Séquence 7. Nourrir l humanité

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1 Séquence 7 Nourrir l humanité Sommaire 1. Les écosystèmes, des structures en équilibre 2. Les agrosystèmes détournent une grande partie de la production végétale pour l homme ou les animaux d élevage 3. Perspectives à l échelle de la planète Synthèse de la séquence 7 Glossaire Exercices de la séquence 7 1

2 1 Les écosystèmes, des structures en équilibre Pour s interroger L agriculture, une invention qui remonte à ans. Le maïs répond au nom scientifique de Zea mays. Les botanistes classent cette plante dans la famille des poacées = graminées. Dans cette famille on trouve également le blé, l orge, le seigle, le sorgho, le mil, le riz. Ces plantes cultivées sont désignées par un terme agricole : céréales. Toutes les poacées ne sont cependant pas des céréales. On peut citer le bambou, la canne à sucre ou encore l essentiel des plantes constituant les prairies, les alpages, les savanes ou votre gazon. Document 1 Composition d un grain de blé et d un grain de maïs Composition d un grain de blé Eau : 12 à 18% Amidon : 64 à 74 % Protéines (gluten) : 8 à12% Lipides : 1,5 à 2% Cellulose : 2,5 à 3% Matières minérales : 1,5 à 2% Composition d un grain de maïs Eau : 5,5% Amidon : 72% Protéines : 12% Lipides : 5,1% Cellulose : 2,8 % Matières minérales : 2,6 % Aujourd hui, la production mondiale de maïs grains atteint 600 millions de tonnes et couvre une superficie de 140 millions d hectares et fait du maïs la céréale la plus produite au monde devant le blé et le riz. En Amérique du sud, en Amérique Centrale, en Asie ou en Afrique le maïs est essentiellement une culture vivrière. Dans les pays dit développés, la plus grande partie de la production est destinée à l alimentation animale (aviculture, élevage de porcs). A l échelle mondiale, c est 70 % de la production qui rejoint la filière animale. A noter que le maïs est également utilisé comme fourrage pour l alimentation des bovins au cours de la période hivernale. Enfin le maïs trouve aussi une utilisation dans le domaine industriel (diverses utilisations de l amidon) et dans la production d agrocarburants. 3

3 Le succès du maïs trouve son origine dans les multiples usages que l on peut en faire comme on vient de le voir mais également dans les étonnantes capacités d adaptation de cette plante. Ainsi, on le cultive sous des climats très variés (climat semi-aride, climat humide..) allant d une latitude nord de 58 au Canada et en Russie jusqu à une latitude sud de 40 en Argentine et au Chili et à des altitudes pouvant dépasser les 3000 mètres dans la Cordillère des Andes. Cela suppose une plante douée de grandes capacités d adaptation physiologique mais aussi d une forte variabilité morphologique permettant à telle variété de produire beaucoup d amidon, à telle autre de produire une grosse quantité de fourrage etc. L origine de cette plante est située en Amérique centrale, plus précisément au Mexique et son histoire est totalement liée à celle des hommes depuis maintenant plus de 6000 ans. Plusieurs hypothèses ont été posées concernant son origine. Aujourd hui on admet que le maïs a été domestiqué à partir d une plante sauvage, la Téosinthe que l on peut toujours rencontrer à l état sauvage au Mexique. Cette hypothèse à longtemps été controversée ; il faut dire que les deux plantes présentent de nombreuses différences Document 2 Comparaison d un plant de maïs et d un plant de téosinte Quelques caractéristiques des épis de maïs. Les épis de maïs peuvent porter plusieurs centaines de grains. Les grains sont nus et rattachés à un axe central rigide. Par ailleurs, les grains sont comme emballés dans des feuilles, les spathes. Quelques caractéristiques des épis de téosinte : Les plantes de Téosinte portent de nombreux petits épis. Chacun de ces épis portent une dizaine de grains en moyenne distribués sur deux rangées. L axe central qui porte ces grains est souple et se désarticule à maturité. Chaque grain est solidaire d une enveloppe rigide. Epi de teosinte Epi de maïs 4

4 Questions Quelle particularité des céréales en font des plantes essentielles à l alimentation humaine et animale? Définir le mot suivant : vivrière. Rechercher des arguments montrant que sans intervention humaine le maïs ne pourrait pas germer et donc exister. Esquisser un scénario possible de domestication du maïs à partir de son ancêtre sauvage, la téosinte. L apparition de l agriculture est un phénomène relativement récent à l échelle de l humanité. Des vestiges archéologiques datant de ans pour les plus anciens, attestent son apparition, de façon indépendante, dans plusieurs régions du monde. Les foyers principaux se situeraient en Amérique centrale, en Asie et au Proche-Orient. De ces foyers, à la faveur des échanges et des migrations, l agriculture se serait ensuite répandue dans le monde entier modifiant les sociétés humaines et les écosystèmes. Les plantes cultivées et les animaux d élevage ont pour origine des individus sauvages que l homme a progressivement domestiqués. Ainsi la domestication du blé a été réalisée à partir d espèces sauvages du proche orient, celle du maïs à partir de la téosinte du Mexique. Un développement fulgurant au cours des 60 dernières années. Le seuil minimum nécessaire par personne et par jour est estimé à 2500 kcal Entre 1960 et 2010, la population humaine est multipliée par 2,5 passant de 2,5 milliards à 6 milliards. Pendant le même temps, on est passé d une consommation moyenne de 2400 kilocalories (kcal) par jour et par personne à 3000 kilocalories. Alors qu en 1960 il était consommé kilocalories par jour, en 2010 il en est consommé 1, soit 3 fois plus. Bien entendu, ces chiffres masquent des disparités importantes à l échelle de la planète, d une région du monde ou d un pays. En Afrique subsaharienne, la consommation moyenne est de 2200 kcal par jour et par personne alors qu elle atteint 3800 kcal dans les pays industrialisés. On compte toujours plus de 800 millions de personne malnutris dans le monde. En 2008, des émeutes de la faim éclatent en Afrique, en Indonésie ou bien encore à Haïti. A noter que le problème de l alimentation ne se résume pas à celui de la production mais pose également la question de l accessibilité des ressources. Malgré tout, on peut affirmer qu au cours de ces 60 dernières années, ce qui est très peu au regard des ans écoulés depuis son origine, l agriculture a connu un développement fulgurant. 5

