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Orientador: Marlies Sazima / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-23T01:09:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bugoni_Jeferson_M.pdf: 1779584 bytes, checksum: 28e75bbf88520708b08ce2dffeb7b431 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neutralidade, complementaridade nos fenótipos das espécies e restrições filogenéticas são alguns dos principais determinantes da estrutura das redes de interações entre espécies. Embora diversos padrões estruturais das redes tenham sido descritos, a importância relativa dos mecanismos que os geram permanece em discussão. Neste estudo, investigamos a importância relativa da abundância (neutralidade) e da complementaridade fenológica e morfológica (interações permitidas ou proibidas) na estruturação de uma rede de interações planta-beija-flor na Floresta Atlântica (SE Brasil). Encontramos que fenologia e morfologia juntas compõem o modelo que melhor prediz a frequência de interações entre pares de espécies, entretanto os modelos não foram capazes de predizer acuradamente a maioria das métricas agregadoras de redes (aninhamento, conectância, equitabilidade e assimetria na força de interação). Em contraste com os estudos prévios, nossos resultados mostram que a importância das interações proibidas pode sobrepujar a importância da abundância na determinação de quais interações ocorrem na comunidade. Os estudos prévios podem ter subestimado a importância das interações proibidas em detrimento das abundâncias relativas (neutralidade) devido à insuficiência amostral. Adicionalmente, discutimos que as métricas de redes, ainda que sejam úteis para descrever padrões de interações em comunidades, podem ser pouco informativas sobre os mecanismos geradores da estrutura das redes de interações / Abstract: Neutrality and complementarity in the phenotypes of species as well as phylogenetic constraints are the main determinants of the structure of interaction networks. Although several structural patterns of the networks have been described, the relative importance of the mechanisms that generate them remains under discussion. In this study, we investigated the relative importance of abundance (neutrality) and phenological and morphological complementarity (forbidden links) in the structure of a plant-hummingbird network in the Atlantic Forest (SE Brazil). We found that the combination of phenological and morphological matches of interacting species represents the best model that predicts the frequency of interactions between pairs of species. Nevertheless, models were not able to accurately predict most of the network metrics - nestedness, connectance, and interaction evenness and interaction asymmetry. In contrast to previous studies, our results highlight the importance of forbidden links that may overcome the importance of relative abundances (neutrality) in the structure of the interactions at the community level. Previous studies could have underestimated the importance of complementarity in the species phenotypes due to insufficient sampling effort, while neutrality was likely overestimated. Finally, although network metrics have been useful for describing network structures, we argue that these metrics can tell us little about the mechanisms that generate the structure of networks / Mestrado / Ecologia / Mestre em Ecologia

Orientadores: Fernando Roberto Martins, Roque Cielo Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-22T19:33:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Azevedo_MarioJoseMarques_M.pdf: 1374222 bytes, checksum: 6cfc592a0f568c5e7abef9efd6a9adeb (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O padrão de utilização de recursos e a teoria de nichos ecológicos constituem elementos importantes na compreensão de como comunidades ecológicas são estruturadas. A maneira como os recursos são partilhados entre as espécies é refletida na sua distribuição de abundância. Abundância e diversidade de espécie são resultantes de processos que determinam as comunidades. Um padrão frequentemente observado é a relação unimodal entre diversidade e produtividade. Processos competitivos são inferidos na determinação da diversidade ao longo do gradiente de produtividade. Devido à abundância das espécies serem resultantes de interações biológicas, os modelos de distribuição de abundância de espécies (DAE) permitem inferir na maneira como o espaço de nicho é partilhado. Utilizamos os modelos de DAE proposto por Tokeshi e índices de concentração de dominância e equabilidade para testar por meio de