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Écologie des écosystèmes : flux de matière et d'énergie
Productivité primaire, réseaux trophiques et cycles biogéochimiques — programme de Terminale Spécialité SVT (thème Écologie et évolution)
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Ces exercices corrigés sur « Écologie des écosystèmes : flux de matière et d'énergie » en terminale permettent de s'entraîner et de vérifier ses acquis en spécialité svt. Ils suivent le programme officiel de terminale et sont classés par difficulté (facile, moyen, difficile). Au programme : L'écosystème : définition et composantes, La productivité primaire : fixer l'énergie solaire, Les niveaux trophiques et les réseaux alimentaires, Les transferts d'énergie et les rendements écologiques. Écris ta réponse puis clique sur « Vérifier » : la correction est immédiate et tolère majuscules, espaces et ponctuation. Cet entraînement aide à mémoriser les méthodes, repérer ses erreurs et gagner en confiance avant un contrôle. Exercices gratuits proposés par un professeur particulier à Marseille pour réviser spécialité svt en terminale.
Exercices corrigés, classés du plus simple au plus complexe. Cherche d'abord seul au brouillon, puis déplie la correction détaillée pour vérifier ta méthode et tes raisonnements.
Exercice 1 — Définir avec rigueur les notions clés
Donnez en une à deux phrases la définition rigoureuse de chacune des notions suivantes telle qu'elle est attendue au baccalauréat de spécialité SVT.
- Productivité primaire nette (PPN).
- Niveau trophique.
- Rendement écologique.
- Cycle biogéochimique.
- Puits de carbone.
Méthode : une définition de SVT doit préciser la nature de l'objet (grandeur, flux, compartiment, processus...) puis ce qu'il mesure ou décrit, en évitant la simple paraphrase du mot.
PPN : flux de matière organique effectivement accumulé par les producteurs primaires par unité de surface et de temps, égal à la productivité primaire brute diminuée de la respiration des autotrophes ; c'est la fraction disponible pour le reste de l'écosystème (consommateurs et décomposeurs).
Niveau trophique : position d'un organisme dans un réseau alimentaire selon sa source d'énergie et de matière (producteurs N1, consommateurs primaires N2, secondaires N3...). Tous les organismes qui se nourrissent de la même manière occupent le même niveau.
Rendement écologique : rapport, exprimé en pourcentage, entre la productivité d'un niveau trophique et celle du niveau immédiatement inférieur ; il vaut en moyenne 10 % et traduit l'efficacité du transfert d'énergie d'un maillon au suivant.
Cycle biogéochimique : ensemble des transferts d'un élément chimique (C, N, P...) entre les compartiments biotiques (êtres vivants) et abiotiques (atmosphère, sol, eau) d'un écosystème, formant un circuit fermé à grande échelle.
Puits de carbone : compartiment ou écosystème qui absorbe plus de carbone qu'il n'en émet sur une période donnée (photosynthèse totale > respiration totale), stockant ainsi un excédent de carbone.
PPN : flux de matière organique effectivement accumulé par les producteurs primaires par unité de surface et de temps, égal à la productivité primaire brute diminuée de la respiration des autotrophes ; c'est la fraction disponible pour le reste de l'écosystème (consommateurs et décomposeurs).
Niveau trophique : position d'un organisme dans un réseau alimentaire selon sa source d'énergie et de matière (producteurs N1, consommateurs primaires N2, secondaires N3...). Tous les organismes qui se nourrissent de la même manière occupent le même niveau.
Rendement écologique : rapport, exprimé en pourcentage, entre la productivité d'un niveau trophique et celle du niveau immédiatement inférieur ; il vaut en moyenne 10 % et traduit l'efficacité du transfert d'énergie d'un maillon au suivant.
Cycle biogéochimique : ensemble des transferts d'un élément chimique (C, N, P...) entre les compartiments biotiques (êtres vivants) et abiotiques (atmosphère, sol, eau) d'un écosystème, formant un circuit fermé à grande échelle.
