Marine and coastal ecosystems are subject to diverse and increasingly intensive anthropogenic activities, making understanding cumulative effects critically important. However, accurately accounting for the cumulative effects of human impacts can be difficult, with the possibility of multiple stressors interacting and having greater impacts than expected, compounding direct and indirect effects on individuals, populations, communities and ecosystems. Assessment of multiple stressors therefore requires extensive scientific research that directly tests how single or multiple ecological components are affected by stressors, both singly and when combined, and as a consequence, cumulative effects assessments are now increasingly included in environmental assessments. Currently, there is a need to assess these at larger spatial scales, with additional research also urgently needed on the responses of ecological components, processes and functions to single and cumulative stressors. As cumulative environmental impacts could be better addressed by regional stressor effects assessments that combine methods for predicting multiple pressures on ecosystem recovery alongside degradation, this study used several separate approaches that can be used in parallel to give support for local management measures. I tested four completely different methods - a range of multi-metric indices, a food web model (Ecopath), a predictive model (Ecosim) and a Bayesian Belief Network model. Each approach was tested and compared in two shallow water estuarine systems, in Scotland and England, initially concerning the impact of nutrient enrichment and subsequent recovery and was followed by an investigation of how the addition of multiple stressors (nutrient levels, temperature and river-flow rates) would impact the future state of each system. The response to stressors was highly context dependent, varying between and within geographic locations. Overall, each of the four different approaches complemented each other and gave strong support for the need to make big reductions in the pressures and to consider trade-offs between impacting pressures. The models and tools also indicate that in order to reach an improved overall environmental state of each ecosystem, a focus on nutrient reductions are likely to be the most effective of the controls on stressors explored and that cumulative effects of the management of nutrient inputs and increased water temperatures and river-flow are likely to exist.

Ecosystems currently face widespread biodiversity losses and other environmental disturbances, such as climate warming, related to increased anthropogenic activities. Within this context, scientists consider the effects of such changes on the biodiversity, and hence on the activity, of soil microorganisms. Indeed, soil microorganisms mediate a wide range of soil processes. Currently, knowledge on soil microbial diversity is still limited, partially due to technical limitations. The advent of molecular-based analyses now allows studying the soil microbial diversity. These advances in the study of soil microbial communities have lead to a growing evidence of the critical role played by the microbial community in ecosystem functioning. This relationship is supposed to be relevant for narrow processes, regulated by a restricted group of microorganisms, such as the nitrification process. This PhD thesis aimed at studying ammonia oxidizing bacteria (AOB) community structure and richness as an integrated part of soil functioning. This research aimed at investigating the effect of aboveground plant diversity on ammonia oxidizing bacteria diversity and function in forest and grassland soils with focus on the influence of (a) functional group identity of grassland plants (legumes, grasses, forbs), (b) grassland plant species richness and (c) tree species, on AOB diversity and function. Another objective of this research was to study the effect of a 3°C increase in air temperature on AOB diversity and function. The link between AOB diversity and function (potential nitrification) is also investigated. For grassland ecosystems, a microcosm experiment was realized. An experimental platform containing 288 assembled grassland communities was established in Wilrijk (Belgium). Grassland species were grown in 12 sunlit, climate controlled chambers. Each chamber contained 24 communities of variable species richness (S) (9 S=1, 9 S=3 and 6 S=9).The grassland species belonged to three functional groups: three species of each grasses (Dactylis glomerata L., Festuca arundinacea SCHREB., Lolium perenne L.), forbs (non-N-fixing dicots; Bellis perennis L., Rumex acetosa L., Plantagolanceolata L.), and legumes (N-fixing dicots; Trifolium repens L., Medicago sativa L., Lotus corniculatus L.). Half of these chambers were exposed to ambient temperature and the other half were exposed to (ambient +3°C) temperature. One ambient and one (ambient+3°C) chambers were destructively harvested 4, 16 and 28 months