5 Développement, il est vrai, surtout manifeste en Europe en Amérique du Nord ou en Asie. Par les conséquences de son développement, l agriculture est aujourd hui placée au cœur des questions de notre époque. Comment ce développement a-t-il été rendu possible? Quelles sont les conséquences de ce développement? Quelles sont les perspectives à l échelle de la planète? Pour répondre à ces questions, il est nécessaire dans un premier temps de comprendre quelques notions fondamentales régissant le fonctionnement des écosystèmes. A Le fonctionnement des écosystèmes repose sur l existence des producteurs primaires Activité 1 Les végétaux chlorophylliens fabriquent de la matière organique Mobiliser ses acquis Document 3 Les végétaux chlorophylliens réalisent des échanges avec leur environnement Les végétaux sauf exception ne peuvent pas utiliser pour leur croissance le diazote atmosphérique. Ils utilisent l azote sous forme d ions nitrates (N0 3 - ) ou ammonium (NH 4 + ) qu ils prélèvent dans la solution du sol. 6

6 Questions Nommer le phénomène au cours duquel est fabriquée la matière végétale. Sur le document 3, indiquer les termes suivants : Sol/sous-sol/horizons /atmosphère. Représenter, sur le document 3, les échanges réalisés par un végétal chlorophyllien avec l atmosphère d une part, avec le sol d autre part. Nommer les phénomènes représentés. Ecrire la réaction chimique matérialisant le bilan des transformations aboutissant à la production de matière organique par un végétal chlorophyllien. À retenir Dans la majorité des écosystèmes, l énergie solaire constitue la source d énergie permettant la fabrication par les végétaux chlorophylliens de matière organique (glucide, lipides, protides) à partir d éléments minéraux.pour cette raison, le processus est nommé photosynthèse et se déroule dans les feuilles qui sont des organes spécialisées pour cette fonction. On peut quantifier, par unité de surface, cette matière organique produite par les végétaux chlorophylliens. On parle alors de production primaire. Nous savons que les végétaux chlorophylliens fabriquent de la matière organique. Cette matière organique contient de l énergie. Que devient la matière organique (et l énergie qu elle contient) fabriquée par les végétaux chlorophylliens au sein des écosystèmes? B Les écosystèmes sont traversés par un flux de matière et d énergie 1. Un flux de matière Ecosystème : Tout écosystème est un ensemble fonctionnel constitué de deux éléments en interaction permanente : le biotope c'està-dire le lieu de vie caractérisé par des paramètres physiques et chimiques et l ensemble des êtres vivants que l on nomme biocénose. Des relations d interdépendance entre les êtres vivants existent au sein de tout écosystème en particulier des relations alimentaires ou trophiques. 7

7 Activité 2 Les relations trophiques dans un écosystème Recenser, extraire et organiser des informations Document 4 Un exemple d écosystème : la hêtraie sapinière Etres vivants Campagnol Chevreuil Chouette Écureuil Épervier Hérisson Lombric Martre Mésange noire Pic noir Renard Scolyte (insecte) Régime alimentaire Racines, bulbes Herbe, feuilles d arbustes Campagnols, oiseaux, insectes Graines (dans les cônes), bourgeons de conifères Petits oiseaux, petits rongeurs Lombrics, insectes, baies Feuilles mortes, débris végétaux Écureuils, petits oiseaux, petits rongeurs, baies Insectes, faînes (fruits du hêtre), graines de conifères Insectes, baies, graines de conifères Petits rongeurs, baies, lapins, oiseaux Bois des troncs d arbres En utilisant les données du tableau concernant les régimes alimentaires des différentes espèces vivant dans la hêtraie-sapinière, construire sur le document 4, le réseau trophique de cet écosystème. La flèche signifie «est mangé par» Pourquoi parle-t-on de réseau trophique? En vous appuyant sur quelques-unes des chaînes alimentaires établies à la question précédente, indiquer quel type d organisme vivant se trouve au début de la chaîne. Proposer une explication en utilisant le vocabulaire scientifique adapté : autotrophe, hétérotrophe, matière organique. 8

8 Activité 3 Document 5 Réaliser et interpréter une pyramide des biomasses Recenser, extraire et organiser des informations On a estimé la productivité en g.m 2.an 1 dans une prairie naturelle. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous. Productivité en g.m 2.an 1 dans une prairie naturelle Êtres vivants Régime alimentaire Biomasse en g.m 2.an 1 Niveau trophique (1) Poacées = graminées 3000 Brassicacéées =crucifères 1000 Autres végétaux chlorophylliens 700 Insectes Phytophage 0,1 Mammifères Phytophage 0,2 Oiseaux Phytophage 0,4 Araignées Zoophage 0,01 Oiseaux. Zoophage 0,03 Mammifères Zoophage 0,04 Insectes Zoophage 0,03 Définition La biomasse est la quantité de matière organique d un écosystème donné. Elle est exprimée par unité de surface ou de volume. C est donc un stock de matière vivante (et de l énergie contenue dans cette matière vivante) La quantité de biomasse fabriquée par unité de temps et de surface est la productivité. Questions Compléter la colonne de droite en utilisant les chiffres suivants : I, II ou III. (1)Le niveau trophique désigne la place occupée par un être vivant dans une chaîne alimentaire. Ainsi les végétaux chlorophylliens qui produisent la matière organique occupent le premier niveau (I), les organismes qui se nourrissent de végétaux occuperont le second niveau trophique (II) et ainsi de suite. A noter qu un même organisme peut occuper un niveau trophique différent suivant la chaine alimentaire considérée. 9

