in the magnitude and interannual variability of the land CO2 sink. However, such analyses are poorly constrained by measured CO2 exchange in drylands. Here we address this observation gap with eddy covariance data from 25 sites in the water-limited Southwest region of North America with observed ranges in annual precipitation of 100-1000 mm, annual temperatures of 2-25°C, and records of 3-10 years (150 site-years in total). Annual fluxes were integrated using site-specific ecohydrologic years to group precipitation with resulting ecosystem exchanges. We found a wide range of carbon sink/source function, with mean annual net ecosystem production (NEP) varying from -350 to +330 gCm-2 across sites with diverse vegetation types, contrasting with the more constant sink typically measured in mesic ecosystems. In this region, only forest-dominated sites were consistent carbon sinks. Interannual variability of NEP, gross ecosystem production (GEP), and ecosystem respiration (Reco ) was larger than for mesic regions, and half the sites switched between functioning as C sinks/C sources in wet/dry years. The sites demonstrated coherent responses of GEP and NEP to anomalies in annual evapotranspiration (ET), used here as a proxy for annually available water after hydrologic losses. Notably, GEP and Reco were negatively related to temperature, both interannually within site and spatially across sites, in contrast to positive temperature effects commonly reported for mesic ecosystems. Models based on MODIS satellite observations matched the cross-site spatial pattern in mean annual GEP but consistently underestimated mean annual ET by ~50%. Importantly, the MODIS-based models captured only 20-30% of interannual variation magnitude. These results suggest the contribution of this dryland region to variability of regional to global CO2 exchange may be up to 3-5 times larger than current estimates.

Abstract Spatial synchrony, the tendency for populations across space to show correlated fluctuations, is a fundamental feature of population dynamics, linked to central topics of ecology such as population cycling, extinction risk, and ecosystem stability. A common mechanism of spatial synchrony is the Moran effect, whereby spatially synchronized environmental signals drive population dynamics and hence induce population synchrony. After reviewing recent progress in understanding Moran effects, we here elaborate a general theory of how Moran effects of different environmental drivers acting on the same populations can interact, either synergistically or destructively, to produce either substantially more or markedly less population synchrony than would otherwise occur. We provide intuition for how this newly recognized mechanism works through theoretical case studies and application of our theory to California populations of giant kelp. We argue that Moran interactions should be common. Our theory and analysis explain an important new aspect of a fundamental feature of spatiotemporal population dynamics.

Abstract Under accelerating threats from climate change impacts, marine protected areas (MPAs) have been proposed as climate adaptation tools to enhance the resilience of marine ecosystems. Yet, debate persists as to whether and how MPAs may promote resilience to climate shocks. Here, we empirically assess whether a network of 85 temperate MPAs in coastal waters promotes resilience against marine heatwaves in Central and Southern California. We use 38 years of satellite-derived kelp cover to test whether MPAs enhance the resistance of kelp forest ecosystems to, and recovery from, the unprecedented 2014–2016 marine heatwave regime. We also leverage a 20-year time series of subtidal community surveys to understand whether protection and recovery of sea urchin predators within MPAs explain emergent patterns in kelp forest resilience through trophic cascades. We find that fully protected MPAs (i.e. no-take marine reserves) significantly enhance the resistance to and recovery of kelp forests to marine heatwaves in Southern California, but not in Central California. Differences in regional responses to the heatwaves may be partly explained by three-level trophic interactions comprising kelp, urchins, and predators of urchins. Urchin abundances in Southern California MPAs are significantly lower within fully protected MPAs during and after the heatwave, while the abundance of their predators are higher. In Central California, there is no significant difference in urchin abundances within protected areas as the current urchin predator, sea otters, are unilaterally protected. Therefore, we provide evidence that fully protected MPAs can be effective climate adaptation tools, but their ability to enhance resilience to extreme climate events depends upon region-specific environmental and ecological dynamics. As nations progress to protect 30% of the oceans by 2030 scientists and managers should consider whether protection will increase resilience to climate-change impacts given their local ecological contexts, and what additional measures may be needed.