after the start of the experiment. The influence of plant functional group identity on the nitrification process and on AOB community structure and richness (AOB diversity) was assessed in soils collected from the first two destructive amplings (chapter 2). The effect of plant species richness on AOB diversity and function was considered for soils sampled after 16 and 28 months (chapter 3). AOB function was determined by potential nitrification. AOB community structure and richness were assessed by polymerase chain reaction followed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and sequencing of excised DGGE bands. I found that functional group identity can affect AOB community structure. In particular, the presence of legumes, both in monoculture or in mixture with forbs and grasses, lead to AOB community composition changes towards AOB clusters tolerating higher ammonium concentrations. This change in AOB community structure was only linked to increased potential nitrification under monocultures of legumes, when ammonium was supposed to be not limiting. This study revealed that physiological attributes of AOB and resource availability may be important factors in controlling the nitrification process. This research showed that the impact of plant species richness on the nitrification process could be mediated by the interactions between plants and AOB, through competition for substrate. A 3°C increase in air temperature did not affect AOB community structure, richness or function. In forest ecosystems, we studied the effect of tree species in forest sites located in Belgian and in the Grand-Duchy of Luxembourg covered each by several deciduous or coniferous tree species (Fagus sylvatica L., Quercus petraea (Mattuschka) Lieblein, Picea abies (L.) Karst, Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco). We investigated the influence of these tree species on microbial processes (chapter 5) related to C and N cycling, particularly with emphasize on the nitrification process and on the diversity of AOB (chapter 6). The results showed that the effect of tree species on net N mineralization was likely to be mediated through their effect on soil microbial biomass, reflecting their influence on organic matter content and carbon availability. Influence of tree species on nitrification (potential and relative) might be related to the presence of ground vegetation through its influence on soil ammonium and labile C availability. AOB community structure was more site-specific than tree specific. However, within sites, AOB community structure under broadleaved trees differed from the one under coniferous trees. The effect on tree species on AOB was likely to be driven by the influence of tree species on net N mineralization, which regulates the substrate availability for AOB. The results also demonstrated that the relationship between AOB diversity and function might be related both to AOB abundance and AOB community structure and richness. This thesis showed no clear relationship between AOB community structure or richness and AOB function. However, we revealed that aboveground grassland plant richness, grassland plant functional groups and tree species influence AOB community structure and richness. Actuellement, les écosystèmes sont soumis à dimportantes pressions anthropiques et environnementales, pouvant aboutir à des pertes massives de biodiversité. Les scientifiques sinterrogent sur limpact de ces perturbations sur la diversité et, par conséquent, sur lactivité des microorganismes du sol. En effet, ceux-ci régulent de nombreux processus du sol. Actuellement, de nombreuses lacunes subsistent dans la connaissance de la diversité microbienne du sol. Celles-ci peuvent être partiellement attribuées aux difficultés méthodologiques associées à l'étude des micro-organismes du sol. Lavènement des techniques moléculaires nous permet de combler ces lacunes. Les avancées réalisées dans l'étude des communautés microbiennes du sol ont mis en évidence le rôle crucial joué par les communautés microbiennes dans le fonctionnement des écosystèmes. De plus, il semblerait que les processus régulés par un groupe restreint dorganismes, tel le processus de nitrification, soient plus sensibles à toute altération de la communauté. Lobjectif de cette thèse était détudier la structure de la communauté ainsi que la richesse (nombre de bandes DGGE) des bactéries oxydant lammoniac (AOB) comme une partie intégrante du fonctionnement des sols. Notre étude se focalisait sur linfluence de (a) différents groupes fonctionnels de plantes (graminées, légumineuses, dicotylédones), (b) communautés de plantes présentant une richesse spécifique croissante et (c) différentes essences forestières, sur la diversité (structure de la communauté et richesse des AOB) et la fonction des AOB. Cette recherche étudiait également limpact dune augmentation de température de 3°C sur ces paramètres. Létablissement dun lien éventuel entre la diversité et la fonction (nitrification