Écosystèmes et services environnementaux
Cours complet · SVT (terminale), chapitre 9 · terminale, spécialité sciences de la vie et de la Terre
Travailler ce chapitre sur Adloun Exercices corrigés de ce chapitre
Un écosystème est une unité fonctionnelle de la biosphère où des organismes vivants interagissent entre eux et avec leur milieu physico-chimique. De la mare de jardin à la forêt tropicale, de la prairie alpine au récif corallien, les écosystèmes constituent le support de la vie sur Terre et fournissent à l'humanité de nombreux biens et services : nourriture, eau potable, régulation du climat, pollinisation, espaces de loisirs. Comprendre leur structure, leur fonctionnement et leur dynamique est aujourd'hui un enjeu scientifique et sociétal majeur, à l'heure où les activités humaines modifient profondément ces systèmes.
Dans ce chapitre, nous étudierons d'abord la structure et le fonctionnement d'un écosystème (biocénose, biotope, flux de matière et d'énergie, réseaux trophiques), puis sa dynamique (perturbations, résilience, successions écologiques). Nous verrons ensuite le lien entre biodiversité et stabilité, avant d'aborder la notion de services écosystémiques. Enfin, nous présenterons les principes de la gestion durable, de la restauration et de l'ingénierie écologique, qui visent à concilier exploitation et préservation des écosystèmes.
9.1 Structure et fonctionnement d'un écosystème
9.1.1 Biocénose, biotope et écosystème
Un écosystème résulte de l'association de deux composantes indissociables : un ensemble d'êtres vivants et le milieu physique dans lequel ils vivent.
La biocénose est l'ensemble des êtres vivants (animaux, végétaux, champignons, micro-organismes) occupant un milieu donné.
Le biotope est le milieu physico-chimique dans lequel vit la biocénose ; il est caractérisé par des facteurs abiotiques (température, lumière, humidité, nature du sol, pH, salinité…).
L'écosystème est l'unité formée par la biocénose, le biotope et l'ensemble des interactions qui les relient. On note symboliquement :
Au sein d'un écosystème, on distingue plusieurs niveaux d'organisation. Une population regroupe les individus d'une même espèce vivant au même endroit. L'habitat désigne le lieu de vie d'une espèce, tandis que la niche écologique correspond à l'ensemble des conditions et des ressources nécessaires à sa survie et à sa reproduction, ainsi qu'au rôle qu'elle joue dans l'écosystème.
9.1.2 Les interactions biologiques
Les organismes d'une biocénose ne sont pas juxtaposés au hasard : ils entretiennent des relations multiples, qui structurent l'écosystème.
Les interactions biotiques sont les relations entre êtres vivants. On les classe selon leur effet (positif , négatif , neutre ) sur chacun des partenaires :
- prédation et parasitisme () : un organisme tire bénéfice au détriment d'un autre ;
- compétition () : deux organismes exploitent une même ressource limitée ;
- mutualisme () : les deux partenaires tirent bénéfice de l'association (ex. symbiose) ;
- commensalisme () : l'un profite sans nuire à l'autre.
Dans une forêt, les racines des arbres s'associent à des champignons du sol pour former des mycorhizes. Le champignon, grâce à son réseau de filaments (mycélium), augmente la surface d'absorption de l'eau et des sels minéraux du sol qu'il transfère à l'arbre ; en retour, l'arbre lui fournit des matières organiques (sucres) issues de la photosynthèse. Cette interaction de type mutualiste () améliore la croissance des deux partenaires et joue un rôle clé dans le fonctionnement des écosystèmes forestiers.
9.1.3 Producteurs, consommateurs et décomposeurs
Du point de vue du fonctionnement, les organismes se répartissent en grandes catégories selon leur mode de nutrition.
- Les producteurs primaires (autotrophes) fabriquent leur matière organique à partir de matière minérale et d'une source d'énergie : ce sont surtout les végétaux chlorophylliens et les algues, qui réalisent la photosynthèse.
- Les consommateurs (hétérotrophes) se nourrissent d'autres êtres vivants : herbivores (consommateurs primaires), carnivores (consommateurs secondaires, tertiaires…).
- Les décomposeurs (bactéries, champignons) dégradent la matière organique morte (litière, cadavres, excréments) et la reminéralisent, restituant au milieu les éléments minéraux.
9.1.4 Flux de matière et d'énergie
L'écosystème est traversé par un flux d'énergie et parcouru par des cycles de matière. Ces deux notions ne doivent pas être confondues.
