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46.1 : Ecologie des Ecosystèmes - Biologie


46.1 : Écologie des écosystèmes

Écologie des écosystèmes

Écologie des écosystèmes est l'étude intégrée des composants vivants (biotiques) et non vivants (abiotiques) des écosystèmes et de leurs interactions dans un cadre écosystémique. Cette science examine le fonctionnement des écosystèmes et le relie à leurs composants tels que les produits chimiques, le substrat rocheux, le sol, les plantes et les animaux.

L'écologie des écosystèmes examine les structures physiques et biologiques et examine comment ces caractéristiques des écosystèmes interagissent les unes avec les autres. En fin de compte, cela nous aide à comprendre comment maintenir une eau de haute qualité et une production de produits de base économiquement viable. L'écologie des écosystèmes se concentre principalement sur les processus fonctionnels, les mécanismes écologiques qui maintiennent la structure et les services produits par les écosystèmes. Ceux-ci incluent la productivité primaire (production de biomasse), la décomposition et les interactions trophiques.

Les études sur la fonction écosystémique ont considérablement amélioré la compréhension humaine de la production durable de fourrage, de fibres, de carburant et d'approvisionnement en eau. Les processus fonctionnels sont médiés par le climat, les perturbations et la gestion au niveau régional à local. Ainsi, l'écologie des écosystèmes fournit un cadre puissant pour identifier les mécanismes écologiques qui interagissent avec les problèmes environnementaux mondiaux, en particulier le réchauffement climatique et la dégradation des eaux de surface.

Cet exemple montre plusieurs aspects importants des écosystèmes :

  1. Les limites des écosystèmes sont souvent nébuleuses et peuvent fluctuer dans le temps
  2. Les organismes au sein des écosystèmes dépendent des processus biologiques et physiques au niveau de l'écosystème
  3. Les écosystèmes adjacents interagissent étroitement et sont souvent interdépendants pour le maintien de la structure communautaire et des processus fonctionnels qui maintiennent la productivité et la biodiversité

Ces caractéristiques introduisent également des problèmes pratiques dans la gestion des ressources naturelles. Qui gérera quel écosystème ? La coupe de bois dans la forêt dégradera-t-elle la pêche récréative dans le ruisseau? Ces questions sont difficiles à traiter pour les gestionnaires des terres alors que la frontière entre les écosystèmes reste floue même si les décisions dans un écosystème affecteront l'autre. Nous devons mieux comprendre les interactions et les interdépendances de ces écosystèmes et les processus qui les maintiennent avant de pouvoir commencer à répondre à ces questions.

L'écologie des écosystèmes est un domaine d'étude intrinsèquement interdisciplinaire. Un écosystème individuel est composé de populations d'organismes qui interagissent au sein des communautés et contribuent au cycle des nutriments et au flux d'énergie. L'écosystème est la principale unité d'étude en écologie des écosystèmes.

La population, la communauté et l'écologie physiologique fournissent de nombreux mécanismes biologiques sous-jacents qui influencent les écosystèmes et les processus qu'ils maintiennent. Le flux d'énergie et le cycle de la matière au niveau de l'écosystème sont souvent examinés en écologie des écosystèmes, mais, dans l'ensemble, cette science est davantage définie par le sujet que par l'échelle. L'écologie des écosystèmes aborde les organismes et les pools abiotiques d'énergie et de nutriments comme un système intégré qui la distingue des sciences associées telles que la biogéochimie. [1]

La biogéochimie et l'hydrologie se concentrent sur plusieurs processus écosystémiques fondamentaux tels que le cycle chimique des nutriments à médiation biologique et le cycle physico-biologique de l'eau. L'écologie des écosystèmes constitue la base mécaniste des processus régionaux ou mondiaux englobés par l'hydrologie du paysage à la région, la biogéochimie mondiale et la science du système terrestre. [1]


46.1 : Ecologie des Ecosystèmes - Biologie

Des connaissances de base en sciences naturelles comme la physique, la biologie, la chimie et l'écologie sont nécessaires pour comprendre ce qui arrive à la Terre, la planète sur laquelle nous vivons tous.

  1. L'écologie est l'étude des systèmes environnementaux et de la façon dont ils interagissent et interagissent.
    Cela comprend l'environnement abiotique (non vivant), la litosphère, l'hydrosphère (l'eau), l'atmosphère (l'air), la cryosphère (les zones gelées) et la biosphère (le vivant).

  • Litosphère : terre au sol, roches, poussières, graviers.
  • Hydrosphère : la rivière. (tout plan d'eau)
  • Atmosphère : l'air.
  • Biosphère : la végétation et les animaux

  1. En principe, nous commençons avec un gros morceau de roche et de poussière. La croûte de notre planète est appelée la Litosphère.
    A la litosphère on ajoute de l'eau : L'hydrosphère .
    En plus de cela, nous ajoutons de l'air - L'atmosphère. L'atmosphère a plusieurs couches, mais à cet égard, l'accent sera mis sur les deux couches principales, la couche inférieure où la plupart des organismes vivants sont capables de respirer et la couche supérieure, où l'air est trop mince pour que les organismes normaux survivent.
    Près de la litosphère se trouve la troposphère - à environ 10 km dans les airs se trouve la stratosphère.

Avec l'énergie du soleil, le système est prêt pour la prochaine étape :
La biosphère.
La biosphère comprend tous les organismes vivants : plantes, animaux, bactéries, champignons.

