SÉQ. 14: Étude des écosystèmes : La forêt et la savane. (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : à la fin de cette séquence l’élève sera capable de - définir la biodiversité et d’en distinguer les niveaux (génétique, spécifique, écosystémique) ; - décrire la biodiversité caractéristique de la forêt tropicale camerounaise et de la savane soudano‑sahélienne ; - expliquer les relations d’interdépendance (chaînes alimentaires, réseaux trophiques) qui structurent ces écosystèmes ; - identifier les principales activités humaines qui dégradent la forêt et la savane (feu de brousse, déforestation, braconnage, agriculture extensive, exploitation minière) ; - analyser les conséquences écologiques de ces pressions (perte d’espèces, fragmentation, modification des cycles biogéochimiques) ; - proposer des mesures de conservation et de restauration (aires protégées, législation, reboisement, gestion du feu, corridors écologiques, implication des communautés) ; - utiliser des indices simples de biodiversité (indice de Shannon‑Wiener, indice de richesse) et appliquer la règle des 10 % de transfert d’énergie entre niveaux trophiques. **Prérequis** : notions de chaîne alimentaire, de producteur primaire, de consommateur primaire/secondaire, de cycle de l’eau et du carbone, connaissances de base sur la végétation du Cameroun (zones forestières et de savane) acquises en 4ᵉ et 5ᵉ. --- ## Introduction contextualisée Le Cameroun possède une mosaïque de paysages allant de la forêt dense humide du Sud‑Ouest à la savane arborée du Nord. Ces deux écosystèmes abritent une richesse biologique exceptionnelle mais sont soumis à des pressions anthropiques croissantes. Comprendre leur fonctionnement, leurs vulnérabilités et les moyens de les préserver est essentiel pour réussir l’épreuve du BEPC en SVT et pour former des citoyens responsables de l’environnement. --- ## I. Biodiversité dans les écosystèmes (forêt et savane) et interdépendance dans un écosystème ### A. Notion de biodiversité > **Définition** : La biodiversité désigne la variabilité des êtres vivants à tous les niveaux d’organisation : génétique, spécifique et écosystémique. - **Niveau génétique** : diversité des allèles au sein d’une population (ex. : variabilité du gène de résistance à la sécheresse chez *Acacia senegal*). - **Niveau spécifique** : nombre d’espèces présentes dans un milieu donné (ex. : 150 espèces d’arbres recensés dans une parcelle de 1 ha de forêt du Sud‑Ouest). - **Niveau écosystémique** : diversité des habitats, des interactions et des processus écologiques (ex. : mosaïque de forêts galerie, de marécages et de prairies dans la savane du Nord). **Propriété importante** : plus la biodiversité spécifique est élevée, plus l’écosystème tend à être résistant aux perturbations (hypothèse diversité‑stabilité). **Démonstration simplifiée** : considérons un modèle où la stabilité \(S\) d’un écosystème est proportionnelle au logarithme du nombre d’espèces \(R\) : \[ S = k \ln(R) \] avec \(k>0\) constante. La dérivée \(\frac{dS}{dR}= \frac{k}{R}>0\) montre que \(S\) augmente lorsque \(R\) augmente, bien que l’accroissement ralentisse (rendement décroissant). Ainsi, ajouter une espèce à un écosystème déjà riche apporte moins de stabilité que l’ajout d’une première espèce à un écosystème pauvre. ### B. Biodiversité de la forêt tropicale camerounaise La forêt dense humide du Sud‑Ouest et de l’Est abrite : - **Flore** : plus de 4000 espèces de plantes vasculaires, dont des arbres emblématiques comme *Entandrophragma cylindricum* (sapelli), *Triplochiton scleroxylon* (obeche) et des lianes telles que *Ancistrocladus korupensis*. - **Faune** : primates (chimpanzé *Pan troglodytes*, gorille de l’Ouest *Gorilla gorilla gorilla*), oiseaux (picatharte *Picathartes oreas*), reptiles (crocodile du Nil *Crocodylus niloticus*), invertébrés (papillons *Charaxes* spp.). **Exemple 1 – Calcul de l’indice de Shannon‑Wiener** Dans un carré de 20 m × 20 m, on relève