potentielle) des AOB a aussi été envisagé. Concernant les écosystèmes prairiaux, nous avons réalisé une étude en microcosmes. Une plateforme expérimentale comprenant 288 communautés artificielles de plantes a été établie à Wilrijk (Belgique). Cette plateforme consistait en 12 chambres, dont une moitié était à température ambiante et la seconde était à température ambiante augmentée de 3°C. Chaque chambre contient 24 communautés de plantes de richesse spécifique variable (9 S=1, 9 S=3 et 6 S=9). Les communautés de plantes sont créées avec 9 espèces de plantes appartenant à trois groupes fonctionnels : 3 espèces de graminées (Dactylis glomerata L., Festuca arundinacea SCHREB., Lolium perenne L.), de légumineuses (dicotylédones fixatrices dazote ;Trifolim repens L., Medicago sativa L., Lotus corniculatus L.), et de dicotylédones non fixatrices dazote (Bellis perennis L., Rumex acetosa L., Plantago lanceolata L.). Les sols issus dune chambre à température ambiante et dune chambre à température ambiante augmentée de 3°C ont été échantillonnés, respectivement, 4, 16 et 28 mois après le début de lexpérimentation. Linfluence des groupes fonctionnels de plantes sur le processus de nitrification ainsi que sur la structure de la communauté et la richesse des AOB a été mesuré sur les sols issus des deux premiers échantillonnages (chapitre 2). Nous avons mesuré leffet de la richesse croissante en plantes sur la diversité et lactivité des AOB sur les sols échantillonnés après 16 et 28 mois dexpérimentation (chapitre 3). La structure de la communauté ainsi que la richesse des AOB ont été évaluées à laide dune amplification spécifique par réaction de polymérisation en chaîne (PCR) de lADN génomique extrait du sol suivie par une séparation par électrophorèse sur gel dacrylamide en présence dun gradient dénaturant (DGGE). Nous avons identifié les différentes AOB présentes par séquençage des bandes DGGE excisées. Nos résultats ont montré que les différents groupes fonctionnels peuvent affecter la structure de la communauté des AOB. En particulier, la présence de légumineuses, aussi bien en monoculture quen mélange avec des graminées ou des dicotylédones non fixatrices dazote, provoque des changements au sein de la structure de la communauté des AOB, favorisant la présence de clusters tolérants des concentrations en ammonium plus élevées. Ces changements de la structure de la communauté des AOB sont liés à des augmentations de la production potentielle de nitrates (nitrification potentielle) quand lammonium est supposé être non limitant. Cette étude révèle que la physiologie des AOB ainsi que la disponibilité en substrat peuvent être des facteurs majeurs intervenant dans le contrôle du processus de nitrification. Cette recherche montre que linfluence de la richesse spécifique des plantes sur la nitrification pourrait dépendre des interactions entre les plantes et les AOB via la compétition pour le substrat. Une augmentation de la température de lair de 3°C na pas influencé les richesse, structure de la communauté ou les fonctions des AOB. Pour les écosystèmes forestiers, nous aborderons leffet de différentes essences forestières (Picea abies (L.) KARST, Fagus sylvatica L., Quercus petraea LIEBLEIN ; Pseudotsuga menziezii (MIRB.) FRANCO) dans différents peuplements au Grand Duché du Luxembourg et en Belgique. Nous avons étudié l'influence de ces essences forestières sur les processus microbiens (chapitre 5) liés aux cycles du carbone et de lazote, en particulier leur effet sur le processus de nitrification et la diversité des AOB (chapitre 6). Notre étude révèle que linfluence des essences forestières sur la minéralisation nette de lazote pourrait être attribuable à leur effet sur la biomasse microbienne, reflétant ainsi leur effet sur la teneur en matière organique et la disponibilité en carbone. Limpact des essences forestières sur la nitrification (à la fois sur la nitrification relative et sur la nitrification potentielle) serait conditionné par la présence de végétation au sol, en raison de linfluence de celle-ci sur la disponibilité en ammonium et en carbone labile. Nous avons observé que la structure de la communauté des AOB était plus spécifique aux sites quaux essences forestières. Cependant, au sein dun site, elle différait sous feuillus et sous conifères. Les essences forestières influenceraient la structure de la communauté des AOB au travers de limpact quelles ont sur la minéralisation nette de lazote qui régule, quant à elle, la disponibilité en ammonium. Cette recherche démontre que le lien observé entre la diversité et la fonction dépendrait la fois de labondance, de la structure de la communauté et de la richesse des AOB. Cette thèse na révélé aucune relation claire entre la structure de la communauté ou la richesse des AOB et leur fonction. Par contre, nous avons observé que la richesse spécifique et les groupes fonctionnels de plantes prairiales et les essences forestières affectent la structure de la communauté et la richesse des AOB.