L'écosphère est la zone où l'on peut trouver des écosystèmes, ou elle peut faire référence à un écosystème planétaire constitué de l'influence du système solaire, de la géosphère (la planète), de l'atmosphère, de l'hydrosphère et de la biosphère.
Recette pour une écosphère (NASA)

Pour que les écosystèmes complexes se développent, il est nécessaire d'avoir une température assez stable.
Lorsque les températures diurnes et nocturnes varient de plus de 30 degrés centigrades, des organismes vivants plus complexes doivent lutter pour maintenir l'homéostasie.

La plupart des organismes - plantes et animaux - ont des événements de cycle de vie périodiques. Ces cycles de vie sont influencés par les variations saisonnières et interannuelles du climat, et bien sûr par les changements climatiques à long terme. Un domaine distinct d'étude écologique appelé phénologie se concentre sur ces cycles de vie. Plusieurs études phénologiques indiquent les impacts du changement climatique.

Les gaz à effet de serre dans l'atmosphère empêchent les chutes de température drastiques la nuit ou pendant les périodes sombres en ralentissant l'énergie sortant de la planète sous forme de lumière infrarouge.
Sur notre planète, ces gaz représentent environ 1 % de l'atmosphère, vapeur d'eau comprise.
En d'autres termes, nous n'avons pas besoin de beaucoup de gaz à effet de serre pour obtenir l'effet souhaité.

Avec une température globale moyenne assez stable d'environ 14 centigrades, plutôt que 30 centigrades de moins,
comme cela aurait été sans gaz à effet de serre, la base des formes de vie supérieures est présente.
Sans gaz à effet de serre, l'eau douce gèlerait chaque nuit.
L'eau gelée, La cryosphère, est difficile d'accès pour les organismes vivants.

En d'autres termes, la biosphère ne prospérera pas si l'hydrosphère n'est disponible que sous la forme d'une cryosphère. D'autre part, les glaciers de montagne fournissent d'importants réservoirs d'eau douce, alimentant les rivières en eau de fonte pendant les saisons chaudes. Sans glaciers de montagne, plusieurs rivières s'assécheraient pendant les saisons estivales, c'est-à-dire enlevant périodiquement l'hydrosphère de l'écosystème.

Une composition chimique "correcte" des gaz dans l'atmosphère est donc cruciale pour le développement de formes de vie supérieures.

La biosphère est divisée en producteurs ou plantes, consommateurs ou animaux et parasites à différents niveaux et décomposeurs : vers, bactéries et champignons.

Photo : P. Prokosch. Waterbuck (1er consommateur), Masai Mara

  1. Écosystèmes
    Selon l'Évaluation des écosystèmes pour le millénaire, un « écosystème est un complexe dynamique de communautés végétales, animales et de micro-organismes et de l'environnement non vivant interagissant en tant qu'unité fonctionnelle ».

Les écosystèmes sont composés d'une partie de la litosphère, de l'eau, de l'air, des organismes vivants.
Ces composants interagissent entre eux et avec leur environnement au sein de l'écosystème.
Dans cette interaction, de l'énergie est échangée et des cycles d'éléments émergent.
Dans un écosystème durable, tout bouge par cycles.
Rien ne peut s'accumuler aux points du système pendant de plus longues périodes.
Il n'y a ni déchets ni ordures.

Un écosystème peut contenir un ou plusieurs habitats, avec des quantités variables d'eau, d'ombre, de minéraux, de vent, de sel, de lumière, de température et d'autres espèces. Un habitat est une zone habitée par une espèce particulière d'animal ou de plante. Certaines plantes et certains animaux sont très spécialisés et doivent remplir certaines conditions dans l'écosystème pour pouvoir survivre dans leur habitat. Plus l'animal ou la plante est spécialisé, plus il est sensible ou vulnérable au changement, par ex. le climat, l'acidité accrue, la pollution, le manque de certains minéraux ou le manque de certaines autres espèces de plantes et d'animaux avec lesquels il interagit.
Des espèces opportunistes ou envahissantes peuvent pénétrer dans l'habitat et peuvent décimer ou exterminer les espèces spécialisées.
Chaque habitat a des formes de vie distinctes qui y vivent. Les habitats peuvent à leur tour former des communautés complexes d'organismes interdépendants. Une communauté aussi complexe de plantes et d'animaux dans une région s'appelle un biome. « biomes » et « écosystèmes » sont souvent utilisés comme synonymes.

Plus les espèces sont diversifiées dans l'écosystème, plus le système est résistant aux catastrophes ou aux changements. Les écosystèmes homogènes ou les monocultures sont plus vulnérables. Chaque fois qu'une espèce d'un écosystème est supprimée, qu'il s'agisse d'une plante, d'un animal, d'un champignon ou d'un micro-organisme, l'écosystème s'épuise et perd de sa résilience.


Étudier la dynamique des écosystèmes

De nombreux modèles différents sont utilisés pour étudier la dynamique des écosystèmes, y compris des modèles holistiques, expérimentaux, conceptuels, analytiques et de simulation.

Objectifs d'apprentissage

Différencier les modèles conceptuels, analytiques et de simulation de la dynamique des écosystèmes et les études de recherche sur les mésocosmes et les microcosmes

Points clés à retenir

Points clés

  • Un modèle d'écosystème holistique quantifie la dynamique d'un écosystème entier.
  • Les scientifiques peuvent utiliser des systèmes expérimentaux, tels qu'un microcosme ou un mésocosme, pour étudier les écosystèmes dans des conditions de laboratoire contrôlées.
  • Un modèle conceptuel utilise des organigrammes pour montrer les interactions entre les composants vivants et non vivants de l'écosystème.
  • Un modèle analytique utilise des formules mathématiques simples pour prédire les effets des perturbations environnementales sur la structure et la dynamique d'un écosystème.
  • Un modèle de simulation prédit les effets des perturbations environnementales à l'aide d'algorithmes informatiques complexes, ce sont généralement des prédicteurs assez fiables.

