Écosystèmes : interactions, fonctionnement et services écosystémiques (1re spécialité SVT)

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Un écosystème : un ensemble fonctionnel

Un écosystème associe un biotope (milieu physico-chimique : sol, eau, climat, lumière) et une biocénose (ensemble des êtres vivants qui l'occupent). Il ne se réduit pas à une liste d'espèces : il fonctionne grâce aux interactions entre les êtres vivants et avec le milieu, et grâce à des échanges de matière et d'énergie.

Flux de matière et d'énergie

Les producteurs primaires (végétaux chlorophylliens, algues) réalisent la photosynthèse : à partir de matière minérale (eau, dioxyde de carbone, ions) et grâce à l'énergie lumineuse, ils fabriquent de la matière organique. La lumière apporte de l'énergie, pas de la matière. Les consommateurs ne fabriquent pas de matière organique à partir de matière minérale : ils construisent leur propre matière à partir de la matière organique qu'ils ingèrent. Les décomposeurs (bactéries, champignons, invertébrés du sol) dégradent la matière organique morte et libèrent des éléments minéraux réutilisables par les producteurs.

La matière circule en cycle dans l'écosystème, alors que l'énergie le traverse : elle entre sous forme lumineuse et ressort en grande partie sous forme de chaleur. D'un maillon à l'autre d'une chaîne trophique, une partie seulement de la biomasse est transférée, car une fraction n'est pas consommée, est rejetée ou est utilisée par la respiration.

Les interactions

• Compétition : des individus exploitent la même ressource limitée, ce qui pénalise chacun.
• Prédation et parasitisme : un organisme tire profit d'un autre à ses dépens.
• Mutualisme : bénéfice réciproque, par exemple entre une fleur et l'insecte qui y trouve nectar et pollen tout en assurant le transport du pollen.

Services écosystémiques

Les services écosystémiques sont les avantages que les sociétés retirent du fonctionnement des écosystèmes. On distingue les services d'approvisionnement (aliments, bois, eau), de régulation (qualité de l'eau, pollinisation, stockage de carbone, limitation de l'érosion) et culturels (loisirs, paysage). Ils reposent sur des fonctions écologiques, donc sur la biodiversité et sur l'état du milieu. La gestion agricole ou l'urbanisation modifient ces fonctions et donc les services rendus.

Exemple analysé : une bande boisée le long d'une rivière

Données pédagogiques simplifiées. L'eau de drainage d'un champ contient 40 mg/L de nitrates à son arrivée près de la rivière ; après la traversée de 30 m de bande boisée, elle en contient 22 mg/L. La réduction vaut (40 - 22) / 40 = 0,45, soit 45 %. Explication : les racines absorbent des ions nitrate, utilisés pour fabriquer des molécules organiques azotées, et des bactéries du sol, en milieu pauvre en dioxygène, transforment des nitrates en diazote gazeux (dénitrification). Le service de régulation de la qualité de l'eau découle donc de processus biologiques mesurables. Limite : la mesure concerne un site et une période ; l'épuration peut être saturée par de fortes charges ou ralentie en hiver.

Piège à éviter

Un écosystème très productif n'est pas forcément celui qui rend le plus de services. Augmenter un service d'approvisionnement (le rendement fourrager, par exemple) par des engrais et des fauches répétées peut diminuer la diversité, la pollinisation ou le stockage de carbone du sol : c'est un compromis entre services. De plus, constater que deux grandeurs varient ensemble (corrélation) ne prouve pas que l'une cause l'autre : seul un protocole comparatif où un seul facteur varie permet de s'en approcher.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Une communauté de communes gère cinq parcelles voisines, de même sol et de même climat, au bord d'une vallée. Elle doit décider comment les exploiter pendant dix ans. Un éleveur souhaite produire davantage de fourrage ; un apiculteur installé à proximité s'inquiète pour les insectes pollinisateurs ; un syndicat d'eau potable s'intéresse à la santé des sols. Des mesures ont été relevées sur chaque parcelle et une expérience a été menée sur le trèfle des prés. À l'aide des documents, évaluez comment le mode de gestion modifie le fonctionnement de l'écosystème et les services rendus, puis formulez une recommandation argumentée en précisant ce que les données permettent et ne permettent pas de conclure.