Puits de carbone : compartiment ou écosystème qui absorbe plus de carbone qu'il n'en émet sur une période donnée (photosynthèse totale > respiration totale), stockant ainsi un excédent de carbone.
Exercice 2 — Construire et lire un réseau trophique
Exploitez la liste des relations alimentaires d'un écosystème de mare pour répondre aux questions.
- Indiquez à quel niveau trophique appartiennent le phytoplancton, les daphnies, les larves de libellule et le brochet.
- Écrivez une chaîne alimentaire complète comportant au moins quatre maillons à partir de ce réseau.
- Montrez, à l'aide d'un exemple tiré du document, qu'un même organisme peut occuper plusieurs niveaux trophiques.
- Expliquez le rôle des bactéries et champignons et justifiez pourquoi ils ne constituent pas un niveau trophique supplémentaire au sommet du réseau.
Méthode : on attribue le niveau trophique d'après la source de nourriture (N1 = producteurs ; N2 = mange des N1 ; N3 = mange des N2...). Un organisme qui se nourrit à plusieurs niveaux occupe plusieurs positions.
1. Phytoplancton : producteur primaire, niveau N1. Daphnies : consommateurs primaires (mangent le phytoplancton), N2. Larves de libellule : consommateurs secondaires (mangent daphnies et têtards), N3. Brochet : consommateur tertiaire (mange alevins et larves de libellule), N4.
2. Exemple : phytoplancton (N1) → daphnie (N2) → larve de libellule (N3) → brochet (N4).
3. La larve de libellule mange à la fois les daphnies (N2) et les têtards (N2) : elle est ici consommateur secondaire. Le brochet mange les alevins (N3) et les larves de libellule (N3) ; selon la chaîne considérée, certains organismes occupent plusieurs positions : c'est l'omnivorie, qui complexifie le réseau.
4. Les bactéries et champignons sont des décomposeurs : ils minéralisent la matière organique morte issue de TOUS les niveaux trophiques, restituant les éléments minéraux au milieu. Ils forment un groupe fonctionnel transversal et non un maillon au sommet, car ils ne sont pas mangés par un prédateur situé au-dessus d'eux : ils bouclent le cycle de la matière au lieu de prolonger la chaîne.
1. Phytoplancton : producteur primaire, niveau N1. Daphnies : consommateurs primaires (mangent le phytoplancton), N2. Larves de libellule : consommateurs secondaires (mangent daphnies et têtards), N3. Brochet : consommateur tertiaire (mange alevins et larves de libellule), N4.
2. Exemple : phytoplancton (N1) → daphnie (N2) → larve de libellule (N3) → brochet (N4).
3. La larve de libellule mange à la fois les daphnies (N2) et les têtards (N2) : elle est ici consommateur secondaire. Le brochet mange les alevins (N3) et les larves de libellule (N3) ; selon la chaîne considérée, certains organismes occupent plusieurs positions : c'est l'omnivorie, qui complexifie le réseau.
4. Les bactéries et champignons sont des décomposeurs : ils minéralisent la matière organique morte issue de TOUS les niveaux trophiques, restituant les éléments minéraux au milieu. Ils forment un groupe fonctionnel transversal et non un maillon au sommet, car ils ne sont pas mangés par un prédateur situé au-dessus d'eux : ils bouclent le cycle de la matière au lieu de prolonger la chaîne.
Exercice 3 — Remonter une chaîne trophique par le calcul
À partir des productivités mesurées, exploitez la règle du rendement écologique pour répondre quantitativement.
- La PPN d'un lac est de 4 000 kJ·m⁻²·an⁻¹ et le rendement écologique vaut 10 % à chaque transfert : calculez l'énergie disponible aux niveaux N2, N3 et N4.
- On souhaite produire 12 kJ·m⁻²·an⁻¹ de biomasse au niveau N4 avec un rendement de 10 % constant : déterminez la PPN minimale nécessaire au niveau N1.
- Dans un autre écosystème, la productivité de N2 est de 600 kJ·m⁻²·an⁻¹ et celle de N3 de 90 kJ·m⁻²·an⁻¹ : calculez le rendement écologique réel entre ces deux niveaux et comparez-le à la valeur moyenne.
