Ex.2 Biomes et écosystèmes terrestres

Question 1

Les facteurs struturant les écosystèmes terrestres

Answer 1

La nature du sol
La température
Les précipitations
La lumière
L'activité humaine

Question 2

Définition du sol

Plus fonction

Answer 2

Couche mince constituant l’interface entre la lithosphère et l’atmosphère, comprenant les minéraux et la matière organique nécessaires à la vie

Nécessaire pour la grande majorité des plantes à l’ancrage et la nutrition

Rétention & épuration de l’eau de pluie et de ruissellement

Refuges et habitat pour une grande variété d’organismes nécessaires au recyclage des éléments nutritifs essentiels

Question 3

La formation du sol

Answer 3

Le sol se forme par l’altération physique, chimique et biologique progressive de la roche mère

Altération physique: vent ruissellement de l’eau, gel et dégel

Altération chimique: réaction du CO2 avec l’eau pour former de l’acide carbonique

Ces deux modes agissent en synergie pour fragmenter la roche mère, produire des particules plus fines et rendre les minéraux disponibles

L’épaisseur des sols varie de 1mm à 3m
Une couche terre superficielle de 2.5cm peut prendre de 200 à 1000 ans pour se former

Question 4

Altération biologique initiale et altération biologique

Answer 4

Sécrétion acide des lichens

Symbiose entre un champignon et une algue

• L’algue fournit le carbone
• Le champignon rend les éléments nutritifs essentiels disponibles
• Les lichens vivent directement sur la roche mère

Altération biologiques, une fois le sol formé, la dégradation de la roche mère continue

• La nitrification (bactéries chimiosynthétiques)
• La production d’acides organiques (décomposition)
• La respiration des racines et des organismes édaphiques

Question 5

La succession primaire

Answer 5

1. Après le retrait d’un glacier, une éruption volcanique ou la destruction
   du sol, très peu de plantes peuvent s’établir sur la roche ou la lave
   solidifiée
2. Les lichens produisent des acides qui attaquent la roche -> un sol est
   progressivement constitué (particules fines et organiques)
3. Ensuite viennent les mousses, fougères -> herbes basses
4. Quand le sol est suffisamment épais: buissons –> arbres

Les communautés animales changent en conséquence

Question 6

La succession secondaire

Answer 6

–> Suite à l’abandon d’une terre agricole ou un feu de forêt, le sol est déjà en place (ou même enrichi) et peut être colonisé rapidement par des herbes et des arbustes

Question 7

Le rôle de la matière organique

Answer 7

Humus
- mélange résultant de la macro-décomposition initiale de restes organiques

• matière organique qui s’accumule progressivement dans le sol agit comme une éponge –> retient efficacement l’eau et les minéraux
  (éléments essentiels)

• L’eau qui n’est pas liée à la matière organique percole et lessive les
minéraux, les entraînant vers le bas

• l’accumulation de ces minéraux dans la couche argileuse profonde
  du sol est l’illuviation
• l’illuviation est très importante dans les sols acides et/ou pauvres en
  matière organique

Question 8

Les horizons du sol

Answer 8

O – matière organique (susceptibles à l’érosion)
A – terre végétale organique (susceptibles à l’érosion)
B – argile et minéraux (illuviation de l’horizon A)
C – roche mère altérée
- roche mère

Question 9

Les organismes des horizons A et O procurent de nombreux
écoservices

Énumération

Answer 9

• Aèrent le sol (O2)
• Empêchent la compaction
• Épurent l'eau
• Décomposent les toxines
• Recyclent les nutriments
• Augmentent la productivité des
plantes
• Modifient l'atmosphère

--> Environ 170 000 espèces
édaphiques sont connues
Bactéries par gramme de sol:
- Prairie/Culture: 1 – 100 millions
- Forêt: jusqu'à 1 milliard

Question 10

Symbioses dans le sol

Les mycorhizes

Answer 10

Les mycorhizes

• Associations symbiotiques entre la racine
  des plantes et les champignons
  microscopiques (mycélium) du sol
• Le mycélium extrait les nutriments moins
  soluble (phosphore) et ses longs filaments
  dispersés multiplient la surface de prospection
  des racines de 100 à 1000x
• Dans certains milieu jusqu’à 15% de la PPN peut
  être consacrée aux champignons

Question 11

Quels sont les effets des mycorhizes sur la croissance végétale

Answer 11

–> Rôle spécialement important dans les
sols très pauvres en éléments nutritifs

–>peuvent multiplier la production de
biomasse végétale par un facteur 5

–> Effet devient négligeable lorsque
la teneur en nutriment augmente

Question 12

Les bactéries chez les légumineuses

Answer 12

Association symbiotique entre :
- la racine des légumineuses
(haricots, lentilles, luzerne, pois)
- une bactérie hétérotrophe fixatrice d'azote
(rhizobium)

