Ecologie - Les biomes - BIologie L2 PDF

Preview

Summary

Les biomes en biologie ...

Description

Ecologie : la biosphère & les écosystèmes I.

Introduction : écosystème, écologie écosystémique

L’écologie : sciences des relations (interactions) entre les organismes vivants entre eux & avec leur environnement. Heckel 1906. Découverte assez récente. Darwin, les êtres vivants évolue, leur évolution est dû au pressions de l’environnement. Puis la génétique avec Mendel. L’écologie, c’est une science qui se situe à l’interface de différentes disciplines : climatologie, hydrologie, géochimie, biologie, pédologie. Bio géochimie : études des cycles des minéraux dans un écosystème. On peut avoir 2 approches différentes : -

Approches écosystémique : les flux dans un écosystème Approches biodémographique : a l’échelle des interactions des individus

Ecosystème : ensemble des organismes vivants en interactions entre eux (=biocénoses) & avec leur environnement (=biotope). Tansley 1935 1

Population : ensemble des individus d’une même espèce qui sont en relations les un avec les autres Communautés : plusieurs populations qui réagissent ensemble, partie d’une biocénose qui est l’objet d’étude Biocénose : ensemble des organismes vivant qui constituent un écosystème. Biocénoses c’est ce qu’on étudie. Ecosystème : c’est un objet d’étude pas vraiment de définition propre. Les écosystèmes sont regroupés dans des biomes qui sont caractérisé par des conditions pédoclimatique. Biosphère : ensemble des biomes, qui se divise en 4 partie : atmosphère, écosphère, lithosphère & hydrosphère. Important, ne pas attribuer a un écosystème ou biosphère la notion d’individus. L’interaction est essentiellement un flux d’énergie.

2

I : au niveau individuel

P : au niveau de la population :

C : au niveau de la communauté :

Au niveau de l’écosystème

Reproduction

Compétition intraspécifique Structure en âge ou en taille Taux de croissance de la population Cycle de la population Distribution spatiale

Compétition interspécifiques diversité

Biomasse du système Production du système

Structure spatiale

Flux énergétiques

Zonation

Flux & cycles de nutriments

Successions (différentes espèces au cours du temps) Invasion/ extinction Compétition indirect / mutualisme

Résilience (= capacité a revenir rapidement a sont état normal après une perturbation) Stabilité

Mortalité Comportement Mouvement Croissance

Un écosystème est un système ouvert, il y a des entrées & des sorties.

3

Application : agronomie, foresterie, changements globaux, restaurations... Etude appelé métaanalyse = étude d’un grand nombre d’étude. Les chinois ont recensé tous les études faites & on comparer 2 types de champs de maïs. On a une production qui va être 2fois plus productifs avec la même quantité d’engrais utilisé. On produit beaucoup plus de maïs avec la même quantité d’eau. Le modèle agricole développé en occident n’est pas durable, il faut produire plus pour avoir un meilleur rendement mais en fertilisant moins. Produire plus avec moins de phosphore, tout comme avec les engrais azotés. L’eau est un enjeu car on a de moins en moins d’eaux d’une qualité suffisante pour ne pas salir les sols. Tous les gains ici sont extrêmement importants. L‘azote lui pars du système fuis (denier graph), avec un système qui utilise l’ensemble des conditions connue, on n’a pas de perte d’azote  Minimiser le ressources, ce n’est pas du bio, on optimise juste les ressources.

II.

Production & flux d’énergie dans les réseaux trophiques

II.1. Chaine trophique

S’applique à 99% de cas, l’énergie qui rentre est le rayonnement solaire, donc la photosynthèse intervient en premier. Les organismes qui font de la photosynthèse sont des organismes primaire, bien évidemment les végétaux a 99% & aussi peut être un peu de bactéries. 4