- Déduisez de ces résultats pourquoi les grands prédateurs (sommet de chaîne) sont rares et fragiles face aux perturbations.
Méthode : on descend la chaîne en multipliant par le rendement (× 0,10), on remonte en divisant (÷ 0,10) ; le rendement réel = (productivité N+1 / productivité N) × 100.
1. N2 = 4 000 × 0,10 = 400 kJ·m⁻²·an⁻¹ ; N3 = 400 × 0,10 = 40 kJ·m⁻²·an⁻¹ ; N4 = 40 × 0,10 = 4 kJ·m⁻²·an⁻¹.
2. On remonte : N3 = 12 / 0,10 = 120 ; N2 = 120 / 0,10 = 1 200 ; N1 = 1 200 / 0,10 = 12 000 kJ·m⁻²·an⁻¹. Il faut donc une PPN de 12 000 kJ·m⁻²·an⁻¹, soit 1 000 fois la biomasse souhaitée au sommet.
3. RE = (90 / 600) × 100 = 15 %, soit légèrement supérieur à la moyenne de 10 % (valeur plausible pour des ectothermes, plus économes en énergie).
4. Comme l'énergie disponible diminue d'un facteur ≈ 10 à chaque maillon, il reste très peu d'énergie au sommet (ici 4 kJ contre 4 000 kJ à la base). Les populations de grands prédateurs sont donc forcément peu nombreuses (faible biomasse soutenable). Toute baisse de la productivité de la base ou perturbation d'un maillon intermédiaire se répercute fortement et menace en priorité ces espèces du sommet, peu résilientes.
1. N2 = 4 000 × 0,10 = 400 kJ·m⁻²·an⁻¹ ; N3 = 400 × 0,10 = 40 kJ·m⁻²·an⁻¹ ; N4 = 40 × 0,10 = 4 kJ·m⁻²·an⁻¹.
2. On remonte : N3 = 12 / 0,10 = 120 ; N2 = 120 / 0,10 = 1 200 ; N1 = 1 200 / 0,10 = 12 000 kJ·m⁻²·an⁻¹. Il faut donc une PPN de 12 000 kJ·m⁻²·an⁻¹, soit 1 000 fois la biomasse souhaitée au sommet.
3. RE = (90 / 600) × 100 = 15 %, soit légèrement supérieur à la moyenne de 10 % (valeur plausible pour des ectothermes, plus économes en énergie).
4. Comme l'énergie disponible diminue d'un facteur ≈ 10 à chaque maillon, il reste très peu d'énergie au sommet (ici 4 kJ contre 4 000 kJ à la base). Les populations de grands prédateurs sont donc forcément peu nombreuses (faible biomasse soutenable). Toute baisse de la productivité de la base ou perturbation d'un maillon intermédiaire se répercute fortement et menace en priorité ces espèces du sommet, peu résilientes.
Exercice 4 — Distinguer stock et flux dans un écosystème
Pour chaque grandeur proposée, indiquez s'il s'agit d'un stock ou d'un flux, justifiez par l'unité, et expliquez en quoi la confusion entre les deux peut fausser une interprétation.
- La biomasse forestière, exprimée en t MS·ha⁻¹.
- La productivité primaire nette, exprimée en g MS·m⁻²·an⁻¹.
- La quantité de carbone stockée dans un sol, exprimée en t C·ha⁻¹.
- Le flux net de CO₂ mesuré par eddy covariance, exprimé en g C·m⁻²·jour⁻¹.
- Cas concret : un océan présente une biomasse de phytoplancton très faible à un instant donné, mais une productivité primaire annuelle élevée. Expliquez ce paradoxe apparent.
Méthode : un stock est une quantité présente à un instant donné (unité sans dimension de temps : g, t, kg...) ; un flux est un transfert par unité de temps (l'unité contient ·an⁻¹, ·jour⁻¹, ·h⁻¹...).
1. Biomasse forestière (t MS·ha⁻¹) : stock — pas de dimension temporelle ; c'est la matière vivante accumulée à un instant t.