–> Les bactéries forment des nodules sur les
racines et nourrissent la plante en azote
qu’elles fixent dans le sol

–>La racine de la plante nourrit la bactérie en
carbone avec les produits de la photosynthèse

Question 13

L’acidité du sol

Answer 13

La teneur en H+ détermine l’acidité du sol selon l’échelle de pH
neutre

 La majorité des sols ont un pH entre 4 et 8
 Les extrêmes (jusqu’à 2.8 et 10.5 !) sont symptomatiques de problèmes sérieux
(pollution, appauvrissement…)
 Le pH diminue si: + de précipitations
+ de respiration
+ de décomposition

Question 14

La texture du sol

Answer 14

• Les particules d’argiles sont chargées négativement et retiennent les ions nutritifs chargés positivement (cations)
• Un sol acide est moins efficace pour retenir les cations (le H+ prend la place des ions nutritifs)

Question 15

Sol et climat

Answer 15

 Régions chaudes avec précipitations abondantes:
- L’eau draine et acidifie le sol (H2CO3)
 favorise le lessivage des minéraux et nutriments vers le bas

• Le taux métabolique des micro-organismes est élevé
   la matière organique se dégrade très vite
• Les horizons O et A sont presque inexistants (peu d’humus)
  • Sols et climat
   Régions tempérées avec précipitations moyennes:
• L’acidité et le drainage sont moyens (limités par le gel)
   les nutriments se conservent dans les horizons A et B
• La décomposition est peu rapide (le gel limite le taux métabolique)
   la matière organique s’accumule
• Les horizons O et A sont relativement épais
   l’horizon A est très riche en humus

Question 16

L’érosion

Answer 16

L’eau, le vent et le broutage excessif sont les principaux agents d’érosion
 crues éclairs (lessivage) & ouragans sont particulièrement dommageables
• Zones particulièrement sensibles:
• La végétation (surtout la forêt) protège le sol en le stabilisant, en
absorbant l’eau et en faisant rempart contre les intempéries

Question 17

Conséquence de l’agriculture

Conversion de la prairie en zone agricole

Answer 17

A l’état naturel, les plantes graminées ont des
racines très développées
 Environ 98% de leur biomasse est dans le sol, ce
qui leur confère une grande résistance à la sécheresse
et au feu et stabilise le sol (résistance au vent)
 Le vent balaye les particules superficielles très
fines mais les racines gardent le sol bien en place
Les céréales qui remplacent les graminées
originales ont des racines peu développées
(optimisation du rendement écologique)
 Elles ont peu de résistance à la sécheresse et
rendent les sols vulnérables à l’érosion

Question 18

Exemple: Conséquence de l’agriculture

Conversion de la prairie en zone agricole

Answer 18

• Les trombes de poussière: exemple du dust bowl américain
 Au 19e siècle les prairies du Midwest furent labourées pour faire
place à la culture de céréales annuelles
 Une sécheresse prolongée durant les années 30 a conduit à l’échec
des récoltes et au dénudement du sol à très grande échelle
 Les particules fines exposées ont été transportées par le vent,
provoquant des tempêtes de poussière aux conséquences tragiques

Question 19

Conséquences de l’agriculture
Conversion de la forêt en zone agricole

Surface foliaire et rétention d’eau

Answer 19

Surface foliaire & Rétention d’eau
 Dans les forêts caducifoliées la superficie
des feuilles représente en moyenne 4 fois la
superficie du sol sous-jacent
(encore davantage en zone tropicale)
 La transpiration des feuilles retourne de 40%
à 75% de l’eau de pluie vers l’atmosphère
 Lorsqu’une forêt est coupée, l’eau sature le
sol et coule vers les rivières, provoquant :
- érosions massives
- inondations
- accumulations de boue

Question 20

Conséquences de l’agriculture
Conversion de la forêt en zone agricole

Agriculture intensive

Answer 20

 L’agriculture intensive brise le cycle local entre
la production primaire et la décomposition
 la biomasse végétale est exportée hors du système
 les nutriments ne retournent pas au sol
 L’ajout d’engrais chimiques devient rapidement
nécessaire
 Le besoin en fertilisant peut être limité par une
culture moins intensive (e.g. jachère), mais celle-ci
demande une plus grande superficie