Mots clés

  • mésocosme: une petite partie du milieu naturel qui est amenée dans des conditions contrôlées à des fins expérimentales
  • microcosme: un écosystème artificiel et simplifié utilisé pour simuler et prédire le comportement des écosystèmes naturels dans des conditions contrôlées

Recherche sur la dynamique des écosystèmes : expérimentation et modélisation des écosystèmes

La dynamique des écosystèmes est l'étude des changements dans la structure des écosystèmes causés par des perturbations environnementales ou par des forces internes. Diverses méthodologies de recherche mesurent la dynamique des écosystèmes. Certains écologistes étudient les écosystèmes à l'aide de systèmes expérimentaux contrôlés, tandis que certains étudient des écosystèmes entiers dans leur état naturel, d'autres utilisent les deux approches.

Modèle d'écosystème holistique

Un modèle d'écosystème holistique tente de quantifier la composition, l'interaction et la dynamique d'écosystèmes entiers. Un réseau trophique est un exemple de modèle d'écosystème holistique, qui est le plus représentatif de l'écosystème dans son état naturel. Cependant, ce type d'étude est limité par le temps et les dépenses, ainsi que par sa faisabilité limitée pour mener des expériences sur de grands écosystèmes naturels.

Systèmes expérimentaux

Pour ces raisons, les scientifiques étudient les écosystèmes dans des conditions plus contrôlées. Les systèmes expérimentaux impliquent généralement soit de partitionner une partie d'un écosystème naturel qui peut être utilisé pour des expériences, appelé mésocosme, soit de recréer entièrement un écosystème dans un environnement de laboratoire intérieur ou extérieur, appelé microcosme. Une limitation majeure de ces approches est que le retrait d'organismes individuels de leur écosystème naturel ou la modification d'un écosystème naturel par partition peut modifier la dynamique de l'écosystème. Ces changements sont souvent dus à des différences de nombre et de diversité des espèces, mais aussi à des altérations de l'environnement provoquées par le cloisonnement (mésocosme) ou la recréation (microcosme) de l'habitat naturel. Ainsi, ces types d'expériences ne sont pas totalement prédictifs des changements qui se produiraient dans l'écosystème à partir duquel elles ont été recueillies.

Mésocosme: Les serres contribuent aux études de mésocosmes car elles permettent de contrôler l'environnement et donc l'expérimentation. Les mésocosmes de cet exemple, des plants de tomates, ont été placés dans une serre pour contrôler la distribution de l'air, de la température, de l'eau et de la lumière afin d'observer les effets lorsqu'ils sont exposés à différentes quantités de chaque facteur.

Comme ces deux approches ont leurs limites, certains écologistes suggèrent que les résultats de ces systèmes expérimentaux ne devraient être utilisés qu'en conjonction avec des études écosystémiques holistiques pour obtenir les données les plus représentatives sur la structure, la fonction et la dynamique des écosystèmes.

Modèles d'écosystèmes

Les scientifiques utilisent les données générées par ces études expérimentales pour développer des modèles d'écosystèmes qui démontrent la structure et la dynamique des écosystèmes. Trois types de base de modélisation des écosystèmes sont couramment utilisés dans la recherche et la gestion des écosystèmes : les modèles conceptuels, les modèles analytiques et les modèles de simulation.

Un modèle conceptuel se compose d'organigrammes pour montrer les interactions de différents compartiments des composants vivants et non vivants de l'écosystème. Un modèle conceptuel décrit la structure et la dynamique de l'écosystème et montre comment les perturbations environnementales affectent l'écosystème, bien que sa capacité à prédire les effets de ces perturbations soit limitée.

Les modèles analytiques et de simulation sont des méthodes mathématiques de description des écosystèmes capables de prédire les effets de changements environnementaux potentiels sans expérimentation directe, bien qu'avec des limitations de précision. Un modèle analytique est créé à l'aide de formules mathématiques simples pour prédire les effets des perturbations environnementales sur la structure et la dynamique de l'écosystème.

Un modèle de simulation est créé à l'aide d'algorithmes informatiques complexes pour modéliser de manière holistique les écosystèmes et prédire les effets des perturbations environnementales sur la structure et la dynamique des écosystèmes. Idéalement, ces modèles sont suffisamment précis pour déterminer quelles composantes de l'écosystème sont particulièrement sensibles aux perturbations. Ils peuvent servir de guide aux gestionnaires d'écosystèmes (tels que les écologistes de la conservation ou les biologistes des pêches) dans le maintien pratique de la santé des écosystèmes.


Recherche sur la dynamique des écosystèmes : expérimentation et modélisation des écosystèmes

L'étude des changements dans la structure de l'écosystème causés par des changements dans l'environnement (perturbations) ou par des forces internes est appeléedynamique de l'écosystème. Les écosystèmes sont caractérisés à l'aide de diverses méthodologies de recherche. Certains écologistes étudient les écosystèmes à l'aide de systèmes expérimentaux contrôlés, tandis que certains étudient des écosystèmes entiers dans leur état naturel, et d'autres utilisent les deux approches.