regressões como a riqueza, biomassa e equabilidade variam ao longo de um gradiente de estresse nutricional definido pela concentração de alumínio no solo. Verificamos um padrão linear negativo entre a riqueza e gradiente de estresse nutricional com fragmentos de floresta estacional semidecídua no extremo de menor estresse e cerradão no extremo oposto do gradiente. A biomassa apresentou um padrão em forma de "U" quando relacionado ao mesmo gradiente. Os índices e os modelos foram condizentes na verificação da concentração de dominância por poucas espécies nos extremos do gradiente, porém somente o índice Evar verificou a maior equabilidade nos valores intermediários do gradiente. Nossos resultados permitiram inferir que tal gradiente foi importante na determinação da riqueza e biomassa das comunidades. Os modelos e índices permitiram verificar o padrão de partilha de nicho, porém não foi possível afirmar o processo que resultou tal partilha / Abstract: The resource utilization patterns and ecological niche theory are important in understand how communities are assembled. The way how resources are apportioned between species are showed in its abundance distribution. Abundance and diversity are outcome of process that structure communities. The pattern frequently found is a "hump-back" relationship between diversity and productivity. Competitive processes are inferred in determination of diversity along productivity gradient. Due to species abundance are outcome of biological interaction, models of species abundance distribution (SAD) allow us to infer how niche are apportioned. We use Tokeshi's SADs models and dominance and evenness index to test, using regression, how richness, biomass and evenness change along stress nutrition gradient defined by aluminium concentration in soil. We verified a negative linear pattern between richness and nutrition stress gradient with semideciduous forest fragment at extreme of lesser stress gradient and cerradão at opposite extreme gradient. The biomass showed a "U" shape pattern along the same gradient. The index and SADs models showed similar result measuring dominance of few species at extremes of gradient, however only Evar index measured more evenness between extremes of gradient. Our results allow inferring that such gradient war important to define community richness and biomass. The models and index allowed testing the patterns of niche apportionment, however its do not allowed us confirm the process of niche apportionment / Mestrado / Ecologia / Mestre em Ecologia

A descrição de padrões, i.e., tendências ou arranjos não aleatórios em comunidades, possui um longo histórico em ecologia vegetal. Comumente, a estrutura e diversidade de comunidades vegetais são descritas a partir de sua distribuição em classes de tamanho (SDD), distribuição espacial (SSD) e de sua distribuição abundância de espécies (SAD). Isto porque há um pressuposto de que padrões existentes nestes descritores de comunidades são assinaturas de processos fundamentais na sua organização e funcionamento. Assim, a descrição de padrões é com frequência o primeiro passo para gerar ou testar hipóteses sobre esses processos que regulam a estrutura e diversidade de comunidades. Organizada em diferentes capítulos, esta tese teve como objetivo central descrever e comparar padrões em diferentes comunidades arbóreas Neotropicais, buscando gerar hipóteses sobre os processos que regulam sua organização e funcionamento. Para tanto, buscou-se utilizar uma abordagem de inferência baseada no ajuste e seleção de modelos, que foi realizado usando máxima verossimilhança estatística. Em todos os capítulos, os dados sobre as comunidades arbóreas são oriundos de diferentes parcelas florestais permanentes, quatro delas com 10,24 hectares, localizadas no Brasil, e outra com 50 hectares, localizada no Panamá. Além da introdução geral sobre os conceitos e técnicas utilizadas nesta tese (Capítulo 1), foram avaliados e comparados: (i) os descritores básicos da estrutura florestal (i.e. abundância, área basal e riqueza de espécies por sub-parcela - Capítulo 2); (ii) a SAD e como ela varia com o aumento da escala e tamanho amostral (Capítulo 3); (iii) a SDD e como ela se relaciona com a demografia das espécies (Capítulo 4.1 e 4.2); e, por fim, (iv) a SSD e como ela varia entre parcelas permanentes (Capítulo 5). Apenas a relação entre a SDD e a demografia das espécies foi realizada como os dados da parcela panamenha, enquanto que os demais capítulos se referem as quatro parcelas brasileiras. Cada capítulo utilizou métodos e modelos probabilísticos distintos