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

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - décrire les étapes d’un projet de reboisement adapté aux conditions climatiques et édaphiques du Cameroun ; - choisir des espèces autochtones pertinentes pour la restauration d’une forêt ou d’une savane ; - réaliser le calcul du nombre de plants nécessaires en fonction de l’espacement recommandé ; - estimer la quantité de carbone séquestré sur une période donnée à l’aide d’un modèle simple ; - expliquer ce que signifie « apprentissage de l’intégration » en SVT et montrer comment mettre en relation les facteurs abiotiques et biotiques d’un écosystème ; - construire un réseau trophique à partir d’une liste d’espèces et calculer le transfert d’énergie entre les niveaux trophiques en appliquant la règle des 10 % ; - interpréter les résultats d’un suivi de reboisement (taux de survie, croissance) et proposer des mesures correctives. **Prérequis** : - notions de base sur les écosystèmes (forêt, savane) vues en séquence 13 ; - connaissance des cycles de l’eau, du carbone et de l’azote ; - maîtrise du calcul de surfaces et de proportions en mathématiques de 3ᵉ ; - capacité à lire un tableau de données et à représenter un graphe simple. --- ## Introduction contextualisée Le Cameroun possède une grande diversité de milieux forestiers et de savanes, soumis à des pressions anthropiques (déforestation, agriculture itinérante, feux de brousse). Le reboisement constitue une réponse concrète pour restaurer la couverture végétale, lutter contre l’érosion des sols et contribuer à l’atténuation du changement climatique. Parallèlement, l’approche par compétences du programme MINESEC/IGE insiste sur l’**intégration** des connaissances : l’élève ne doit plus seulement décrire un phénomène, mais expliquer comment les différents composants d’un écosystème interagissent et comment une action humaine (comme le reboisement) modifie ces interactions. Ce chapitre articule donc deux leçons complémentaires : la mise en pratique du reboisement (TP N°10) et l’apprentissage de l’intégration (séance 44). --- ## I. TP N°10 : Pratique du reboisement ### A. Définition et objectifs du reboisement > **Reboisement** : opération consistant à planter des arbres sur un terrain déboisé ou dégradé afin de reconstituer une couverture forestière fonctionnelle. Les objectifs principaux sont : 1. **Restauration de la biodiversité** : reconstitution d’habitats pour la flore et la faune autochtones. 2. **Protection des sols** : réduction de l’érosion par le système racinaire et amélioration de la structure du sol. 3. **Séquestration du carbone** : stockage du CO₂ atmosphérique dans la biomasse ligneuse. 4. **Production de biens et services** : bois d’œuvre, produits non ligneux, ombres, régulation du microclimat. ### B. Étapes d’un projet de reboisement 1. **Diagnostic du site** : analyse du sol (pH, texture, profondeur), du climat (pluviométrie, température) et des contraintes (présence d’espèces envahissantes, accès). 2. **Choix des espèces** : privilégier des essences autochtones adaptées au milieu (ex. : *Terminalia superba*, *Milicia excelsa*, *Entandrophragma cylindricum* pour la forêt dense ; *Acacia seyal*, *Combretum glutinosum* pour la savane). 3. **Préparation du sol** : désherbage, éventuel labour léger, apport de matière organique si nécessaire. 4. **Production des plants en pépinière** : semis en godets ou sacs, arrosage régulier, durcissement (exposition progressive au plein soleil). 5. **Plantation** : respect d’un espacement adapté (voir formule ci‑dessous), mise en place du tuteur si nécessaire, arrosage de plantation. 6. **Entretien** : désherbage manuel ou mécanique pendant les deux premières années, protection contre le broutage (clôtures, répulsifs), remplacement des manquants. 