Theory suggests that plant interactions at the neighbourhood scale play a fundamental role in regulating biodiversity–productivity relationships (BPRs) in tree communities. However, empirical evidence of this prediction is rare, as little is known about how neighbourhood interactions scale up to influence community BPRs. Here, using a biodiversity–ecosystem functioning experiment, we provide insights into processes underlying BPRs by demonstrating that diversity-mediated interactions among local neighbours are a strong regulator of productivity in species mixtures. Our results show that local neighbourhood interactions explain over half of the variation in observed community productivity along a diversity gradient. Overall, individual tree growth increased with neighbourhood species richness, leading to a positive BPR at the community scale. The importance of local-scale neighbourhood effects for regulating community productivity, however, distinctly increased with increasing community species richness. Preserving tree species diversity at the local neighbourhood scale, thus seems to be a promising way for promoting forest productivity.

Résumé : La décomposition des litières végétales a été décrite comme étant la deuxième plus importante fonction écosystémique sur terre, après la productivité primaire. Alors que la photosynthèse fournit les apports énergétiques à la plupart des chaînes alimentaires, la décomposition recycle les nutriments, permet leur utilisation future par d’autres organismes et relargue dans l’atmosphère le carbone fixé photosynthétiquement. Dans un contexte de changement climatique, un grand intérêt est porté sur la décomposition des litières, car il s’agit, à l’échelle globale, de la plus grande source d’émission de CO[indice inférieur 2] dans l’atmosphère. Les taux de décomposition des litières sont principalement déterminés par trois facteurs: les variables climatiques, la structure des communautés de décomposeurs et les propriétés chimiques et physiques de la litière. La structure de la communauté végétale hôte dans laquelle se produit la décomposition et d’où provient la litière peut influencer l’ensemble de ces trois facteurs. Des changements dans la structure de la communauté végétale pourraient donc affecter les futurs taux de décomposition et modifier significativement les dynamiques globales du carbone. Malgré cela, la communauté hôte est rarement prise en compte dans les études sur la décomposition des litières. Des expériences enlèvent souvent la litière de son environnment naturel de décomposition, mesurant la décomposition des litières à partir de monolithes ou de microcosmes en laboratoire, afin de contrôler les variations indésirables des propriétés du sol. Dans ce mémoire, j’étudie les effets de plusieurs propriétés fonctionnelles de la communauté végétale hôte sur les taux de décomposition des litières et leur contribution à la respiration du sol. En utilisant une plantation expérimentale d’arbres qui permet de manipuler la structure de leur communauté, je teste l’effet de l’identité fonctionnelle des arbres, des espèces et de la diversité fonctionnelle, ainsi que des interactions entre décomposeurs et arbres sur ces processus écosystémiques. La décomposition des litières et la respiration du sol sont liées aux propriétés fonctionnelles des plantes. La décomposition des litières est bien prédite par les valeurs moyennes de traits fonctionnels des litières, mais plus faiblement corrélée à la diversité spécifique. D’après mes résultats, le nombre d’espèces en mélange de litières ne constitue pas un facteur important pour la décomposition, à cause des interactions globalement idiosyncratiques entre types de litières. Cependant, l’augmentation conjointe de la diversité fonctionnelle des mélanges d’espèces en litières et de la communauté d’arbres-hôtes accélère les taux de décomposition et la respiration du sol. Les premières phases de décomposition de litières en surface ne sont que