UNE modèle d'écosystème holistique tente de quantifier la composition, l'interaction et la dynamique d'écosystèmes entiers, il est le plus représentatif de l'écosystème dans son état naturel. Un réseau trophique est un exemple de modèle d'écosystème holistique. Cependant, ce type d'étude est limité par le temps et les dépenses, ainsi que par le fait qu'il n'est ni faisable ni éthique de faire des expériences sur de grands écosystèmes naturels. Il est difficile de quantifier toutes les espèces différentes d'un écosystème et la dynamique de leur habitat, en particulier lorsqu'on étudie de grands habitats tels que la forêt amazonienne, qui couvre 1,4 milliard d'acres (5,5 millions de km 2 ) de la surface de la Terre.

Pour ces raisons, les scientifiques étudient les écosystèmes dans des conditions plus contrôlées. Les systèmes expérimentaux impliquent généralement soit la partition d'une partie d'un écosystème naturel qui peut être utilisé pour des expériences, appelé un mésocosme, ou en recréant entièrement un écosystème dans un environnement de laboratoire intérieur ou extérieur, ce que l'on appelle un microcosme. Une limitation majeure de ces approches est que le retrait d'organismes individuels de leur écosystème naturel ou la modification d'un écosystème naturel par partition peut modifier la dynamique de l'écosystème. Ces changements sont souvent dus aux différences de nombre et de diversité des espèces ainsi qu'aux altérations de l'environnement causées par la partition (mésocosme) ou la recréation (microcosme) de l'habitat naturel. Ainsi, ces types d'expériences ne sont pas totalement prédictifs des changements qui se produiraient dans l'écosystème à partir duquel elles ont été recueillies.

Comme ces deux approches ont leurs limites, certains écologistes suggèrent que les résultats de ces systèmes expérimentaux ne devraient être utilisés qu'en conjonction avec des études écosystémiques holistiques pour obtenir les données les plus représentatives sur la structure, la fonction et la dynamique des écosystèmes.

Les scientifiques utilisent les données générées par ces études expérimentales pour développer des modèles d'écosystèmes qui démontrent la structure et la dynamique des écosystèmes. Trois types de base de modélisation des écosystèmes sont couramment utilisés dans la recherche et la gestion des écosystèmes : un modèle conceptuel, un modèle analytique et un modèle de simulation. UNE modèle conceptuel est un modèle d'écosystème qui se compose d'organigrammes pour montrer les interactions de différents compartiments des composants vivants et non vivants de l'écosystème. Un modèle conceptuel décrit la structure et la dynamique de l'écosystème et montre comment les perturbations environnementales affectent l'écosystème. Cependant, sa capacité à prédire les effets de ces perturbations est limitée. Les modèles analytiques et de simulation, en revanche, sont des méthodes mathématiques de description des écosystèmes qui sont effectivement capables de prédire les effets de changements environnementaux potentiels sans expérimentation directe, bien qu'avec certaines limitations quant à la précision. Un modèle analytique est un modèle d'écosystème créé à l'aide de formules mathématiques simples pour prédire les effets des perturbations environnementales sur la structure et la dynamique de l'écosystème. UNEmodèle de simulation est un modèle d'écosystème créé à l'aide d'algorithmes informatiques complexes pour modéliser de manière holistique les écosystèmes et prédire les effets des perturbations environnementales sur la structure et la dynamique des écosystèmes. Idéalement, ces modèles sont suffisamment précis pour déterminer quelles composantes de l'écosystème sont particulièrement sensibles aux perturbations, et ils peuvent servir de guide aux gestionnaires de l'écosystème (tels que les écologistes de la conservation ou les biologistes des pêches) dans le maintien pratique de la santé de l'écosystème.

Modèles conceptuels

Les modèles conceptuels sont utiles pour décrire la structure et la dynamique des écosystèmes et pour démontrer les relations entre les différents organismes d'une communauté et leur environnement. Les modèles conceptuels sont généralement représentés graphiquement sous forme d'organigrammes. Les organismes et leurs ressources sont regroupés dans des compartiments spécifiques avec des flèches indiquant la relation et le transfert d'énergie ou de nutriments entre eux. Ainsi, ces diagrammes sont parfois appelés modèles à compartiments.

Pour modéliser le cycle des nutriments minéraux, les nutriments organiques et inorganiques sont subdivisés en ceux qui sont biodisponibles (prêts à être incorporés dans les macromolécules biologiques) et ceux qui ne le sont pas. Par exemple, dans un écosystème terrestre à proximité d'un gisement de charbon, le carbone sera disponible pour les plantes de cet écosystème sous forme de gaz carbonique à court terme, et non à partir du charbon riche en carbone lui-même. Cependant, sur une période plus longue, des microorganismes capables de digérer le charbon vont incorporer son carbone ou le libérer sous forme de gaz naturel (méthane, CH4), transformant cette source organique indisponible en une source disponible. Cette conversion est grandement accélérée par la combustion de combustibles fossiles par l'homme, qui libère de grandes quantités de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. On pense que cela est un facteur majeur dans l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique à l'ère industrielle. Le dioxyde de carbone libéré par la combustion de combustibles fossiles est produit plus rapidement que les organismes photosynthétiques ne peuvent l'utiliser. Ce processus est intensifié par la réduction des arbres photosynthétiques en raison de la déforestation mondiale. La plupart des scientifiques s'accordent à dire que le taux élevé de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est une cause majeure du changement climatique mondial.

Des modèles conceptuels sont également utilisés pour montrer le flux d'énergie à travers des écosystèmes particuliers. La figure 4 est basée sur l'étude classique de Howard T. Odum sur l'écosystème holistique de Silver Springs, en Floride, au milieu du vingtième siècle. Cette étude montre le contenu énergétique et le transfert entre les différents compartiments de l'écosystème.

Figure 4. Ce modèle conceptuel montre le flux d'énergie à travers un écosystème de source à Silver Springs, en Floride. Notez que l'énergie diminue à chaque augmentation du niveau trophique.

