Cours d'écologie Générale 2021 PDF

Université Mohammed V Faculté des Sciences -Rabat- Département de Biologie Filière SVI – Semestre 3 Module M17 Laboratoire de Botanique, Mycologie et Environnement Ecologie Générale 1 Pr. A. EL ABOUDI  1. Définition...

Université Mohammed V Faculté des Sciences -Rabat- Département de Biologie Filière SVI – Semestre 3 Module M17 Laboratoire de Botanique, Mycologie et Environnement Ecologie Générale 1 Pr. A. EL ABOUDI  1. Définitions 1.1. C’est quoi l’écologie? - L’écologie est une Science qui étudie la distribution et l’abondance des organismes, les interactions de ceux-ci avec leur milieu biotique et abiotique et les conséquences de toutes ces interactions. L’écologie apporte les connaissances nécessaires pour cerner les problèmes environnementaux, les comprendre et les résoudre Déforestation.  Érosion des terres par déforestation.  Appauvrissement des sols par l’agriculture et l’élevage.  Pollutions de l’eau et de l’air.  Bioaccumulation des pesticides.  Destruction de la couche d’ozone sous l'action des CFC (Chlorofluorocarbonnes).  Déséquilibres par introduction d’espèces exotiques. L’écologie requiert beaucoup de connaissances En génétique, en évolution, en physiologie, en éthologie, en chimie, en géologie, en physique, en mathématiques… Cycles Biogéochimiques  4.3. Composition d’un écosystème Composante abiotique formées de trois réservoirs  Air Atmosphère (basse atmosphère) BIOTOPE (Milieu  Eau Hydrosphère (océans, lacs, cours d'eau...) physique- Chimique)  Terre Lithosphère (pellicule de terre) BIOCÉNOSE Composante biotique formée d’un réservoir (Les vivants) Êtres vivants - Producteurs - Consommateurs - Détritivores ou décomposeurs  4.4. Fonctionnement d’un écosystèmes  L’étape organique de l’écosystème : cette étape se déroule le moment où la matière minérale est dans le réservoir des êtres vivants. Elle se résume à 3 groupes d'organismes : Producteurs — Consommateurs — Détrivores  4.4. Fonctionnement d’un écosystèmes Les producteurs  Des organismes qui se nourrissent eux-mêmes à partir de la matière minérale (autotrophes).  Matière minérale Matière organique  Forment des liaisons chimiques entre les molécules minérales « simples » et les transforment en matière organique « complexe ».  On distingue deux types de producteurs 1. Les photosynthétiseurs : L’énergie utilisée est la lumière Plantes (végétaux), algues (protistes), bactéries photosynthétiques 2. Les chimiosynthétiseurs : L’énergie utilisée provient de l’oxydation de certaines substances minérales : sulfure d'hydrogène ( H2S ) les grandes volcan sous-marin et Les profondeurs cheminées chaudes océaniques  Les consommateurs  Des organismes qui se nourrissent de matière organique donc dépendent des producteurs qui la produisent.  Matière organique Matière minérale…  Bris des liaisons chimiques entre les molécules organiques « complexes » les transformant ainsi en matière minérale « simple ». On distingue deux types de consommateurs Consommateurs de style « respirateurs » : Le processus métabolique utilisé est la respiration cellulaire « mitochondries » Consommateurs de style « fermenteurs » : Le processus métabolique utilisé est la fermentation - Fermentation alcoolique - Fermentation lactique  Les décomposeurs détritivores Des organismes qui consomment de la matière organique « morte » : des excréments, des feuilles mortes, des déchets d’animaux et des carcasses. Matière organique Produits minéraux le cycle biogéochimique est le passage alternatif d'un élément de l'état organique à l'état minéral, et dont les différentes phases se déroulent au sein de la biosphère.  1. Le cycle biogéochimique du carbone Mouvement du carbone au travers des réservoirs de l’écosystème L’atmosphère est un réservoir (Partie terrestre) mineur du carbone La circulation du carbone, entre les réservoirs biotique et abiotique, est assurée par la photosynthèse et la respiration. Le carbone pénètre dans les écosystèmes terrestres sous forme de CO2 (par la photosynthèse) et quitte les écosystèmes terrestres sous forme de CO2 (par la respiration) La photosynthèse et la respiration assurent donc la circulation du carbone entre les compartiments terrestres et l’atmosphère  1. Le cycle biogéochimique du carbone Mouvement du carbone au travers des réservoirs de l’écosystème (Partie aquatique) Les pluies acides sont formées lorsque l’eau réagit avec le CO2 en produisant de l'acide carbonique (H2 CO3 ) : CO2 +H2 O  H2 CO3 Les roches calcaires lessivées