Question 21

Les fertilisants agricoles

Answer 21

 Au début du 20e siècle: les dépôts de guano (riches en ammonium NH4) et de salpêtre fournissent la planète en engrais azotés
 vite épuisés
 Le procédé révolutionnaire de Haber-Bosch permet ensuite de produire le NH3 industriellement à partir du N2 atmosphérique
N2 + 3H2 → 2NH3
(sous pression à 500oC)
 Ce procédé fournit presque tout l’azote utilisé par les humains
(~ 130 millions de tonnes par an), incluant:
• Fertilisants (nitrate, ammonium, urée)
• Explosifs (TNT, nitroglycérine)
• Nylon
• Médicaments
• Agents nettoyants

• On estime que 40% de la population dépend du procédé de Haber-Bosch
 a permis l’explosion
démographique du 20e siècle
• Effets sur l’environnement:
 La source d’hydrogène (H) provient du gaz naturel (méthane, CH4)
émission de 209 millions de tonne de CO2 par an
 La production combinée de tous les fertilisants utilisés (N, P et S)
consomme 3% de la production globale d’énergie
 La synthèse et l’utilisation massive de fertilisants
modifient le cycle de l’azote
L’épandage engendre des problèmes de
contamination et d’acidification des sols

 Puisque le succès d’une récolte dépend d’un ensemble de facteurs (lumière, température, précipitations), il est difficile de prévoir la quantité exacte de fertilisant à ajouter
 En général, de 50 à 80% des nitrates ajoutés sont
incorporés dans la biomasse
 le reste s’accumule dans le sol ou est lessivé vers le bas N
 Le nitrate lessivé contamine les nappes phréatiques et les puits artésiens
 la consommation de cette eau peut causer des
troubles de la santé (syndrome du bébé bleu)
 Une partie du nitrate non-utilisé sert de source
d’énergie aux bactéries dénitrifiantes
 La dénitrification est en partie bénéfique puisqu’elle
remet du N2 dans l’atmosphère, mais elle produit aussi
de l’oxyde nitreux (N2O, gaz à effet de serre)

Question 22

Conversion de la forêt en zone agricole

Answer 22

 Globalement, on estime que
50% de la superficie forestière
post-glaciaire a été convertie,
principalement en terres arables
ou en pâturages
 Certaines régions connaissent
une augmentation de la superficie
forestière, d'autres une diminution

Brésil, australie et indonésie en diminution

Chine USA et inde en augmentation

 Le bilan est négatif, mais la situation s’améliore

 Globalement, environ 36% de l’étendue forestière est considérée
comme primaire, 57% est régénérée et 7% est plantée
 Le pourcentage de forêt primaire est de 75% en Amérique du sud,
42% en Amérique du nord, et 5% en Europe (sans la Russie)

• Stockage de carbone
 La quantité de carbone stocké dans les forêts décroit
presque 2 fois plus vite que leur superficie !
La cause n’est pas entièrement connue, mais on sait que :
(1) les arbres vieux entreposent beaucoup de carbone dans le sol (racines)
(2) la coupe retire des nutriments

Question 23

Biome terrestre

Answer 23

 On identifie généralement les biomes selon la végétation dominante
 Les biomes se succèdent généralement en fonction :
- de la latitude (nord-sud)
- des zones climatiques

Biomes terrestres: divisions de la lithosphère basées essentiellement sur
le type de végétation en fonction de la température et des précipitations

Question 24

Température et précipitations (climatogramme)

Answer 24

• On peut classer les biomes en fonction de la
température et des précipitations (climatogramme)

 Le désert connaît la même
température moyenne que la
forêt tropicale, mais reçoit
beaucoup moins de
précipitations
 La taïga (forêt boréale) reçoit
autant de précipitations que la
savane mais connait une
température moyenne bien
inférieure

Question 25

Prairie tempérée (steppe)

Answer 25

• Les saisons sont régulées par la pluie et la température
• Cycle saisonnier fort
• Végétation prédominante: herbacées, graminées, fleurs et arbustes
• Leur persistance repose sur : - des sécheresses saisonnières
- des incendies occasionnels
- les grands mammifères herbivores

Australie

Question 26

Savane (prairie tropicale)

Answer 26

• Les saisons sont régulées par la pluie au lieu de la température
• Très fort cycle saisonnier  longue saison sèche (4 à 8 mois)
• Végétation prédominante: plantes herbacées et acacias
• Racines très profondes résistantes au feu et à la sécheresse
• Sans l’apport saisonnier en pluie la savane devient désert