Question de pratique

Pourquoi pensez-vous que la valeur de la productivité brute des producteurs primaires est la même que la valeur de la chaleur totale et de la respiration (20 810 kcal/m 2 /an) ?

Modèles analytiques et de simulation

La principale limitation des modèles conceptuels est leur incapacité à prédire les conséquences des changements des espèces de l'écosystème et/ou de l'environnement. Les écosystèmes sont des entités dynamiques et soumis à une variété de perturbations abiotiques et biotiques causées par des forces naturelles et/ou l'activité humaine. Les écosystèmes altérés par rapport à leur état d'équilibre initial peuvent souvent se remettre de ces perturbations et revenir à un état d'équilibre. Comme la plupart des écosystèmes sont soumis à des perturbations périodiques et sont souvent dans un état de changement, ils se rapprochent ou s'éloignent généralement de leur état d'équilibre. Il existe de nombreux états d'équilibre parmi les différentes composantes d'un écosystème, ce qui affecte l'écosystème dans son ensemble. De plus, comme les humains ont la capacité de modifier considérablement et rapidement le contenu en espèces et l'habitat d'un écosystème, le besoin de modèles prédictifs permettant de comprendre comment les écosystèmes réagissent à ces changements devient plus crucial.

Les modèles analytiques utilisent souvent des composants simples et linéaires des écosystèmes, tels que les chaînes alimentaires, et sont connus pour être mathématiquement complexes. Par conséquent, ils nécessitent une quantité importante de connaissances et d'expertise mathématiques. Bien que les modèles analytiques aient un grand potentiel, on pense que leur simplification d'écosystèmes complexes limite leur précision. Les modèles de simulation qui utilisent des programmes informatiques sont mieux à même de gérer les complexités de la structure des écosystèmes.

Un développement récent de la modélisation par simulation utilise des superordinateurs pour créer et exécuter des simulations individuelles, qui tiennent compte du comportement des organismes individuels et de leurs effets sur l'écosystème dans son ensemble. Ces simulations sont considérées comme les plus précises et prédictives des réponses complexes des écosystèmes aux perturbations.

En résumé : Écologie des écosystèmes

Les écosystèmes existent sur terre, en mer, dans les airs et sous terre. Différentes façons de modéliser les écosystèmes sont nécessaires pour comprendre comment les perturbations environnementales affecteront la structure et la dynamique des écosystèmes. Les modèles conceptuels sont utiles pour montrer les relations générales entre les organismes et le flux de matières ou d'énergie entre eux. Des modèles analytiques sont utilisés pour décrire les chaînes alimentaires linéaires, et les modèles de simulation fonctionnent mieux avec les réseaux alimentaires holistiques.


Les modèles conceptuels sont utiles pour décrire la structure et la dynamique des écosystèmes et pour démontrer les relations entre les différents organismes d'une communauté et leur environnement. Les modèles conceptuels sont généralement représentés graphiquement sous forme d'organigrammes. Les organismes et leurs ressources sont regroupés dans des compartiments spécifiques avec des flèches indiquant la relation et le transfert d'énergie ou de nutriments entre eux. Ainsi, ces diagrammes sont parfois appelés modèles à compartiments.

Pour modéliser le cycle des nutriments minéraux, les nutriments organiques et inorganiques sont subdivisés en ceux qui sont biodisponibles (prêts à être incorporés dans les macromolécules biologiques) et ceux qui ne le sont pas. Par exemple, dans un écosystème terrestre à proximité d'un gisement de charbon, le carbone sera disponible pour les plantes de cet écosystème sous forme de gaz carbonique à court terme, et non à partir du charbon riche en carbone lui-même. Cependant, sur une période plus longue, des microorganismes capables de digérer le charbon vont incorporer son carbone ou le libérer sous forme de gaz naturel (méthane, CH4), transformant cette source organique indisponible en une source disponible. Cette conversion est grandement accélérée par la combustion de combustibles fossiles par l'homme, qui libère de grandes quantités de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. On pense que cela est un facteur majeur dans l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique à l'ère industrielle. Le dioxyde de carbone libéré par la combustion de combustibles fossiles est produit plus rapidement que les organismes photosynthétiques ne peuvent l'utiliser. Ce processus est intensifié par la réduction des arbres photosynthétiques en raison de la déforestation mondiale. La plupart des scientifiques s'accordent à dire que le taux élevé de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est une cause majeure du changement climatique mondial.

Des modèles conceptuels sont également utilisés pour montrer le flux d'énergie à travers des écosystèmes particuliers. La figure est basée sur l'étude classique de Howard T. Odum sur l'écosystème holistique de Silver Springs, en Floride, au milieu du vingtième siècle. Howard T. Odum, « Structure trophique et productivité de Silver Springs, Floride », Monographies écologiques 27, non. 1 (1957) : 47-112. Cette étude montre le contenu énergétique et le transfert entre les différents compartiments de l'écosystème.

Connexion artistique

Ce modèle conceptuel montre le flux d'énergie à travers un écosystème printanier à Silver Springs, en Floride. Notez que l'énergie diminue à chaque augmentation du niveau trophique.

Pourquoi pensez-vous que la valeur de la productivité brute des producteurs primaires est la même que la valeur de la chaleur totale et de la respiration (20 810 kcal/m 2 /an) ?


