Climate change challenges organisms to adapt or move to track changes in environments in space and time. We used two measures of thermal shifts from analyses of global temperatures over the past 50 years to describe the pace of climate change that species should track: the velocity of climate change (geographic shifts of isotherms over time) and the shift in seasonal timing of temperatures. Both measures are higher in the ocean than on land at some latitudes, despite slower ocean warming. These indices give a complex mosaic of predicted range shifts and phenology changes that deviate from simple poleward migration and earlier springs or later falls. They also emphasize potential conservation concerns, because areas of high marine biodiversity often have greater velocities of climate change and seasonal shifts.

Climate change is driving changes in the physical and chemical properties of the ocean that have consequences for marine ecosystems. Here, we review evidence for the responses of marine life to recent climate change across ocean regions, from tropical seas to polar oceans. We consider observed changes in calcification rates, demography, abundance, distribution and phenology of marine species. We draw on a database of observed climate change impacts on marine species, supplemented with evidence in the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. We discuss factors that limit or facilitate species’ responses, such as fishing pressure, the availability of prey, habitat, light and other resources, and dispersal by ocean currents. We find that general trends in species responses are consistent with expectations from climate change, including poleward and deeper distributional shifts, advances in spring phenology, declines in calcification and increases in the abundance of warm-water species. The volume and type of evidence of species responses to climate change is variable across ocean regions and taxonomic groups, with much evidence derived from the heavily-studied north Atlantic Ocean. Most investigations of marine biological impacts of climate change are of the impacts of changing temperature, with few observations of effects of changing oxygen, wave climate, precipitation (coastal waters) or ocean acidification. Observations of species responses that have been linked to anthropogenic climate change are widespread, but are still lacking for some taxonomic groups (e.g., phytoplankton, benthic invertebrates, marine mammals).

Ocean warming will cause widespread changes in species richness and assemblage composition over coming decades, with important implications for both conservation management and international ocean governance. Anticipating the effect of climate change on biodiversity, in particular on changes in community composition, is crucial for adaptive ecosystem management1 but remains a critical knowledge gap2. Here, we use climate velocity trajectories3, together with information on thermal tolerances and habitat preferences, to project changes in global patterns of marine species richness and community composition under IPCC Representative Concentration Pathways4 (RCPs) 4.5 and 8.5. Our simple, intuitive approach emphasizes climate connectivity, and enables us to model over 12 times as many species as previous studies5,6. We find that range expansions prevail over contractions for both RCPs up to 2100, producing a net local increase in richness globally, and temporal changes in composition, driven by the redistribution rather than the loss of diversity. Conversely, widespread invasions homogenize present-day communities across multiple regions. High extirpation rates are expected regionally (for example, Indo-Pacific), particularly under RCP8.5, leading to strong decreases in richness and the anticipated formation of no-analogue communities where invasions are common. The spatial congruence of these patterns with contemporary human impacts7,8 highlights potential areas of future conservation concern. These results strongly suggest that the millennial stability of current global marine diversity patterns, against which conservation plans are assessed, will change rapidly over the course of the century in response to ocean warming.

High harvest levels of low–trophic level fishes may have cascading marine ecosystem effects.

The reorganization of patterns of species diversity driven by anthropogenic climate change, and the consequences for humans, are not yet fully understood or appreciated. Nevertheless, changes in climate conditions are useful for predicting shifts in species distributions at global and local scales. Here we use the velocity of climate change to derive spatial trajectories for climatic niches from 1960 to 2009 (ref. 7) and from 2006 to 2100, and use the properties of these trajectories to infer changes in species distributions. Coastlines act as barriers and locally cooler areas act as attractors for trajectories, creating source and sink areas for local climatic conditions. Climate source areas indicate where locally novel conditions are not connected to areas where similar climates previously occurred, and are thereby inaccessible to climate migrants tracking isotherms: 16% of global surface area for 1960 to 2009, and 34% of ocean for the 'business as usual' climate scenario (representative concentration pathway (RCP) 8.5) representing continued use of fossil fuels without mitigation. Climate sink areas are where climate conditions locally disappear, potentially blocking the movement of climate migrants. Sink areas comprise 1.0% of ocean area and 3.6% of land and are prevalent on coasts and high ground. Using this approach to infer shifts in species distributions gives global and regional maps of the expected direction and rate of shifts of climate migrants, and suggests areas of potential loss of species richness.