Dans un écosystème :
- l'énergie provient essentiellement du Soleil, circule de façon unidirectionnelle des producteurs vers les consommateurs, et se dissipe à chaque niveau sous forme de chaleur : elle n'est pas recyclée ;
- la matière (carbone, azote, eau, sels minéraux) circule en cycle : elle est prélevée dans le biotope, transférée le long des chaînes alimentaires, puis restituée au milieu par les décomposeurs.
La matière est donc recyclée, l'énergie ne l'est pas.
Lors du passage d'un niveau trophique au suivant, une grande partie de l'énergie est perdue (respiration, chaleur, parties non consommées). Le rendement écologique moyen, c'est-à-dire la proportion d'énergie transférée d'un niveau au suivant, est de l'ordre de
C'est pourquoi la quantité d'énergie (et de biomasse) disponible décroît fortement du bas vers le haut de la chaîne : on représente cela par une pyramide énergétique. Cela explique que les chaînes alimentaires comportent rarement plus de quatre à cinq niveaux.
9.1.5 Réseaux trophiques
Une chaîne alimentaire (ou chaîne trophique) est une suite d'organismes reliés par la relation « est mangé par ». Chaque maillon occupe un niveau trophique. Par exemple :
Dans la nature, les chaînes s'entrecroisent car la plupart des espèces ont plusieurs proies et plusieurs prédateurs : l'ensemble forme un réseau trophique, qui décrit la circulation de la matière et de l'énergie dans la biocénose.
9.2 Dynamique des écosystèmes
Un écosystème n'est pas figé : il évolue dans le temps, subit des perturbations et possède une certaine capacité à y faire face.
9.2.1 Perturbations et résilience
Une perturbation est un événement, naturel ou anthropique, qui modifie la structure ou le fonctionnement d'un écosystème (incendie, tempête, sécheresse, pollution, défrichement…).
La résistance est l'aptitude d'un écosystème à ne pas être modifié par une perturbation.
La résilience est sa capacité à retrouver, après une perturbation, un état et un fonctionnement proches de ceux d'origine. On parle d'écosystème résilient lorsqu'il se rétablit rapidement et complètement.
Les écosystèmes méditerranéens sont régulièrement soumis aux incendies. De nombreuses espèces y sont adaptées : certaines plantes possèdent des graines dont la germination est stimulée par la chaleur, d'autres repartent à partir de souches ou d'organes souterrains. Après un feu, la végétation se reconstitue progressivement en quelques années à quelques décennies : c'est une manifestation de la résilience de l'écosystème. Toutefois, des incendies trop fréquents ou trop intenses peuvent dépasser cette capacité et faire basculer le milieu vers un autre état (lande dégradée, sol érodé).
9.2.2 Les successions écologiques
Une succession écologique est la suite des modifications de la biocénose qui se produisent au cours du temps sur un milieu donné. On distingue :
- la succession primaire, qui débute sur un milieu nu et sans sol (coulée de lave, rocher mis à nu, dune) ;
- la succession secondaire, qui se développe après une perturbation ayant laissé un sol et des organismes (friche agricole, parcelle incendiée).
Les premières espèces qui colonisent le milieu sont appelées espèces pionnières.
Sur un champ cultivé abandonné, on observe une succession secondaire typique : les plantes annuelles (herbacées pionnières) s'installent la première année, suivies de plantes vivaces et de graminées, puis d'arbustes (ronciers, genêts), ensuite d'arbres pionniers à croissance rapide (bouleau, pin), et enfin d'arbres plus exigeants (chêne, hêtre). À chaque étape, les espèces présentes modifient le milieu (ombrage, enrichissement du sol) et favorisent l'installation des suivantes.
Le climax est l'état théorique d'équilibre dynamique vers lequel tend une succession écologique dans des conditions de climat et de sol données. La biocénose y est relativement stable tant qu'aucune nouvelle perturbation majeure ne survient. Dans nos régions tempérées, le climax correspond le plus souvent à la forêt.
9.3 Biodiversité et stabilité des écosystèmes
La biodiversité désigne la diversité du vivant à trois niveaux complémentaires :
- la diversité génétique (variabilité au sein d'une espèce) ;
- la diversité spécifique (nombre et abondance relative des espèces) ;
- la diversité écosystémique (variété des écosystèmes).
De nombreux travaux montrent qu'une biodiversité élevée tend à renforcer la stabilité des écosystèmes :
- la redondance fonctionnelle (plusieurs espèces assurant un rôle comparable) permet de compenser la disparition de l'une d'elles ;
- la diversité des espèces augmente la probabilité qu'au moins certaines d'entre elles résistent à une perturbation (effet « assurance ») ;
- un réseau trophique complexe et diversifié amortit mieux les variations que quelques chaînes isolées.
