Écosystèmes : interactions, dynamique et services

L’écosystème comme système ouvert et la répartition des espèces ; interactions biotiques et valeur sélective ; production, biomasse et flux d’énergie ; flux, recyclage et bilans de matière ; équilibre dynamique, résilience et seuils ; l’humanité, les services écosystémiques, leur gestion et l’ingénierie écologique.

À propos de cette page

Six problèmes sur documents : la ronce et l’oxalis de la clairière au sous-bois, des pins et leur champignon mycorhizien, l’expérience de Paine sur les étoiles de mer, les pollinisateurs sauvages d’un verger, la forêt coupée de Hubbard Brook, un filtre planté de roseaux.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : sa nature (relevé de terrain, expérience, bilan, suivi dans le temps), sa source et sa date, et si les valeurs sont réelles ou choisies.
Je repère la comparaison qui répond à la question : avec et sans partenaire, zone perturbée et zone témoin, entrée et sortie, avant et après.
Je calcule dans l’ordre des questions : fréquences, rapports, variations relatives, abattements, bilans, en gardant les unités.
J’interprète avec les notions du cours : valeur sélective, compétition, symbiose, espèce clé de voûte, recyclage, système ouvert, seuil, service écosystémique.
Je conclus par une phrase qui répond à la question, en distinguant corrélation et cause, et en citant une limite du document.

Problème 1 · De la clairière au cœur d’une hêtraie★★★Facile

Document 1 — Le relevé. Une classe trace un transect qui part d’une clairière et entre dans une hêtraie. À chacune des quatre stations, elle pose 20 quadrats de 1 m², mesure la lumière qui arrive au sol (en % de celle d’un terrain découvert) et note dans combien de quadrats on trouve la ronce et l’oxalis petite-oseille (valeurs choisies, relevé de juillet).

Station	A (clairière)	B (lisière)	C (20 m)	D (60 m)
Lumière au sol (%)	90	45	12	4
Humidité de l’air (%)	55	63	74	80
Quadrats avec ronce	17	11	3	0
Quadrats avec oxalis	0	2	9	15

Document 2 — Une expérience. En clairière, on couvre des pieds d’oxalis d’un voile qui ne laisse passer que 10 % de la lumière, sans changer l’humidité du sol ; d’autres pieds restent découverts. Après deux mois, 80 % des pieds ombrés sont en bon état, contre 25 % des pieds découverts, dont les feuilles ont jauni (valeurs choisies).

Document 3 — L’année suivante. Un autre groupe refait le relevé en avril, avec 10 quadrats par station.

1. Fréquence de la ronce à la station A : %
17 ÷ 20 × 100 = 85 %.
2. Fréquence de l’oxalis à la station D : %
15 ÷ 20 × 100 = 75 %.
3. Quand on va de A vers D, la fréquence de la ronce (augmente ou diminue).
Elle diminue : 85 %, 55 %, 15 %, 0 % ; celle de l’oxalis augmente (0 %, 10 %, 45 %, 75 %). Les deux plantes se répartissent selon les conditions du milieu.
4. Facteur qui varie lui aussi le long du transect et empêche de conclure sur la seule lumière avec le document 1 : l’
L’humidité de l’air, qui passe de 55 % à 80 % : lumière et humidité varient ensemble, le relevé montre une corrélation.
5. D’après le document 2, les pieds ombrés sont en bon état fois plus souvent que les pieds découverts.
80 ÷ 25 = 3,2 ; seule la lumière diffère entre les deux lots, puisque l’humidité du sol est la même : l’expérience isole ce facteur.
6. D’après le document 2, une forte lumière est pour l’oxalis un facteur (favorable ou défavorable).
Défavorable : à l’ombre, 80 % des pieds vont bien, contre 25 % en pleine lumière. L’oxalis est une plante d’ombre ; son absence de la clairière s’explique, au moins en partie, par la lumière.
7. Le relevé du document 3 ne peut pas être comparé au premier : il diffère par la date et par le de quadrats.
Par le nombre de quadrats et par la date (avril au lieu de juillet) : le protocole doit être reproductible pour suivre l’écosystème d’une année sur l’autre.

Problème 2 · Des pins et leur champignon★★★Moyen

Document 1 — Une expérience. Des plantules de pin sont cultivées six mois dans un sol stérilisé, pauvre en phosphates. Un lot reçoit des filaments d’un champignon du sol qui forme des mycorhizes ; l’autre lot n’en reçoit pas (valeurs choisies).