2. PPN (g MS·m⁻²·an⁻¹) : flux — l'unité comporte ·an⁻¹ ; c'est une production par an.
3. Carbone du sol (t C·ha⁻¹) : stock — quantité présente, sans temps.
4. Flux net de CO₂ (g C·m⁻²·jour⁻¹) : flux — échange par jour.
5. Le phytoplancton se renouvelle extrêmement vite (taux de renouvellement élevé) : il est produit puis aussitôt consommé. À un instant donné, le stock (biomasse instantanée) est donc faible, alors que le flux (productivité annuelle cumulée) est élevé. Confondre les deux ferait croire à tort que l'océan est peu productif. C'est pourquoi la pyramide des biomasses peut être inversée alors que la pyramide des productivités, elle, ne l'est jamais.
1. Biomasse forestière (t MS·ha⁻¹) : stock — pas de dimension temporelle ; c'est la matière vivante accumulée à un instant t.
2. PPN (g MS·m⁻²·an⁻¹) : flux — l'unité comporte ·an⁻¹ ; c'est une production par an.
3. Carbone du sol (t C·ha⁻¹) : stock — quantité présente, sans temps.
4. Flux net de CO₂ (g C·m⁻²·jour⁻¹) : flux — échange par jour.
5. Le phytoplancton se renouvelle extrêmement vite (taux de renouvellement élevé) : il est produit puis aussitôt consommé. À un instant donné, le stock (biomasse instantanée) est donc faible, alors que le flux (productivité annuelle cumulée) est élevé. Confondre les deux ferait croire à tort que l'océan est peu productif. C'est pourquoi la pyramide des biomasses peut être inversée alors que la pyramide des productivités, elle, ne l'est jamais.
Exercice 5 — Boucler le cycle de l'azote
Reconstituez le fonctionnement du cycle de l'azote en répondant aux questions, sans recopier le cours.
- Nommez le processus permettant de passer du N₂ atmosphérique à l'ammonium, et précisez quels organismes le réalisent.
- Nommez le processus transformant l'ammonium en nitrates et expliquez pourquoi cette étape est aérobie.
- Expliquez comment l'azote organique des protéines mortes est restitué au milieu sous forme minérale.
- Indiquez quel processus restitue de l'azote à l'atmosphère et dans quelles conditions de milieu il se produit.
- Concluez en expliquant pourquoi, malgré l'abondance de N₂ dans l'air (78 %), l'azote est souvent un facteur limitant de la productivité.
Méthode : on suit l'azote de l'atmosphère vers le vivant puis retour, en nommant chaque étape et les micro-organismes responsables.
1. Fixation de l'azote : le N₂ atmosphérique est réduit en ammonium (NH₄⁺) par des bactéries fixatrices, libres ou symbiotiques (Rhizobium des nodosités de légumineuses, cyanobactéries).
2. Nitrification : NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻, réalisée par des bactéries nitrifiantes. C'est une oxydation : elle nécessite de l'oxygène, donc se produit en milieu aéré (sol bien drainé).
3. Les décomposeurs (bactéries, champignons) dégradent les protéines mortes par ammonification, libérant de l'ammonium (NH₄⁺) réutilisable. C'est l'étape de minéralisation de l'azote organique.
4. La dénitrification transforme les nitrates en N₂ gazeux (NO₃⁻ → N₂), restituant l'azote à l'atmosphère. Elle est réalisée par des bactéries anaérobies, donc dans des milieux pauvres en oxygène (sols gorgés d'eau, sédiments).
5. Le N₂ atmosphérique est chimiquement très stable (triple liaison) : la plupart des organismes ne savent pas l'utiliser directement. Seule la fixation biologique, limitée, le rend assimilable. L'azote réellement disponible (NH₄⁺, NO₃⁻) est donc en quantité restreinte, ce qui en fait fréquemment le facteur limitant de la productivité (loi du minimum de Liebig).
1. Fixation de l'azote : le N₂ atmosphérique est réduit en ammonium (NH₄⁺) par des bactéries fixatrices, libres ou symbiotiques (Rhizobium des nodosités de légumineuses, cyanobactéries).