9 On souhaite représenter le transfert de matière au sein de l écosystème «prairie» par un graphique pyramidal. Dans cette représentation que l on nomme pyramide des biomasses, chaque niveau trophique est représenté par un rectangle dont la surface est proportionnelle à la biomasse de ce niveau trophique. En supposant que 1000 g.m 2.an -1 soit représenté par 5 cm 2, calculer la surface qui représentera chaque niveau trophique. Schématiser la pyramide des biomasses en tenant compte de chaque niveau trophique Effectuer le rapport mathématique entre chaque niveau trophique (végétaux/phytophages et phytophages/zoophages). Formuler un constat. Proposer une explication. Activité 4 Document 6 Le flux de matière dans un écosystème forestier Recenser, extraire et organiser des informations Le transfert des éléments chimiques dans un écosystème forestier Au sein d un écosystème comme une forêt par exemple, le transfert des éléments chimiques nécessaires à la croissance des végétaux peut être décrit de la manière suivante : Les éléments chimiques présents dans la solution du sol sont absorbés par les racines et entrent dans la composition de la matière du végétal produite chaque année. A l automne, sous nos climats, les arbres perdent leurs feuilles. Sous l action des détritivores, des champignons et des bactéries cette matière organique est minéralisée. A la minéralisation des feuilles mortes, s ajoute celle du bois mort et des cadavres d animaux. A ce cycle biologique des éléments nutritifs, s ajoute des importations d éléments minéraux par le biais des phénomènes atmosphériques et la décomposition de la roche mère. Des phénomènes comme le lessivage par exemple exportent annuellement des éléments minéraux. Ces éléments minéraux ne sont donc pas disponibles pour la croissance des végétaux. Quelques données sur une forêt de chênes Bois mort et racines Chute de feuilles en t.ha -1.an -1 mortes en t.ha. -1. an -1. Matière organique morte sur le sol en t.ha -1 Forêt de chênes 4 2,

10 Biomasse moyenne Production primaire nette en t.ha en g.m.an Forêt de chêne Après lecture du document 6, compléter le document 7 en utilisant des flèches et les mots suivants : absorption, restitution, stockage, importation, exportation. Document 7 Cycle des éléments chimique dans un écosystème forestier Bois mort Litière Roche-mère On a mesuré les stocks et les flux annuels d azote (N), de potassium (K) et de calcium (Ca) dans une forêt de chêne. Les résultats sont présentés sur le document 8. En utilisant l exemple de l azote, montrer que le sol d un écosystème naturel est équilibré. 11

11 Document 8 Stock et flux de K, Ca et N dans un écosystème forestier en kg.ha -1.an -1 Stockage dans la biomasse N : 1500 K : 550 Ca : 1900 Précipitations N : 10 K : 3 Ca : 9 Litière bois mort annuel N : 70 K : 51 Ca : 70 Litière des années précédentes N : 147 K : 46 Ca : 110 Lessivage N : 4 K : 3 Ca : 12 Absorption N : 85 K : 57 Ca : 90 Réserve minérale du sol N : 6000 K : 1000 Ca : 3700 Quel serait l effet de la disparition des décomposeurs du sol? Cela aurait il une influence sur le développement végétal? Argumenter votre réponse. Activité 5 Questions Comprendre la circulation des atomes d azote dans un écosystème Recenser, extraire et organiser des informations Compléter par des flèches, le document 9a, afin de mettre en évidence les relations trophiques existantes entre les différents organismes représentés. En vous appuyant sur les documents 9a, 9b, 9c et 9d, expliquer comment les atomes d azote initialement présents dans le sol peuvent à nouveau s y retrouver quelques temps plus tard. 12

12 Document 9a Une chaîne trophique Document 9b Schéma simplifié du cycle de l azote Croissance Excréments Protéines animales et végétales Molécules organiques azotées Bactéries Décomposition Minéralisation NH + 4 Bactéries NO 2 Nitrates (NO 3 ) Document 9c Composition chimique d un végétal et d un animal en % de la masse totale C H O N P S Animal 19,4 5,6 62,8 9,3 0,63 3,64 Végétal 11,6 0,8 77,6 8,7 0,7 0,2 13

13 Document 9d Composition de l urine de mammifère eau Substances minérales : Na, Cl Composition de l urine Substances organiques : Urée (NH 2 -CO-NH 2 ) produit de la dégradation des protéines. L allantoïne, C 4 H 6 N 4 O 3, produit du métabolisme des purines. Les purines sont des molécules que l on trouve dans l ADN (Adénine et guanine) À retenir Dans quasiment tous les écosystèmes, les êtres vivants qui sont à la base de chaque chaîne alimentaire sont des végétaux chlorophylliens ; le premier niveau trophique est constitué d organismes autotrophes, c est-à-dire capables de produire leur matière organique à partir de matières exclusivement minérales. Cette capacité ne peut se réaliser qu en présence de lumière : on qualifie ces organismes de photoautotrophes. Dans un réseau trophique, les organismes photoautotrophes constituent les producteurs primaires. Les plantes vertes en milieu terrestre et le phytoplancton en milieu marin sont les principaux producteurs primaires. Les autres niveaux trophiques sont occupés par des êtres vivants consommant de la matière organique pour produire leur propre matière organique (ils transforment la matière organique synthétisée par les autotrophes) : ce sont des organismes hétérotrophes. Ils constituent les producteurs secondaires des chaînes alimentaires. Les producteurs secondaires sont représentés par : les animaux consommant la matière organique produite par les producteurs primaires : ils sont phytophages et constituent les consommateurs primaires ; les organismes zoophages qui constituent les consommateurs secondaires (il peut y avoir plusieurs niveaux d animaux zoophages) ; les organismes consommant la matière organique morte : les décomposeurs. Ils assurent le recyclage de la matière organique en matière minérale. P C1 C2 C3 Décomposeurs Minéralisation P C Transfert de la matière organique. Producteurs primaires. Consommateurs = producteurs secondaires. 14

14 2. Un flux d énergie Nous venons de voir que de la matière passe d un niveau trophique à l autre. Mais qu y a-t-il de commun entre l herbe mangée par un lapin et le lapin mangé par le renard? Cette analyse qualitative ne permet pas de mesure car un kilo de lapin est difficilement comparable avec un kilo de salade. Afin de mieux percevoir les limites de cet aspect qualitatif nous allons prendre l exemple d un autre herbivore, la vache, animal intermédiaire entre deux êtres vivants : l herbe de son pré, le producteur primaire et l humain le consommateur II qui mange sa viande et boit son lait. Activité 6 La mesure de l énergie est un moyen possible de comparaison des différents processus de transformation de la matière Recenser, extraire et organiser des informations Document 10 «Entrées» et «sorties» chez un herbivore : la vache Questions Au bout de flèches arrivant ou partant de la vache, placer les mots bouse, CO2, herbe, lait, viande, producteur primaire, consommateur I, consommateur II de façon à compléter le document 10. Dans un tableau à deux colonnes, rassembler d une part ce qui entre dans la vache et d autre part ce qu elle en fait. Nous voyons que ce que la vache produit est très hétérogène : dioxyde de carbone, viande lait et bouse sont difficilement comparables. La mesure de l énergie est un moyen possible de comparaison de ces différents processus de transformation de la matière. Nous savons que les molécules organiques fabriquées par les végétaux chlorophylliens au cours de la photosynthèse contiennent de l énergie chimique. Notons que ces molécules ont été fabriquées à partir de «matériaux» dépourvus d énergie : C0 2 et H 2O ; c est donc l énergie lumineuse qui a été convertie en énergie chimique. 15