para a descrição e comparação das variáveis de interesse. O Capítulo 2 mostrou que os descritores básicos florestais foram muito diferentes entre as quatro parcelas brasileiras. Estes descritores foram raramente normais nas escalas estudadas e as diferenças entre as parcelas foram mais evidentes quando a variância é considerada, fornecendo informações extras sobre os processos geradores de variabilidade dentro das parcelas. O Capítulo 3 mostrou que a mudança no formato da SAD com o aumento da escala é predominantemente um efeito indireto do tamanho da amostra. Assim, pode haver um efeito de escala, mas esse efeito é pequeno e parece depender do grau de similaridade de espécies entre amostras. No capítulo 4.1, foi necessária uma combinação de quatro diferentes distribuições de probabilidade para descrever a ampla gama de SDD, visto que os modelos candidatos raramente foram adequados para a maioria das espécies. No capítulo 4.2, verificou-se que o crescimento e recrutamento determinam o formato da SDD, o que não aconteceu com a mortalidade. No geral, curvas decrescentes de crescimento por diâmetro (i.e., maior crescimento juvenil) levaram à SDD menos íngremes, enquanto que taxas altas de recrutamento estiveram relacionadas à SDD mais íngremes. Apesar das previsões da teoria de equilíbrio demográfico terem apresentado relações positivas com as SDD observadas, houve muita variação, fazendo com que as previsões fossem pouco confiáveis. No capítulo 5, confirmou-se que a grande maioria das espécies se distribui de maneira agregada no espaço. No entanto, as parcelas apresentaram diferentes padrões de intensidade e tamanho de agregação. As diferenças nestes padrões entre parcelas foram, em geral, similares àquelas encontradas ao comparar populações de uma mesma espécie entre parcelas. Assim, as parcelas permanentes brasileiras apresentaram padrões bem distintos umas das outras, tanto em termos de estrutura quanto de diversidade de espécies, padrões estes que provavelmente foram determinados pelas condições ambientais as quais estas comunidades estão sujeitas. Diferentes padrões também foram encontrados em relação à distribuição espacial das espécies (i.e. frequência, intensidade e tamanho de agregação). Contudo, os resultados sugeriram que estes padrões estiveram mais ligados a heterogeneidade ambiental interna das parcelas do que com condições de clima e solo as quais estas comunidades estão sujeitas. Por outro lado, os padrões de distribuição espacial das espécies parecem ter influenciado os padrões de diversidade das comunidades. Não houve, entretanto, um número suficiente de parcelas sob as diferentes combinações de condições ambientais para testar estas sugestões ou para fazer generalizações para cada formação florestal, sendo necessário o confronto destas sugestões com outros estudos realizados em condições similares. Já na parcela panamenha, foi confirmada a expectativa teórica de que distribuições diamétricas refletem a demografia das espécies, em especial os padrões de crescimento e recrutamento. Mas, houve grande variação entre as espécies, dificultando a inferência precisa de padrões demográficos passados das espécies a partir de SDD atuais. Por fim, a abordagem analítica baseada no ajuste e seleção de modelos por máxima foi uma alternativa viável, flexível e apropriada, principalmente em relação à comparação simultânea de diferentes modelos e à busca de processos por trás dos padrões encontrados. Apesar de algumas limitações de cunho operacional, a abordagem baseado em modelos é uma alternativa adequada para a descrição de comunidades arbóreas, podendo ser utilizada de maneira consorciada com outras abordagens (e.g. testes de hipóteses) para descrever padrões e para gerar ou testar hipóteses sobre esses processos fundamentais que regulam a estrutura e diversidade destas comunidades. / Pattern description - search for trends or non-random arrangements in communities, has a long history in plant ecology. Commonly, the structure and diversity of plant communities are described based on their size class distribution (SDD), spatial distribution (SSD) and species abundance distribution (SAD). This is because there is an underlying assumption that the existing patterns in these community descriptors are signatures of key processes determining their organization and functioning. Thus, pattern description is often the first step to generate or test hypotheses about the processes governing community structure and diversity. Organized in different chapters, the main goal of this thesis was to describe and compare different patterns