2. Nitrification : NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻, réalisée par des bactéries nitrifiantes. C'est une oxydation : elle nécessite de l'oxygène, donc se produit en milieu aéré (sol bien drainé).
3. Les décomposeurs (bactéries, champignons) dégradent les protéines mortes par ammonification, libérant de l'ammonium (NH₄⁺) réutilisable. C'est l'étape de minéralisation de l'azote organique.
4. La dénitrification transforme les nitrates en N₂ gazeux (NO₃⁻ → N₂), restituant l'azote à l'atmosphère. Elle est réalisée par des bactéries anaérobies, donc dans des milieux pauvres en oxygène (sols gorgés d'eau, sédiments).
5. Le N₂ atmosphérique est chimiquement très stable (triple liaison) : la plupart des organismes ne savent pas l'utiliser directement. Seule la fixation biologique, limitée, le rend assimilable. L'azote réellement disponible (NH₄⁺, NO₃⁻) est donc en quantité restreinte, ce qui en fait fréquemment le facteur limitant de la productivité (loi du minimum de Liebig).
Exercice 6 — Interpréter une mesure de flux de carbone
Exploitez les mesures réalisées sur une forêt tempérée par la méthode des tourbillons turbulents (eddy covariance) pour caractériser son bilan carbone.
- Décrivez l'évolution du flux net de CO₂ au cours de la journée.
- Identifiez les périodes où la forêt absorbe du CO₂ et celles où elle en émet, et reliez ces variations aux processus de photosynthèse et de respiration.
- Expliquez pourquoi, vers minuit et à l'aube, le flux est positif alors qu'il est fortement négatif à midi.
- Sur l'ensemble de la journée, la somme des flux donne un bilan net négatif : qualifiez le rôle de cette forêt vis-à-vis du climat et nommez la grandeur mesurée (NEP).
Méthode : on décrit d'abord la courbe sans l'interpréter, puis on relie chaque phase aux deux processus antagonistes : photosynthèse (absorbe le CO₂, le jour seulement) et respiration (émet du CO₂, en permanence).
1. Le flux part de +0,4 g C/m²/h à minuit, devient légèrement négatif à 6 h (−0,2), atteint un minimum très négatif à midi (−1,8), remonte à −0,3 vers 18 h, puis redevient positif (+0,4) la nuit suivante.
2. La forêt absorbe du CO₂ le jour (flux négatif de 6 h à 18 h, maximum à midi) et en émet la nuit (flux positif). Le jour, la photosynthèse domine la respiration : capture nette ; la nuit, sans lumière, seule la respiration de l'écosystème fonctionne : émission nette.
3. À midi, l'intensité lumineuse est maximale : la photosynthèse est intense et l'emporte largement sur la respiration, d'où un flux fortement négatif. La nuit (minuit) et à l'aube, la lumière est nulle ou faible : la photosynthèse est arrêtée ou minime, seule la respiration libère du CO₂, d'où un flux positif.
4. Sur 24 h, l'absorption diurne dépasse l'émission nocturne : le bilan net est négatif, la forêt est un puits de carbone (elle stocke plus de CO₂ qu'elle n'en relâche), ce qui contribue à atténuer l'effet de serre. La grandeur mesurée est la production nette de l'écosystème (NEP) = PPB − respiration totale de l'écosystème (autotrophes + hétérotrophes).
1. Le flux part de +0,4 g C/m²/h à minuit, devient légèrement négatif à 6 h (−0,2), atteint un minimum très négatif à midi (−1,8), remonte à −0,3 vers 18 h, puis redevient positif (+0,4) la nuit suivante.
2. La forêt absorbe du CO₂ le jour (flux négatif de 6 h à 18 h, maximum à midi) et en émet la nuit (flux positif). Le jour, la photosynthèse domine la respiration : capture nette ; la nuit, sans lumière, seule la respiration de l'écosystème fonctionne : émission nette.
