Flux d'énergie et cycles de matière — Exercices

Calculs de productivité, transferts trophiques, cycle du carbone et impact du régime alimentaire. Corrigé en fin de fiche.

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1Production primaire d'une forêt/ 5 pts

Une forêt tempérée reçoit $2\,000\,000$ kJ/m²/an d'énergie solaire. La PPB des arbres est de $16\,000$ kJ/m²/an et leur respiration consomme $10\,400$ kJ/m²/an.

Calculer la PPN de cette forêt en kJ/m²/an.
Calculer le rendement photosynthétique (rapport PPB sur énergie solaire reçue, exprimé en %).
Expliquer en une phrase pourquoi la PPN est inférieure à la PPB.

2Transferts trophiques dans un lac/ 6 pts

Dans un écosystème lacustre, la PPN des algues est de $8\,000$ kJ/m²/an. La chaîne alimentaire est : algues → zooplancton → poissons herbivores → brochet. Le rendement de transfert est de $10\,\%$ à chaque niveau trophique.

Calculer l'énergie disponible pour le zooplancton.
Calculer l'énergie disponible pour les poissons herbivores.
Calculer l'énergie disponible pour le brochet.
Quelle fraction (en %) de la PPN des algues parvient finalement au brochet ?

3Analyse d'une pyramide d'énergie/ 3 pts

Le tableau suivant donne les flux d'énergie dans un écosystème de prairie (en kJ/m²/an) :

Producteurs : 5 000
Consommateurs primaires : 500
Consommateurs secondaires : 45

Calculer le rendement de transfert entre producteurs et consommateurs primaires (en %).
Calculer le rendement de transfert entre consommateurs primaires et secondaires (en %).
Ces valeurs sont-elles conformes à la règle des 10 % ? Justifier brièvement.

4Cycle du carbone et rôle des décomposeurs/ 3 pts

Dans une forêt, on constate que la litière (feuilles mortes, débris végétaux) disparaît progressivement sans s'accumuler indéfiniment.

Quel groupe d'organismes est responsable de cette disparition ? Nommer le processus.
Quel gaz est rejeté dans l'atmosphère lors de cette dégradation et par quelle réaction ?
Expliquer en quoi ce processus est indispensable pour les producteurs primaires.

5Régime alimentaire et surface agricole/ 3 pts

Un être humain a besoin de $1\,095\,000$ kJ/an. La PPN d'une culture agricole est de $15\,000$ kJ/m²/an. Le rendement de transfert entre la plante et l'humain est de $10\,\%$ ; le rendement entre la plante et le bœuf est également de $10\,\%$.

Si l'humain se nourrit exclusivement de végétaux, quelle surface minimale (en m²) faut-il cultiver pour le nourrir ?
Si l'humain se nourrit exclusivement de bœufs, quelle surface faut-il cultiver ?
Conclure sur l'impact du régime alimentaire sur la surface agricole nécessaire.

Corrigé détaillé

1Production primaire d'une forêt

a) $\text{PPN} = \text{PPB} - R = 16\,000 - 10\,400 =$ $5\,600 \text{ kJ/m}^2\text{/an}$

b) $\eta_{\text{photo}} = \dfrac{16\,000}{2\,000\,000} \times 100 =$ $0{,}8\,\%$

c) $\text{La respiration cellulaire des producteurs consomme une partie de l'énergie fixée par photosynthèse pour leur propre métabolisme.}$ $\text{Donc PPN} \lt \text{PPB : seule la PPN est disponible pour les consommateurs primaires.}$

2Transferts trophiques dans un lac

a) $E_{\text{zooplancton}} = 8\,000 \times 0{,}10 =$ $800 \text{ kJ/m}^2\text{/an}$

b) $E_{\text{poissons herbivores}} = 800 \times 0{,}10 =$ $80 \text{ kJ/m}^2\text{/an}$

c) $E_{\text{brochet}} = 80 \times 0{,}10 =$ $8 \text{ kJ/m}^2\text{/an}$

d) $\dfrac{8}{8\,000} \times 100 = (0{,}10)^3 \times 100 =$ $0{,}1\,\% \text{ de la PPN des algues parvient au brochet.}$

3Analyse d'une pyramide d'énergie

a) $\eta_1 = \dfrac{500}{5\,000} \times 100 =$ $10\,\%$

b) $\eta_2 = \dfrac{45}{500} \times 100 =$ $9\,\%$

c) $\eta_1 = 10\,\% \text{ et } \eta_2 = 9\,\% \approx 10\,\%$ $\text{Oui, conforme. Les légères variations autour de 10\,\% sont normales dans les écosystèmes réels.}$

4Cycle du carbone et rôle des décomposeurs

a) $\text{Les décomposeurs (bactéries et champignons) dégradent la litière.}$ $\text{Le processus est la décomposition (ou minéralisation) : la matière organique est transformée en éléments minéraux.}$

b) $\text{Dégradation de matière organique} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + \text{énergie}$ $\text{Le CO}_2 \text{ est rejeté par la respiration cellulaire (aérobie) des décomposeurs.}$

c) $\text{Sans décomposeurs, N, P, K... resteraient bloqués dans la matière organique morte.}$ $\text{La minéralisation libère ces éléments sous forme assimilable, permettant aux producteurs de les absorber pour synthétiser de nouvelles molécules organiques.}$

5Régime alimentaire et surface agricole

a) $\text{Énergie végétale nécessaire} = \dfrac{1\,095\,000}{0{,}10} = 10\,950\,000 \text{ kJ/an}. \quad S = \dfrac{10\,950\,000}{15\,000} =$ $730 \text{ m}^2$

b) $\text{Énergie bœuf nécessaire} = \dfrac{1\,095\,000}{0{,}10} = 10\,950\,000 \text{ kJ/an}. \quad \text{Énergie végétale pour bœufs} = \dfrac{10\,950\,000}{0{,}10} = 109\,500\,000 \text{ kJ/an}. \quad S = \dfrac{109\,500\,000}{15\,000} =$ $7\,300 \text{ m}^2$

c) $\dfrac{7\,300}{730} = 10$ $\text{Un régime à base de viande de bœuf nécessite 10 fois plus de surface agricole qu'un régime végétarien, en raison des pertes d'énergie à chaque niveau trophique supplémentaire.}$