in Neotropical tree communities and to generate hypotheses about the processes that regulate them. To do so we used an approach based on model selection, which was performed using maximum likelihood. In all chapters the data on tree communities came from different permanent forest plots, four of them of 10.24 ha located in Brazil and another 50 ha located in Panama. In addition to the general introduction of key concepts and techniques used along the thesis (Chapter 1), it was evaluated and compared: (i) the basic forest descriptors (i.e. abundance, basal area and species richness per subplot - Chapter 2), (ii) the SAD and how it varies with increasing sample size and scale (Chapter 3), (iii) the SDD and how it relates to species demography (Chapter 4.1 and 4.2) and, finally, (iv) the SSD and how it varies between plots (Chapter 5). Only the relationship between SDD and species demography o was performed using the Panama plot data, while the remaining chapters relate the four Brazilian plots. Each chapter used different methods and probabilistic models for the description and comparison of the variables of interest. In Chapter 2, it was found that basic forest descriptors were very different between the four Brazilian plots. These descriptors were rarely normal at the studied scales and differences between plots were more evident when variance is accounted for, which seems to provide information on processes generating within-plot variability. Chapter 3 showed that the change in shape of the SAD due to increasing scale is predominantly an indirect effect of sample size. Thus, there may be an effect of the scale, but this effect is minor and seems to depend on the degree of species turnover between samples. In Chapter 4.1, it was shown that the combination of four different probability distributions was necessary to describe the wide range of SDD, since models were rarely appropriate for the majority of tree species. In Chapter 4.2, it was found that growth and recruitment, but not mortality, shape the SDD. On average, decreasing growth-diameter curves (i.e. higher juvenile growth) were associated to less steep SDD, whereas high recruitment rates were related to steeper SDD. Although the predictions of demographic equilibrium theory were positively related to the observed SDD, there was lots of variation, making predictions quite unreliable. In Chapter 5, it was confirmed that the great majority of species had clumped spatial distributions. However, the results of intensity and size of clumps showed that the patterns of aggregation were different among plots. Species shared between two plots generally showed patterns of spatial distribution that matched the patterns found for individual plots. Therefore, the Brazilian plots presented very distinct patterns, both in terms of structure and species diversity, which were most probably determined by the environmental conditions to which these communities are subjected. Different patterns among plots were also found in respect to species spatial distribution (i.e. frequency, intensity and size of aggregation). However, the results suggested that these patterns were more connected to within-plot environmental heterogeneity than with climate and soil conditions. On the other hand, the spatial distribution of the species seems to have influenced the patterns of diversity of communities. There was not, however, a sufficient number of plots under different combinations of environmental conditions to test these suggestions or to make generalizations for each forest type, being necessary to confront these suggestions with other studies conducted in similar conditions. In the Panamanian plot, it was confirmed the theoretical expectation that diameter distributions reflect the demographics of the species, in particular the patterns of growth and recruitment. But there was great variability among species, making it difficult to infer past demographic patterns from current SDD. Finally, the analytical approach based on model fit and selection by maximum likelihood was a viable, flexible and appropriate approach, particularly in respect to the simultaneous comparison of different models and to the search for mechanisms underlying patterns. Despite some more operational limitations, the model-based approach is an appropriate alternative for the description of tree communities and can be jointly used with other approaches (e.g. hypothesis testing) for pattern description and to generate and test hypotheses on the fundamental processes that determine the structure and diversity of these communities.