Lot	Biomasse sèche par plantule (g)	Phosphore dans les aiguilles (mg par g)
Sans champignon	0,8	0,9
Avec champignon	2,0	2,1

Document 2 — Un échange. On fournit aux aiguilles du CO₂ marqué au carbone 13. Quelques jours plus tard, on retrouve ce carbone dans les filaments du champignon : environ 15 % des glucides fabriqués par la plantule lui sont passés (valeur choisie). Le champignon ne fait pas de photosynthèse.

Document 3 — Le même essai sur un sol riche. Dans un sol enrichi en phosphates, la biomasse sèche est de 2,4 g sans champignon et de 2,2 g avec (valeurs choisies).

1. Rapport des biomasses sèches avec et sans champignon (document 1) :
2,0 ÷ 0,8 = 2,5 : les plantules mycorhizées sont deux fois et demie plus lourdes.
2. Hausse du phosphore dans les aiguilles grâce au champignon : %
(2,1 − 0,9) ÷ 0,9 × 100 ≈ 133 % : le phosphore a plus que doublé.
3. Une plantule qui fabrique 2,0 g de glucides en cède au champignon, d’après le document 2 : g
2,0 × 15 ÷ 100 = 0,3 g : c’est le coût de l’association pour la plante, qui reçoit en échange phosphates et eau.
4. Dans un sol pauvre, les effets sur les deux partenaires sont (+ / +) : l’interaction est une
Une symbiose (coopération) : les filaments explorent le sol et cèdent phosphates et eau, la plante cède des glucides ; l’association est étroite et durable.
5. Variation de la biomasse due au champignon dans le sol riche (document 3), au dixième : %
(2,2 − 2,4) ÷ 2,4 × 100 ≈ − 8,3 %.
6. Dans ce sol riche, l’effet du champignon sur la plantule est donc (+, − ou 0).
Un effet − : le champignon coûte des glucides sans apporter un phosphore qui ne manque plus.
7. Conclusion : le classement d’une interaction n’est pas fixe, il dépend du
Du milieu : la même association est une symbiose sur sol pauvre et se rapproche d’un parasitisme sur sol riche. On la juge par son effet sur la valeur sélective de chaque partenaire, dans des conditions données.

Problème 3 · Les étoiles de mer de Mukkaw Bay★★★Moyen

Document 1 — Un rocher et son réseau. Sur la côte de l’État de Washington (États-Unis), à Mukkaw Bay, les rochers découverts à marée basse portent des moules, des balanes (petits crustacés fixés), des chitons, des patelles et des algues, qui se disputent la place sur la roche. L’étoile de mer Pisaster ochraceus, peu nombreuse, mange surtout des moules et des balanes.

Document 2 — Une expérience de R. T. Paine. À partir de 1963, l’écologue Robert Paine retire à la main toutes les étoiles de mer d’une zone de rochers et laisse une zone voisine intacte. Dans les trois mois, une balane couvre 60 à 80 % de la place disponible de la zone sans étoiles ; ensuite, les moules s’étendent. Le nombre d’espèces présentes y passe de 15 à 8 (Paine, The American Naturalist, 1966).

1. Rôle de la zone voisine laissée intacte : c’est une zone
Une zone témoin : en la comparant à la zone traitée, on attribue les changements au retrait des étoiles, et non à la saison ou au climat, qui sont les mêmes pour les deux.
2. Nombre d’espèces disparues de la zone sans étoiles :
15 − 8 = 7 espèces.
3. Part des espèces perdues, au dixième : %
7 ÷ 15 × 100 ≈ 46,7 % : près de la moitié de la richesse.
4. Interaction entre moules, balanes, chitons et patelles pour la place sur la roche :
Une compétition (− / −) pour une ressource limitée, l’espace.
5. En mangeant surtout les meilleures compétitrices, l’étoile de mer laisse de la place aux autres : sa disparition fait la richesse du rocher.
Elle fait baisser la richesse : sans prédateur, les moules et la balane, meilleures compétitrices, occupent tout l’espace et excluent les autres.
6. Peu nombreuse mais au rôle décisif pour le réseau, l’étoile de mer est une espèce clé de
Une espèce clé de voûte : Paine a forgé l’expression en 1969 à partir de cette expérience.
7. Si les moules, devenues trop grosses pour être mangées, gardaient la place même après le retour des étoiles, la perturbation aurait franchi un
Un seuil : le rocher aurait basculé vers un autre état, dominé par les moules, qui se maintiendrait de lui-même.

