Tropical forests restoration is an important tool for climate change mitigation and biodiversity conservation. We can ally both of these elements, according to the biodiversity and ecosystem (BEF) functioning theory, which says that diversity enhances ecosystem functions, as primary productivity. Nevertheless, the greatest part of BEF studies up to very recently have focused on grasslands and not on as complex ecosystems as tropical forests. It is necessary to better understand above- and below-ground processes through which biodiversity acts on ecosystem functions. This work aimed to investigate effects of tree richness on both above- and below-ground ecological processes. It was based on two tropical forests undergoing restoration, in Sardinilla (Panama) and in Anhembi (Brazil). The former was especially designed for BEF studies and allowed to untangle effects of biodversity on ecosystem functions. The latter had more than a hundred species in plots and permitted investigation of the effects of high tree richness levels. In both Sardinilla and Anhembi, we investigated if tree richness levels affected an above-ground ecological process, light interception, and which mechanisms could be related to it. Richness could enhance light interception and mechanisms as spatial (horizontal and vertical) and temporal light distribution. It promoted both selection and complementarity effects. In Anhembi, we investigated if species richness influenced below-ground processes related to soil carbon stocks. Stand richness enhanced fine root production and stock. Effects of stand number of species on litter decomposition and stock were not linear. Richness of litter content, however, did not affect its decomposition rates. Number of stand species did not influence litter production. Differences of litter production, stock and fine root production among distinct richness levels did not change over the time. However, distribution of fine roots over the space, within different layers of soil, was affected by number of tree species. We concluded that even very high richness levels could not saturate some of the ecological processes studied. Diversity acted on both above- and below-ground processes, in various and sometimes opposite ways, counting on multi-direction feedbacks. It is very important to understand these mechanisms in order to potencialize biodiversity convervation and carbon sequestration by tropical forest restoration. Future studies may focus on untangling effects of diversity on below-ground processes (which have not been exhaustively explored in research), on understanding how high diversity levels affects natural regeneration and on investigationg functional traits provided by different species. / A restauração de florestas tropicais é uma importante ferramenta para a mitigação de mudanças climáticas e conservação de biodiversidade. Essas duas medidas podem ser aliadas, de acordo com a teoria de biodiversidade e funcionamento de ecossistemas (BEF, do inglês: biodiversity and ecosystem functioning), segundo a qual a diversidade pode favorecer funções do ecossistema, como a produtividade primária. Entretanto, a maior parte dos estudos de BEF até muito recentemente focaram em campos de gramíneas e não em ecossistemas tão complexos quanto florestas tropicais. É necessário entender tanto processos acima quanto abaixo do solo pelos quais a biodiversidade atua no funcionamento de ecossistemas. Este trabalho teve como objetivo verificar o efeito da riqueza de espécies arbóreas em processes ecológicos acima e abaixo do solo. Ele se baseou em duas áreas de estudo, em Sardinilla (Panamá) e em Anhembi (Brasil). A primeira foi especialmente projetada para estudos de BEF e permitiu destrinchar efeitos da biodiversidade em funções do ecossistema. A segunda possuía parcelas com mais de cem espécies, permitindo explorar os efeitos de altos níveis de riqueza. Tanto em Sardinilla quanto em Anhembi, investigamos se a riqueza de espécies arbóreas influenciou um processo ecológico acima do solo, a interceptação de luz, bem como mecanismos que podem estar associados a ele. A riqueza de espécies aumentou a interceptação de luz pelo dossel e estimulou mecanismos como a distribuição de luz ao longo do espaço (horizontal e vertical) e tempo. Ela promoveu tanto efeito de seleção quanto de complementaridade. Na área de Anhembi, investigamos se a riqueza de espécies influenciou processes abaixo do solo relacionados ao estoque de carbono nesse compartimento. A riqueza no dossel aumentou a produção e o estoque de raízes finas. Número de espécies do dossel teve efeito não linear sobre taxas de decomposição e estoque de serapilheira. A riqueza do conteúdo da serapilheira, contudo, não influenciou sua decomposição. O número de espécies do dossel também não influenciou a produção de serapilheira. As diferenças de produção e estoque de serapilheira e de produção de raízes finas, entre diferentes níveis de riquezas, não se alteraram ao longo do tempo. Contudo, o número de espécies arbóreas promoveu maior distribuição de raízes finas em diferentes camadas do solo. Concluímos que elevados níveis de riqueza não saturaram alguns processes ecológicos estudados. A diversidade foi capaz de atuar em processos tanto acima quanto abaixo do solo, por vários meios, muitas vezes em sentidos opostos, contando com feedbacks multidirecionais. É muito importante entender esses mecanismos para potencializar a conservação da biodiversidade e a provisão de funções ecossistêmicas, no processo de restauração de florestas tropicais, em um contexto internacional de necessidade de mitigação de mudanças climáticas. Estudos futuros devem focar em efeitos da diversidade em processos abaixo do solo (que são os menos abordados em estudos até o momento), em entender como altos níveis de diversidade podem afetar a regeneração natural em florestas e em explorar os atributos funcionais apresentados por cada espécie.