Biodiversity is determined by a myriad of complex processes acting at different scales. Given the current rates of biodiversity loss and change, it is of paramount importance that we improve our understanding of the underlying structure of ecological communities. In this thesis, I focused on Species Abundance Distributions (SAD), as a synthetic measure of biodiversity and community structure, and on Beta (β) diversity patterns, as a description of the spatial variation of species composition. I systematically assessed the effect of scale on both these patterns, analysing a broad range of community data, including different taxa and habitats, from the terrestrial, marine and freshwater realms. Knowledge of the scaling properties of abundance and compositional patterns must be fully integrated in biodiversity research if we are to understand biodiversity and the processes underpinning it, from local to global scales. SADs depict the relative abundance of the species present in a community. Although typically described by unimodal logseries or lognormal distributions, empirical SADs can also exhibit multiple modes. However, the existence of multiple modes in SADs has largely been overlooked, assumed to be due to sampling errors or a rare pattern. Thus, we do not know how prevalent multimodality is, nor do we have an understanding of the factors leading to this pattern. Here, I provided the first global empirical assessment of the prevalence of multimodality across a wide range of taxa, habitats and spatial extents. I employed an improved method combining two model selection tools, and (conservatively) estimated that ~15% of the communities were multimodal with strong support. Furthermore, I showed that the pattern is more common for communities at broader spatial scales and with greater taxonomic diversity (i.e. more phylogenetically diverse communities, since taxonomic diversity was measured as number of families). This suggests a link between multimodality and ecological heterogeneity, broadly defined to incorporate the spatial, environmental, taxonomic and functional variability of ecological systems. Empirical understanding of how spatial scale affects SAD shape is still lacking. Here, I established a gradient in spatial scale spanning several orders of magnitude by decomposing the total extent of several datasets into smaller subsets. I performed an exploratory analysis of how SAD shape is affected by area sampled, species richness, total abundance and taxonomic diversity. Clear shifts in SAD shape can provide information about relevant ecological and spatial mechanisms affecting community structure. There was a clear effect of area, species richness and taxonomic diversity in determining SAD shape, while total abundance did not exhibit any directional effect. The results supported the findings of the previous analysis, with a higher prevalence of multimodal SADs for larger areas and for more taxonomically diverse communities, while also suggesting that species spatial aggregation patterns can be linked to SAD shape. On the other hand, there was a systematic departure from the predictions of two important macroecological theories for SAD across scales, specifically regarding logseries distributions being selected only for smaller scales and when species richness and number of families were proportionally much smaller than the total extent. β diversity quantifies the variation in species composition between sites. Although a fundamental component of biodiversity, its spatial scaling properties are still poorly understood. Here, I tested if two conceptual types of β diversity showed systematic variation with scale, while also explicitly accounting for the two β diversity components, turnover and nestedness (species replacement vs species richness differences). I provided the first empirical analysis of β diversity scaling patterns for different taxa, revealing remarkably consistent scaling curves. Total β diversity and turnover exhibit a power law decay with log area, while nestedness is largely insensitive to scale changes. For the distance decay of similarity analysis, while area sampled affected the overall dissimilarity values, rates of similarity were consistent across large variations in sampled area. Finally, in both these analyses, turnover was the main contributor to compositional change. These results suggest that species are spatially aggregated across spatial scales (from local to regional scales), while also illustrating that substantial change in community structure might occur, despite species richness remaining relatively stable. This systematic and comprehensive analysis of SAD and community similarity patterns highlighted spatial scale, ecological heterogeneity and species spatial aggregation patterns as critical components underlying the results found. This work expanded the range of scales at which both theories deriving SAD and community similarity studies have been developed and tested (from local plots to continents). The results here showed strong departures from two important macroecological theories for SAD at different scales. In addition, the overall findings in this thesis clearly indicate that unified theories of biodiversity (or assuming a set of synthetic minimal assumptions) are unable to accommodate the variability in SADs shape across spatial scales reported here, and cannot fully reproduce community similarity patterns across scales. Incorporating more realistic assumptions, or imposing scale dependent assumptions, may prove to be a fruitful avenue for ecological research regarding the scaling properties of SAD and community similarity patterns. This will allow deriving new predictions and improving the ability of theoretical models to incorporate the variability in abundance and similarity patterns across scales.