Les végétaux font de la photosynthèse, font rentre de l’énergie dans l’écosystème qui est du sucre qui vont constituer la biomasse végétale une partie de l’énergie est utiliser par les végétaux pour respirer. Les producteur primaire meurt, ou perdent leurs feuille & produisent des litières, qui va donner de la matière organique morte & qui sa s’accumuler sur les sols. Elle va ensuite être consommé par les herbivore, ils vont respirer, puis les herbivores vont mourir, émettre de la matière organique morte qui s’accumule sur ou dans les sols & les herbivore vont se faire manger par des carnivore puis ainsi de suite. Donc transfert d’énergie du soleil a travers la chaine & tout le monde utilise une partie de l’énergie pour son métabolisme. Epigé : a la surface. Ce système est couplé à un système saprophage. Ici ce sont les décomposeurs qui vont se servir de la matière organique morte qui est sur le sol. Les décomposeurs (champignons, bactérie) ont se faire manger par des animaux & ils se feront a leur tour manger par des animaux plus gros  chaine trophique. Les dernier meurt & réalimente les matières organiques. Il faut aussi un retour sinon le cycle s’arrête. Ici c’est donc la flèche rouge représente les nutriments avec un retour d’azote qui est essentiel au fonctionnement de la chaine épigé.

II.2. Biomasse On estime les biomasses. L’écosystème d’herbe, exemple carrée de 1m sur 1m, on sèche & on pèse on à la masse de la végétation, ce qui nous intéresse c’est donc la masse sèche. On a donc déjà oublié la partie racinaire. Quand on donne une biomasse, on la donne avec une certaine incertitude. Une biomasse on l’exprime en Kg/m², en réalité souvent on trouve des T/ha. On passe de l’un à l’autre en multipliant par 10. Mais elle est produite par la photosynthèse, donc du carbone qui rentre dans la végétation, on l’exprime aussi a biomasse en KgC/m², ce qui est liée a un changement de centre d’intérêt des étude, notamment sur les écosystème naturel, on passe de l’un a l’autre en divisant par 2. Les unités sont compatibles avec un écosystème terrestre. Mais de qu’on passe en aquatique en parle en m3 ou par L. Si on passe à une forêt c’est beaucoup plus compliqué. Il faut récolter un Ha de foret. Donc il faut trouver d’autre méthode. On ne va pas couper tous les arbres mais juste quelque arbres que l’on va choisir judicieusement et sur chacun des arbres on va mesurer sa circonférence a 1.3m (hauteur des bras sans faire d’effort). Sur les quelque arbres, on va mesurer la biomasse, on va les sécher & peser, pour obtenir la Ms total de tout les arbres couper. Entre la circonférence & la masse d’un arbre on a une relation allométrique (=tarifs). Les arbres de la même espèce on des relations proportionnel. Relation allométrique de la forme y= axb. On passe donc ici de la circonférence de l’arbre a la biomasse de l’arbre.

5

On n’a pas que les végétaux, on à aussi des animaux, ce qui est beaucoup plus compliquer. Il faut déjà les attraper les animaux. La première méthode consiste à attraper quelque individu, les peser puis estimer le nombre d’individus. Le plus difficile c’est le comptage. Ils sont adaptés à chaque type d’espèce que l’on peut rencontrer. Les niveaux de précisions sont faibles. Une méthode de comptage très appliquer est assez ingénieuse : la méthode de capture & recapture on a dans l’écosystème, on capture des individus une première fois, on a donc n individus, on va les perturber le moins possible & on va les marquer, qui n’affecte pas le comportement de l’individu. On relâche ses individus marqué, puis au bout d’un certain temps, on va refaire une capture, on a n2 individus marqué. On regarde la proportion en faisant n2/n  proportion d’individus marquer de la recapture. Elle est proportionnelle au nombre d’individus dans l‘écosystème sur la population. n2/n= n/N & N*Mc =B. la capture de doit pas modifie la probabilité de l’individu, le marquage ne doit pas affecter la probabilité de survie. Kg Ms /m² Hêtraie Savane congolaise Feuilles 0.24 0.23 Tronc 6.45 Branches 1.14 Racine 1.52 0.63 Phytomasse 9.35

Forêt tempérée

Insectes Chenilles Lombrics Micro-invertébrés Reptiles Oiseaux Mammifères Microbes