3. À midi, l'intensité lumineuse est maximale : la photosynthèse est intense et l'emporte largement sur la respiration, d'où un flux fortement négatif. La nuit (minuit) et à l'aube, la lumière est nulle ou faible : la photosynthèse est arrêtée ou minime, seule la respiration libère du CO₂, d'où un flux positif.
4. Sur 24 h, l'absorption diurne dépasse l'émission nocturne : le bilan net est négatif, la forêt est un puits de carbone (elle stocke plus de CO₂ qu'elle n'en relâche), ce qui contribue à atténuer l'effet de serre. La grandeur mesurée est la production nette de l'écosystème (NEP) = PPB − respiration totale de l'écosystème (autotrophes + hétérotrophes).
Exercice 7 — Comparer deux écosystèmes par leur productivité
Exploitez les données comparées d'une forêt tropicale et d'un océan ouvert pour discuter les facteurs qui contrôlent la productivité.
- Comparez la PPN par mètre carré des deux écosystèmes et calculez le rapport entre les deux valeurs.
- Expliquez le paradoxe : comment l'océan ouvert, peu productif par m², peut-il représenter une part majeure de la production primaire mondiale ?
- Identifiez le facteur limitant de l'océan ouvert et expliquez, à l'aide de la loi du minimum de Liebig, comment un apport de nutriments y modifierait la productivité.
- Proposez deux facteurs qui expliquent la très forte PPN de la forêt tropicale.
Méthode : on compare les valeurs surfaciques, puis on raisonne sur le produit (PPN × surface totale) pour la contribution mondiale, et on mobilise la loi du minimum pour le facteur limitant.
1. La forêt tropicale produit 2 500 g MS·m⁻²·an⁻¹ contre 125 pour l'océan ouvert, soit un rapport de 2 500 / 125 = 20 : la forêt est 20 fois plus productive par m².
2. La production mondiale d'un écosystème = PPN par m² × surface totale. L'océan ouvert couvre ≈ 65 % du globe contre ≈ 3 % pour les forêts tropicales : sa surface immense (plus de 20 fois supérieure) compense sa faible productivité unitaire. Au total, l'océan contribue donc fortement à la production primaire planétaire.
3. Le facteur limitant de l'océan ouvert est la disponibilité en nutriments (azote, phosphore, fer). D'après la loi du minimum de Liebig, la productivité est fixée par le facteur le plus rare : ici, lumière et CO₂ ne manquent pas, ce sont les nutriments. Un apport de ces éléments (remontées d'eau profonde, fertilisation en fer) lèverait la limitation et augmenterait la productivité (efflorescences planctoniques).
4. Deux facteurs favorables à la forêt tropicale : une lumière intense et constante toute l'année (faible variation saisonnière, photopériode élevée) ; une eau et une chaleur abondantes permettant une photosynthèse permanente ; un recyclage rapide des nutriments par une décomposition intense. (Deux réponses suffisent.)
1. La forêt tropicale produit 2 500 g MS·m⁻²·an⁻¹ contre 125 pour l'océan ouvert, soit un rapport de 2 500 / 125 = 20 : la forêt est 20 fois plus productive par m².
2. La production mondiale d'un écosystème = PPN par m² × surface totale. L'océan ouvert couvre ≈ 65 % du globe contre ≈ 3 % pour les forêts tropicales : sa surface immense (plus de 20 fois supérieure) compense sa faible productivité unitaire. Au total, l'océan contribue donc fortement à la production primaire planétaire.
3. Le facteur limitant de l'océan ouvert est la disponibilité en nutriments (azote, phosphore, fer). D'après la loi du minimum de Liebig, la productivité est fixée par le facteur le plus rare : ici, lumière et CO₂ ne manquent pas, ce sont les nutriments. Un apport de ces éléments (remontées d'eau profonde, fertilisation en fer) lèverait la limitation et augmenterait la productivité (efflorescences planctoniques).
4. Deux facteurs favorables à la forêt tropicale : une lumière intense et constante toute l'année (faible variation saisonnière, photopériode élevée) ; une eau et une chaleur abondantes permettant une photosynthèse permanente ; un recyclage rapide des nutriments par une décomposition intense. (Deux réponses suffisent.)
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