A descrição de padrões, i.e., tendências ou arranjos não aleatórios em comunidades, possui um longo histórico em ecologia vegetal. Comumente, a estrutura e diversidade de comunidades vegetais são descritas a partir de sua distribuição em classes de tamanho (SDD), distribuição espacial (SSD) e de sua distribuição abundância de espécies (SAD). Isto porque há um pressuposto de que padrões existentes nestes descritores de comunidades são assinaturas de processos fundamentais na sua organização e funcionamento. Assim, a descrição de padrões é com frequência o primeiro passo para gerar ou testar hipóteses sobre esses processos que regulam a estrutura e diversidade de comunidades. Organizada em diferentes capítulos, esta tese teve como objetivo central descrever e comparar padrões em diferentes comunidades arbóreas Neotropicais, buscando gerar hipóteses sobre os processos que regulam sua organização e funcionamento. Para tanto, buscou-se utilizar uma abordagem de inferência baseada no ajuste e seleção de modelos, que foi realizado usando máxima verossimilhança estatística. Em todos os capítulos, os dados sobre as comunidades arbóreas são oriundos de diferentes parcelas florestais permanentes, quatro delas com 10,24 hectares, localizadas no Brasil, e outra com 50 hectares, localizada no Panamá. Além da introdução geral sobre os conceitos e técnicas utilizadas nesta tese (Capítulo 1), foram avaliados e comparados: (i) os descritores básicos da estrutura florestal (i.e. abundância, área basal e riqueza de espécies por sub-parcela - Capítulo 2); (ii) a SAD e como ela varia com o aumento da escala e tamanho amostral (Capítulo 3); (iii) a SDD e como ela se relaciona com a demografia das espécies (Capítulo 4.1 e 4.2); e, por fim, (iv) a SSD e como ela varia entre parcelas permanentes (Capítulo 5). Apenas a relação entre a SDD e a demografia das espécies foi realizada como os dados da parcela panamenha, enquanto que os demais capítulos se referem as quatro parcelas brasileiras. Cada capítulo utilizou métodos e modelos probabilísticos distintos para a descrição e comparação das variáveis de interesse. O Capítulo 2 mostrou que os descritores básicos florestais foram muito diferentes entre as quatro parcelas brasileiras. Estes descritores foram raramente normais nas escalas estudadas e as diferenças entre as parcelas foram mais evidentes quando a variância é considerada, fornecendo informações extras sobre os processos geradores de variabilidade dentro das parcelas. O Capítulo 3 mostrou que a mudança no formato da SAD com o aumento da escala é predominantemente um efeito indireto do tamanho da amostra. Assim, pode haver um efeito de escala, mas esse efeito é pequeno e parece depender do grau de similaridade de espécies entre amostras. No capítulo 4.1, foi necessária uma combinação de quatro diferentes distribuições de probabilidade para descrever a ampla gama de SDD, visto que os modelos candidatos raramente foram adequados para a maioria das espécies. No capítulo 4.2, verificou-se que o crescimento e recrutamento determinam o formato da SDD, o que não aconteceu com a mortalidade. No geral, curvas decrescentes de crescimento por diâmetro (i.e., maior crescimento juvenil) levaram à SDD menos íngremes, enquanto que taxas altas de recrutamento estiveram relacionadas à SDD mais íngremes. Apesar das previsões da teoria de equilíbrio demográfico terem apresentado relações positivas com as SDD observadas, houve muita variação, fazendo com que as previsões fossem pouco confiáveis. No capítulo 5, confirmou-se que a grande maioria das espécies se distribui de maneira agregada no espaço. No entanto, as parcelas apresentaram diferentes padrões de intensidade e tamanho de agregação. As diferenças nestes padrões entre parcelas foram, em geral, similares àquelas encontradas ao comparar populações de uma mesma espécie entre parcelas. Assim, as parcelas permanentes brasileiras apresentaram padrões bem distintos umas das outras, tanto em termos de estrutura quanto de diversidade de espécies, padrões estes que provavelmente foram determinados pelas condições ambientais as quais estas comunidades estão sujeitas. Diferentes padrões também foram encontrados em relação à distribuição espacial das espécies (i.e. frequência, intensidade e tamanho de agregação). Contudo, os resultados sugeriram que estes padrões estiveram mais ligados a heterogeneidade ambiental interna das parcelas do que com condições de clima e solo as quais estas comunidades estão sujeitas. Por outro lado, os padrões de distribuição espacial das espécies parecem ter influenciado os padrões de diversidade das comunidades. Não houve, entretanto, um número suficiente de parcelas sob as diferentes combinações de condições ambientais para testar estas sugestões ou para fazer generalizações para cada formação florestal, sendo necessário o confronto destas sugestões com outros estudos realizados em condições similares. Já na parcela panamenha, foi confirmada a expectativa teórica de que distribuições diamétricas refletem a demografia das espécies, em especial os padrões de crescimento e recrutamento. Mas, houve grande variação entre as espécies, dificultando a inferência precisa de padrões demográficos passados das espécies a partir de SDD atuais. Por fim, a abordagem analítica baseada no ajuste e seleção de modelos por máxima foi uma alternativa viável, flexível e apropriada, principalmente em relação à comparação simultânea de diferentes modelos e à busca de processos por trás dos padrões encontrados. Apesar de algumas limitações de cunho operacional, a abordagem baseado em modelos é uma alternativa adequada para a