Qu'est-ce que l'écologie

L'écologie décrit les relations des organismes entre eux et avec leur environnement correspondant. Les trois composantes majeures étudiées en écologie sont les organismes vivants, les relations et interactions avec d'autres organismes, et les relations et interactions avec le milieu environnant. Les relations symbiotiques comme le rhizobium et les légumineuses dans les racines des plantes ainsi que la compétition entre les animaux herbivores pour la nourriture sont des interactions organismes-organismes. Tous les animaux et les plantes dépendent de divers aspects de leur environnement pour obtenir de la nourriture, des nutriments et de l'eau. La réponse des organismes au climat, au sol, à la topographie, à l'atmosphère et à la disponibilité de l'eau sont les autres types de relations des organismes avec leur milieu de vie. Par exemple, les animaux des environnements froids ont de petites oreilles, mais les animaux des déserts ont de longues oreilles, car les longues oreilles aident à refroidir le corps en augmentant la perte de chaleur. L'écologie entretient une relation étroite avec les disciplines de la physiologie, du comportement, de la génétique et de l'évolution. Les détails plus larges étudiés au cours de l'écologie comprennent :

  • Processus de vie, interactions et adaptations d'une espèce spécifique.
  • L'influence des facteurs environnementaux sur les organismes d'une population.
  • Le progrès change dans les écosystèmes.
  • La distribution et l'abondance des organismes dans l'environnement.
  • La biodiversité au sein d'un écosystème.

Figure 1 : Biodiversité d'un récif de corail


Une étude d'un écosystème

Identifier une variété d'habitats au sein de l'écosystème sélectionné
Il existe un certain nombre d'habitats dans l'écosystème sélectionné de la forêt:

Différents organismes se trouvent dans chacun des habitats.

Appareil d'écologie

Identifier et utiliser divers appareils requis pour les méthodes de collecte dans une étude écologique

  • Piège à mammifères
  • Piège
  • Piège cryptozoïque
  • Plateau de battement
  • Pooter
  • Filets (à inclure – filet de balayage, filet à insectes, filet à plancton ou filet de pêche)
  • Recherche directe
  • Entonnoir de Tullgren
  • L'appât attire les petits mammifères dans la boîte
  • Une fois qu'ils entrent, la trappe empêche la sortie
  • La literie offre un confort
  • Implique une simple boîte en métal ou un gobelet en plastique encastré dans le sol et recouvert pour empêcher l'eau d'entrer
  • L'appât est parfois utilisé
  • Piège d'abri impliquant un morceau de vieux bois, une bûche ou une grosse pierre
  • Les petits animaux comme les limaces et les cloportes se cachent sous un piège cryptozoïque pendant les périodes d'inactivité
  • Une grande feuille/plateau en plastique maintenu sous un arbre ou un buisson
  • L'arbre ou le buisson est secoué doucement
  • Les insectes tombent sur le plateau et peuvent être identifiés
  • Les écologistes utilisent des appareils pour ramasser de petits organismes, comme des insectes
  • Aspirez le tube avec la gaze à l'extrémité et placez l'autre tube sur l'insecte à capturer.

Filets de balayage, filets anti-insectes, filets à plancton

  • Avoir un cadre en aluminium léger
  • Les sacs en filet ont généralement des extrémités incurvées pour empêcher les insectes de s'échapper
  • Le filet de balayage a généralement un cadre à 5 côtés conçu pour donner un meilleur balayage d'échantillonnage que les cadres circulaires
  • Les filets à plancton sont longs et très légers conçus pour capturer de très petits organismes aquatiques
  • Utilisé pour l'extraction sèche et humide d'organismes du sol à partir d'échantillons de sol
  • Un échantillon de sol est placé dans la partie supérieure amovible de l'entonnoir
  • La chaleur et la lumière de la lampe créent un gradient de température d'environ 14°C dans l'échantillon de sol
  • Cela stimule le mouvement vers le bas des arthropodes du sol et des organismes similaires, à travers la gaze jusqu'à un récepteur fixé à la base de l'entonnoir

Répartition des organismes

Il existe deux manières de déterminer la distribution des organismes :

  1. Enquête qualitative – enregistrer la présence ou l'absence d'une espèce dans un habitat.
  2. Enquête quantitative – enregistre le nombre d'organismes d'une espèce dans un habitat.
Enquêtes quantitatives
  • Compter le nombre d'organismes d'une espèce dans un habitat
  • L'appareillage écologique utilisé dépend de l'espèce, par ex. pièges à mammifères pour les animaux se déplaçant rapidement tels que les mammifères filets de balayage pour les insectes pièges à pièges pour les coléoptères pièges cryptozoïques pour les vers et quadrats de cloportes pour les petites plantes.

Etude quantitative des plantes/flore :

  • Les quadrats peuvent être utilisés pour quantifier les plantes/la flore et les animaux lents (par exemple, les coquillages sur le littoral rocheux).
  • Les quadrats peuvent être des cadres carrés en plastique, en bois ou en métal de différentes tailles, par ex. 1, 0,5 ou 0,25 mètre carré.
  • Les quadrats peuvent être gradués (sous-divisés en carrés plus petits) ou un quadrat de base.
  • Les inconvénients de l'utilisation des quadrats sont qu'ils ne peuvent pas être utilisés pour quantifier les arbres ou les grands buissons et ne peuvent pas quantifier les animaux se déplaçant rapidement.
  • Les quadrats sont toujours placés au hasard dans l'habitat en jetant un crayon sur votre épaule et en plaçant le quadrat là où le crayon a atterri.
  • Deux types de mesure possibles peuvent être effectués avec un quadrat :
  1. Fréquence en pourcentage
  2. Pourcentage de couverture

Fréquence en pourcentage :

  • Fréquence en pourcentage : chance de trouver une espèce nommée avec n'importe quel lancer du quadrat.
  • Un quadrat de base est attribué au hasard dans l'habitat (comme décrit précédemment).
  • La présence ou l'absence d'une espèce nommée est notée.
  • Ceci est répété au moins 5 fois pour chaque espèce.
  • Un tableau des résultats est dressé comme indiqué.