Triple-bottom-line outcomes from resource management and conservation, where conservation goals and equity in social outcomes are maximized while overall costs are minimized, remain a highly sought-after ideal. However, despite widespread recognition of the importance that equitable distribution of benefits or costs across society can play in conservation success, little formal theory exists for how to explicitly incorporate equity into conservation planning and prioritization. Here, we develop that theory and implement it for three very different case studies in California (United States), Raja Ampat (Indonesia), and the wider Coral Triangle region (Southeast Asia). We show that equity tends to trade off nonlinearly with the potential to achieve conservation objectives, such that similar conservation outcomes can be possible with greater equity, to a point. However, these case studies also produce a range of trade-off typologies between equity and conservation, depending on how one defines and measures social equity, including direct (linear) and no trade-off. Important gaps remain in our understanding, most notably how equity influences probability of conservation success, in turn affecting the actual ability to achieve conservation objectives. Results here provide an important foundation for moving the science and practice of conservation planning-and broader spatial planning in general-toward more consistently achieving efficient, equitable, and effective outcomes.

Abstract As human impacts increase in coastal regions, there is concern that critical habitats that provide the foundation of entire ecosystems are in decline. Seagrass meadows face growing threats such as poor water quality and coastal development. To determine the status of seagrass meadows over time, we reconstructed time series of meadow area from 175 studies that surveyed 547 sites around the world. We found an overall trajectory of decline in all seven bioregions with a global net loss of 5602 km 2 (19.1% of surveyed meadow area) occurring since 1880. Declines have typically been non‐linear, with rapid and historical losses observed in several bioregions. The greatest net losses of area occurred in four bioregions (Tropical Atlantic, Temperate North Atlantic East, Temperate Southern Oceans and Tropical Indo‐Pacific), with declining trends being the slowest and most consistent in the latter two bioregions. In some bioregions, trends have recently stabilised or reversed. Losses, however, still outweigh gains. Despite consistent global declines, meadows show high variability in trajectories, within and across bioregions, highlighting the importance of local context. Studies identified 12 different drivers of meadow area change, with coastal development and water quality as the most commonly cited. Overall, however, attributions were primarily descriptive and only 10% of studies used inferential attributions. Although ours is the most comprehensive dataset to date, it still represents only one‐tenth of known global seagrass extent, with conspicuous historical and geographic biases in sampling. It therefore remains unclear whether the bioregional patterns of change documented here reflect changes in the world's unmonitored seagrass meadows. The variability in seagrass meadow trajectories, and the attribution of change to numerous drivers, suggest we urgently need to improve understanding of the causes of seagrass meadow loss if we are to improve local‐scale management.

Abstract Fragmentation is a major driver of ecosystem degradation, reducing the capacity of habitats to provide many important ecosystem services. Mangrove ecosystem services, such as erosion prevention, shoreline protection and mitigation of climate change (through carbon sequestration), depend on the size and arrangement of forest patches, but we know little about broad-scale patterns of mangrove forest fragmentation. Here we conduct a multi-scale analysis using global estimates of mangrove density and regional drivers of mangrove deforestation to map relationships between habitat loss and fragmentation. Mangrove fragmentation was ubiquitous; however, there are geographic disparities between mangrove loss and fragmentation; some regions, like Cambodia and the southern Caribbean, had relatively little loss, but their forests have been extensively fragmented. In Southeast Asia, a global hotspot of mangrove loss, the conversion of forests to aquaculture and rice plantations were the biggest drivers of loss (>50%) and fragmentation. Surprisingly, conversion of forests to oil palm plantations, responsible for >15% of all deforestation in Southeast Asia, was only weakly correlated with mangrove fragmentation. Thus, the management of different deforestation drivers may increase or decrease fragmentation. Our findings suggest that large scale monitoring of mangrove forests should also consider fragmentation. This work highlights that regional priorities for conservation based on forest loss rates can overlook fragmentation and associated loss of ecosystem functionality.