15kg MS. Ha-1 5 à 150 (prolifération) 0 à 150 (pH) 5.0 1.5 1.3 7.4 500 à 5 000

La biomasse microbienne, on a deux méthodes indirectes pour l’estimer : -

Fumigation – extraction : on prend du sol ou des sédiments, on repartie sa en deux sur le premier échantillon on fait une extraction avec une solution saline (K2SO4) pour décrocher le Carbonne retenue par le sol, carbone soluble. Et on va doser se carbone soluble, on a donc le carbone présent naturellement dans le sol. Pour le second échantillon on va lui faire une fumigation avec du chloroforme & on aura comme action de dissoudre la membrane cellulaire qui entoure les bactéries & champignon, & on recommence l’extraction avec le sel, on dose à nouveau le carbone soluble dans l’échantillon fumige, donc pour le carbone on fait la différence entre les deux. Donc Bm = [C soluble F]- [C soluble NF]

-

Une autre méthode : équation de Michaëlis-Menten, avec Vmax proportionnel a la concentration en enzymes. On part de la même idée, on remplace la vitesse par la respiration & on mesure la quantité de CO2 qui se dégage, on rajoute du substrat, on sature

6

en glucose, on va mesurer une respiration max & donc respiration max = Bmicrobienne. Méthode de respiration induite par le substrat (SIR)

II.3. Production primaire, production secondaire & productions nette de l’écosystème PPB = Production primaire brute = photosynthèse de l’ensemble des organismes autotrophe qui compose l’écosystème  flux (toujours + ou 0) RA = respiration autotrophe qui est une sortie de carbone liée a l’utilisation par la plante pour respirer  flux PPN = production primaire nette, bilan entre ce qui rentre & ce qui sort  bilan, résultante de 2 flux, ce n’est pas un flux, bilan peut être + ou – PPN = PPB-RA Le carbone peut s’accumuler dans la biomasse, accroissement de la biomasse. On a donc aussi des litières aériennes mais aussi souterraines. ΔB= variation de la biomasse & L= production de litière, aérienne on le fait avec les feuilles, mais pur les souterraine, on n’a pas de méthode pour les estimer, extrêmement imprécis. PPN=ΔB+ L MOM= matière organique morte qui va servir de sucre d’énergie pour les décomposeurs. RH= respiration hétérotrophe= consommation de la matière organique morte RE= respiration de l’écosystème PNE = PPN- RH PNE= PPB-RE RE= RA+ RH PNE= production nette de l’écosystème  bilan. Il correspond a l’accumulation de carbone dans la biomasse & dans la matière organique morte, elle peut être + ou – PNE = ΔB +ΔMOM Si elle est +  écosystème est un puits de Carbonne, photosynthèse qui est supérieur a la respiration Si elle est -  respiration supérieur à la photosynthèse on a un écosystème qui perd du Carbonne au profit de l’atmosphère

7

Les conditions pour avoir un puits de carbone, il faut accumuler le carbone dans la biomasse, une forêt en croissance, mais quand la croissance devient nulle, on n’a plus de carbone dans la biomasse, ou peu aussi avoir une accumulation de carbone dans la matière organique morte. Dans les écosystèmes a l’équilibre la biomasse accumule peut de carbone donc l‘accumulation peut se faire dans les sols mais a terme ils peuvent eux aussi être saturer. On va avoir une production nette + quand l’écosystème est en croissance, stock de biomasse & sol qui augment On va avoir une production nette 0 car on aura une équilibration autant de ce qui rentre & qui sort, a l’équilibre. Les perturbations, si on enlever la vegetation, on supprime la photosynthèse, on a que de la respiration, on crée donc une source de Carbonne. Si le système est résilient, on aura une végétation jeune donc phase de stockage intense de carbone  donc puits très fort. C'est mauvais quand on n’a pas de régénération après. L’écosystème peut fonctionner en source quand la respiration des hétérotrophe augmente de manière importante, sa pousse, mais le carbone accumuler dans le sol se met, devient minéralisable & il est utilise par les microorganismes. Il peut être libérer dans l’atmosphère dans plusieurs années. Minéralisation dis perte de carbone mais aussi que tous les éléments nutritifs seront aussi à nouveau disponible, on aura des effets de compensation La température peut jouer dessus, on a une variabilité pour les mêmes températures car un autre facteur peut aussi jouer, se sont les précipitations. PN1= PPB-RA, PN1 = PPN, différence entre le carbone qui rentre & la carbone qui sort de la respiration des autotrophes. Elle correspond a de l’accumulation de carbone dans la biomasse mais on retrouve également dans les litières (feuilles, racine, gros débris, branche, tronc d’arbre, des écorce, tout ce qui est de la matière végétal qui passe de vivant a mort). 8

