Qualitative modelling towards ecosystem-­‐based management of climate-­‐driven species redistribution

Martin Pierre Marzloff (1), Jessica  Melbourne-­‐Thomas (2,3), Katell G. Hamon (4), Eriko Hoshino (1,5,) Sarah Jennings (5,6), Ingrid van Putten (6,7), Gretta T. Pecl (1,6)

1    Institute for Marine and Antarctic Studies  (IMAS), Private Bag  129, Hobart, Tasmania 7001, Australia,  Martin.Marzloff@utas.edu.au

2    Antarctic Climate and  Ecosystems Cooperative Research  Centre,  Private Bag  80,  Hobart  Tasmania  7001,  Australia

3    Australian  Antarctic Division, Department  of  The  Environment, Channel Highway,  Kingston  7005,  Australia

4    LEI  –  Wageningen  UR,  PO  Box 29703,  2502  LS  ‘S  Gravenhage, The Netherlands

5    University of  Tasmania  – Tasmanian  School  Of  Business and Economics, Private Bag 85, Hobart, Tasmania 7001, Australia

6    Centre for Marine Socio-­‐ecology, University of Tasmania, Tasmania, 7001, Australia

7    CSIRO Oceans and Atmosphere, Castray Esplanade,  Tasmania 7001, Australia


As  marine    ecosystems    face    global    climate-­‐driven    ocean    changes,    polewards    re-­‐distributions    of    species    –    or    range    shifts    –    occur    across    taxa    and    latitudes    worldwide.    Research    on    these    range    shifts    largely    focuses    on    understanding      and     predicting    changes     in    the    distribution    of     individual    species.    The    ecological    effects    of    marine    range    shifts    on    ecosystem    structure    and    functioning,    as    well    as    human    coastal    communities,    can    be    large,    yet    remain    difficult    to    anticipate    and    manage.    Here,    we    use    qualitative    modelling    of    system    feedback    to    understand    the    cumulative    impacts    of    multiple    species    shifts    in    southeastern    Australia,    a    global    hotspot    for    ocean    warming.    We    identify    range-­‐shifting    species,    or    ‘range-­‐shifters’,    that    can    induce    trophic    cascades    and      affect    ecosystem    dynamics    and    productivity,    and     evaluate    the    potential    effectiveness    of    alternative    management       interventions     to     mitigate     these     impacts.     Our     results     show     that,     (i)     multiple     simultaneous    range     shifts   amplify   each   other’s   negative   ecological   impacts   and   (ii)     implementing   a   whole-­‐of-­‐ecosystem    management       strategy      and      combining     a     suite     of     management     interventions,     is     necessary     to     effectively    prevent     undesirable   consequences   of   marine   range   shifts   at   the   regional   scale.   Our   study   illustrates   how    modelling    system    feedback    with    only    limited    qualitative    information    about    ecosystem    structure    and    range-­‐ shifting  species    can    predict    ecological    consequences    of    multiple    co-­‐occurring    range    shifts,    guide    ecosystem-­‐ based    adaptation    to    climate    change,    and    help    prioritise    future    research    and    monitoring.