Tropical forests restoration is an important tool for climate change mitigation and biodiversity conservation. We can ally both of these elements, according to the biodiversity and ecosystem (BEF) functioning theory, which says that diversity enhances ecosystem functions, as primary productivity. Nevertheless, the greatest part of BEF studies up to very recently have focused on grasslands and not on as complex ecosystems as tropical forests. It is necessary to better understand above- and below-ground processes through which biodiversity acts on ecosystem functions. This work aimed to investigate effects of tree richness on both above- and below-ground ecological processes. It was based on two tropical forests undergoing restoration, in Sardinilla (Panama) and in Anhembi (Brazil). The former was especially designed for BEF studies and allowed to untangle effects of biodversity on ecosystem functions. The latter had more than a hundred species in plots and permitted investigation of the effects of high tree richness levels. In both Sardinilla and Anhembi, we investigated if tree richness levels affected an above-ground ecological process, light interception, and which mechanisms could be related to it. Richness could enhance light interception and mechanisms as spatial (horizontal and vertical) and temporal light distribution. It promoted both selection and complementarity effects. In Anhembi, we investigated if species richness influenced below-ground processes related to soil carbon stocks. Stand richness enhanced fine root production and stock. Effects of stand number of species on litter decomposition and stock were not linear. Richness of litter content, however, did not affect its decomposition rates. Number of stand species did not influence litter production. Differences of litter production, stock and fine root production among distinct richness levels did not change over the time. However, distribution of fine roots over the space, within different layers of soil, was affected by number of tree species. We concluded that even very high richness levels could not saturate some of the ecological processes studied. Diversity acted on both above- and below-ground processes, in various and sometimes opposite ways, counting on multi-direction feedbacks. It is very important to understand these mechanisms in order to potencialize biodiversity convervation and carbon sequestration by tropical forest restoration. Future studies may focus on untangling effects of diversity on below-ground processes (which have not been exhaustively explored in research), on understanding how high diversity levels affects natural regeneration and on investigationg functional traits provided by different species. / A restauração de florestas tropicais é uma importante ferramenta para a mitigação de mudanças climáticas e conservação de biodiversidade. Essas duas medidas podem ser aliadas, de acordo com a teoria de biodiversidade e funcionamento de ecossistemas (BEF, do inglês: biodiversity and ecosystem functioning), segundo a qual a diversidade pode favorecer funções do ecossistema, como a produtividade primária. Entretanto, a maior parte dos estudos de BEF até muito recentemente focaram em campos de gramíneas e não em ecossistemas tão complexos quanto florestas tropicais. É necessário entender tanto processos acima quanto abaixo do solo pelos quais a biodiversidade atua no funcionamento de ecossistemas. Este trabalho teve como objetivo verificar o efeito da riqueza de espécies arbóreas em processes ecológicos acima e abaixo do solo. Ele se baseou em duas áreas de estudo, em Sardinilla (Panamá) e em Anhembi (Brasil). A primeira foi especialmente projetada para estudos de BEF e permitiu destrinchar efeitos da biodiversidade em funções do ecossistema. A segunda possuía parcelas com mais de cem espécies, permitindo explorar os efeitos de altos níveis de riqueza. Tanto em Sardinilla quanto em Anhembi, investigamos se a riqueza de espécies arbóreas influenciou um processo ecológico acima do solo, a interceptação de luz, bem como mecanismos que podem estar associados a ele. A riqueza de espécies aumentou a interceptação de luz pelo dossel e estimulou mecanismos como a distribuição de luz ao longo do espaço (horizontal e vertical) e tempo. Ela promoveu tanto efeito de seleção quanto de complementaridade. Na área de Anhembi, investigamos se a riqueza de espécies influenciou processes abaixo do solo relacionados ao estoque de carbono nesse compartimento. A riqueza no dossel aumentou a produção e o estoque de raízes finas. Número de espécies do dossel teve efeito não linear sobre taxas de decomposição e estoque de serapilheira. A riqueza do conteúdo da serapilheira, contudo, não influenciou sua decomposição. O número de espécies do dossel também não influenciou a produção de serapilheira. As