PN= ΔB+L1+C2 C2  producteur secondaire

Pour les branches, on délimite une surface dans une forêt & on revient 1,2 ou 3ans plu tard pour calculer la production de branches morte. Pour les troncs, qui sont au sol dans une forêt si on fait un tronc sec, on mesure un distance connu, plus la distance est grande, puis à chaque fois que l’on rencontre un bois mort on mesure son diamètre & le rapport diamètre / tronc sec est proportionnel au rapport biomasse/tronc sec. On peut le faire une fois puis 10ans plus tard & on aura une idée de production de gros bois. Le compartiment animal n’a pratiquement aucune influence sur le système. Au niveau des herbivores : PN2=C2- NA2-RH2-U2 PN2= ΔB2+M2+C3 L’énergie va se rejoindre sous forme de matière organique & une partie sera uriner par les herbivores, on va donc avoir des pertes. Si on enlève toutes les pertes, on obtiendra ce qui nous reste comme production nette. C’est un bilan, ce qui rentre, qui sort & qui nous reste. On ne parle plus de litières pour un animal mais de mortalité, puis les herbivores vont être consommés par des carnivores. PN3=C3-NA3-RH-U3, ce qu’ils consomment moins ce qu’ils perdent. PN3= ΔB3+M3+C4, augmentation de la biomasse des carnivores, une mortalité & la consommation à un niveau supérieur (carnivore supérieur).

9

La biomasse, on utilise la courbe d’Allen pour obtenir une variation de la biomasse animal. Courbe d’Allen : biomasse à deux instants de la vie de cohorte ; production & consommation entre ces deux instants En ordonnée le nombre d’individu d’une cohorte, individus qui sont née en même temps. Il faut estimer aussi l’âge de la cohorte. Puis on observe au court du temps, au début lorsque la cohorte est élevé, ces des jeunes, ils sont un poids (W) qui est petit. Puis au court du temps, ils meurent & donc on a une diminution au court du temps du nombre qui constitue la cohorte & ceux qui ne meurent pas, leur masse augmente, cela suit une courbe décroissante & si on observe la cohorte à deux moments distincts de sa vie, on va pouvoir estimer la biomasse de la cohorte au temps T1 & T2. La biomasse de la cohorte : B1= N1 x W1. C’est la surface qui est sous la courbe. Bt= Nt x Wt , B1= a+c , B2= c+d

10

La variation de biomasse au cours du temps est très faible, on a beaucoup de mortalité qui est du au prédateurs. P = ∫N(W) x dW & donc P1-2= b+d  production M= ∫W(N) x dN & donc M1-2 = b+a  mortalité La production est environ égale à la mortalité donc la variation de biomasse est très faible. ΔB = B2 –B1 = P-M = d-a ≈0, donc la variation de toutes les cohortes est environ égale a 0 dans un système a l’équilibre, pas de variation de biomasse animal, ce qui est différent d’avec les végétaux. A l’équilibre : c’est quand le flux entrant est égal au flux sortant, on a de l’énergie qui passe mais rien ne s’annule. La production secondaire pour un grand nombre de biomes & finalement la variabilité qui s’exprime s’explique par la production primaire & c‘est logique car elle est sort d’énergie pour les consommateurs qui vont en dépendre, on parle d’énergie ici.

On a que la production primaire nette, au dessus sol = aérienne. C’est dans les forets que les productions sont le plus élevé.     