par les pluies acides produisent des ions calcium et bicarbonates qui ruissellent vers l’océan. H2 CO3 + CaCO3  Ca2  2HCO3 2HCO3 H2 +2CO3 Une bonne partie de ces ions calcium et bicarbonates sera utilisée par les organismes marins pour former leur squelette et leur coquille. À leur mort, leurs cadavres sédimentent et se transforment en roches calcaires  2. Le cycle biogéochimique de l’azote Mouvement de l’azote au travers des réservoirs de l’écosystème  L’atmosphère est le principal réservoir de l’azote  La circulation de l'azote, entre les réservoirs biotique et abiotique, est assurée par la nitrification et la dénitrification  Les producteurs absorbent l’azote sous forme de nitrates «NO3 - » et d’ammonium « NH4 + » 1  La majeure partie de l’azote de 2 2 l’écosystème provient de la circulation locale (décomposition des déchets organiques puis réintroduction au niveau des racines des producteurs) 3 4 Nitrification Dénitrification  3. Le cycle biogéochimique du phosphore  Les roches sont le principal réservoir de phosphates  Le cycle du phosphore ne comporte pas de phase gazeuse  Le phosphore devient naturellement disponible à l’écosystème lors de la dissolution lente des roches  Les producteurs absorbent le phosphore sous forme d’ions phosphates (PO4 3-)  La majeure partie du phosphore de l’écosystème provient de la circulation locale (décomposition des déchets organiques puis réintroduction au niveau des racines des producteurs)  Le phosphore des écosystèmes terrestres est perdu lorsqu'il est entraîné, par lessivage, dans les cours d'eau  Le phosphore des écosystèmes aquatiques est perdu lorsqu'il précipite au fond des océans et des lacs en formant des roches sédimentaires Facteurs écologiques  II. FACTEURS ECOLOGIQUES Définition  On appelle facteur écologique tout élément du milieu (température, pluies, PH du sol...) susceptible d'agir directement sur les êtres vivants au moins durant une phase de leur cycle de développement.  On distingue les facteurs : abiotiques (climatiques et édaphiques) et biotiques.  Ces facteurs écologiques n'agissent jamais indépendamment, au contraire les êtres vivants sont toujours exposés de façon simultanée à l'action conjuguée d'un grand nombre de facteurs. La résultante de cette action conditionnera donc l'état du développement des êtres vivants.  II. FACTEURS ECOLOGIQUES Abiotiques  Biotiques 1. Facteurs Ecologiques Abiotiques 1.1. Les facteurs physiques (climatiques) - l'eau - l'air - la lumière - la température. 1.2. Les facteurs édaphiques - la texture - la structure - La chimie  A. Facteurs climatiques Le climat et ses variations  I- Définitions LE CLIMAT: C’est l’ensemble des phénomènes météorologiques (température, humidité, ensoleillement, pression, vent, précipitations) qui caractérisent l'état moyen de l'atmosphère en un lieu donné.  II- Les causes des variations naturelles du climat Le moteur principal du système climatique de la Terre est le Soleil. Ce système climatique résulte de trois groupes de facteurs : Les facteurs cosmiques : variations naturelles de l'énergie solaire.  Les facteurs planétaires : répartition de l’énergie solaire sur la planète et ses conséquences sur les mouvements d’air (dynamisme de l'atmosphère) ;  Les facteurs géographiques : présence des reliefs, de la végétation, des volcans, les installations humaines, l’éloignement par rapport aux océans, etc). I. Les facteurs cosmiques I: facteurs I: facteurs cosmiques cosmiques 1. L'EFFET 1. L'EFFET DU DU SOLEIL SOLEIL SUR SUR LE LE CLIMAT CLIMAT - Effet sur la température Il existe 3 types de variations de la température à l’échelle du globe : Variations périodiques à court terme (jour-nuit et saisonnières) Variations périodiques à long terme (Obliquité et Excentricité)  Variations périodiques (taches solaires) jour-nuit saisonnières Obliquité Excentricité taches solaires  1.1. Variations périodiques (jour-nuit et saisonnières) La terre fait un tour sur elle- même en 24 heures selon un axe incliné à 23,5° et fait le tour du soleil en 365 jours en décrivant une orbite quasi circulaire. Ces caractéristiques astronomiques de notre planète font en sorte que nous ayons quatre saisons. 