descrição de comunidades arbóreas, podendo ser utilizada de maneira consorciada com outras abordagens (e.g. testes de hipóteses) para descrever padrões e para gerar ou testar hipóteses sobre esses processos fundamentais que regulam a estrutura e diversidade destas comunidades. / Pattern description - search for trends or non-random arrangements in communities, has a long history in plant ecology. Commonly, the structure and diversity of plant communities are described based on their size class distribution (SDD), spatial distribution (SSD) and species abundance distribution (SAD). This is because there is an underlying assumption that the existing patterns in these community descriptors are signatures of key processes determining their organization and functioning. Thus, pattern description is often the first step to generate or test hypotheses about the processes governing community structure and diversity. Organized in different chapters, the main goal of this thesis was to describe and compare different patterns in Neotropical tree communities and to generate hypotheses about the processes that regulate them. To do so we used an approach based on model selection, which was performed using maximum likelihood. In all chapters the data on tree communities came from different permanent forest plots, four of them of 10.24 ha located in Brazil and another 50 ha located in Panama. In addition to the general introduction of key concepts and techniques used along the thesis (Chapter 1), it was evaluated and compared: (i) the basic forest descriptors (i.e. abundance, basal area and species richness per subplot - Chapter 2), (ii) the SAD and how it varies with increasing sample size and scale (Chapter 3), (iii) the SDD and how it relates to species demography (Chapter 4.1 and 4.2) and, finally, (iv) the SSD and how it varies between plots (Chapter 5). Only the relationship between SDD and species demography o was performed using the Panama plot data, while the remaining chapters relate the four Brazilian plots. Each chapter used different methods and probabilistic models for the description and comparison of the variables of interest. In Chapter 2, it was found that basic forest descriptors were very different between the four Brazilian plots. These descriptors were rarely normal at the studied scales and differences between plots were more evident when variance is accounted for, which seems to provide information on processes generating within-plot variability. Chapter 3 showed that the change in shape of the SAD due to increasing scale is predominantly an indirect effect of sample size. Thus, there may be an effect of the scale, but this effect is minor and seems to depend on the degree of species turnover between samples. In Chapter 4.1, it was shown that the combination of four different probability distributions was necessary to describe the wide range of SDD, since models were rarely appropriate for the majority of tree species. In Chapter 4.2, it was found that growth and recruitment, but not mortality, shape the SDD. On average, decreasing growth-diameter curves (i.e. higher juvenile growth) were associated to less steep SDD, whereas high recruitment rates were related to steeper SDD. Although the predictions of demographic equilibrium theory were positively related to the observed SDD, there was lots of variation, making predictions quite unreliable. In Chapter 5, it was confirmed that the great majority of species had clumped spatial distributions. However, the results of intensity and size of clumps showed that the patterns of aggregation were different among plots. Species shared between two plots generally showed patterns of spatial distribution that matched the patterns found for individual plots. Therefore, the Brazilian plots presented very distinct patterns, both in terms of structure and species diversity, which were most probably determined by the environmental conditions to which these communities are subjected. Different patterns among plots were also found in respect to species spatial distribution (i.e. frequency, intensity and size of aggregation). However, the results suggested that these patterns were more connected to within-plot environmental heterogeneity than with climate and soil conditions. On the other hand, the spatial distribution of the species seems to have influenced the patterns of diversity of communities. There was not, however, a sufficient number of plots under different combinations of environmental conditions to test these suggestions or to make generalizations for each forest type, being necessary to confront these suggestions with other studies conducted in similar conditions. In the Panamanian plot, it was confirmed the theoretical expectation that diameter distributions reflect the demographics of the species, in particular the patterns of growth and recruitment. But there was great variability among species, making it difficult to infer past demographic patterns from current SDD. Finally, the analytical approach based on model fit and selection by maximum likelihood was a viable, flexible and appropriate approach, particularly in respect to the simultaneous comparison of different models and to the search for mechanisms underlying patterns. Despite some more operational limitations, the model-based approach is an appropriate alternative for the description of tree communities and can be jointly used with other approaches (e.g. hypothesis testing) for pattern description and to generate and test hypotheses on the fundamental processes that determine the structure and diversity of these communities.