Marine foundation species are critical for the structure and functioning of ecosystems and constitute the pillar of trophic chains while also providing a variety of ecosystem services. In recent decades many foundation species have declined in abundance, sometimes threatening their current geographical distribution. Kelps (Laminariales) are the primary foundation species in temperate coastal systems worldwide. Kelp ecosystems are notoriously variable and identifying the key factors that control the dynamics of kelp abundance is key to predicting the fate of kelp ecosystems under climatic change and informing management and conservation decisions such as forest restoration. Here, we used in situ data from long-term monitoring programs across 1,350 km of coast spanning multiple biogeographic regions in the state of California (USA) to identify the major regional drivers of density of two dominant canopy-forming kelp species and to elucidate the spatial and temporal scales over which they operate. We used generalized additive models to identify the key drivers of density of two dominant kelp species (Nereocystis luetkeana and Macrocystis pyrifera) across four ecological regions of the state of California (north, central, south-west and south-east) and for the past two decades (2004-2021). Our study identified that the dominant drivers of kelp density varied between regions and species but always included some combination of nitrate availability, wave energy and exposure, density of purple sea urchins, and temperature as the most important predictors explaining 63% of the variability of bull kelp in the north and central regions, and 45% and 51.4% of the variability in giant kelp for the central/south-west and south-east regions, respectively. These large-scale analyses infer that a combination of lower nutrient availability, changes in wave energy and exposure, and increases in temperature and purple sea urchin counts have contributed to the decline of kelp observed in the last decade. Understanding the drivers of kelp dynamics can be used to identify regions and periods of significant change and historical stability, ultimately informing resource management and conservation decisions such as site selection for kelp protection and restoration.

Abstract Giant kelp populations support productive and diverse coastal ecosystems in both hemispheres at temperate and subpolar latitudes but are vulnerable to changing climate conditions as well as direct human impacts. Observations of giant kelp forests are spatially and temporally patchy, with disproportionate coverage in the northern hemisphere, despite the size and comparable density of southern hemisphere kelp forests. Satellite imagery enables the mapping of existing and historical giant kelp populations in understudied regions, but automating the detection of giant kelp in large satellite datasets requires approaches that are robust to the optical complexity of the shallow, nearshore environment. We present and compare two approaches for automating the detection of giant kelp in satellite datasets: one based on crowd sourcing of satellite imagery classifications and another based on a decision tree paired with a spectral unmixing algorithm (automated using Google Earth Engine). Both approaches are applied to satellite imagery (Landsat) of the Falkland Islands or Islas Malvinas (FLK), an archipelago in the southern Atlantic Ocean that supports expansive giant kelp ecosystems. The performance of each method is evaluated by comparing the automated classifications with a subset of expert-annotated imagery cumulatively spanning over 2,700km of coastline. Using the remote sensing approaches evaluated herein, we present the first continuous timeseries of giant kelp observations in the FLK region using Landsat imagery spanning over three decades. We do not detect evidence of long-term change in the FLK region, although we observe a recent decline in total canopy area from 2017-2021. Using a nitrate model based on nearby ocean state measurements obtained from ships and incorporating satellite sea surface temperature products, we find that the area of giant kelp forests in the FLK region is positively correlated with the nitrate content observed during the prior year. Our results indicate that giant kelp classifications using citizen science are approximately consistent with classifications based on a state-of-the-art automated spectral approach. Despite differences in accuracy and sensitivity, both approaches find high interannual variability that impedes the detection of potential long-term changes in giant kelp canopy area, although recent canopy area declines are notable and should continue to be monitored carefully.