les abondances suivantes : - *Entandrophragma cylindricum* : 12 individus - *Triplochiton scleroxylon* : 8 individus - *Ancistrocladus korupensis* : 5 individus - Autres espèces (regroupées) : 15 individus Total \(N = 12+8+5+15 = 40\). Proportions \(p_i = n_i/N\) : \(p_1 = 12/40 = 0.30\) ; \(p_2 = 8/40 = 0.20\) ; \(p_3 = 5/40 = 0.125\) ; \(p_4 = 15/40 = 0.375\). Indice de Shannon : \[ H' = -\sum_{i=1}^{4} p_i \ln p_i \] \[ \begin{aligned} H' &= -[0.30\ln(0.30)+0.20\ln(0.20)+0.125\ln(0.125)+0.375\ln(0.375)]\\ &= -[0.30(-1.204)+0.20(-1.609)+0.125(-2.079)+0.375(-0.981)]\\ &= -[-0.361-0.322-0.260-0.368]\\ &= 1.311 \end{aligned} \] \(H' \approx 1.31\) indique une diversité élevée (valeur maximale pour 4 espèces serait \(\ln 4 = 1.386\)). ### C. Biodiversité de la savane La savane soudano‑sahélienne du Nord présente : - **Flore** : arbres résistants au feu (*Acacia seyal*, *Balanites aegyptiaca*), graminées dominantes (*Hyparrhenia spp.*, *Pennisetum purpureum*), espèces géophytes (*Cyperus rotundus*). - **Faune** : grands herbivores (éléphant de savane *Loxodonta africana*, buffle *Syncerus caffer*), prédateurs (lion *Panthera leo*, hyène tachetée *Crocuta crocuta*), oiseaux (autruche *Struthio camelus*), reptiles (varan du Nil *Varanus niloticus*). **Exemple 2 – Application de la règle des 10 % de transfert d’énergie** Dans une chaîne alimentaire simplifiée de la savane : Herbe → Zébus (herbivore) → Lion (carnivore). Supposons que la production primaire nette de l’herbe soit \(P = 10\,000\ \text{kJ m}^{-2}\text{an}^{-1}\). - Énergie disponible pour le zébus : \(E_1 = 0,10 \times P = 1\,000\ \text{kJ m}^{-2}\text{an}^{-1}\). - Énergie disponible pour le lion : \(E_2 = 0,10 \times E_1 = 100\ \text{kJ m}^{-2}\text{an}^{-1}\). Ainsi, seulement 1 % de l’énergie initiale atteint le niveau trophique supérieur, illustrant la perte d’énergie à chaque maillon. ### D. Interdépendance (chaînes alimentaires, réseaux trophiques) > **Règle** : Dans un écosystème, chaque organisme dépend d’au moins un autre pour son énergie, ses nutriments ou son habitat ; la suppression d’un maillon peut provoquer des effets en cascade. - **Chaîne alimentaire linéaire** : produit primaire → herbivore primaire → carnivore secondaire → décomposeur. - **Réseau trophique** : ensemble de chaînes interconnectées montrant que la plupart des espèces consomment plusieurs types de proies et sont consommées par plusieurs prédateurs. **Démonstration d’un effet en cascade** : Dans la forêt, la réduction du nombre de grands frugivores (ex. : éléphants de forêt) diminue la dispersion des graines de certains arbres (ex. : *Irvingia gabonensis*). Moins de germination entraîne une baisse de la régénération forestière, ce qui réduit l’habitat des insectes pollinisateurs, affectant à son tour la reproduction des plantes à fleurs. --- ## II. Activités humaines détruisant les écosystèmes (feu de brousse, déforestation, braconnage,…) ### A. Feu de brousse > **Définition** : Incendie volontaire ou accidentel de la végétation herbacée et ligneuse, utilisé pour renouveler les pâturages, chasser le gibier ou défricher des terres agricoles. - **Effets immédiats** : combustion de la biomasse aérienne, libération de CO₂, perte de matière organique du sol. - **Conséquences à moyen terme** : modification de la composition floravégétale (favorisation des espèces pyrophytes, régression des espèces sensibles), érosion des sols, altération du cycle de l’eau. **Exemple 3 – Bilan de carbone d’un feu de brousse** Une parcelle de savane de 1 ha contient en moyenne 20 t de biomasse sèche (≈ 10 t de C). Lors d’un feu complet, près de 90 % du carbone est libéré sous forme de CO₂. \[ \text{CO}_2 \text{ émis} = 0,90 \times 10\ \text{t C} \times \frac{44}{12} \approx 0,90 \times 10 \times 3,667 \approx 33\ \text{t CO}_2 \] Ainsi, un hectare brûlé rejette environ 33 t de CO₂, contribuant au réchauffement climatique. ### B. Déforestation > **Définition** : Conversion définitive de terres