15 Ainsi le glucose, C 6 H 12 O 6 est une molécule organique (glucide) qui contient de l énergie potentielle. On a déterminé que l oxydation d une mole de glucose au cours de la respiration libère kj. Il en est de même avec la matière animale : s il y a de l énergie dans l herbe, il y en a aussi dans la viande, dans le lait Nous allons essayer de transformer des flux de matière en flux d énergie dans un écosystème et nous aurons ainsi une idée des échanges quantitatifs dans l écosystème. Activité 7 Questions Calculer les rendements énergétiques dans un écosystème Recenser, extraire et organiser des informations Ecrire la réaction chimique matérialisant l oxydation d une molécule de glucose au cours de la respiration. Nommer l autre phénomène permettant d extraire l énergie contenue dans la matière organique. Nous savons que l énergie solaire reçue par la Terre varie selon la latitude. Sous notre latitude, l énergie solaire reçue est estimée à kj.m - 2. an -1 Remarque Un hectare de forêt sous climat tempéré (chênaie-hêtraie par exemple) produit en moyenne par an 8 tonnes de bois, 3 tonnes de feuilles, 1 tonne de fruit, 1 tonne de racines. L énergie accumulée dans la biomasse est estimée à : 18,8 kj.g -1 pour les racines, les fruits et le bois 19,2 kj.g -1 pour les feuilles 1 hectare = m 2 Avec quel rendement la forêt réalise-t-elle la conversion de l énergie solaire en énergie chimique? Discuter le résultat obtenu. Nous avons vu que de la matière passe d un niveau à un autre d un écosystème. Nous avons vu aussi qu une façon simple d évaluer les quantités de matière passant d un niveau à un autre consiste à trouver leur équivalent énergétique. Le schéma ci-dessous représente, de manière simplifiée, la répartition d énergie lorsque l on passe d un niveau trophique à l autre. 16

16 Document 11 Flux d énergie dans un organisme I A NA R P I : Energie ingérée A : Energie assimilée NA : Energie non assimilée R : Energie perdue par respiration P : Energie fixée dans la production a) En reprenant l exemple de la vache vu précédemment, préciser ce que peut-être I, NA, P et R. b) En utilisant vos connaissances de seconde, précisez ce qu est A. c) Comparer cette représentation schématique et le tableau que vous avez rempli (question 2, activité 6) et montrer l intérêt de cette façon de représenter les transferts d énergie. Des chercheurs se sont intéressés au transfert d énergie le long d une chaîne alimentaire dans une prairie naturelle. Le végétal chlorophyllien à la base de cette chaine alimentaire est une graminée (herbe) nommée Poa compressa. Les campagnols (Microtus agrestis) présents dans cet écosystème n ingèrent que 2% de la nourriture disponible. Ils sont en concurrence avec de nombreux insectes (punaises, sauterelles ) La population de rongeurs n utilise que 2 % de la quantité ingérée pour sa propre croissance. Les pertes respiratoires s élèvent à 68% Les belettes (Mustella nivelis) ingèrent 30% de la nourriture disponible. 2,5 % de cette quantité ingérée est utilisée par le mustélidé pour sa production secondaire. Les pertes respiratoires s élèvent à 93%. Remarque Questions les campagnols mangent les graminées et les campagnols sont la proie des belettes. Expliquer l expression écrite en couleur. En vous aidant du document 11, calculer les rendements d assimilation et de production pour le campagnol et la belette. Discuter les résultats obtenus. Avec l exemple de la belette mangeant des campagnols qui mangent de l herbe, on a pu voir que la matière et donc l énergie d un niveau trophique sert de matériau de construction au niveau suivant. On peut appliquer le schéma de répartition des énergies vu précédemment (document 11), non plus pour un individu mais pour les individus se mangeant successivement les uns les autres (document 12). 17

17 Document 12 Flux d énergie dans un écosystème Végétaux chlorophylliens. Exemple : graminée Consomateurs I. Exemple : campagnol Consomateurs II. Exemple : belette R R I A I A NC NA NC NA Décomposeurs Flux d énergie Producteurs primaires Producteurs secondaires NA : Energie non assimilée A : Energie assimilée NC : Energie non consommée R : Energie perdue par respiration I : Energie ingérée La succession herbe-campagnol-belette est une chaîne alimentaire que l on peut trouver dans une prairie par exemple. Dans tous les écosystèmes on peut trouver de telles successions de mangeurs qui sont mangés, par exemple : Dans l océan : Phytoplancton-zooplancton-larves de crustacés-hareng-oiseaux Dans le sol d un bois : Litière-vers-merles-rapace Dans un chêne : Feuille d arbre-chenille-mésange-rapace Question A la lumière de ce que l on vient de voir, expliquer pourquoi ces chaînes trophiques ont-elles toujours un nombre limité de maillons? Activité 8 Représenter sur un schéma les flux de matière et d énergie dans un écosystème Communiquer dans un langage scientifique approprié Question Représenter sur le schéma ci-dessous le transfert de matière et d énergie au sein d un écosystème. 18

18 Document 13 Schéma simplifié du flux de matière et d énergie dans un écosystème Plantes vertes O 2 CO 2 C1 Matière organique morte : cadavres, feuilles mortes... C2 C3 Détrivores Sels minéraux Décomposeurs Circulation de la matière minérale Flux d énergie Circulation de la matière organique. Activité 9 Question Rédiger une synthèse Communiquer dans un langage scientifique approprié Rédiger un texte organisé (10 lignes environ) répondant au problème posé au début du chapitre. Rappel du problème : «Nous savons que les végétaux chlorophylliens fabriquent de la matière organique. Cette matière organique contient de l énergie. Que devient la matière organique (et l énergie qu elle contient) fabriquée par les végétaux chlorophylliens au sein des écosystèmes? 19