Problème 4 · Pollinisateurs sauvages et production de pommes★★★Moyen

Document 1 — Avec et sans insectes. Dans un verger, on compare le taux de nouaison (pourcentage de fleurs qui donnent un fruit) de branches laissées libres et de branches ensachées sous un filet qui empêche l’accès des insectes (données simplifiées).

Branches	Taux de nouaison (%)
Libres	31
Sous filet	3,6

Document 2 — Selon la distance au bosquet. Nombre moyen de visites d’abeilles sauvages par arbre en 10 minutes, selon la distance au bosquet le plus proche (données simplifiées).

Distance au bosquet (m)	30	200	500
Visites	19,4	12,6	3,8

1. Part des fruits due aux insectes (document 1), au dixième : %
(31 − 3,6) ÷ 31 × 100 ≈ 88,4 % : près de neuf pommes sur dix n’existeraient pas sans pollinisateurs.
2. Rapport des visites à 30 m et à 500 m du bosquet, au dixième :
19,4 ÷ 3,8 ≈ 5,1 : environ cinq fois moins de visites loin du bosquet.
3. Hypothèse : les abeilles sauvages nichent et trouvent leurs ressources dans le
Dans le bosquet (abris, fleurs variées) ; leur rayon de vol étant limité, les arbres lointains sont moins visités.
4. Catégorie du service rendu par les pommes récoltées :
L’approvisionnement : un produit prélevé.
5. Le programme range la pollinisation parmi les services qui fournissent des produits ; l’Évaluation des écosystèmes pour le millénaire la classe, elle, en service de
De régulation : c’est un processus naturel assuré par des êtres vivants, dont dépend la production de fruits et de graines (document 1 : la nouaison chute de 31 % à 3,6 % sans insectes). Au bac, on justifie le classement retenu.
6. Visites à 200 m du bosquet, en pourcentage de celles à 30 m, à l’unité : %
12,6 ÷ 19,4 × 100 ≈ 65 % : à 200 m, on garde près des deux tiers des visites ; à 500 m, moins d’un cinquième. Planter haies ou bandes fleuries à moins de 200 m des arbres, laisser des sites de nidification et éviter les insecticides en floraison : une gestion durable, qui rend aussi d’autres services (abri d’auxiliaires, paysage).
7. Le document 2 compte des visites, pas des fruits, et compare des arbres qui diffèrent peut-être par d’autres facteurs : il montre une
Une corrélation ; pour une relation de cause à effet, il faudrait mesurer la nouaison selon la distance, à exposition et variété égales.

Problème 5 · Hubbard Brook : couper une forêt pour mesurer ce qu’elle retient★★★Difficile

Document 1 — Le dispositif. Dans la forêt expérimentale de Hubbard Brook (New Hampshire, États-Unis), chaque petit bassin versant, limité par des lignes de crête, est un écosystème dont on mesure les entrées (pluie, neige) et les sorties (eau du ruisseau, au déversoir). Fin 1965, toute la forêt du bassin n° 2 est coupée et laissée sur place ; pendant trois étés, un herbicide empêche toute repousse. Le bassin n° 6, voisin, reste boisé.

Document 2 — Pertes nettes (sorties − entrées) en 1967-1968, en kg par hectare et par an (Likens et al., Ecological Monographs, 1970).

Ion	Bassin n° 6 (boisé)	Bassin n° 2 (coupé)
Calcium	9,2	90
Potassium	1,6	36
Magnésium	2,6	18

Document 3 — L’eau et l’azote. Après la coupe, le débit du ruisseau du bassin n° 2 dépasse de 39 % la valeur attendue la première année. La concentration en nitrates de son eau est 41 fois celle d’un bassin boisé la première année, 56 fois la deuxième ; le bassin perd environ 142 kg d’azote nitrique par hectare en 1967-1968.

1. Un bassin versant reçoit de la pluie et perd de l’eau et des ions par son ruisseau : c’est un système
Un système ouvert ; ses lignes de crête forment une frontière nette, et toute l’eau qui en sort passe au déversoir, où l’on peut la mesurer.
2. Pertes de magnésium : le bassin coupé en perd kg/ha/an de plus que le bassin boisé.
18 − 2,6 = 15,4 kg/ha/an ; en rapport, 18 ÷ 2,6 ≈ 6,9 : près de sept fois plus. Le bassin n° 6, voisin et resté boisé, sert de témoin.
3. Rapport des pertes de calcium (bassin coupé ÷ bassin boisé), au dixième :
90 ÷ 9,2 ≈ 9,8 : près de dix fois plus.
4. Rapport des pertes de potassium, au dixième :
36 ÷ 1,6 = 22,5.
5. Le débit augmente parce qu’il n’y a plus de feuilles pour rendre l’eau à l’air par
Par évapotranspiration : l’eau qui n’est plus transpirée s’écoule vers le ruisseau.
6. Les décomposeurs continuent de minéraliser la litière, mais les ions ne sont plus absorbés par les
Par les racines : nitrates et cations, normalement recyclés, partent avec l’eau du ruisseau.
7. Dans la forêt intacte, la végétation retient les ions minéraux : elle assure leur
Leur recyclage : le cycle se referme presque dans l’écosystème, ce qui limite les sorties. Coupée, la forêt devient un système beaucoup plus ouvert, qui s’appauvrit et pollue l’eau en aval.

Problème 6 · Un filtre planté de roseaux★★★Difficile

Un village traite ses eaux usées par un filtre planté de roseaux : l’eau percole à travers des bassins de graviers et de sable plantés de roseaux, où vivent de nombreuses bactéries.

Document 1 — Concentrations moyennes en entrée et en sortie (données simplifiées ; la DBO5, demande biochimique en oxygène sur 5 jours, mesure la matière organique biodégradable).

Paramètre	Entrée	Sortie
Azote total (mg·L⁻¹)	58	17
Phosphore total (mg·L⁻¹)	7,4	2,9
DBO5 (mg de O₂·L⁻¹)	245	23

Document 2 — En hiver. L’abattement de l’azote total par ce même filtre tombe à 41 %.

Document 3 — Ce qui se passe dans le filtre. Des bactéries fixées sur les graviers et les racines dégradent la matière organique ; dans les zones privées de dioxygène, d’autres transforment les nitrates en diazote, qui part dans l’air. Les racines des roseaux aèrent le substrat et l’empêchent de se colmater.

1. Abattement (pourcentage éliminé) de l’azote total, au dixième : %
(58 − 17) ÷ 58 × 100 ≈ 70,7 %.
2. Abattement du phosphore total, au dixième : %
(7,4 − 2,9) ÷ 7,4 × 100 ≈ 60,8 %.
3. Abattement de la DBO5, au dixième : %
(245 − 23) ÷ 245 × 100 ≈ 90,6 % : la matière organique est la mieux éliminée, le phosphore le moins bien.
4. En dégradant la matière organique des eaux usées, les bactéries la transforment en CO₂ et en ions
En ions minéraux (nitrates, phosphates) : c’est la minéralisation, comme dans le sol d’une forêt ; ces bactéries jouent le rôle de décomposeurs.
5. Les roseaux, qui absorbent une partie des nitrates et des phosphates pour fabriquer leur matière, jouent le rôle de (producteurs, consommateurs ou décomposeurs)
De producteurs : ils fabriquent leur matière organique par photosynthèse avec ces ions minéraux ; l’azote transformé en diazote par d’autres bactéries quitte, lui, le système.
6. Baisse de l’abattement de l’azote en hiver par rapport à la moyenne du document 1, au dixième : points
70,7 − 41 = 29,7 points : l’activité des bactéries et des roseaux ralentit au froid.
7. Un élu affirme : « Il suffit de planter des roseaux dans un fossé. » Le document 2 montre pourtant que l’efficacité du filtre dépend de la
De la saison (température) : l’activité biologique ralentit en hiver. De plus, l’essentiel de l’épuration est fait par les bactéries du substrat, dans un dispositif conçu pour elles (graviers, circulation de l’eau, surface adaptée au nombre d’habitants) : un fossé quelconque serait vite saturé. Le filtre relève de l’ingénierie écologique : il se sert d’êtres vivants et de processus écologiques pour rendre un service de régulation.

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