forestières en autres usages (agriculture, élevage, infrastructures, exploitation minière). - **Causes principales au Cameroun** : agriculture de brûlis (cacao, huile de palme), exploitation forestière illégale, extension des zones urbaines. - **Impacts** : perte d’habitat, fragmentation, augmentation des émissions de gaz à effet de serre, perturbation des cycles hydrologiques (diminution de l’infiltration, augmentation du ruissellement). **Exemple 4 – Calcul du taux de déforestation annuel** Entre 2000 et 2020, la couverture forestière du Sud‑Ouest est passée de 4,2 Mha à 3,5 Mha. \[ \text{Taux annuel} = \frac{4,2-3,5}{20}\ \text{Mha/an} = \frac{0,7}{20}=0,035\ \text{Mha/an}=35\ 000\ \text{ha/an} \] Soit environ 35 000 ha de forêt perdus chaque année, soit l’équivalent d’environ 130 terrains de football par jour. ### C. Braconnage et exploitation illégale > **Définition** : Capture, tuer ou commerce illégal d’espèces protégées, souvent pour la viande de brousse, l’ivoire, les peaux ou la médecine traditionnelle. - **Espèces ciblées** : éléphants de forêt (*Loxodonta cyclotis*), gorilles, pangolins (*Manis spp.*), perroquets gris (*Psittacus erithacus*). - **Conséquences** : déclin des populations, déséquilibre trophique (ex. : surabondance de certains herbivores lorsque les prédateurs sont éliminés), perte de valeur culturelle et économique. ### D. Autres pressions (mines, agriculture extensive, infrastructures) - **Exploitation minière** : dégradation des sols, pollution aux métaux lourds (mercure, plomb), création de points d’eau stagnants favorisant les vecteurs de maladies. - **Agriculture extensive** : utilisation de brûlis répétés, appauvrissement du sol, réduction de la diversité des plantes adventices utiles aux pollinisateurs. - **Routes et barrages** : fragmentation des habitats, création de barrières à la migration des espèces terrestres et aquatiques. --- ## III. Restauration et conservation de la biodiversité d’un écosystème ### A. Mesures de protection (aires protégées, législation) > **Définition** : Aires protégées = espaces terrestres ou marins où la gestion vise principalement la conservation de la nature et des services écosystémiques associés. - **Au Cameroun** : parcs nationaux (ex. : Parc national de la Lobéké, Parc national de Waza), réserves de faune, zones d’intérêt écologique. - **Législation** : loi n° 94/01 du 20 janvier 1994 portant régime forestier, loi n° 2011/014 du 14 juillet 2011 sur la protection de l’environnement, conventions internationales (CBD, CITES). **Effet attendu** : réduction du taux de déforestation, maintien de corridors écologiques, possibilité de suivi scientifique et de valorisation du tourisme écologique. ### B. Techniques de restauration (reboisement, gestion du feu, corridors écologiques) > **Définition** : Reboisement = plantation d’arbres indigènes ou exotiques sur des terres dégradées afin de rétablir la couverture forestière et ses fonctions. - **Reboisement** : utilisation d’espèces locales (ex. : *Entandrophragma cylindricum*, *Triplochiton scleroxylon*) pour favoriser la biodiversité associée. - **Gestion du feu** : mise en place de feux dirigés (early‑burn) pour réduire la charge de combustible et prévenir les feux de grande intensité. - **Corridors écologiques** : bandes de végétation reliant des fragments d’habitat, permettant la dispersion des espèces et le flux génétique. **Exemple 5 – Calcul du taux de survie nécessaire pour atteindre un objectif de couverture** On souhaite reboiser 500 ha avec un objectif de 70 % de couverture arborée après 5 ans. Si chaque planté a une probabilité de survie \(s\) identique et indépendante, la densité finale attendue est : \[ D_{\text{finale}} = N_{\text{plantés}} \times s \] On plante initialement 1 200 plants/ha (densité de départ). Donc \(N_{\text{plantés}} = 1\,200 \times 500 = 600\,000\) plants. On veut \(D_{\text{finale}} = 0,70 \times 1\,200 \times 500 = 420\,000\) arbres vivants. \[ s = \frac{D_{\text{finale}}}{N_{\text{plantés}}} = \frac{420\,000}{600\,000}=0,70 \] Ainsi, un taux de survie moyen de 70 % sur cinq ans suffit à atteindre l’objectif. ### C. Rôle des communautés locales et de l’éducation - **Gestion communautaire des ressources** : contrats de gestion durable (ex. : accords de co‑gestion du Parc national de la Lobéké avec les peuples Baka). - **Éducation environnementale** : programmes scolaires, campagnes de sensibilisation sur les impacts du feu de brousse et du braconnage. - **Valorisation des produits non ligneux** : miel, fruits, plantes médicinales, générant des revenus alternatifs à l’exploitation destructive. --- ## Synthèse du chapitre - La biodiversité s’organise en trois niveaux (génétique, spécifique, écosystémique) et conditionne la stabilité des écosystèmes. - La forêt tropicale camerounaise abrite > 4000 espèces végétales et une faune riche (primates, oiseaux, invertébrés) ; la savane présente des espèces adaptées au feu et à la sécheresse (acacias, grands herbivores, prédateurs). - Les relations d’interdépendance se manifestent par des chaînes alimentaires et des réseaux trophiques ; la règle des 10 % montre la perte d’énergie entre niveaux. - Les pressions humaines majeures sont le feu de brousse, la déforestation, le braconnage, l’exploitation minière et l’agriculture extensive, entraînant perte d’espèces, fragmentation et altération des cycles biogéochimiques. - La restauration passe par le reboisement (taux de survie requis ≈ 70 % pour atteindre 70 % de couverture), la gestion du feu, la création de corridors écologiques et la mise en place d’aires protégées soutenues par la législation nationale et internationale. - L’implication des communautés locales et l’éducation sont essentielles pour assurer la durabilité des actions de conservation. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Biodiversité | Variabilité du vivant aux niveaux génétique, spécifique et écosystémique. | | Indice de Shannon‑Wiener | \(H'=-\sum p_i\ln p_i\) mesure de la diversité spécifique prenant en compte richesse et équitabilité. | | Chaîne alimentaire | Succession linéaire d’organismes où chacun se nourrit du précédent. | | Réseau trophique | Ensemble de chaînes alimentaires interconnectées montrant les multiples relations de consommation. | | Feu de brousse | Incendie de la végétation herbacée et ligneuse utilisé pour renouveler les pâturages ou défricher. | | Déforestation | Conversion permanente de terres forestières en autres usages. | | Braconnage | Capture, tuer ou commerce illégal d’espèces protégées. | | Corridor écologique | Bande de végétation reliant deux fragments d’habitat permettant le déplacement des espèces. | | Reboisement | Plantation d’arbres sur des terres dégradées pour restaurer la couverture forestière. | | Taux de survie | Proportion d’individus plantés qui restent vivants après une période donnée. | | Aire protégée | Espace terrestre ou marin dédié principalement à la conservation de la nature. | | Services écosystémiques | Bénéfices que les humains tirent des écosystèmes (régulation du climat, pollinisation, production de nourriture, etc.). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul de l’indice de Shannon Dans une parcelle de savane de 100 m², on relève : - *Acacia seyal* : 30 pieds - *Hyparrhenia rufa* : 50 touffes - *Pennisetum purpureum* : 20 touffes **Corrigé** Total \(N = 30+50+20 = 100\). Proportions : \(p_1=0,30\), \(p_2=0,50\), \(p_3=0,20\). \[ \begin{aligned} H' &= -[0,30\ln0,30+0,50\ln0,50+0,20\ln0,20]\\ &= -[0,30(-1,204)+0,50(-0,693)+0,20(-1,609)]\\ &= -[-0,361-0,347-0,322]\\ &= 1,030 \end{aligned} \] \(H' \approx 1,03\). --- ### Exercice 2 – Application de la règle des 10 % Dans une chaîne de la forêt : feuilles → termite → chauve‑souris insectivore. La production nette de feuilles est \(P = 8\,000\ \text{kJ m}^{-2}\text{an}^{-1}\). **Corrigé** Énergie disponible pour la termite : \(E_1 = 0,10 \times P = 800\ \text{kJ m}^{-2}\text{an}^{-1}\). Énergie disponible pour la chauve‑souris : \(E_2 = 0,10 \times E_1 = 80\ \text{kJ m}^{-2}\text{an}^{-1}\). --- ### Exercice 3 – Estimation du CO₂ libéré par un feu de brousse Une parcelle de savane de 2 ha contient 18 t de biomasse sèche (≈ 9 t de C). Lors du feu, 85 % du carbone est libéré sous forme de CO₂. **Corrigé** Carbone libéré : \(0,85 \times 9\ \text{t C}=7,65\ \text{t C}\). Conversion en CO₂ : \(7,65 \times \frac{44}{12}=7,65 \times 3,667 \approx 28,0\ \text{t CO}_2\). --- ### Exercice 4 – Taux de déforestation annuel Entre 2010 et 2022, la superficie forestière d’une région est passée de 2,8 Mha à 2,2 Mha. **Corrigé** Variation : \(2,8-2,2 = 0,6\ \text{Mha}\) sur \(12\) ans. Taux annuel : \(\frac{0,6}{12}=0,05\ \text{Mha/an}=50\ 000\ \text{ha/an}\). --- ### Exercice 5 – Nécessité de taux de survie pour un reboisement On veut reboiser 300 ha afin d’obtenir, après 4 ans, une couverture de 60 % avec une densité de plantation initiale de 1 000 plants/ha. **Corrigé** Plants plantés : \(N = 1\,000 \times 300 = 300\,000\). Densité finale souhaitée : \(0,60 \times 1\,000 \times 300 = 180\,000\) arbres vivants. Taux de survie requis : \(s = \frac{180\,000}{300\,000}=0,60\) → **60 %**. --- ### Exercice 6 – Effet en cascade lié à la perte d’un prédateur Dans une savane, la disparition du lion entraîne une augmentation de 40 % de la population de zèbres, qui à leur tour surconsomment l’herbe, réduisant la biomasse herbacée de 25 %. Expliquez brièvement les conséquences possibles sur les oiseaux insectivores qui dépendent de l’herbe pour leur nidification. **Corrigé** - Augmentation des zèbres → plus de pression de pâture → baisse de la couverture herbacée. - Moins d’herbe → moins de sites de nidification et de matériaux pour les oiseaux insectivores (ex. : *Cisticola spp.*). - Conséquence : déclin de la reproduction de ces oiseaux, diminution de leurs effectifs, potentiel effet en cascade sur les populations d’insectes qu’ils régulent (augmentation possible de certains ravageurs de l’herbe). --- ## Erreurs fréquentes | Erreur fréquente | Pourquoi elle se produit | Comment l’éviter | |------------------|--------------------------|------------------| | Confondre **richesse spécifique** (nombre d’espèces) et **diversité** (indice de Shannon) | L’élève pense que plus d’espèces signifie automatiquement une diversité élevée, sans tenir compte de l’équitabilité. | Toujours calculer l’indice de Shannon ou rappeler que la diversité dépend aussi de la répartition des abondances. | | Appliquer la règle des 10 % à chaque niveau sans vérifier que le niveau considéré est bien un **niveau trophique** | On l’utilise parfois pour des étapes qui ne sont pas des transferts d’énergie (ex. : décomposeurs → sol). | Vérifier que le transfert concerne bien la consommation d’un organisme par un autre ; les décomposeurs sont traités séparément. | | Oublier de convertir le **carbone** en **CO₂** lors d’un bilan de feu de brousse | On donne directement la masse de carbone comme émission de CO₂. | Rappeler le facteur de conversion \(\frac{44}{12}\) (masse moléculaire du CO₂ sur celle du carbone). | | Interpréter un **taux de déforestation** négatif comme une augmentation de la forêt | Le signe est oublié ou mal lu. | Toujours présenter le taux comme une perte (valeur positive) lorsqu’on parle de déforestation ; un taux négatif indique un gain de couvert forestier. | | Considérer que **tous les feux de brousse** sont bénéfiques pour la savane | On généralise l’effet du feu dirigé sans distinguer feu de gestion et feu de sauvages. | Préciser que seuls les feux précoces, de faible intensité et bien maîtrisés favorisent la pyrophytie ; les feux tardifs et intenses dégradent l’écosystème. | | Négliger le rôle des **communautés locales** dans la conservation | On se concentre uniquement sur les mesures étatiques. | Mettre en avant les exemples de co‑gestion et les bénéfices des revenus alternatifs (miel, produits non ligneux). |