Afrique centrale

Question 27

Désert

Answer 27

• Le plus sec des biomes terrestres (précipitations faibles et imprévisibles)
• La biomasse végétale (en C4
) dépend de la quantité de pluie
• La végétation est dispersée et le sol est exposé à l’érosion par le vent
• Sol très pauvre en matière organique, mais riche en minéraux (toxique)
• Désert froid vs désert chaud (selon la latitude)
• Les animaux sont petits (cachés le jour, s’alimentent la nuit)

Afrique Nord
Australie central

Question 28

La désertification

Answer 28

 30% de la population mondiale vit en marge des
déserts (e.g. dans la région du Sahel) et dans des
conditions de pauvreté extrêmes
 La conversion de la prairie et surtout de la savane en terres agricoles
ou en aire de pâturage (surexploitées) provoque la dégradation des sols
 Lors de sécheresses fréquentes ou prolongées la région se
transforme en désert
-
Risque de
désertification
+
 On estime que depuis le milieu des années 1990, environ 3600 km2
sont convertis en désert annuellement
 Toutefois: - l’impact relatif des variations du climat et de l’activité
humaine sur la désertification est encore mal connu
- certaines études suggèrent que l’action humaine directe
est une cause secondaire et que la désertification serait réversible
 Coûts estimés: 42 milliards US par année

• En moyenne, une tempête de sable transporte 100 millions de tonnes
de sable sur des centaines ou des milliers de kilomètres
• Ces tempêtes causent des dégâts considérables aux récoltes et aux
installations urbaines, elles immobilisent le trafic aérien etc…

• La grande muraille verte de Chine
 Plantation de 300 millions d’arbres (= boisement) sur une distance de
4800 km pour limiter l’expansion du désert de Gobi et l’effet dévastateur
des tempêtes de sable

Question 29

Forêt tropicale humide

Answer 29

• Végétation sempervirente (= pas de chute saisonnière)
• Forte productivité et diversité biologique (~ aux autres biomes réunis)
• Couvert forestier extrêmement dense (jusqu’à 60 m de hauteur)
• Seulement 2% de la lumière incidente atteint le sol
• Décomposition éclair: peu de nutriments et de matière organique au sol
• Animaux majoritairement arboricoles (singes, oiseaux, reptiles)
• La chaleur est favorable aux ectothermes (reptiles, amphibiens)

 La forêt humide tropicale génère une grande part de la PPN globale
et elle constitue un réservoir majeur de carbone (CO2 qui n’est pas
dans l’atmosphère)

 La forêt tropicale humide contient la plus grande diversité
d’animaux vertébrés (~ 20 fois plus que la taïga)
 Une grande proportion (~35%) des Vertébrés de la forêt tropicale
est endémique (i.e. n’existe que dans ce lieu)

Déboisement tropical
 Dans la forêt humide tropicale, les nutriments sont
essentiellement contenus dans la biomasse
 en retirant les arbres on retire la majeure partie
des nutriments du système
 L’agriculture itinérante sur brûlis ne permet
qu’une ou deux récolte avant l’épuisement des
nutriments (la parcelle est abandonnée à l’érosion
et on en brûle une nouvelle)
 La régénération forestière est extrêmement lente
 La gourmandise des pays industrialisés et de
certains pays en voie de développement est une
cause importante du déboisement, mais c’est loin d’être la seule

Question 30

Forêt décidue tempérée

Answer 30

• Latitudes moyennes
• Végétation mixte, arbres caducifoliés souvent dominants
• Cycle annuel fort (perte de feuilles  horizon O épais)
• Donne des terres fertiles lorsque convertie en zone agricole
• Grande diversité et biomasse de micro-organismes édaphiques

Canada Russie

Question 31

Forêt boréale Taïga

Answer 31

• Hémisphère Nord uniquement (océan dans l’hémisphère sud)
• Forêt dense et peu diversifiée (forte prédominance des conifères)
• Sol mince et pauvre (aiguilles = peu d’apports organiques)
• Accumulations de neige en hiver (isole le sol des grands froids)

Question 32

Toundra

Answer 32

Toundra arctique

• Limite septentrionale de la végétation (Canada, Alaska, Russie, etc.)
• Mousse, lichens et petites plantes (arbuste nains, herbacées)
• Pergélisol: empêche le drainage du sol durant l’été (cuvettes d’eau)
• L’accumulation d’eau rend le sol acide et pauvre en nutriments
• Faune d’été beaucoup plus abondante que la faune d’hiver (migration
saisonnières très importantes; oiseaux, caribou)

Nord Can et nord Russie

Toundra alpine
• Sommets où les températures nocturnes sont négatives
• Taux lent mais constant de photosynthèse et de croissance végétale