Due to human population growth and migration, there will be nearly 2 billion new urban residents by 2030, yet the consequences of both current and future urbanization for biodiversity conservation are poorly known. Here we show that urban growth will have impacts on ecoregions, rare species, and protected areas that are localized but cumulatively significant. Currently, 29 of the world’s 825 ecoregions have over one-third of their area urbanized, and these 29 ecoregions are the only home of 213 endemic terrestrial vertebrate species. Our analyses suggest that 8% of terrestrial vertebrate species on the IUCN Red List are imperiled largely because of urban development. By 2030, 15 additional ecoregions are expected to lose more than 5% of their remaining undeveloped area, and they contain 118 vertebrate species found nowhere else. Of the 779 rare species with only one known population globally, 24 are expected to be impacted by urban growth. In addition, the distance between protected areas and cities is predicted to shrink dramatically in some regions: for example, the median distance from a protected area to a city in Eastern Asia is predicted to fall from 43 km to 23 km by 2030. Most protected areas likely to be impacted by new urban growth (88%) are in countries of low to moderate income, potentially limiting institutional capacity to adapt to new anthropogenic stresses on protected areas. In short, trends in global ecoregions, rare species, and protected areas suggest localized but significant biodiversity degradation associated with current and upcoming urbanization.

Biological similartiy typically decreases with geographical distance. Despite the recent attention to the distance decay relationship, there is no consensus on how the relationship varies across organism groups, geographic gradients and environments. We first conducted a quantitative meta‐analysis of 401 distance decay relationships across a wide range of organisms, ecosystems and geographical gradients, and then united the effects of categorical and continuous variables on the rate of distance decay using a general linear model (GLM). As effect sizes we used the similarity at one km distance (initial similarity) and the distance that halves the similarity from its value at one km distance (halving distance). Both the initial similarity and halving distance were significantly affected by variables characterizing the spatial scale, organism properties, study region and ecosystem concerned. The patterns appear robust as the results of meta‐analysis and GLM only differed in marginal details. According to GLM with Akaike's information criterion, the most parsimonious models explained 55.3 and 37.6% of variance in initial similarity and halving distance, respectively. Across large scales, similarity was decreasing slightly faster at high latitudes than at low latitudes, while small‐scale turnover was higher at low latitudes. We also found significant differences in initial similarity among the realms, with terrestrial systems showing higher small‐scale beta diversity. The decrease in community similarity at large scales was higher among organisms that are actively mobile than among passively dispersed organisms. We conclude that regression of similarity against distance unites several ecological phenomena such as dispersal propensity and environmental structuring, and provides an effective approach for gauging the spatial turnover across sites. We also found that the patterns in beta‐diversity are highly scale‐dependent.

Nearly 3 billion additional urban dwellers are forecasted by 2050, an unprecedented wave of urban growth. While cities struggle to provide water to these new residents, they will also face equally unprecedented hydrologic changes due to global climate change. Here we use a detailed hydrologic model, demographic projections, and climate change scenarios to estimate per-capita water availability for major cities in the developing world, where urban growth is the fastest. We estimate the amount of water physically available near cities and do not account for problems with adequate water delivery or quality. Modeled results show that currently 150 million people live in cities with perennial water shortage, defined as having less than 100 L per person per day of sustainable surface and groundwater flow within their urban extent. By 2050, demographic growth will increase this figure to almost 1 billion people. Climate change will cause water shortage for an additional 100 million urbanites. Freshwater ecosystems in river basins with large populations of urbanites with insufficient water will likely experience flows insufficient to maintain ecological process. Freshwater fish populations will likely be impacted, an issue of special importance in regions such as India's Western Ghats, where there is both rapid urbanization and high levels of fish endemism. Cities in certain regions will struggle to find enough water for the needs of their residents and will need significant investment if they are to secure adequate water supplies and safeguard functioning freshwater ecosystems for future generations.

Urban growth is increasing the demand for freshwater resources, yet surprisingly the water sources of the world's large cities have never been globally assessed, hampering efforts to assess the distribution and causes of urban water stress. We conducted the first global survey of the large cities’ water sources, and show that previous global hydrologic models that ignored urban water infrastructure significantly overestimated urban water stress. Large cities obtain 78 ± 3% of their water from surface sources, some of which are far away: cumulatively, large cities moved 504 billion liters a day (184 km3 yr−1) a distance of 27,000 ± 3800 km, and the upstream contributing area of urban water sources is 41% of the global land surface. Despite this infrastructure, one in four cities, containing $4.8 ± 0.7 trillion in economic activity, remain water stressed due to geographical and financial limitations. The strategic management of these cities’ water sources is therefore important for the future of the global economy.

SignificanceUnderstanding the impacts of urbanization and the associated urban land expansion on species is vital for informed urban planning that minimizes biodiversity loss. Predicting habitat that will be lost to urban land expansion for over 30,000 species under three different future scenarios, we find that up to 855 species are directly threatened due to unmitigated urbanization. Our projections pinpoint rapidly urbanizing regions of sub-Saharan Africa, South America, Mesoamerica, and Southeast Asia where, without careful planning, urbanization is expected to cause particularly large biodiversity loss. Our findings highlight the urgent need for an increased focus on urban land in global conservation strategies and identify high-priority areas for this engagement.

Limiting climate warming to <2°C requires increased mitigation efforts, including land stewardship, whose potential in the United States is poorly understood. We quantified the potential of natural climate solutions (NCS)—21 conservation, restoration, and improved land management interventions on natural and agricultural lands—to increase carbon storage and avoid greenhouse gas emissions in the United States. We found a maximum potential of 1.2 (0.9 to 1.6) Pg CO2e year−1, the equivalent of 21% of current net annual emissions of the United States. At current carbon market prices (USD 10 per Mg CO2e), 299 Tg CO2e year−1 could be achieved. NCS would also provide air and water filtration, flood control, soil health, wildlife habitat, and climate resilience benefits.

Concern over climate change has led the U.S. to consider a cap-and-trade system to regulate emissions. Here we illustrate the land-use impact to U.S. habitat types of new energy development resulting from different U.S. energy policies. We estimated the total new land area needed by 2030 to produce energy, under current law and under various cap-and-trade policies, and then partitioned the area impacted among habitat types with geospatial data on the feasibility of production. The land-use intensity of different energy production techniques varies over three orders of magnitude, from 1.9–2.8 km2/TW hr/yr for nuclear power to 788–1000 km2/TW hr/yr for biodiesel from soy. In all scenarios, temperate deciduous forests and temperate grasslands will be most impacted by future energy development, although the magnitude of impact by wind, biomass, and coal to different habitat types is policy-specific. Regardless of the existence or structure of a cap-and-trade bill, at least 206,000 km2 will be impacted without substantial increases in energy efficiency, which saves at least 7.6 km2 per TW hr of electricity conserved annually and 27.5 km2 per TW hr of liquid fuels conserved annually. Climate policy that reduces carbon dioxide emissions may increase the areal impact of energy, although the magnitude of this potential side effect may be substantially mitigated by increases in energy efficiency. The possibility of widespread energy sprawl increases the need for energy conservation, appropriate siting, sustainable production practices, and compensatory mitigation offsets.