Abstract Highlights Site selection is one of the most important factors for ecosystem restoration success A spatial prioritization framework for application to kelp restoration in California The framework merges kelp metrics derived from in-situ surveys and satellite imagery Site prioritization classification for every kelp forest site in California This framework can be applied to other species and regions with similar datasets We present a decision support framework in the form of a spatially explicit site classification scheme to prioritize locations for conducting kelp restoration. The framework was created for the entire coast of California, where kelp has been lost and restoration projects are increasingly proposed, but the framework is broadly applicable to other coastal habitats or species that are being considered for restoration. We first created spatial distribution models using almost two decades of in situ kelp forest monitoring data and a comprehensive suite of environmental and biological variables, and used the outputs to evaluate the historical stability of kelp forests prior to a marine heatwave (MHW). We then used kelp canopy abundance data derived from satellite imagery to measure the impact of the MHW (i.e. extent of forest loss) and the recent state of kelp forests, including the trend of increase or decrease following the MHW. Finally, we integrated these site-specific kelp metrics to construct a classification tree for prioritizing restoration sites. Outputs of site prioritization are mapped across the study region, readily usable for managers and restoration practitioners with site-specific recommendations for restoration approaches. The framework can be updated due to knowledge of the important predictors of kelp and with new satellite imagery. Further, the framework can be adapted to other species and regions with similar data sets. This regional site selection framework is intended to be used in addition to socio-ecological, socio-economic, and administrative considerations.

Abstract Kelp forests are one of the earth’s most productive ecosystems and are at the greatest risk from climate change, yet little is known regarding their future threats and current conservation status. By combining a global remote sensing dataset of floating kelp forests with climate data and projections, we find that exposure to projected marine heatwaves will increase ∼8 times compared to contemporary (2001-2020) exposure for intermediate climate scenarios. While exposure will intensify for all forests, climate refugia emerge for some southern hemisphere kelp forests, which have lower exposure to contemporary and projected marine heatwaves. Under these escalating threats, less than 3% of global kelp forests are currently within highly restrictive marine protected areas, the most effective conservation measure for providing climate resilience. Our findings emphasize the urgent need to increase the global protection of kelp forests and set bolder climate adaptation goals.

Abstract Giant kelp and bull kelp forests are increasingly at risk from marine heatwave events, herbivore outbreaks, and the loss or alterations in the behavior of key herbivore predators. The dynamic floating canopy of these kelps is well-suited to study via satellite imagery, which provides high temporal and spatial resolution data of floating kelp canopy across the western United States and Mexico. However, the size and complexity of the satellite image dataset has made ecological analysis difficult for scientists and managers. To increase accessibility of this rich dataset, we created Kelpwatch, a web-based visualization and analysis tool. This tool allows researchers and managers to quantify kelp forest change in response to disturbances, assess historical trends, and allow for effective and actionable kelp forest management. Here, we demonstrate how Kelpwatch can be used to analyze long-term trends in kelp canopy across regions, quantify spatial variability in the response to and recovery from the 2014 to 2016 marine heatwave events, and provide a local analysis of kelp canopy status around the Monterey Peninsula, California. We found that 18.6% of regional sites displayed a significant trend in kelp canopy area over the past 38 years and that there was a latitudinal response to heatwave events for each kelp species. The recovery from heatwave events was more variable across space, with some local areas like Bahía Tortugas in Baja California Sur showing high recovery while kelp canopies around the Monterey Peninsula continued a slow decline and patchy recovery compared to the rest of the Central California region. Kelpwatch provides near real time spatial data and analysis support and makes complex earth observation data actionable for scientists and managers, which can help identify areas for research, monitoring, and management efforts.

Abstract In most regions, the distribution of marine forests and the efficacy of their protection is unknown. We mapped the persistence of giant kelp forests across ten degrees of latitude in the Northeast Pacific Ocean and found that 7.7% of giant kelp is fully protected, with decreasing percentages from north to south. Sustainability goals should prioritize kelp mapping and monitoring, while protection and climate adaption targets should account for habitat dynamics.