1.2. Variations périodiques (Obliquité) : Cycles de Milankovitch Actuellement, elle est de 23°26'14'' mais l'axe se redresse d'environ 0.46" par an ou environ 1 degré tous les 7800 ans.  1.3. Variations périodiques (Excentricité) : : Cycles de Milankovitch plus l’excentricité est grande, plus les saisons sont contrastée (hiver rigoureux et été chaud) Périhélie Aphélie Variation de l'excentricité de l'orbite terrestre autour du soleil CYCLICITÉ : 110 000 ans AMPLITUDE : l'excentricité varie entre 0 - 0,06 SITUATION ACTUELLE : excentricité de 0,02 décroissante Figure : Comparaison de l'effet de la précession de l'axe de rotation de la Terre pour l'hémisphère Nord : Il y a 11 ka (en haut), situation actuelle (en bas)  Été très chaud Hiver très froid Il y’a 11 000 ans Périhélie Aphélie Hiver doux Été moins chaud Actuellement Périhélie Aphélie  3. Les 3. Les variations variations de de l'activité l'activité solaire solaire (Taches (Taches solaires) solaires) Elle explique les faibles variations climatologiques qui ont lieu tous les 11 ans, lorsque le nombre de taches solaires est important, le Soleil émet plus d'énergie (la Terre en reçoit donc plus) et donc un changement de température a lieu. La petite période glaciaire observée entre les années 1645 à 1715, est une illustration de la théorie de l'influence des variations de températures dues au cycle des taches solaires. (Voir vidéo) II. Les facteurs planétaires I. Facteurs zonaux ou facteurs planétaire 1. Variations latitudinales des températures Dans les conditions naturelles, La répartition du rayonnement solaire au niveau de notre planète est fonction de la position de la Terre par rapport au Soleil. L’axe des pôles forme un angle de 23°5’ avec la normale (perpendiculaire) au plan de l’écliptique : l’intensité lumineuse varie avec la latitude. Facteurs zonaux ou facteurs planétaires 1.1. Rayonnement solaire Notre planète tire toute son énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. d'une seule source : le soleil. L'atmosphère fait écran total aux rayons gammas et X. Seule une partie de l'UV, le spectre de la lumière visible et les ondes radio atteignent le sol.  1.2. Le bilan radiatif de la Terre - Le bilan radiatif de la Terre est une composante essentielle du système climatique. - L'absorption du rayonnement solaire et la perte de chaleur vers l'espace sont des mécanismes primordiaux pour les températures globales et la dynamique du système - La quantité d'énergie solaire interceptée à la surface de la terre dépend des quantités d'énergie réfléchie par les nuages et les particules en suspension dans l'air (aérosols) 1.2. Le bilan radiatif de la Terre Le bilan radiatif d’un milieu considéré c'est la différence par unité de temps entre le gain d'énergie de rayonnement fourni par l' absorption de tout ou partie du rayonnement incident et la perte de cette même énergie causée par l' émission de rayonnement. Le bilan radiatif = rayonnement absorbé – rayonnement émis. La température moyenne sur toute la surface de la Terre (océans et continents), et sur toute l’année est estimée à +15°C. 1.2. Le bilan radiatif de la Terre La température sur la surface de la Terre (continents et océans) est le résultat d’un équilibre entre l’énergie absorbée et l’énergie réfléchie. L’énergie qui chauffe la surface de la Terre provient de deux origines (H et I), ce qui représente 492 watts/m2. Cette même quantité d’énergie (492 watts/m2) quitte la surface de la terre par trois origines (D, E et F). Tout changement dans chacune de ces origines, entraînera un déséquilibre de l’énergie, et par conséquent modifiera la température moyenne sur Terre et se répercutera sur le climat.  2. Impact des gaz à effet de serre sur l’augmentation des températures terrestres 18ème siècle  Projection climatique 1950-2200 Comparaison réalisée par le GIEC* entre deux scénarios d’émissions de GES. Le scénario sobre (en bleu) permet de maintenir un réchauffement global proche de 2° C Le scénario du « laisser-faire » (en rouge) reflète l’absence de mesures de réduction et aboutit à une augmentation de 4 à 6°C en 2100. * 3. Mouvement d’air et dynamique des masses atmosphériques 3.1. Les mouvements d'air verticaux L'air est un gaz qui a du poids. La pression atmosphérique est le poids d'une colonne d'air qui s'étend de la surface de la terre jusqu'au sommet de l'atmosphère et ce poids s'applique sur tous les objets à la surface de la Terre. La pression atmosphérique peut donc être mesurée en millimètres, ou en kilopascal (kPa) ou bar. La pression atmosphérique diminue avec l'altitude d'environ 3 hectopascals par tranche de 25 m.  3.1. Les mouvements d'air verticaux La densité de l'air dépend de sa température : - l'air chaud plus léger s'élève -l'air froid, plus lourd se tasse vers le sol. Ainsi, au contact du sol, l'air s'échauffe, devient donc plus léger et s'élève : il se produit une ascendance. Inversement, l'air froid, plus lourd, va descendre vers le sol, se comprimer et se réchauffer : il se produit une subsidence. 