19 Bilan Dans un écosystème la matière organique produite par les végétaux chlorophylliens assure l existence d un réseau trophique complexe. En effet, les organismes hétérotrophes dépendent directement ou indirectement des végétaux chlorophylliens. C est en utilisant des matières organiques déjà existantes qu ils trouvent les matériaux et l énergie qui leur sont nécessaires. La matière organique produite par les organismes autotrophes est donc transformée le long des chaînes alimentaires. Le passage de la matière organique d un niveau trophique à un autre se fait avec des pertes considérables d énergie. Une partie de la matière organique ingérée n est pas assimilée et une partie est perdue par respiration. La minéralisation de cette matière par les organismes décomposeurs permettra de fournir aux autotrophes les éléments minéraux dont ils ont besoin. Il existe donc un cycle de la matière. 20

20 2 Les agrosystèmes détournent une grande partie de la production végétale pour l homme ou les animaux d élevage Pour s'interroger Souligner dans la liste ci-dessous, en utilisant deux couleurs différentes, les surfaces que l on peut ranger dans la catégorie «agrosystème» et celles que l on peut ranger dans la catégorie «écosystème». Prairie naturelle, champ de tournesol, forêt, champ de maïs, prairie d alpage, lande, lac, pâturage, vigne, élevage de porc, riziculture, bananeraie. Document 1 Rendement du blé, maïs, colza entre 1955 et 2008 en quintaux.ha -1 en France Aide 1 quintal = 100 kg 1 Ha = m Rendement en quintaux/ha 1 Maïs Blé Colza Années Document 2 Evolution de la masse d un plant de maïs au cours de sa phase végétative (du semis à la récolte) Masse sèche en g Masse sèche totale Grains Tiges et feuilles Racines Temps en jours 21

21 Quand un agriculteur indique que le rendement de son maïs est de 70 quintaux.h -1 il signifie que sa culture a produit 70 quintaux de grains de maïs par hectare Le rendement peut-il être confondu avec la production primaire. Justifier votre réponse en utilisant le document 2. Décrire l évolution des rendements de 1960 à Calculer la surface nécessaire pour produire 100 tonnes de blé en 1960, en Proposer plusieurs hypothèses pour expliquer ce constat. À retenir Au cours des 50 dernières années, les rendements et donc la production primaire ont augmenté de façon spectaculaire. Comment ce développement a-t-il été rendu possible? Quelles sont les conséquences de ce développement? A L homme, acteur majeur des agrosystèmes Activité 1 Comprendre le rôle joué par l homme dans les agrosystèmes Pratiquer une démarche scientifique : raisonner avec rigueur Recenser, extraire et organiser des informations Document 3 Deux agrosystèmes (champ de maïs et pâturage) à deux moments de l année Le maïs peut être utilisé sous forme d ensilage pour l alimentation des bovins ou sous forme de grains utilisés pour l alimentation humaine et animale. Dans le premier cas, l ensemble de l appareil végétatif aérien est récolté ; dans le second on ne garde que les grains des épis. Document page suivante 22

22 Questions En vous appuyant sur les connaissances du chapitre1,comparer dans un tableau à double entrée ce que devient la production primaire dans un écosystème forestier et dans les deux agrosystèmes représentés sur le document 3. Le devenir de la production primaire est différent dans un agrosystème ou dans un écosystème. En utilisant vos connaissances, indiquer quelle conséquence cela peut avoir sur la quantité d éléments minéraux disponible dans le sol des agrosystèmes. Le fichier open-calc recense les données relatives à trois éléments chimiques, N, P et k dans un agrosystème. Ces éléments minéraux sont nécessaires à la croissance des végétaux. Montrer, en utilisant l exemple de l azote (N) que l intervention de l homme est nécessaire dans un agrosystème. Aide Réaliser le bilan, dans un tableau, des entrées et des sorties pour le maïs grain et le maïs ensilage. Rédiger une conclusion. Expliquer l origine des différences constatées (restitution et exportation) entre ces 2 pratiques culturales. Indiquer comment l homme peut intervenir pour rétablir l équilibre. 23

23 Document 4a Culture de blé dans deux situations différentes (avec ou sans adventices) Document 4b Poids des betteraves en fonction du nombre d adventices Poids betterave en kg.m Total adventices.m -2 Rechercher le sens du mot adventice. En utilisant vos connaissances et les documents 4a et 4b, expliquer pourquoi les agriculteurs cherchent par des moyens mécaniques ou chimiques à éliminer les adventices. Formuler les conséquences de l élimination des adventices sur la biodiversité et les réseaux trophiques des agrosystèmes. Document 5a L eau, élément clé de la production végétale 95 % de l eau absorbée par un végétal est restituée à l atmosphère par transpiration. Cette perte d eau au niveau des feuilles aspire la sève brute (eau + ions minéraux) par un mécanisme de succion assurant ainsi l approvisionnement des cellules en éléments minéraux. Un arbre, au printemps, peut rejeter jusqu à 400 litres d eau par jour dans l atmosphère. L eau disponible dans le sol est donc un facteur important dans le cycle de vie d un végétal. Quand cette réserve est épuisée, il y a stress hydrique ce qui se traduit par une fermeture de structures particulières situées au niveau des feuilles, les stomates. Cela permet de réduire la perte d eau par le végétal. Or c est également par ces stomates que pénètre le dioxyde de carbone 24

24 Document 5b Les feuilles, «usines» des végétaux chlorophylliens Les stomates, lieu d échange des gaz (dioxyde de carbone, oxygène et eau) entre le végétal et le milieu extérieur. Stomates Epiderme supérieur de la feuille Vaisseau transportant la sève Epiderme inférieur de la feuille Document 5c Rendements obtenus pour 4 cultures en 2003 comparés aux rendements des années précédentes L année 2003 fut, sur le plan climatique, une année particulière par l intensité et la durée de la sécheresse Rendement (quintaux.ha 1 ) Colza Blé Maïs Soja Moyenne des année 2000,2001 et Expliquer, en mettant en relation les documents 5a, 5b et 5c et en utilisant vos connaissances, les chutes de rendement observés en Aide Votre explication scientifique doit contenir (entre autres) les mots suivants : eau, matière organique, stomate, C02, stress hydrique, photosynthèse. Rédiger une synthèse (10 lignes maxi) expliquant pourquoi les agrosystèmes doivent être entretenus par l homme. 25