7. **Suivi et évaluation** : mesure du taux de survie, de la hauteur moyenne, du diamètre à hauteur d’homme (DHM) chaque année ; calcul de la biomasse accumulée. ### C. Choix des espèces et critères de sélection > **Critère d’adaptabilité** : capacité d’une espèce à germer, croître et survivre dans les conditions édaphoclimatiques du site sans apport extérieur excessif. Les critères usuels sont : - **Résistance à la sécheresse** (important en savane) ; - **Vitesse de croissance** (pour une restauration rapide) ; - **Valeur écologique** (fructification, fourniture de gîtes pour la faune) ; - **Valeur économique** (bois d’œuvre, produits non ligneux). ### D. Formule de calcul du nombre de plants nécessaires Pour un espacement carré de côté $s$ (en mètres), le nombre de plants $N$ à installer sur une superficie $A$ (en m²) est : $$ N = \frac{A}{s^{2}} $$ > **Exemple 1** – Calcul du nombre de plants pour une parcelle de 0,5 ha en forêt dense avec un espacement de 3 m. > - $A = 0,5\ \text{ha}=0,5\times10^{4}\ \text{m}^{2}=5\,000\ \text{m}^{2}$ > - $s = 3\ \text{m}$ → $s^{2}=9\ \text{m}^{2}$ > - $N = \dfrac{5\,000}{9}\approx 555,6$ → on arrondit à **556 plants**. > **Exemple 2** – Même parcelle, mais en savane avec un espacement de 5 m (espèces plus larges). > - $s^{2}=25\ \text{m}^{2}$ > - $N = \dfrac{5\,000}{25}=200$ plants. ### E. Estimation du carbone séquestré (modèle linéaire simplifié) On suppose que chaque arbre accumule une biomasse sèche moyenne $B$ (en kg an⁻¹) et que la fraction de carbone dans la biomasse ligneuse vaut $f_{C}=0,5$. Le carbone séquestré après $t$ années est : $$ C = N \times B \times t \times f_{C} $$ > **Exemple 3** – Forêt reboisée avec *Terminalia superba* : $B=15\ \text{kg an}^{-1}$ (croissance moyenne), $N=556$, $t=10$ ans. > - $C = 556 \times 15 \times 10 \times 0,5 = 556 \times 75 = 41\,700\ \text{kg C}=41,7\ \text{t C}$. > - En équivalent CO₂ : $C_{\text{CO₂}} = C \times \dfrac{44}{12}=41,7\times3,667\approx152,9\ \text{t CO₂}$. > **Exemple 4** – Savane reboisée avec *Acacia seyal* : $B=8\ \text{kg an}^{-1}$, $N=200$, $t=8$ ans. > - $C = 200 \times 8 \times 8 \times 0,5 = 200 \times 32 = 6\,400\ \text{kg C}=6,4\ \text{t C}$. > - $C_{\text{CO₂}} = 6,4\times3,667\approx23,5\ \text{t CO₂}$. ### F. Suivi et indicateurs de réussite - **Taux de survie** $S = \dfrac{N_{\text{vivants}}}{N_{\text{plantés}}}\times100\%$ ; un taux > 80 % après deux ans est considéré comme bon. - **Croissance moyenne en hauteur** $H_{\text{moy}} = \dfrac{\sum H_i}{N_{\text{vivants}}}$ (en m). - **Indice de couverture végétale** (ICV) estimé par télédétection ou relevés au sol. --- ## II. Séance 44 : Apprentissage de l’intégration ### A. Que signifie « apprentissage de l’intégration » en SVT ? > **Intégration** : processus cognitif permettant de mettre en relation plusieurs notions (abiotiques, biotiques, cycles biogéochimiques, actions humaines) pour expliquer le fonctionnement d’un écosystème ou prédire l’impact d’une perturbation. L’intégration se manifeste par : - la construction de schémas systémiques (réseaux trophiques, boucles de rétroaction) ; - l’utilisation de modèles simples (ex. : règle des 10 % pour le transfert d’énergie) ; - l’interprétation de données expérimentales ou de terrain en lien avec les concepts étudiés. ### B. Les niveaux d’organisation d’un écosystème 1. **Niveau atomique/moléculaire** (eau, CO₂, minéraux). 2. **Niveau cellulaire** (organismes unicellulaires, tissus végétaux). 3. **Niveau organique** (individus, populations). 4. **Niveau de peuplement** (communautés, interactions interspécifiques). 5. **Niveau écosystémique** (flux d’énergie et de matière, résilience). > **Règle des 10 %** : seulement environ 10 % de l’énergie assimilée au niveau trophique $n$ est transmise au niveau $n+1$ ; le reste est perdu sous forme de chaleur, de déchets ou utilisé pour le métabolisme. ### C. Construction d’un réseau trophique à partir d’une liste d’espèces **Méthode** : 1. Identifier les producteurs (plantes autochtones). 2. Déterminer les consommateurs primaires (herbivores) qui se nourrissent de ces producteurs. 