Document 1 : cinq parcelles, cinq modes de gestion (Données pédagogiques simplifiées)

Moyennes sur trois années. MS : matière sèche. Les visites sont comptées en pleine floraison sur 1 m² pendant 10 minutes.

Document 2 : le trèfle des prés avec ou sans accès des insectes (Données pédagogiques simplifiées)

Sur la parcelle P1, vingt capitules de trèfle de taille comparable, aux fleurs non ouvertes, sont choisis au hasard le même jour dans une zone de 4 m² (même sol, même ensoleillement). Dix sont enveloppés d'un sachet de tulle fin qui interdit l'accès aux insectes (lot A) ; dix restent à l'air libre (lot B). Après maturation, on compte les graines viables par capitule.

Observation : des bourdons et des abeilles visitent régulièrement les capitules du lot B ; aucun insecte n'est vu sur les fleurs ensachées. En milieu de journée, l'intérieur des sachets est environ 1 °C plus chaud que l'air extérieur.

Exercice 1 : comparer les parcelles (Document 1)

1. Relevez la parcelle la plus riche et la parcelle la plus pauvre en espèces de plantes, avec leur mode de gestion.
2. Calculez, de P1 à P3, la variation relative (en %) du nombre d'espèces, des visites de pollinisateurs, de la biomasse récoltée et du carbone du sol.
3. Calculez l'écart de carbone organique entre P1 et P4 en t/ha, puis la quantité correspondante pour 25 ha, en précisant l'hypothèse faite.
4. De P1 à P4, décrivez l'évolution de la biomasse récoltée, des visites et du carbone, puis expliquez en quoi cela illustre un compromis entre services.

Exercice 2 : analyser le protocole (Document 2)

1. Calculez le nombre moyen de graines par capitule pour chaque lot.
2. Calculez l'écart absolu, le rapport entre les deux moyennes et la part, en %, des graines du lot B associée à l'accès des insectes.
3. Identifiez la variable testée, le lot témoin et trois facteurs maintenus constants. Précisez une limite du dispositif et proposez un lot supplémentaire pour la corriger.
4. Indiquez ce que l'on peut conclure et ce que l'on ne peut pas conclure de cette expérience.

Exercice 3 : confronter les documents et décider

1. Calculez, de P1 à P2, le gain relatif de biomasse et les pertes relatives d'espèces, de visites et de carbone. Comparez avec P1 à P3.
2. En associant les Documents 1 et 2, proposez une explication à la fois plausible et prudente de l'effet d'une baisse des visites sur la végétation de la prairie.
3. Expliquez pourquoi le Document 1 ne démontre pas que l'engrais est la cause de la baisse des visites, et décrivez un protocole qui le testerait.
4. Rédigez en 6 à 8 lignes une recommandation pour la communauté de communes, en nommant les services privilégiés, les services sacrifiés et les limites des données.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. La parcelle la plus riche est P1 (28 espèces par m², une seule fauche tardive, sans engrais). La plus pauvre est P4 (3 espèces par m², maïs sur sol labouré).
2. Espèces : (11 - 28) / 28 = -0,61, soit environ -61 %. Visites : (12 - 46) / 46 = -0,74, soit -74 %. Biomasse : (8,4 - 4,2) / 4,2 = +1,00, soit +100 %. Carbone : (55 - 62) / 62 = -0,113, soit environ -11 %. La récolte double, mais la diversité et la pollinisation chutent fortement et le carbone du sol baisse moins nettement.
3. Écart : 62 - 44 = 18 t/ha de carbone organique. Pour 25 ha : 18 x 25 = 450 t de carbone. Hypothèse : l'écart mesuré s'applique à toute la surface et reflète un stock du sol, non un flux annuel. Le sol étant le même, l'écart est attribué à la gestion, ce qui reste une interprétation.
4. De P1 à P4, la biomasse récoltée croît (4,2 ; 5,6 ; 8,4 ; 12,0 t/ha/an), alors que les visites (46 ; 35 ; 12 ; 2) et le carbone (62 ; 60 ; 55 ; 44 t/ha) diminuent. Le service d'approvisionnement progresse au détriment de services de régulation : c'est un compromis.