3.1. Les mouvements d'air verticaux Régions équatoriales Régions polaires L'air tropical s’est chauffe et devient Les masses d'air se refroidissent moins dense donc plus léger et et deviennent plus denses donc s'élève en altitude. Alors des basses plus lourdes et descendent. Alors pressions se forment au niveau du des hautes pressions se forment sol. au niveau du sol.  3.2. Les déplacements d'air horizontaux - Quand la pression est supérieur 1013 hPa (haute pression) cela correspond à un anticyclone (affecté de signe positif) - Quand la pression est inférieur à 1013 hPa (basse pression) c'est un Cyclone ou dépression (affecté de signe négatif) Une hausse de pression de l'air favorise généralement du beau temps, tandis qu'une baisse de pression est souvent associée à du mauvais temps et si elle descend très vite elle entraine un orage voir une tempête. 3.2. Les déplacements d'air horizontaux Le vent est un déplacement horizontal de l'air engendré par la force de pression qui tend à déplacer l'air atmosphérique des zones de hautes pressions vers les zones de basses pressions. Cette force de pression est perpendiculaire en chaque point aux lignes isobares, son intensité est d'autant plus grande que la différence de pression est élevée.  3.2. Les déplacements d'air horizontaux Le mouvement du vent est perturbé par la rotation de la Terre engendré par la force de Coriolis qui dévie l’air vers la droite dans l'hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud. Cette déviation est nulle à l'équateur et maximales aux pôles. Cette force déviante est à l'origine du mouvement tourbillonnaire de la masse d'air.  D'après cette hypothèse, le mouvement du vent ne se fait pas perpendiculairement aux lignes isobares mais tangentiellement. L'air tourne autour des centres dépressionnaires et des centres anticycloniques. Dans l'hémisphère nord, le vent tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre autour d'un centre dépressionnaire et dans le sens des aiguilles d'une montre autour d'un anticyclone. Dans l'hémisphère sud, les mouvements du vent sont inversés.  3.3. La 3.3. La circulation circulation atmosphérique atmosphérique générale générale La source principale des mouvements atmosphériques est le soleil. Celui-ci réchauffe la surface de la Terre. Des mouvements ascendants se créent, mais en s'élevant, l'air se refroidit et redescend alors vers le sol. Cette circulation porte le nom de cellule. Les différentes cellules sont disposées en bandes selon les latitudes : c'est une organisation zonale.  2.3. La 2.3. La circulation circulation atmosphérique atmosphérique générale générale On distingue donc six cellules de convection (transfert de l’énergie ou de chaleur) : deux cellules équatoriales dans le sens direct dites cellules de Hadley, deux cellules à circulation inverse des précédentes dites cellules de Ferrel et deux cellules polaires à nouveau à circulation directe. cellules polaires cellules de Ferrel cellules de Hadley  4. Les 4. Les grandes grandes zones zones climatiques climatiques On distingue : - Climat Tropical Humide : T>18° toute l’année et précipitations abondantes, 2 saisons (saison humide > saison sèche) - Climat Tropical sec : T>18° toute l’année et précipitations moins abondantes < 100mm avec 2 saisons (saison humide < saison sèche). - Climat désertique : T>18° toute l’année et précipitations < 100mm - Climat méditerranéen : étés chauds et secs et des hivers doux et humides - Climat tempéré océanique : étés chauds et humides et des hivers doux - Climat tempéré Continentale : étés chauds et humides et des hivers très froid - Climat montagnard : (étés sont moins chauds et les hivers plus rigoureux)  5. Les 5. Les biomes biomes 5.1. Qu’est-ce qu’un biome? Les biomes correspondent à des subdivisions latitudinales sous forme de bandes, de l'équateur vers les pôles, en fonction du climat et du milieu (aquatique, terrestre, montagnard). La répartition est généralement fondue sur les adaptations des espèces au froid et/ou à la sécheresse. Il n'y a pas de frontière nette entre deux biomes. Les zones de transition où se chevauchent des deux systèmes se nomment écotones. 