3. Ajouter les consommateurs secondaires (carnivores ou omnivores) qui se nourrissent des primaires. 4. Eventuellement ajouter les décomposeurs (champignons, bactéries) qui recyclent la matière morte. > **Exemple 5** – Écosystème de savane donnée : > - Producteurs : *Hyparrhenia diplandra* (herbe), *Acacia seyal* (arbre). > - Consommateurs primaires : termites (*Macrotermes spp.*), antilope de brousse (*Tragelaphus scriptus*). > - Consommateurs secondaires : chacal (*Canis aureus*), serpent python (*Python sebae*). > - Décomposeurs : champignons du genre *Termitomyces*, bactéries du sol. Le réseau trophique résultant peut être représenté sous forme de chaînes simples : *Herbe → termite → champignon* ; *Acacia → antilope → chacal* ; *Herbe → antilope → python* ; etc. ### D. Calcul du transfert d’énergie entre niveaux trophiques On utilise la règle des 10 % pour estimer l’énergie disponible à chaque niveau. > **Exemple 6** – Dans la chaîne *Herbe → termite → champignon* : > - Production primaire nette (PPN) estimée à 5 000 kJ m⁻² an⁻¹ (valeur typique pour une savane sèche). > - Énergie disponible aux termites = $0,10 \times 5\,000 = 500$ kJ m⁻² an⁻¹. > - Énergie disponible aux champignons = $0,10 \times 500 = 50$ kJ m⁻² an⁻¹. > **Exemple 7** – Chaîne *Acacia → antilope → chacal* avec PPN de l’acacia estimée à 2 000 kJ m⁻² an⁻¹ (production foliaire comestible). > - Énergie aux antilopes = $0,10 \times 2\,000 = 200$ kJ m⁻² an⁻¹. > - Énergie aux chacals = $0,10 \times 200 = 20$ kJ m⁻² an⁻¹. Ces faibles valeurs illustrent pourquoi les chaînes alimentaires sont généralement limitées à trois ou quatre niveaux. ### E. Intégration des facteurs abiotiques et biotiques Un exercice d’intégration consiste à expliquer comment une variation du facteur abiotique (ex. : diminution de la pluviométrie) affecte les composantes biotiques et vice‑versa. **Exemple 8** – Sécheresse prolongée en savane : - **Facteur abiotique** : pluviométrie annuelle passe de 900 mm à 600 mm. - **Conséquence sur les producteurs** : réduction de la croissance de *Hyparrhenia diplandra* → baisse de la PPN de 30 %. - **Effet sur les consommateurs primaires** : moins de nourriture disponible → diminution de la densité des termites et des antilopes (mortalité accrue, moindre reproduction). - **Effet sur les consommateurs secondaires** : baisse de la proie → réduction de la densité des chacals et des pythons. - **Rétroaction** : moindre biomasse herbivore → moins de piétinement et de fertilisation des sols → possible aggravation de la dégradation du sol. Cette chaîne de causes et d’effets montre l’**intégration** des connaissances climatiques, de la physiologie végétale, de l’écologie des populations et de la dynamique des communautés. ### F. Outils d’intégration utilisés en classe - **Tableaux de flux** (énergie, eau, azote). - **Modèles conceptuels** (flèches, boucles de rétroaction). - **Graphiques de répartition** (biomasse par niveau trophique). - **Études de cas** (reboisement, incendie, surpâturage). --- ## Synthèse du chapitre - **Reboisement** : étapes (diagnostic, choix d’espèces, préparation du sol, pépinière, plantation, entretien, suivi) ; formule $N=A/s^{2}$ ; estimation du carbone $C=N B t f_{C}$. - **Espèces** : privilégier les essences autochtones adaptées (ex. : *Terminalia superba* en forêt, *Acacia seyal* en savane). - **Taux de survie** > 80 % après deux ans comme indicateur de succès. - **Intégration** : mise en relation des facteurs abiotiques et biotiques ; construction de réseaux trophiques ; application de la règle des 10 % pour le transfert d’énergie. - **Productivité primaire nette (PPN)** : base pour calculer l’énergie disponible aux niveaux trophiques supérieurs. - **Indicateurs de suivi** : taux de survie, hauteur moyenne, biomasse accumulée, équivalent CO₂ séquestré. - **Rétroactions** : modification du sol par l’activité biotique influence les conditions abiotiques et vice‑versa. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Reboisement | Action de planter des arbres sur un sol déboisé ou dégradé pour restaurer une couverture forestière. | | Espacement | Distance régulière entre deux plants consécutifs, exprimée en mètres. | | Taux de survie | Pourcentage de plants vivants après une période donnée par rapport au nombre initialement planté. | | Biomasse ligneuse | Masse sèche du tronc, des branches et du feuillage d’un arbre. | | Séquestration du carbone | Capture et stockage du CO₂ atmosphérique dans la biomasse ou les sols. | | Productivité primaire nette (PPN) | Quantité d’énergie fixée par la photosynthèse après subtraction de la respiration des plantes, exprimée en kJ m⁻² an⁻¹. | | Règle des 10 % | Principe selon lequel seulement environ 10 % de l’énergie assimilée à un niveau trophique est transférée au niveau suivant. | | Réseau trophique | Schéma représentant les relations de qui mange qui dans un écosystème. | | Facteur abiotique | Composante non vivante de l’environnement (température, eau, sol, lumière). | | Facteur biotique | Composante vivante de l’environnement (organismes, interactions). | | Décomposeur | Organisme qui dégrade la matière morte et libère les nutriments dans le sol. | | Rétroaction | Influence d’un composant du système sur un autre qui, à son tour, affecte le premier (boucle de cause à effet). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul du nombre de plants **Énoncé** : Une parcelle de 0,8 ha doit être reboisée en forêt dense avec un espacement de 4 m entre les plants. Combien de plants sont nécessaires ? **Corrigé** : - $A = 0,8\ \text{ha}=0,8\times10^{4}=8\,000\ \text{m}^{2}$ - $s = 4\ \text{m}\;\Rightarrow\;s^{2}=16\ \text{m}^{2}$ - $N = \dfrac{A}{s^{2}} = \dfrac{8\,000}{16}=500$ plants. **Réponse** : 500 plants. --- ### Exercice 2 – Estimation du carbone séquestré **Énoncé** : On plante 400 plants de *Milicia excelsa* (croissance moyenne $B=12\ \text{kg an}^{-1}$) sur une parcelle. Après 12 ans, quelle quantité de carbone (en tonnes) a été séquestrée ? **Corrigé** : - $N = 400$ - $t = 12\ \text{ans}$ - $f_{C}=0,5$ - $C = N \times B \times t \times f_{C}=400 \times 12 \times 12 \times 0,5$ - $400 \times 12 = 4\,800$ ; $4\,800 \times 12 = 57\,600$ ; $57\,600 \times 0,5 = 28\,800\ \text{kg C}$ - $28\,800\ \text{kg}=28,8\ \text{t C}$ **Réponse** : 28,8 t de carbone séquestré. --- ### Exercice 3 – Construction d’un réseau trophique **Énoncé** : Dans une galerie forestière, on observe les espèces suivantes : *Ceiba pentandra* (kapok), chenille de *Antheraea* spp., oiseau insectivore (*Pycnotus* spp.), serpent (*Dispholidus typus*), champignon saprotrophe. Dessinez le réseau trophique et indiquez les niveaux trophiques de chaque organisme. **Corrigé** : - **Producteur** : *Ceiba pentandra* (niveau 1). - **Consommateur primaire** : chenille (niveau 2) – se nourrit des feuilles du kapok. - **Consommateur secondaire** : oiseau insectivore (niveau 3) – se nourrit de la chenille. - **Consommateur tertiaire** : serpent (niveau 4) – se nourrit de l’oiseau. - **Décomposeur** : champignon saprotrophe (niveau de décomposition) – recycle la matière morte de tous les niveaux. Le réseau peut être représenté ainsi : *Ceiba → chenille → oiseau → serpent* ; *Tous les niveaux → champignon*. --- ### Exercice 4 – Application de la règle des 10 % **Énoncé** : La PPN d’une parcelle de savane est estimée à 3 500 kJ m⁻² an⁻¹. Calculer l’énergie disponible aux niveaux trophiques 2, 3 et 4. **Corrigé** : - Niveau 2 (consommateurs primaires) : $E_{2}=0,10 \times 3\,500 = 350$ kJ m⁻² an⁻¹. - Niveau 3 (consommateurs secondaires) : $E_{3}=0,10 \times 350 = 35$ kJ m⁻² an⁻¹. - Niveau 4 (consommateurs tertiaires) : $E_{4}=0,10 \times 35 = 3,5$ kJ m⁻² an⁻¹. **Réponse** : 350, 35 et 3,5 kJ m⁻² an⁻¹ respectivement. --- ### Exercice 5 – Intégration : effet d’une augmentation de la température **Énoncé** : Une hausse moyenne de la température de +2 °C est prévue dans une zone de forêt dense. Expliquer, en intégrant les connaissances sur la physiologie