Écologie des écosystèmes : flux de matière et d'énergie

Exercice 1 — Le devenir de l'énergie solaire dans un écosystème
Corrigé (restitution organisée des connaissances) :
Introduction. Un écosystème est une unité fonctionnelle qui traite de la matière et de l'énergie. Contrairement à la matière, qui cycle, l'énergie traverse l'écosystème de manière unidirectionnelle, du Soleil vers la chaleur dissipée. On cherche à comprendre comment cette énergie entre, circule et se dégrade.

1. L'entrée de l'énergie : la production primaire. Les producteurs primaires (végétaux, algues, cyanobactéries) captent l'énergie lumineuse et la convertissent en énergie chimique (matière organique) par la photosynthèse. La quantité totale fixée est la productivité primaire brute (PPB) ; après déduction de la respiration des autotrophes, il reste la productivité primaire nette (PPN = PPB − R_auto), seule fraction disponible pour le reste de l'écosystème.

2. La circulation entre niveaux trophiques. La matière organique des producteurs (N1) est consommée par les herbivores (N2), eux-mêmes mangés par les carnivores (N3, N4...). À chaque passage, une partie de l'énergie assimilée sert à la croissance et devient disponible pour le niveau suivant. Les décomposeurs minéralisent la matière organique morte de tous les niveaux.

3. La diminution de l'énergie : le rendement écologique. À chaque transfert, une grande part de l'énergie est perdue : dissipée en chaleur par la respiration, non assimilée (excréments), ou non consommée. Seuls ≈ 10 % de l'énergie d'un niveau passent au suivant (règle des 10 %, rendement écologique). Cela explique la pyramide des productivités, la rareté des grands prédateurs et la longueur limitée des chaînes (4 à 5 maillons).

Schéma attendu : Soleil → Producteurs (N1, PPB puis PPN) → Consommateurs primaires (N2, ≈10 %) → Consommateurs secondaires (N3, ≈10 %) → ..., avec à chaque niveau une flèche "chaleur (respiration)" sortante, et une flèche de tous les niveaux vers les décomposeurs.

Conclusion. L'énergie circule de façon unidirectionnelle et se dégrade en chaleur à chaque maillon : un écosystème dépend donc d'un apport solaire continu, à la différence de la matière qui, elle, est recyclée par les cycles biogéochimiques.

Exercice 2 — Étude de documents : forêt restaurée et bilan carbone
Corrigé (raisonnement scientifique) :
1. Document 1. À l'an 0, le bilan est négatif (−1,5 t C·ha⁻¹·an⁻¹) : la parcelle émet du carbone (source). Il augmente ensuite, s'annule vers l'an 5–6 (passage par 0), devient positif et atteint un maximum à l'an 20 (+4,0), puis diminue légèrement à l'an 40 (+3,2). La parcelle devient un puits de carbone à partir d'environ l'an 5–6, quand le bilan devient positif.

2. Document 2. NEP = PPB − respiration totale. À l'an 0 : NEP = 0,5 − 2,0 = −1,5 t C·ha⁻¹·an⁻¹ (source). À l'an 20 : NEP = 9,0 − 5,0 = +4,0 t C·ha⁻¹·an⁻¹ (puits). Ces valeurs coïncident exactement avec les points correspondants du document 1 (−1,5 à l'an 0 et +4,0 à l'an 20) : les deux documents sont cohérents.

3. Au départ, le sol est nu : la photosynthèse est quasi nulle (PPB = 0,5) car il n'y a presque pas de producteurs, tandis que les décomposeurs minéralisent l'ancienne matière organique du sol (respiration = 2,0). La respiration dépasse donc la production : émission nette → source. Dans la forêt jeune, la végétation installée réalise une photosynthèse intense (PPB = 9,0) qui dépasse largement la respiration totale (5,0) : stockage net de carbone dans la biomasse et le sol → puits.

4. Synthèse argumentée. Les deux documents montrent qu'une parcelle reboisée passe d'un statut de source à un statut de puits de carbone à mesure que la végétation se développe : la photosynthèse croissante fixe le CO₂ atmosphérique dans la biomasse et le sol, retirant ce carbone du compartiment atmosphérique et atténuant donc l'effet de serre. Le reboisement agit ainsi sur le cycle du carbone en renforçant un puits. Limites cependant : (1) le bénéfice n'est pas immédiat — au début, la parcelle peut rester une source (an 0) ; (2) le puits décline avec le vieillissement de la forêt (baisse de +4,0 à +3,2 entre l'an 20 et l'an 40), une forêt mature finissant par équilibrer photosynthèse et respiration ; (3) le carbone stocké peut être brutalement relibéré (incendie, coupe, déforestation), rendant le stockage réversible et donc non définitif. Le reboisement est donc un levier réel mais partiel et fragile, à combiner avec la réduction des émissions fossiles.