5.2. Distribution des biomes terrestres  5.2.1. Biomes terrestres - Les zones chaudes Forêts tropicales et subtropicales humides à feuillage caduque Forêts de conifères tropicales et subtropicales La Forêt tropicale et subtropicale sèche à feuillage caduque Les Prairies et savanes Mangroves - Les zones tempérées Les forêts tempérées d'arbres à feuilles caduques Les forêts de conifères tempérées Forêts, bois et broussailles méditerranéens  Les zones froides. La taïga ou forêt boréale : C'est une région biogéographique nordique subarctique, composée principalement de sapins et autres conifères à feuilles persistantes.Toundra : La toundra n'existe pratiquement que dans l'hémisphère nord. La toundra est constituée par une strate végétale basse composée d'herbacées. Elle forme un cercle autour du pôle de plus de 8 millions de km² soit 6% des terres émergées.  5.2.2. Biomes aquatiques un peu plus de 70% de la surface de la terre est occupée par l’eau – océans, lacs et rivières etc. – estuaires : embouchure fluviale où il y a mélange de l’eau saline et l’eau douce, très riche en organismes biologiques – zones littorales : zones côtières où la terre et l’océan se rencontrent – récifs de corail : dépôts calcaires-carbonates au large de l’océan – borne continental : bordure du continent en dessous de l’eau océanique – fond de l’océan : région océanique lointaine III. Les facteurs géographiques III. Les facteurs géographiques Hydrographie et topographie 1. Les variations des précipitations Quatre facteurs interviennent dans la répartition des précipitations qui se traduit par une diminution des précipitations annuelles avec : - la latitude, - la longitude ou continentalité - l’altitude - l’exposition  2. Les variations de la température Trois facteurs interviennent dans leurs répartition qui sont : - la latitude - l’altitude : les températures moyennes diminuent lorsque l’altitude augmente avec un gradient de 0,5 °c à 0,6°c par 100m de dénivelé. - La continentalité : l'amplitude thermique : (différence entre la t°max et la t°min) est plus élevée à l'intérieur des continents que dans les régions côtières. Exemple : Rabat Meknes Fes M (°c) 28,5 34,2 35,8 m (°c) 7,7 4,4 4,3 M-m 20,8 29,8 31,5  3. BIOCLIMATOLOGIE C’est la science qui étudie les effets du climat sur l’évolution, la répartition et le développement des êtres vivants. Il s’agit donc ici, à l’aide de formules simples et empiriques, de ramener à une variable l’action de plusieurs facteurs afin de définir et classer les bioclimats. De nombreux indices bioclimatiques ont été proposés par des géographes (De Martonne) et par des botanistes (Gaussen, Emberger) pour caractériser le climat. La plupart de ces indices bioclimatiques combinent des valeurs des Précipitations (Pr) et des Températures (T).  3.1 - Le diagramme ombrothermique * Le diagramme ombro-thermique a été développé par les botanistes Henri Gaussen et F. Bagnouls. * Il a été conçu principalement pour les milieux méditerranéens * Le diagramme ombro-thermique représente les variations mensuelles sur une année des températures et des précipitations selon des graduations standardisées avec P = * Il permet de mettre en évidence les périodes de 2T. sécheresses, définies par une courbe des précipitations se situant en dessous de la courbe des températures. * Période favorable: Pr ≥ 2T Les besoins en eau des plantes sont Suffisants * Période défavorable: Pr ≤ 2T Les besoins en eau des plantes sont Insuffisants  3.1 - Le diagramme ombrothermique Climat méditerranéen Climat Tempéré Climat tropical Climat désertique Climat méditerranéen  3.2- Quotient pluviothermique de Luis EMBERGER C’est la classification bioclimatique la plus utilisée dans la région méditerranéenne. Le quotient pluviothermique exprime l’aridité du climat : il est directement proportionnel à la hauteur moyenne annuelle des précipitations en mm (P) et inversement proportionnel à l’amplitude extrême moyenne des températures (M-m) qui exprime la continentalité et donne aussi une idée de l’évaporation, (M+m)/2 correspond à la température moyenne annuelle. Q2 = 1000 P__ (M + m) (M – m) 2  3.2- Quotient pluviothermique de Luis EMBERGER Le quotient pluviométrique ou indice climatique d'Emberger sert à définir les cinq différents types de climats méditerranéens, depuis le plus aride, jusqu'à celui de haute montagne. Etages Variantes d’hivers ou Sous étage Humide Froid / Frais / Tempéré / Chaud Sub-humide Froid / Frais / Tempéré / Chaud Semi-aride Froid / Frais / Tempéré / Chaud Aride Froid / Frais / Tempéré / Chaud Saharien Froid / Frais / Tempéré / Chaud  m< 0  Hiver froid : gelée fréquente de longue durée  0