25 À retenir Dans un écosystème les éléments nutritifs sont restitués au sol. Dans un agrosystème, les plantes cultivées consomment beaucoup d éléments nutritifs. Ces éléments sont exportés au moment de la récolte (dans les grains, les tubercules, les fourrages, les légumes ) et ne sont pas restitués au sol qui s appauvrit. En l absence d apport extérieur, l appauvrissement du sol aura pour conséquence une diminution des rendements. La richesse du sol en éléments nutritifs doit donc être maintenue par l homme. Dans un agrosystème, l espèce cultivée doit bénéficier de conditions de croissance optimales. Cela implique une destruction des espèces pouvant entrer en compétition (en particulier sur le plan trophique) avec l espèce cultivée.dans un agrosystème la diversité végétale est faible et les réseaux trophiques s en trouvent fortement simplifiés. L eau est un élément clé des agrosystèmes. Un stress hydrique se traduit par une diminution de la production végétale et donc des rendements. Afin de sécuriser les rendements, l homme doit recourir à l irrigation. Si les interventions de l homme peuvent différer d un agrosystème à l autre (champ de maïs, bananeraie, vigne ) on peut dire que tous les agrosystèmes sont des systèmes entretenus, subventionnés par l homme. Ecosystème Agrosystème Nombre d espèces animales Nombre d espèces végétales Elevé Elevé Faible Faible Relations trophiques Réseau trophique complexe Réseau trophique simplifié formé d un producteur, la plante cultivée et d un nombre limité de consommateurs (homme, animaux d élevage) Biomasse pérenne Elevée Faible Devenir de la produc- tion primaire Alimente l écosystème Exportée 26

26 B L utilisation des intrants doit être raisonnée Nous avons constaté que les agrosystèmes nécessitent une intervention permanente de l homme afin d équilibrer le sol, de lutter contres les adventices, ou assurer un apport régulier en eau. Ces interventions humaines sécurisent les rendements. Ces réponses ne sont cependant pas sans conséquence que ce soit sur la qualité des eaux, la biodiversité, la dégradation des sols, le cout énergétique, ou bien encore le rejet de gaz à effet de serre. Certains de ces aspects seront abordés dans le chapitre 3. Les agronomes travaillent aujourd hui à la mise en place de nouvelles pratiques culturales conciliant la nécessaire production et la gestion durable de l environnement. 1. Maîtriser la fertilisation, un enjeu essentiel Activité 2 Comprendre l impact sur l environnement d une fertilisation excessive La fertilisation des agrosystèmes est nécessaire afin de maintenir la richesse du sol en éléments nutritifs. Cependant, depuis quelques années, on observe notamment en Bretagne un phénomène connu sous le nom de nom de marées vertes. Ce phénomène est décrit dans le document 6. Document 6 Les marées vertes en Bretagne. Depuis plusieurs années, on assiste à une prolifération d algues dans les rivières de Bretagne et dans les baies où la configuration ne permet pas un effet de brassage suffisant: l eau verdit et sa transparence diminue, c est l eutrophisation. Ces végétaux, en mourant, vont constituer un apport nutritif pour les bactéries qui se multiplient et consomment le dioxygène dissous dans l eau, conduisant à l asphyxie de nombreux animaux aquatiques qui finissent par disparaître. En outre, les eaux de surface, rivières et lacs, fournissent au moins 80 % de l eau potable pour les Bretons. D aucuns pensent que l agriculture intensive très répandue en Bretagne est à l origine de ce phénomène. Qu en est-il exactement? 27

27 Question Exploiter les documents ci-dessous (7a à 7f) afin de montrer, dans un texte organisé, comment l utilisation intensive d engrais (minéraux et/ou organiques) contribue à une dégradation de la qualité des eaux. Aide On vous demande à travers l étude des documents proposés de trouver des éléments de réponse objectifs. Pour cela vous devez : Etablir la relation entre agriculture intensive et présence de nitrates. Expliquer l origine des nitrates. Remarque 50 mg.l -1 est la quantité maximale de nitrates au-delà de laquelle l eau n est plus considéré comme potable. Document 7a Bref historique de la fertilisation La fertilisation existe depuis que les populations sédentaires cultivent le sol. Jusqu à la fin du 18ème siècle, les pratiques agricoles étaient basés sur la rotation : alternance entre année de culture et de jachères. Les seules sources de fertilisants étaient les déjections animales mais en quantité trop insuffisante. Ce n est qu au milieu du 19ème siècle, avec les progrès de la chimie, qu apparaissent les premiers engrais minéraux et que les rendements progressent tout en demeurant très inférieurs aux rendements actuels. On distingue deux types d engrais : les engrais minéraux et les engrais organiques. Les éléments nutritifs des engrais organiques sont d origine animale ou végétale. Ainsi le mélange des excréments et des urines des animaux d élevage constitue le lisier qui est riche en matière organique azotées. Le lisier collecté est répandu par les agriculteurs sur les sols destinés à implanter des cultures. Les engrais minéraux sont produits à partir des minerais du sous-sol (phosphate, potasse) ou à partir du diazote de l air. Les engrais minéraux peuvent ne contenir qu un seul élément chimique : engrais azotés(n), engrais phosphaté (P) ou potassique (K) ou sont composés de plusieurs éléments chimiques : engrais NPK. Il faut bien distinguer les engrais des amendements. Les premiers ont pour objectif d augmenter la teneur du sol en éléments nutritifs et favoriser la croissance des végétaux cultivés alors que les seconds ont pour but d améliorer la structure du sol que ce soit sur le plan physique, chimique ou microbiologique. 28

28 Document 7b Schéma simplifié de l agriculture en France Elevage intensif Culture de céréales Elevage extensif Prairie permanente Vigne, cultures maraichères et fruitières Grandes cultures céréalières Document 7c Teneur en nitrates dans les eaux souterraines de 3 régions françaises : Bretagne, Corse et Beauce Bretagne Corse Beauce Teneur en nitrates en mg.l 1 > à 50 mg 10 à 20 mg 30 à 50 mg < à 10 mg 20 à 30 mg 2008 Teneur en nitrates > à 50 mg.l 1 < à 50 mg.l 1 Document 7d Fertilisation de deux agrosystèmes au cours d une année Novembre 2010 Mars 2011 Sol Sous-sol Culture de blé Pâturage Rivière Epandage engrais Epandage lisier Février 2011 Mai