PN1= PPB –RA1 =ΔB1+L1+C2 PN2= C2-NA2- RH2-U2= ΔB2+M2+C3 PN3= C3-NA3- RH3-U3= ΔB3+M3+C4 ΔMOM = L1 + ΣM +ΣNA + ΣU –RHD PNE = PPB –ΣR = PN1 – ΣRH = ΔB + ΔMOM. 11

II.4. productivité, turnover, temps de résidence

La production la plus élevée est dans les forêts tropicales humides. Puis les forêts tempérées. Forte production dans les zones humides & aussi au niveau des récifs coralliens. Mais dans les océans c’est faible ; océan = un dessert dans sa globalité. La biomasse végétale qui existe dans les différents type d’écosystème, la plus élevée dans toutes les forêts. Zone humide c’est intermédiaires. En connaissant la production & la biomasse, on peut calculer le temps moyen de résistance dans la biomasse. Soit B1/PPN, on va avoir des kg.m-²/ kg.m-².an-1= an = temps moyen de résidence. Les forêts. Attention ce n’est pas la durer de vie. On raisonne en carbone. Quand on feuille tombe, on a

12

une probabilité non nul du carbone qui ne sert pas a fabriqué de la biomasse sous terraine. Elle est quand même proportionnelle. Ici c’est des valeurs moyennes. Océan on l’exprime en jour. Productivité : PPN/B (an-1)  turnover (T) constante de vitesse Temps moyen de résidence (MRT)  1/T (an) Turnover = renouvellement de la biomasse. Même résonnement pour la productivité secondaire. Temps moyen de l’énergie dans l’organisme animal.

Zooplancton Campagnol Cerf Eléphant

Productivité secondaire (an-1) Temps de résidence 10 à 70 5 à 35 jours 2.5 4.8 mois 0.25 4ans 0.05 20 ans

II.5. rendement écologique (D’un niveau trophique)

Les producteur primaire, on va considérer que l’écosystème c’est une feuille. Une feuille l’entré d’énergie = rayonnement solaire. On est en /1000 , il n’y en a que la moitié qui est utilisable pour faire de la photosynthèse. Le rayonnement solaire qui arrive a la surface de la terre est le rayonnement global (Rg), la moitié va être utilisable pour la photosynthèse = rayonnement 13

photosynthétiquement actif (RPA) entre 400 & 700 nm. Ce rayonnement qui arrive a la surface, une partie va être réfléchi environ 10% va être réfléchie, puis on a aussi de la lumière qui passe & une partie qui va être transmis encore 10% (50). On a donc plus que 400 du rayonnement solaire qui va être réellement absorbé par les chloroplastes. L’énergie absorber par la photosynthèse on va avoir une perte d’énergie, il en perde 308 presque les ¾. La chlorophylle fluoresce donc elle perd de l’énergie, donne des photons. On a aussi des pertes d’énergie sous forme de chaleurs. La rubisco est responsable de la plupart des pertes, qui fait la photorespiration, qui va générer le rubisco biphosphate, on perd donc 308 & on utilise 92. Ensuite, on a la production de sucre, le glucose qui sert de substrat a la respiration, il a 37 qui va être perdue par respiration. La PPN est de 55. Dans cette conviction optimale, on a 5.5% de l’énergie solaire qui se retrouve en biomasse végétales. εeco= PN1 x [E] / Rg = εclim x εint xεprod εeco= En/En-1 , εclim = RPA0/Rg , εint = RPAi/RPA0 & εpro= PN1x[E] / RPAi [E] : 18 à 22 kJ gMS -1 Εeco environ 50% , εint= interception très variable , εprod= production très variable & dépend de plusieurs choses : -

Environnement Type biologique Type métabolique C3/C4.

Forêt feuillue tempérée Forêt de conifère (boréale) Prairies permanente Culture Végétation semi désertique

Sur l’année 0.5 à 1¨% 1-3% 2 à 3% 0.05 à 0.2%

Sur la saison de végétation .2% (chênaie) 5% maxi 5% maxi -

14

Production de la proie  énergie ingérée (rendement d’exploitation énergie ingérer / énergie disponible, environ interception chez les végétaux)  énergie assimilé (rendement d’assimilation)  production du consommateur (rendement de production nette)

εeco= εexp x εass x εprod εeco= En/En-1 , εexp = C/En-1 , εass = A/C , εprod = P/A

Niveau trophique 1 εeco= PN1/Rg εeco2= PN2/PN1 On consi...