diferenças de produção e estoque de serapilheira e de produção de raízes finas, entre diferentes níveis de riquezas, não se alteraram ao longo do tempo. Contudo, o número de espécies arbóreas promoveu maior distribuição de raízes finas em diferentes camadas do solo. Concluímos que elevados níveis de riqueza não saturaram alguns processes ecológicos estudados. A diversidade foi capaz de atuar em processos tanto acima quanto abaixo do solo, por vários meios, muitas vezes em sentidos opostos, contando com feedbacks multidirecionais. É muito importante entender esses mecanismos para potencializar a conservação da biodiversidade e a provisão de funções ecossistêmicas, no processo de restauração de florestas tropicais, em um contexto internacional de necessidade de mitigação de mudanças climáticas. Estudos futuros devem focar em efeitos da diversidade em processos abaixo do solo (que são os menos abordados em estudos até o momento), em entender como altos níveis de diversidade podem afetar a regeneração natural em florestas e em explorar os atributos funcionais apresentados por cada espécie.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-09-19T21:47:36Z No. of bitstreams: 1 LeonardoHenriqueTeixeiraPinto_TESE.pdf: 6347370 bytes, checksum: 7e4c7fd1b6d9c592bdf652c6591c248c (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-09-22T19:20:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 LeonardoHenriqueTeixeiraPinto_TESE.pdf: 6347370 bytes, checksum: 7e4c7fd1b6d9c592bdf652c6591c248c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-22T19:20:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LeonardoHenriqueTeixeiraPinto_TESE.pdf: 6347370 bytes, checksum: 7e4c7fd1b6d9c592bdf652c6591c248c (MD5) Previous issue date: 2017-05-24 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior (CAPES) / A biodiversidade afeta positivamente diversas fun??es ecossist?micas. No entanto, os mecanismos pelos quais a biodiversidade afeta os ecossistemas ainda s?o pouco compreendidos e requerem novos estudos experimentais destinados a identificar seus componentes. Estudos anteriores sugeriram que comunidades de plantas mais diversas podem proporcionar mais estabilidade aos ecossistemas, devido aos efeitos de complementaridade e redund?ncia. A diversidade das esp?cies de plantas pode atuar em diferentes n?veis das propriedades de um ecossistema. Um exemplo claro ? o efeito da diversidade de plantas sobre a din?mica de nutrientes nos ecossistemas terrestres. A diversidade de plants pode alterar as taxas de ac?mulo de nutrientes no solo e, tamb?m, a carga de nutrientes para os sistemas aqu?ticos. No entanto, os impactos antr?picos nos ecossistemas t?m causado a perda de habitats e, tamb?m, de biodiversidade. Tais perdas acabar?o por comprometer as fun??es dos ecossistemas e seus servi?os associados, que s?o vitais para o bem-estar humano. Portanto, o desenvolvimento de projetos de restaura??o ? fundamental para mitigar os impactos antr?picos e para a conserva??o da biodiversidade. Projetos de restaura??o oferecem a possibilidade de desenvolver um conhecimento s?lido sobre o funcionamento dos ecossistemas diante diferentes tipos de perturba??es. Para alcan?ar esse conhecimento, precisamos realizar experimentos de restaura??o baseados no conhecimento cient?fico para avaliar a variabilidade, a previsibilidade e a confiabilidade do funcionamento dos ecossistemas restaurados. Neste contexto, esta tese de doutorado ? baseada em tr?s experimentos que testaram como a diversidade de plantas e suas caracter?sticas funcionais poderiam influenciar o funcionamento dos ecossistemas restaurados. Os objetivos dessa tese foram: (i) investigar quais esp?cies de plantas e caracter?sticas funcionais s?o mais eficientes paraa reten??o de nutrientes no solo, reduzindo assim as perdas por lixivia??o e seu consequente impacto nos ecossistemas aqu?ticos; (ii) testar os efeitos da riqueza de esp?cies vegetais e da diversidade filogen?tica para o sucesso da restaura??o de uma floresta rip?ria rec?m restaurada (i.e. o sucesso foi medido como produ??o de biomassa e sobreviv?ncia das plantas); e (iii) avaliar a influ?ncia de uma esp?cie de planta invasora sobre as din?micas de nutrientes no solo e na ?gua do solo em comunidades de pastagem com diferentes n?veis de diversidade funcional. Os experimentos realizados para esta tese est?o de acordo com estudos recentes que investigam como diferentes medidas de biodiversidade e, tamb?m, diferentes fontes de estresse podem afetar o funcionamento dos ecossistemas. Os principais resultados desta tese revelam que (i) apenas uma esp?cie de planta (Mimosa tenuiflora) influenciou a limpeza da ?gua e a reten??o de nutrientes do solo. Al?m disso, tra?os funcionais relacionados ao conte?do de mat?ria seca da parte a?rea (SDMC) e ao teor de ?gua da raiz (RWC) foram mais