Pourcentage de couverture :

  • Pourcentage de couverture : superficie du sol couverte par les parties aériennes de la plante.
  • Un quadrat gradué est attribué au hasard dans l'habitat (comme décrit précédemment).
  • Si le quadrat gradué a 25 carrés, chaque carré individuel représente 4 % de l'ensemble du quadrat.
  • La superficie de chaque carré couvert par chaque espèce est estimée. De cette façon, c'est subjectif (dépend de l'opinion de l'individu) et peut être une méthode très inexacte.
  • Les totaux de chaque carré sont additionnés pour obtenir une valeur de couverture en pourcentage pour chaque espèce.
  • Il en existe deux types : les transects en ceinture et les transects en ligne.
  • Les transects sont utiles pour étudier le nombre de plantes/flores qui varient en fonction de la topographie du terrain.
  • Ils sont également très souvent utilisés pour quantifier la flore/les animaux lents sur le littoral rocheux.
  • Mise en place à l'aide de deux longues cordes délimitées à intervalles réguliers (par exemple 1m/2m/5m etc.) ou une longue corde et un quadrat gradué.
  • If using the two ropes the number of each species is counted at each interval and recorded.
  • If using the rope and the quadrat, the number of organisms of each species is counted in the usual way (see “quadrats” above).
  • Consists of a long piece of rope/string marked off at regular intervals (e.g. 1m)
  • Very useful for quantifying species along a gradient in a habitat.
  • Line transects are carried out by recording the presence or absence of a particular species at the regular intervals along the rope.
  • This is repeated at different locations.
  • Line transects have the advantage that they can include and quantify large trees (unlike quadrat studies).

Quantitative survey of animals/fauna:

  • Slow-moving animals such as barnacles/limpets can be quantified using quadrats in the same way plants are quantified.
  • Most animals are fast-moving and need to be quantified using the capture-recapture technique.

Capture-recapture technique:

  • In the capture-recapture technique, animals are caught using one of the methods listed earlier – e.g. mammal traps.
  • For Leaving Certificate Biology it is best to use the recapture technique on easily caught animals such as snails.
  • Snails live in long grass, bushes/shrubs and in trees.
  • Search for snails in the habitat and mark each one with a small inconspicuous mark on the side of their shell (e.g. using Tippex)
  • Record the total number found and marked.
  • It is important that the mark does not harm the snail or make the snail more visible to predators.
  • Place the snails back in the same position.
  • Approximately one week later, return to the same habitat and search for the snails again, taking note of the total number found and the total number of these snails that had the mark.
  • Use the formula below to estimate the number of snails in the habitat:

Sources of error in studying an ecosystem:

  • Miscalculation – e.g. when estimating percentage frequency
  • Misidentification – e.g. species not identified correctly
  • Sample size too small

Study the effects of abiotic factors on the suitability of an organism to its habitat – You must study at least 3 abiotic factors:

Un abiotic factor is a non-living, environmental condition that affects living organisms in a habitat.

Example of abiotic factors:

  • Soil/water pH level
  • Soil/water/air temperature
  • Intensité lumineuse
  • Water current speed/direction
  • Wind speed/direction
  • Soil/water/air oxygen levels
  • Soil/water mineral content
  • Percentage humus content
  • Water salinity
  • Degree of exposure
  • Aspect
  • Pente

Examples of instruments used to measure abiotic factors:

  • pH levels are measured using a pH meter
  • Air temperature is measured using a thermometer
  • Light intensity is measured using a light meter
  • Water current speed/direction is measured using a water flow meter
  • Wind speed/direction is measured using an anemometer
  • Aspect is measured using a compass
  • Slope is measured using a tape measure and a spirit level
  • Measuring slope
  • An anemometer
  • A light meter

Then describe how each of the three factors you chose affects living organisms in your choice of habitat e.g. Ferns only grow under the shade of large trees moss requires a large moisture content to live/survive broad-leaved trees cannot survive at high altitude or on ground with a very steep slope.

Identifying Organism Adaptations

  • Adaptations are necessary for an organism to survive new conditions
  • Adaptations may be structural, competitive, or behavioural
  • Describe ONE adaptation of an organism you studied in your habitat
  • Snail has a protective shell
  • Ladybird has a red covering to warn birds that it is poisonous to eat
  • Blackthorn has thorns to protect its fruits
  • Bladder wrack seaweed has vesicles full of air so that the fronds of the seaweed float in the water increasing levels of photosynthesis.

Identifying Organisms’ Role in Energy Transfer

  • Identify where each organism in your habitat is positioned in the food chain/food web
  • From the data collected on your field trip construct a food chain, food web, and pyramid of numbers
A rocky seashore food chain A rocky seashore pyramid of numbers A rocky seashore food web

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Publications related to Ecosystem Ecology are listed below.

Rivers are social–ecological systems: Time to integrate human dimensions into riverscape ecology and management

Incorporation of concepts from landscape ecology into understanding and managing riverine ecosystems has become widely known as riverscape ecology. Riverscape ecology emphasizes interactions among processes at different scales and their consequences for valued ecosystem components, such as riverine fishes. Past studies have focused strongly on.