Ainsi, la perte de biodiversité fragilise les écosystèmes et diminue leur résilience.
Sur les côtes du Pacifique nord, la loutre de mer se nourrit d'oursins, lesquels broutent les algues géantes (laminaires) formant les forêts de kelp. Lorsque les loutres disparaissent (chasse), les populations d'oursins explosent et détruisent les forêts d'algues, entraînant l'effondrement de tout l'écosystème associé. La loutre est une espèce clé de voûte : son rôle dans la structure de l'écosystème est sans commune mesure avec sa biomasse.
9.4 Les services écosystémiques
Les écosystèmes rendent à l'humanité de nombreux services, souvent gratuits et peu visibles, dont dépend pourtant notre bien-être.
Les services écosystémiques sont les bénéfices que les sociétés humaines retirent du fonctionnement des écosystèmes. On les classe en trois grandes catégories :
- services d'approvisionnement : production de biens (nourriture, bois, fibres, eau douce, molécules pharmaceutiques) ;
- services de régulation : régulation du climat, du cycle de l'eau, des crues, pollinisation, épuration de l'eau et de l'air, contrôle des ravageurs et des maladies ;
- services culturels : valeurs récréatives, esthétiques, spirituelles, éducatives et patrimoniales (loisirs, tourisme, paysages).
On y ajoute parfois les services de soutien (formation des sols, photosynthèse, cycles biogéochimiques) qui conditionnent tous les autres.
Une grande partie des cultures (arbres fruitiers, colza, tournesol, légumes) et des plantes sauvages dépend de la pollinisation par les insectes, en particulier les abeilles. Ce service de régulation, estimé à plusieurs centaines de milliards d'euros par an à l'échelle mondiale, est aujourd'hui menacé par le déclin des pollinisateurs (pesticides, perte d'habitats, maladies). Sa raréfaction illustre la dépendance directe de l'agriculture envers la biodiversité.
9.5 Gestion durable, restauration et ingénierie écologique
9.5.1 Gestion durable des écosystèmes
La gestion durable d'un écosystème consiste à l'exploiter de manière à satisfaire les besoins présents sans compromettre la capacité des écosystèmes à se renouveler et à rendre leurs services aux générations futures. Elle repose sur la connaissance du fonctionnement de l'écosystème et sur le respect de ses capacités de renouvellement.
Méthode : Évaluer la durabilité d'une exploitation
Pour juger si l'exploitation d'une ressource biologique (forêt, stock de poissons) est durable, on peut procéder ainsi :
- estimer le stock de la ressource et sa vitesse de renouvellement (croissance, reproduction) ;
- comparer le prélèvement annuel à la production annuelle de la ressource ;
- conclure : l'exploitation est durable si le prélèvement reste inférieur ou égal au renouvellement ; elle est non durable (surexploitation) si le prélèvement dépasse durablement le renouvellement, ce qui fait décroître le stock ;
- proposer des mesures correctives (quotas, repos biologique, tailles minimales de capture, rotation des parcelles).
9.5.2 Restauration et ingénierie écologiques
La restauration écologique vise à aider au rétablissement d'un écosystème dégradé, endommagé ou détruit, afin de lui rendre sa structure, sa biodiversité et ses fonctions.
L'ingénierie écologique consiste à concevoir, aménager ou gérer des écosystèmes en s'appuyant sur leurs mécanismes naturels (successions, capacités épuratrices, interactions biologiques) pour résoudre un problème environnemental, de préférence aux solutions purement techniques.
Pour épurer les eaux usées de petites communes, on utilise parfois un lagunage : l'eau circule lentement dans une série de bassins peu profonds où s'établit naturellement une biocénose (bactéries, algues, plantes aquatiques). Les bactéries dégradent la matière organique, les algues produisent l'oxygène nécessaire et les plantes absorbent les nutriments (azote, phosphore). On exploite ainsi le fonctionnement d'un écosystème pour rendre un service d'épuration, à faible coût énergétique.
Méthode : Conduire un projet de restauration écologique
La restauration d'un milieu dégradé suit en général les étapes suivantes :
- diagnostic : identifier les causes de la dégradation et l'état de référence visé ;
- suppression des pressions : faire cesser la perturbation (pollution, drainage, espèces invasives) ;
- intervention : réintroduire des espèces, restaurer le sol, rétablir les conditions hydrologiques, favoriser les espèces pionnières ;
- laisser agir les processus naturels (succession, résilience) ;
- suivi : évaluer le rétablissement à l'aide d'indicateurs (biodiversité, fonctions) et ajuster la gestion.