végétale, l’hydrologie et les interactions trophiques, les conséquences possibles sur (a) la croissance des arbres, (b) la densité des insectes herbivores, et (c) la population d’oiseaux insectivores. **Corrigé** : **(a) Croissance des arbres** - La photosynthèse augmente avec la température jusqu’à un optimum (~25‑30 °C pour beaucoup d’espèces tropicales). Une hausse de +2 °C peut rapprocher la température de l’optique, augmentant ainsi le taux de fixation du CO₂ et la production de biomasse, à condition que l’eau ne devienne pas limitante. - Si la température dépasse l’optique, la respiration augmente davantage que la photosynthèse, entraînant une baisse de la PPN. **(b) Densité des insectes herbivores** - Le développement des insectes est fortement dépendant de la température (dégré‑jours). Une hausse de +2 °C accélère leur cycle de vie, augmentant le nombre de générations par an et donc potentiellement leur densité. - Cependant, si les feuilles deviennent plus riches en composés défenseurs (tanins, alcaloïdes) sous stress thermique, la palatabilité peut diminuer, contrecarrant l’effet de la température. **(c) Population d’oiseaux insectivores** - Une augmentation de la densité des insectes herbivores fournit plus de proie, ce qui peut favoriser la reproduction et la survie des oiseaux insectivores (plus de poussins réussis). - En revanche, si la hausse de température entraîne un stress hydrique réduisant la végétation, l’habitat de nidification peut se détériorer, entraînant une baisse de la densité d’oiseaux malgré une abondance de proie. **Synthèse** : L’effet net dépend de l’équilibre entre l’accélération du métabolisme insectivore, la qualité de la ressource foliaire et la disponibilité de l’habitat. Une approche intégrée consiste à mesurer simultanément la température, l’humidité du sol, la concentration en composés défenseurs des feuilles et les effectifs d’insectes et d’oiseaux pour prédire la trajectoire de l’écosystème. --- ## Erreurs fréquentes | Erreur fréquente | Pourquoi elle se produit | Comment l’éviter | |------------------|--------------------------|------------------| | Confondre **espacement** et **densité** (plants / ha) | L’élève applique la formule $N=A/s^{2}$ en utilisant $s$ en centimètres sans convertir en mètres. | Toujours convertir les unités en mètres avant le calcul ; vérifier que le résultat donne un nombre raisonnable (ex. : 0,5 ha → quelques centaines de plants). | | Oublier le facteur de carbone $f_{C}=0,5$ dans l’estimation du CO₂ | On considère que la totalité de la biomasse est du carbone, oubliant que seule moitié environ est du carbone. | Rappeler systématiquement que $f_{C}=0,5$ et que pour passer du carbone au CO₂ on multiplie par $44/12\approx3,67$. | | Appliquer la règle des 10 % à chaque étape sans vérifier que le flux d’énergie est bien exprimé en même unité (kJ) | L’élève utilise des valeurs en joules ou en calories sans conversion, donnant des résultats incohérents. | Homogénéiser toutes les énergies en kilojoules avant d’appliquer le facteur 0,10. | | Considérer que tous les arbres d’une plantation ont exactement la même croissance $B$ | On néglige la variabilité individuelle (micro‑site, compétition). | Présenter $B$ comme une valeur moyenne et préciser que les résultats sont des estimations ; évoquer la nécessité d’un suivi réel pour ajuster les prévisions. | | Dessiner un réseau trophique en omettant les décomposeurs | On pense que seuls les êtres vivants visibles comptent dans les chaînes alimentaires. | Rappeler que les décomposeurs sont essentiels au recyclage des nutriments et doivent figurer dans tout schéma d’écosystème. | | Interpréter une hausse de température comme uniquement bénéfique pour la croissance des plantes | On oublie les effets de stress hydrique et de respiration accrue. | Toujours évoquer les deux côtés de la réponse physiologique : augmentation de la photosynthèse jusqu’à un optimum, puis déclin dû au stress. | --- *Fin du cours.*