importantes para o controle de fun??es ecossist?micas individuais relacionadas ? reten??o de ?gua e nutrientes no solo. De outro modo, somente tra?os funcionais relacionados ? produ??o de biomassa nas plantas afetaram a multifuncionalidade do ecossistema; (ii) o uso de esp?cies filogeneticamente distantes pode aumentar o sucesso da restaura??o afetando positivamente a produ??o de biomassa nas plantas; e (iii) a diversidade funcional das plantas promoveu, parcialmente, a limpeza da ?gua e, tamb?m, a fertilidade do solo em pastagens restaurados, mas n?o impediu a invas?o. Esp?cies invasoras, por sua vez, comprometem a influ?ncia da diversidade de plantas nativas na din?mica de nutrientes no solo, uma vez que afetam negativamente a produ??o de biomassa das plantas nativas. Esse efeito tem o potencial para criar um feedback positivo para novas invas?es. Tais resultados podem servir de suporte para o desenvolvimento de futuros projetos de restaura??o com ?nfase no controle de esp?cies invasoras e na restaura??o do funcionamento dos ecossistemas, uma vez que pode indicar quais esp?cies s?o mais adequadas para maximizar a fertilidade do solo e, tamb?m, a qualidade da ?gua do solo. Por fim, esta tese oferece uma contribui??o para o aprofundarmos o entendimento a respeito dos feedbacks entre plantas e solos. / Biodiversity positively affects several ecosystem functions. Nevertheless, the mechanisms by which biodiversity affects ecosystems are still poorly understood and call for new experimental studies designed to identify its underlying components. Previous studies have suggested that more diverse plant communities can provide more ecosystem stability due to complementarity and redundancy effects. Plant species diversity can act on different levels of the ecosystem properties. A clear example is the effect of plant diversity on nutrient dynamics of terrestrial ecosystems. Plant diversity can alter rates of soil nutrient accumulation and nutrient loading in aquatic systems. However, human impacts on natural ecosystems are leading to habitat and biodiversity loss. Such losses will ultimately jeopardize ecosystem functions and its associated services that are vital for human well-being. Therefore, the development of adequate restoration projects is paramount to mitigate anthropogenic impacts, while contributing to the conservation of biodiversity. Restoration projects offer the possibility to develop a solid knowledge on the functioning of ecosystems facing disturbance. For achieving this knowledge, we need to conduct theory-based restoration experiments in order to assess the variability, predictability and reliability of functioning from restored ecosystems. In this context, this PhD thesis is based on three experiments testing how plant diversity and functional traits would influence the functioning of restored ecosystems. The objectives are to investigate (i) the plant species and traits that are most efficient for retaining nutrients in the soil, thus reducing nutrient leaching losses and its consequent impact on aquatic systems; (ii) the effects of plant species richness and phylogenetic diversity on restoration success (measured as biomass production and plant survival) in a recently restored riparian forest; and (iii) the influence of an invasive alien plant species on soil and soil water nutrients in communities with different levels of functional diversity. The experiments conducted during this thesis are in accordance with recent studies that investigate how different measures of biodiversity and sources of stress could affect ecosystem functioning. The main results of this thesis reveal that (i) only one species (Mimosa tenuiflora) could influence water cleaning and soil nutrient content. Additionally, plant traits related to shoot dry matter content (SDMC) and root water content (RWC) are more important for controlling individual functions related to water and nutrient retention in the soil, while only traits related to biomass production affected ecosystem multifunctionality; (ii) the use of phylogenetically distant species can increase restoration success by positively affecting plant biomass production; and (iii) plant functional diversity partially promotes water cleaning and soil fertility in restored systems, nevertheless did not prevent invasion. In turn, invasive species disrupts the influence of plant diversity on soil nutrient dynamics by jeopardizing native plant biomass production thus, potentially, creating a positive feedback for further invasions. These results support future restoration projects focusing on invasive species control and ecosystem functions, indicating which species are most suitable for restoration to maximizing soil fertility and soil water quality. Finally, this thesis offers a contribution to the knowledge of plant-soil feedbacks.