faiblement affectées par la diversité des plantes, alors que pour la respiration du sol, qui prend en compte les dernières phases de décomposition de litière et de matière organique du sol, la diversité est la propriété fonctionnelle de plantes qui fournit le meilleur pouvoir de prédiction. De plus, j’ai trouvé que les apports spécifiques de litières à long terme pouvaient créer des conditions qui favorisent la décomposition des litières native et pouvaient modifier l’effet de la diversité des arbres sur la décomposition. J’attribue cet effet aux rétroactions entre la litière et les organismes décomposeurs du sol. Ce travail de recherche fournit une nouvelle perspective sur les effets des changements de structure de communauté forestière sur les processus de décomposition. La compréhension de ces effets est nécessaire pour prédire les taux de décomposition de litières et les dynamiques globales du carbone. // Abstract : The decomposition of plant litter has been described as the second most important ecosystem function for sustaining life on earth, after primary productivity. Whereas photosynthesis provides the energy input for most food chains, decomposition recycles nutrients for future use by other organisms and returns photosynthetically fixed carbon back to the atmosphere. In the context of climate change, litter decomposition is of specific interest because it represents one of the largest sources of CO[subscript 2] to the atmosphere globally. Rates of litter decomposition are largely determined by three factors: climatic variables, the structure of the decomposer community, and the chemical and physical properties of the litter. The structure of the host plant community under which decomposition takes place and from which the litter is derived can influence all three of these factors. Therefore, any systematic changes in plant community structure could affect future decomposition rates and significantly alter global carbon dynamics. Despite this, the host plant community is rarely considered in litter decomposition studies. Experiments often remove litter from its natural decomposition environment, instead measuring decomposition of litter in common garden settings and laboratory microcosms to control for unwanted variation in soil properties. In this thesis I investigate the effect of several functional properties of the host plant community on rates of litter decomposition and its contribution to soil respiration. Using an experimental tree plantation that manipulates tree community structure, I test the effect of tree functional identity, species and functional diversity, and tree-decomposer interactions on these ecosystem processes. Both litter decomposition and soil respiration were related to plant functional properties. Litter decomposition was best predicted by average-values of litter functional traits and was poorly related to species diversity. The number of species in a litter mixture does not seem to be important for decomposition, as interactions between litter types were idiosyncratic. However increasing the functional diversity both of mixed-species litter and of the host tree community accelerated rates of litter decomposition and soil respiration. Early stages of surface litter decomposition were only marginally affected by plant diversity. In contrast, diversity was the best predictor of soil respiration, which includes latter stages of litter and soil organic matter decomposition. Furthermore, I found that specific repeated litter input to the soil can result in conditions that favour the decomposition of the long-term litter type and can mediate the effect of tree diversity on decomposition. I attribute this effect to feedbacks between the litter and soil decomposer organisms. This research provides insight into the effect of changing forest community structure on decomposition processes. Such an understanding is necessary to predict future rates of litter decomposition and global carbon dynamics.