29 Document 7e Cycle de l azote N 2 azote atmosphérique Usine d engrais Légumineuses Epandage d engrais Bactéries du sol Litière Fourrage Bouses Cadavres NH 4 + ion ammonium NO 3 ion nitrate Dénitrification Lessivage Cours d eau Nappes phréatiques Document 7f Les végétaux et l azote Les végétaux sauf exception ne peuvent pas utiliser pour leur croissance le diazote atmosphérique. Ils utilisent l azote sous forme d ions nitrates (N03-) ou ammonium (NH4+) qu ils prélèvent dans la solution du sol. Les ions N03- sont solubles et donc facilement lessivables s ils ne sont pas absorbés par les végétaux. Les ions NH4+sont moins facilement lessivés car ils se fixent sur les colloïdes du sol. L agriculture intensive peut-elle être à l origine des marées vertes? Proposer une explication. On a mesuré, pour une parcelle donnée, les rendements obtenus en fonction de la quantité d azote apportée à la culture. Les résultats sont présentés dans le document 8. Représenter graphiquement avec open-calc la variation des rendements obtenus en fonction de la quantité d azote utilisée. Utiliser ces résultats afin de proposer un début de réponse au problème posé sur l environnement par la fertilisation. 30

30 Document 8 Rendements obtenus en fonction de la quantité d azote utilisée Masse d azote (kg.ha-1) Rendements (quintaux.ha , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,2 1 ) À retenir Tout fertilisant en excès ou épandu à des périodes inappropriées est perdu par ruissellement et lessivage en période de fortes pluies ou réorganisé dans le sol. La préservation des eaux souterraines ou superficielles est une nécessité qui passe par une gestion de la fertilisation azotée. Comment concilier la nécessaire production et la gestion durable de l environnement? Activité 3 Comprendre le principe de la fertilisation raisonnée Une des orientations de la directive nitrates est «La fertilisation azotée doit suivre le principe de la fertilisation équilibrée ou raisonnée» L objectif de la fertilisation raisonnée est d équilibrer les apports en azote de la culture avec les fournitures d azote du sol et l engrais apporté en compléments. La couverture des besoins doit être apportée tout au 31

31 long du cycle de la culture et plus particulièrement aux périodes clés ou tout manque d azote se traduit par une baisse du rendement. Le problème à résoudre À la sortie de l hiver, il est nécessaire d apporter de l azote aux cultures de blé implantées à l automne. En se fondant sur ses pratiques habituelles, un agriculteur estime qu il doit apporter, à sa culture de blé, 180 kg.ha -1. L itinéraire technique de la culture est décrit dans le document 8. À partir des données 1 à 8 fournies par les agronomes, déterminer si la quantité d azote définie par l agriculteur est adaptée ou pas? Aide Faire le bilan des entrées en azote et les besoins. En déduire ainsi la quantité d azote à apporter. Document 8 Remarque Itinéraire technique de la culture de blé chaque petit carré correspond à un mois de l année D I F Quelle quantité apporter? Prairie Culture de blé Temps en mois D Destruction de la prairie I Implantation du blé F Fertilisation Activité 4 Comprendre que le choix d une pratique culturale peut limiter l impact sur l environnement Pratiquer une démarche scientifique : raisonner avec rigueur Recenser, extraire et organiser des informations On peut lire sur un arrêté préfectoral les précisions suivantes Le problème à résoudre «Pendant la période d interculture, chaque exploitation agricole devra maintenir un taux de couverture végétale équivalent à 70% de sa SAU (surface agricole utile) en zone vulnérable en 2009 puis augmentant de 10% /an pour atteindre 100% en 2012». 32

32 Cet arrêté préfectoral est-il justifier scientifiquement? Utiliser les résultats des recherches effectuées (document 9 et 10) afin de répondre au problème posé. Votre réponse devra prendre la forme d un texte organisé. Les modalités des itinéraires techniques sont présentées dans le document 9. La moutarde appartient à la famille des Brassicacées (famille dans laquelle on retrouve le colza, choux ) Elle sera détruite avant l implantation du maïs. On mesure l azote minéral dans le sol (de 0 à 90cm) en Août 2010, en Octobre 2010 et en Février Les résultats sont présentés dans le document 10. Document 9 Itinéraire technique dans deux parcelles voisines Parcelle Blé Sol nu Maïs Implantation du blé Récolte Implantation du maïs Récolte Culture Interculture Culture Parcelle Blé Moutarde Maïs Implantation du blé Récolte Implantation du maïs Récolte Culture Interculture Culture Fortes pluies Fertilisation F M A Chaque petit rectangle correspond à un mois de l année 33

33 Document 10 Quantité d azote minéral dans le sol (de 0 à 90cm) en Août 2010, en Octobre 2010 et en Février 2011 avec ou sans culture de moutarde 180 Azote (kg.ha 1 ) 180 Azote (kg.ha 1 ) Août Octobre Février Lorsque le sol reste nu 0 Août Octobre Février Lorsque le sol reçoit une culture de moutarde À retenir L utilisation d engrais est indispensable afin de compenser les exportations d éléments minéraux au moment des récoltes Ajuster les apports aux besoins, ne pas laisser le sol nu durant la période d interculture permet de limiter la perte d éléments minéraux par lessivage et ruissellement. 34

34 2. Les problèmes posés par l utilisation des pesticides Activité 5 Identifier les problèmes posés par l utilisation des pesticides Définition Les pesticides sont des molécules minérales ou organiques utilisées pour détruire les êtres vivants considérés comme nuisibles Document 11 Itinéraire technique d une culture de blé Semis Fertilisation Insecticides Herbicides Fongicides Régulateur de croissance Récolte S O N D J F M A M J J A Remarque Questions Les cases grisées correspondent à une action : semis, application d un herbicide Rechercher quel est le rôle exercé par chacune des substances chimiques dont le nom est écrit en caractères gras dans le tableau ci-dessus. Document 12 Utilisation de pesticide dans un champ de blé Sous-sol 1 Culture de blé 3 Poisson herbivore Sol 2 Elodée (végétal aquatique) 4 Héron 35