La distribution de l'abondance des espèces en un site, et la similarité de la composition taxonomique d'un site à l'autre, sont deux mesures de la biodiversité ayant servi de longue date de base empirique aux écologues pour tenter d'établir les règles générales gouvernant l'assemblage des communautés d'organismes. Pour ce type de mesures intégratives, le séquençage haut-débit d'ADN prélevé dans l'environnement (" ADN environnemental ") représente une alternative récente et prometteuse aux observations naturalistes traditionnelles. Cette approche présente l'avantage d'être rapide et standardisée, et donne accès à un large éventail de taxons microbiens jusqu'alors indétectables. Toutefois, ces jeux de données de grande taille à la structure complexe sont difficiles à analyser, et le caractère indirect des observations complique leur interprétation. Le premier objectif de cette thèse est d'identifier les modèles statistiques permettant d'exploiter ce nouveau type de données afin de mieux comprendre l'assemblage des communautés. Le deuxième objectif est de tester les approches retenues sur des données de biodiversité du sol en forêt amazonienne, collectées en Guyane française. Deux grands types de processus sont invoqués pour expliquer l'assemblage des communautés d'organismes : les processus "neutres", indépendants de l'espèce considérée, que sont la naissance, la mort et la dispersion des organismes, et les processus liés à la niche écologique occupée par les organismes, c'est-à-dire les interactions avec l'environnement et entre organismes. Démêler l'importance relative de ces deux types de processus dans l'assemblage des communautés est une question fondamentale en écologie ayant de nombreuses implications, notamment pour l'estimation de la biodiversité et la conservation. Le premier chapitre aborde cette question à travers la comparaison d'échantillons d'ADN environnemental prélevés dans le sol de diverses parcelles forestières en Guyane française, via les outils classiques d'analyse statistique en écologie des communautés. Le deuxième chapitre se concentre sur les processus neutres d'assemblages des communautés.[...] / Integrative patterns of biodiversity, such as the distribution of taxa abundances and the spatial turnover of taxonomic composition, have been under scrutiny from ecologists for a long time, as they offer insight into the general rules governing the assembly of organisms into ecological communities. Thank to recent progress in high-throughput DNA sequencing, these patterns can now be measured in a fast and standardized fashion through the sequencing of DNA sampled from the environment (e.g. soil or water), instead of relying on tedious fieldwork and rare naturalist expertise. They can also be measured for the whole tree of life, including the vast and previously unexplored diversity of microorganisms. Taking full advantage of this new type of data is challenging however: DNA-based surveys are indirect, and suffer as such from many potential biases; they also produce large and complex datasets compared to classical censuses. The first goal of this thesis is to investigate how statistical tools and models classically used in ecology or coming from other fields can be adapted to DNA-based data so as to better understand the assembly of ecological communities. The second goal is to apply these approaches to soil DNA data from the Amazonian forest, the Earth's most diverse land ecosystem. Two broad types of mechanisms are classically invoked to explain the assembly of ecological communities: 'neutral' processes, i.e. the random birth, death and dispersal of organisms, and 'niche' processes, i.e. the interaction of the organisms with their environment and with each other according to their phenotype. Disentangling the relative importance of these two types of mechanisms in shaping taxonomic composition is a key ecological question, with many implications from estimating global diversity to conservation issues. In the first chapter, this question is addressed across the tree of life by applying the classical analytic tools of community ecology to soil DNA samples collected from various forest plots in French Guiana. The second chapter focuses on the neutral aspect of community assembly.[...]