R??sum?? : La d??composition des liti??res v??g??tales a ??t?? d??crite comme ??tant la deuxi??me plus importante fonction ??cosyst??mique sur terre, apr??s la productivit?? primaire. Alors que la photosynth??se fournit les apports ??nerg??tiques ?? la plupart des cha??nes alimentaires, la d??composition recycle les nutriments, permet leur utilisation future par d???autres organismes et relargue dans l???atmosph??re le carbone fix?? photosynth??tiquement. Dans un contexte de changement climatique, un grand int??r??t est port?? sur la d??composition des liti??res, car il s???agit, ?? l?????chelle globale, de la plus grande source d?????mission de CO[indice inf??rieur 2] dans l???atmosph??re. Les taux de d??composition des liti??res sont principalement d??termin??s par trois facteurs: les variables climatiques, la structure des communaut??s de d??composeurs et les propri??t??s chimiques et physiques de la liti??re. 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Cependant, l???augmentation conjointe de la diversit?? fonctionnelle des m??langes d???esp??ces en liti??res et de la communaut?? d???arbres-h??tes acc??l??re les taux de d??composition et la respiration du sol. Les premi??res phases de d??composition de liti??res en surface ne sont que faiblement affect??es par la diversit?? des plantes, alors que pour la respiration du sol, qui prend en compte les derni??res phases de d??composition de liti??re et de mati??re organique du sol, la diversit?? est la propri??t?? fonctionnelle de plantes qui fournit le meilleur pouvoir de pr??diction. De plus, j???ai trouv?? que les apports sp??cifiques de liti??res ?? long terme pouvaient cr??er des conditions qui favorisent la d??composition des liti??res native et pouvaient modifier l???effet de la diversit?? des arbres sur la d??composition. J???attribue cet effet aux r??troactions entre la liti??re et les organismes d??composeurs du sol. Ce travail de recherche fournit une nouvelle perspective sur les effets des changements de structure de communaut?? foresti??re sur les processus de d??composition. La compr??hension de ces effets est n??cessaire pour pr??dire les taux de d??composition de liti??res et les dynamiques globales du carbone. // Abstract : The decomposition of plant litter has been described as the second most important ecosystem function for sustaining life on earth, after primary productivity. Whereas photosynthesis provides the energy input for most food chains, decomposition recycles nutrients for future use by other organisms and returns photosynthetically fixed carbon back to the atmosphere. In the context of climate change, litter decomposition is of specific interest because it represents one of the largest sources of CO[subscript 2] to the atmosphere globally. Rates of litter decomposition are largely determined by three factors: climatic variables, the structure of the decomposer community, and the chemical and physical properties of the litter. The structure of the host plant community under which decomposition takes place and from which the litter is derived can influence all three of these factors. Therefore, any systematic changes in plant community structure could affect future decomposition rates and significantly alter global carbon dynamics. Despite this, the host plant community is rarely considered in litter decomposition studies. Experiments often remove litter from its natural decomposition environment, instead measuring decomposition of litter in common garden settings and laboratory microcosms to control for unwanted variation in soil properties. In this thesis I investigate the effect of several functional properties of the host plant community on rates of litter decomposition and its contribution to soil respiration. Using an experimental tree plantation that manipulates tree community structure, I test the effect of tree functional identity, species and functional diversity, and tree-decomposer interactions on these ecosystem processes. Both litter decomposition and soil respiration were related to plant functional properties. Litter decomposition was best predicted by average-values of litter functional traits and was poorly related to species diversity. The number of species in a litter mixture does not seem to be important for decomposition, as interactions between litter types were idiosyncratic. However increasing the functional diversity both of mixed-species litter and of the host tree community accelerated rates of litter decomposition and soil respiration. Early stages of surface litter decomposition were only marginally affected by plant diversity. In contrast, diversity was the best predictor of soil respiration, which includes latter stages of litter and soil organic matter decomposition. Furthermore, I found that specific repeated litter input to the soil can result in conditions that favour the decomposition of the long-term litter type and can mediate the effect of tree diversity on decomposition. I attribute this effect to feedbacks between the litter and soil decomposer organisms. This research provides insight into the effect of changing forest community structure on decomposition processes. Such an understanding is necessary to predict future rates of litter decomposition and global carbon dynamics.