35 Sur le document ci-dessus, indiquer par des flèches le trajet possible des pesticides. En déduire les conséquences possibles pour l environnement, pour l homme. À retenir L usage des pesticides s est considérablement accru au cours de la seconde partie du 20ème siècle.la prise de conscience croissante des risques qu ils peuvent générer pour l environnement, voire pour la santé de l homme conduit à l élaboration de nouvelles stratégiesainsi, le plan Ecophyto 2018 qui a pour objectif de diminuer de 50 % l usage des pesticides d ici 2018 implique de raisonner l emploi des pesticides: réduction de la fréquence des traitements, réduction des doses appliquées, prévention des risques de résistance. Cette mise en œuvre suppose d être en mesure d évaluer de façon précise et objective les risques encourus par une culture donnée. 36

36 3. Des besoins en eau qui augmentent Activité 6 Le problème à résoudre Equilibrer les apports et les besoins en eau Un agriculteur souhaite implanter une culture de maïs dans le centre de la France. Il se demande si les disponibilités en eau seront suffisantes. Sur la base des données ci-dessous, établir une conclusion. Aide Faire le bilan des besoins et des apports en eau. Analyse à mener d un point de vue quantitatif et qualitatif. Conclusion sur la nécessité ou non de recourir à l irrigation. Document 13 Document 14 Un paramètre important : l eau fournit par le sol L eau disponible dans le sol peut être exprimée en réserve utile du sol (RU) et en réserve facilement utilisable (RFU). La réserve utile du sol est la quantité d eau maximale utilisable par la plante stockée par le sol. Celle-ci dépend des caractéristiques pédologiques du sol. Toute cette eau n est pas facilement disponible pour les plantes. C est pourquoi les agronomes introduisent un second paramètre : la réserve facilement utilisable du sol (RFU). En tenant compte des caractéristiques du sol, les agronomes estiment que la réserve utile du sol (RU) est ici de 86 mm. Ils en déduisent une valeur de la réserve facilement utilisable (RFU) égale ici à 54 mm. Précipitations au cours de la période végétative (avril à septembre 2010) dans la région concernée Toutes les précipitations ne sont pas disponibles pour la végétation. Une partie est «perdue» par ruissellement notamment. On estime ici les pertes à 20%. Mois Avril Mai Juin Juillet Aout Septembre Précipitations en mm 76,8 75, ,6 49,4 56,2 Document 15 Besoins en eau permettant un rendement optimal du maïs Les agronomes peuvent calculer les besoins en eau permettant le développement optimal d une culture donné. Pour le maïs, les besoins en eau sont estimés à 5800 m 3.ha

37 Les besoins en eau évoluent au cours du cycle du végétal. Les besoins en eau du maïs de mai à août sont donnés sur la courbe ci-dessous. 6 Besoins en eau (mm.j 1 ) Mai Juin Juillet Août À retenir Les aléas de la pluviométrie dans certaines régions nécessitent de recourir à l irrigation afin d assurer la production et sécuriser les rendements. Des bilans hydriques permettent d ajuster de façon précise le supplément d eau qui doit être apporté par l irrigation. 38

38 C La production animale La consommation moyenne de viande par personne et par an en France est de 96,5 kg. A titre de comparaison, cette consommation atteint 4kg par personne et par an en Inde. Dans les pays d Europe du nord, sur les 3800 kilocalories consommés quotidiennement, 1200 sont d origine animale alors qu en Afrique subsaharienne, la contribution des calories animales à la ration alimentaire (2200 kilocalories) est de 135 kilocalories. Les produits d origine animale sont riches en protéines et/ou lipides. Il en découle que la consommation de protéines et lipides est très variable d un endroit à l autre de la planète. Ces constats posent plusieurs questions : Quel sont les impacts écologiques d une alimentation carnée? La planète pourrait-elle «supporter» une même alimentation pour tous? 1. L impact écologique d une alimentation riche en viande Activité 7 Document 16 Les pyramides des énergies et l alimentation humaine Raisonner Le calcul des flux d énergie traversant les agrosystèmes permet d estimer l impact écologique de son alimentation. Flux d énergie (en kj.ha 1.an 1 ) dans deux agrosystèmes Agrosystèmes Energie solaire incidente Producteurs primaires Consommateurs de premier ordre Consommateurs de second ordre Champ de blé en Hollande 5, , (grain de blé) 32, (tissu humain) aucun Prairie en France 41, , (herbe) 11,10. 6 (tissu de bœuf) 8, (tissu humain) Document 17 Pour le champ de blé : La productivité en grains utilisables par l Homme est de 47,9 millions de kj.ha 1.an 1. Les grains sont digestibles à 80%. Pour la prairie pâturée : La productivité secondaire (viande + lait) est de 21,7 millions de kj.ha 1.an 1. Après nourrissage des veaux avec le lait, il reste 11,1 millions de kj.ha 1.an 1, digestibles à 90%. 39

39 Document 18 Quantité d eau nécessaire pour produire 1 kg de matière (en litres) Blé 1100 Riz pluvial 1400 Soja 2700 Bœuf Porc 4600 Volaille 4100 Lait 3000 Fromage 5000 œufs 2700 Questions Construire les deux chaines alimentaires évoquées dans les documents, et justifier les niveaux trophiques différents occupés par l Homme. Rappeler en vous appuyant sur les connaissances acquises dans le chapitre précédent, quelles sont les causes des pertes énergétiques constatées entre chaque niveau. Calculer pour chaque production ce qui reste pour l alimentation humaine. En considérant qu il faut 4,1 millions de KJ (pour nourrir un Homme pendant un an), calculer le nombre d humains qui pourront être nourris par 1 hectare de blé et un hectare de prairie. Remarque 1 calorie =4,18 joule Que peut-on en déduire quand à l impact écologique d une alimentation carnée? Activité 8 Mesurer l impact d une alimentation riche en viande à l échelle de la planète Il faut 7 Kg de céréales pour produire 1 Kg de bœuf, 4 kg de céréales pour produire 1 kg de porc et 2 Kg pour produire 1 Kg de poulet. Actuellement la consommation moyenne d un français est de 96,5 kg de viande par an que l on peut, en simplifiant, répartir de la manière suivante : Viande bovine : 29,2 kg. Porc : 38,7 kg. Volaille : 28,6 kg. En Inde, la consommation moyenne est de 4 kg par an et par personne. 40