Cette thèse participe à accroitre les connaissances sur les facteurs régissant la structures des communautés benthiques de la Grande Vasière (GV) du Golfe de Gascogne. Une attention particulière a été portée au rôle du chalutage de fond, dont l’intensité a été estimée à l’aide des données VMS. A l’échelle de la GV, nos résultats suggèrent que le chalutage de fond serait le principal moteur de structuration du mégabenthos (> 10 mm). Cependant, cette hypothèse n’a pu être formellement démontrée en raison de la co-variation entre l’activité de pêche et certaines caractéristiques environnementales. Par conséquent, les travaux ont été poursuivis sur une zone restreinte de la GV, choisie de manière à minimiser les variations dans l’habitat, tout en conservant un large gradient d’intensité de chalutageNous avons ainsi observé des modifications saisonnières et temporaires de la structure des communautés méga et macro-benthiques (>1 mm) en lien avec le chalutage. Ils proviendraient essentiellement d’une disponibilité alimentaire accrue pour les prédateurs-charognards de la mégafaune et de modifications des caractéristiques sédimentaires pour la macrofaune. En revanche, l’étude de la diversité fonctionnelle montre que ces changements n’ont que des répercussions mineures sur le fonctionnement de l’écosystème. Nos conclusions suggèrent que l’écosystème benthique de la GV a probablement été façonné par plusieurs décennies de pêche intensive et qu’il est actuellement adapté à des perturbations anthropiques chroniques / This PhD thesis aims at increasing the knowledge on factors influencing the benthic community structures of the « Grande Vasière » (GV) of the Bay of Biscay. Particular attention has been paid to the role of bottom trawling whose intensity has been estimated using VMS data. At the scale of the GV, our results suggest that bottom-trawling is the main driver of the megabenthic community structure (> 10mm). However, this hypothesis has not been formally demonstrated due to the co-variations between the trawling intensity and certain environmental characteristics. Hence, works continued on a restricted part of the GV that displayed minimal variations of environmental characteristics while exhibiting a wide gradient of trawling intensityResults suggest that bottom-trawling induces seasonnal and transient modifications on the mega and macrobenthic (> 1mm) communities. These changes could be due to an increase of food availability for the megabenthic predator-scavengers and to changes of sedimentary characteristics for macrofauna. However, investigation about functional diversity showed that these changes did not have major consequences on ecosystem functioning. We concluded that decades of bottom trawling may have shaped the benthic ecosystem of the GV and that it is currently adapted to frequent disruptions.

Multiple dimensions of biodiversity within and across producer and consumer guilds in the food web affect an ecosystem’s functionality and stability. Tropical and subtropical aquatic ecosystems, which are extremely diverse, have received much less attention than terrestrial ecosystems in regards to the effects of biodiversity on ecosystem functioning. We conducted a field experiment that tested for effects of macrophyte functional diversity on diversity and stability of associated fish assemblages in floodplain lakes of the Upper Paraná River floodplain, Brazil. Three levels of macrophyte functional diversity were maintained through time in five floodplain lakes and response variables included various components of fish taxonomic and functional diversity and stability. Components of functional diversity of fish assemblages were quantified using a suite of ecomorphological traits that relate to foraging and habitat use. Response variables primarily distinguished macrophyte treatments from the control. Macrophyte treatments had, on average, double the number of species and total abundance than the control treatment, but only limited effects on stability. The high diversity treatment was essentially nested within the low diversity for assemblage structure and had similar or even slightly lower levels of species richness and abundance in most cases. Gymnotiformes and young-of-year were diverse and relatively abundant in macrophyte treatments contributing to the large differences in diversity between macrophyte and control treatments. Higher fish diversity in structured habitats compared to more homogenous habitats is likely associated with increased ecomorphological diversity to exploit heterogeneous microhabitats and resources provided by the macrophytes.