Dunham, Jason B. Angermeier, Paul L. Crausbay, Shelley D. Cravens, Amanda E. Gosnell, Hannah McEvoy, Jamie Moritz, Max A. Raheem, Nejem Sanford, Todd

Toward a social-ecological theory of forest macrosystems for improved ecosystem management

The implications of cumulative land-use decisions and shifting climate on forests, require us to integrate our understanding of ecosystems, markets, policy, and resource management into a social-ecological system. Humans play a central role in macrosystem dynamics, which complicates ecological theories that do not explicitly include human.

Kleindl, William J. Stoy, Paul C. Binford, Michael W. Desai, Ankur R. Dietze, Mike Schultz, Courtney A. Starr, Gregory Staudhammer, Christina Wood, David J. A.

Evidence and opportunities for integrating landscape ecology into natural resource planning across multiple-use landscapes

Enhancing natural resource management has been a focus of landscape ecology since its inception, but numerous authors argue that landscape ecology has not yet been effective in achieving the underlying goal of planning and designing sustainable landscapes. We developed nine questions reflecting the application of fundamental research topics in.

Trammel, E. Jamie Carter, Sarah K. Haby, Travis S. Taylor, Jason J.

Effects of climate change on ecological disturbance in the northern Rockies

Disturbances alter ecosystem, community, or population structure and change elements of the biological and/or physical environment. Climate changes can alter the timing, magnitude, frequency, and duration of disturbance events, as well as the interactions of disturbances on a landscape, and climate change may already be affecting disturbance.

Halofsky, Jessica E. Peterson, David L. Loehman, Rachel A. Bentz, Barbara J. DeNitto, Gregg A. Keane, Robert E. Manning, Mary E. Duncan, Jacob P. Egan, Joel M. Jackson, Marcus B. Kegley, Sandra Lockman, I. Blakey Pearson, Dean E. Powell, James A. Shelly, Steve Steed, Brytten E. Zambino, Paul J.

Interactions among invasive plants: Lessons from Hawai‘i

Most ecosystems have multiple-plant invaders rather than single-plant invaders, yet ecological studies and management actions focus largely on single invader species. There is a need for general principles regarding invader interactions across varying environmental conditions, so that secondary invasions can be anticipated and managers can.

D'Antonio, Carla M. Ostertag, Rebecca Cordell, Susan Yelenik, Stephanie G.

Ecosystem vs. community recovery 25 years after grass invasions and fire in a subtropical woodland

Despite a large body of research documenting invasive plant impacts, few studies have followed individual invaded sites over decades to observe how they change, and none have contrasted how compositional impacts from invasion compare to ecosystem-process impacts over a multi-decadal time-scale. Using direct measurements of plant density and.

D'Antonio, Carla M. Yelenik, Stephanie G. Mack, Michelle C.

The influence of soil resources and plant traits on invasion and restoration in a subtropical woodland

It has been shown in some cases that nitrogen (N) addition to soil will increase abundance of plant invaders because many invaders have traits that promote rapid growth in response to high resource supply. Similarly, it has been suggested, and sometimes shown, that decreasing soil N via carbon (C) additions can facilitate native species recovery.

Yelenik, Stephanie G. D'Antonio, Carla M. August-Schmidt, Elizabeth

Does the stress-gradient hypothesis hold water? Disentangling spatial and temporal variation in plant effects on soil moisture in dryland systems

The nature of the relationship between water limitation and facilitation has been one of the most contentious debates surrounding the stress-gradient hypothesis (SGH), which states that plant-plant interactions shift from competition to facilitation with increasing environmental stress. We take a closer look at the potential role of soil moisture.

Butterfield, Bradley J. Bradford, John B. Armas, Cristina Prieto, Ivan Pugnaire, Francisco I.

Desert grassland responses to climate and soil moisture suggest divergent vulnerabilities across the southwestern US

Climate change predictions include warming and drying trends, which are expected to be particularly pronounced in the southwestern United States. In this region, grassland dynamics are tightly linked to available moisture, yet it has proven difficult to resolve what aspects of climate drive vegetation change. In part, this is because it is unclear.

Gremer, Jennifer Bradford, John B. Munson, Seth M. Duniway, Michael C.


Biogeochemistry and Ecosystem Science

Cornell has a long and distinguished history in the fields of biogeochemistry and ecosystem science. These fields of science strive to understand basic mechanistic processes at scales from within ecosystems to the entire globe and provide a framework for investigating aspects of human-accelerated environmental change, including climate change, acid deposition, eutrophication, land-use change, the impacts of invasive species, and loss of native biodiversity. Understanding biogeochemical and ecosystem processes often requires integration of such diverse disciplines as community and population ecology, hydrology, agronomy, forestry, limnology, oceanography, soil sciences, atmospheric sciences, and resource economics.

The Department of Ecology and Evolutionary Biology (EEB) has particular strengths in the study of hydrologic and atmospheric exchanges of nitrogen with terrestrial ecosystems, regional carbon dynamics, the global methane cycle, coastal eutrophication issues including the interaction of human activities and climate change on the flux of nutrients from large regions and river basins, and the influence of organism assemblages on the biogeochemistry of aquatic ecosystems. Because many biogeochemical and ecosystem science questions are inherently multidisciplinary, biogeochemical research at Cornell interfaces heavily with other research areas within the department and with other departments at Cornell. Thirty-five faculty members across eight departments and three colleges (Biological and Environmental Engineering, Civil and Environmental Engineering, Crop and Soil Sciences, Earth and Atmospheric Sciences, EEB, Horticulture, Microbiology, Natural Resources) have significant research and teaching interests in biogeochemistry.


Voir la vidéo: Écosystème: écologie: la sortie écologique TCSF écologie شرح مفهوم النظام البيئي (Janvier 2022).