Critères de réussite : pourcentages calculés par rapport à la valeur de départ, unités présentes, mots « service d'approvisionnement » et « régulation » employés correctement.

Exercice 2 : correction

1. Lot A : somme 140, moyenne 140 / 10 = 14 graines. Lot B : somme 520, moyenne 520 / 10 = 52 graines.
2. Écart : 52 - 14 = 38 graines par capitule. Rapport : 52 / 14 = 3,7 (environ 3,7 fois plus). Part : 38 / 52 = 0,73, soit 73 % des graines du lot B associées à l'accès des insectes.
3. Variable testée : l'accès des insectes aux fleurs. Lot témoin : le lot B à l'air libre. Facteurs constants : espèce, stade et taille des capitules, sol, ensoleillement, date et zone de choix. Limite : le sachet réchauffe l'air de 1 °C et peut modifier lumière et humidité, donc l'écart n'est pas uniquement dû aux insectes. Lot supplémentaire : capitules enveloppés d'un filet à larges mailles laissant passer les insectes, pour isoler l'effet du sachet.
4. Les étendues (9 à 20 contre 40 à 62) ne se chevauchent pas : sur cet échantillon, la différence est nette et cohérente avec un rôle de pollinisation. On ne peut pas généraliser à d'autres espèces, parcelles ou années, ni identifier quels insectes sont efficaces, ni chiffrer le service à l'échelle d'une prairie entière avec seulement 20 capitules.

Critères de réussite : calculs exacts avec unités, notion de témoin comprise, conclusion bornée à l'échantillon.

Exercice 3 : correction

1. P1 vers P2 : biomasse +1,4 t, soit +33 % ; espèces -6, soit -21 % ; visites -11, soit -24 % ; carbone -2 t/ha, soit -3 %. Le gain de fourrage est plus modeste qu'en P3 (+100 %), mais les pertes le sont aussi (-61 %, -74 %, -11 % en P3). Le rapport gain/pertes est plus favorable en P2.
2. Le Document 2 montre que, sur le trèfle, moins de visites va de pair avec beaucoup moins de graines. Hypothèse : dans une prairie où les visites chutent, les plantes dépendantes des insectes se reproduisent moins par graines et pourraient régresser, ce qui contribuerait à réduire la diversité. Cette explication est une hypothèse : les documents ne mesurent ni la banque de graines ni l'évolution des populations.
3. En P1 à P4, plusieurs facteurs varient en même temps (nombre de fauches, engrais, labour, culture), donc la corrélation observée n'établit pas de cause. Protocole : choisir plusieurs parcelles de prairie semblables, appliquer l'engrais à la moitié d'entre elles au hasard en gardant les mêmes fauches, puis comparer les visites et les espèces sur plusieurs années.
4. Réponse attendue : une recommandation argumentée, par exemple P2 ou P5 comme compromis. P2 apporte +33 % de fourrage en conservant 22 espèces, 35 visites et 60 t/ha de carbone ; P5 donne un fourrage proche de P1 avec le plus de carbone (66 t/ha) et de lombrics. Les services sacrifiés (diversité, pollinisation en P2) sont nommés. Limites : données simplifiées, trois ans, un seul sol. La décision relève aussi de choix économiques et sociaux.

Critères de réussite : chiffres cités pour justifier, services sacrifiés reconnus, causalité non affirmée sans protocole adapté.