Un écosystème est un système complexe régi par les relations entre les différents êtres vivants qui le composent (la biocénose). Son fonctionnement s'appuie sur la notion de pyramide de productivité. Un agrosystème est un écosystème modifié par et pour l'Homme. Ces modifications peuvent être délétères pour l'environnement, et l'impact sur celui-ci varie en fonction des types d'agrosystème et de leur place dans la pyramide de productivité. Les limites physiques posées par la planète nécessitent aujourd'hui l'élaboration de nouveaux types d'agriculture.
Un écosystème naturel
Généralités sur les écosystèmes naturels
Un écosystème naturel est composé :
- De l'ensemble des espèces qui y vivent (bactéries, animaux, végétaux, etc.) : c'est la biocénose.
- Des conditions dans lesquelles celles-ci y vivent (climat, géologie, etc.) : c'est le biotope.
Le biotope et la biocénose sont intimement liés, des modifications de l'un pouvant entraîner des modifications de l'autre.
Écosystème
Un écosystème est constitué d'un biotope et d'une biocénose.
Une prairie, un désert et une flaque d'eau stagnante sont des écosystèmes.
Biotope
Un biotope est un ensemble de conditions physiques et chimiques uniformes (température, hygrométrie, géologie, etc.) qui composent un environnement uniforme.
Dans un désert, le biotope se compose d'une température élevée, d'une faible hygrométrie, d'un ensoleillement important, etc.
Biocénose
La biocénose est l'ensemble des êtres vivants qui occupent un même environnement.
La biocénose d'une prairie va se composer entre autres des végétaux qui y vivent, des animaux herbivores et carnivores qui occupent le même environnement, des possibles champignons et des bactéries qui vivent dans l'air et les êtres vivants.
Fonctionnement d'un écosystème naturel
Le fonctionnement d'un écosystème repose sur les flux de matière et d'énergie entre les différents êtres vivants qui le composent. Il est régi par la notion de pyramide de productivité, qui met en évidence la quantité d'énergie utilisée par un être vivant pour se nourrir d'un autre.
Les producteurs primaires
L'énergie entre dans la biocénose par le biais des organismes chlorophylliens (plantes, phytoplancton). Les organismes chlorophylliens sont dits autotrophes. Ils assurent la production primaire.
Organisme photoautotrophe
Les organismes autotrophes sont des organismes capables de transformer la matière minérale en matière organique en utilisant l'énergie lumineuse par le biais de la photosynthèse.
Les plantes chlorophylliennes (de couleur verte) et le phytoplancton sont des organismes autotrophes, capables de réaliser la photosynthèse.
Les plantes sont donc les producteurs primaires d'un écosystème, à la base de la pyramide de productivité.
Producteur primaire
Un producteur primaire est un organisme qui fait entrer de la matière organique dans le système, en la créant à partir de matière minérale grâce à la photosynthèse. Les producteurs primaires sont à la base de la pyramide de productivité.
Les seuls producteurs primaires sont les plantes chlorophylliennes et le phytoplancton.
Les consommateurs
Les consommateurs sont hétérotrophes, à la différence des producteurs primaires qui sont autotrophes.
Organisme hétérotrophe
Un organisme hétérotrophe est un organisme incapable de synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale : il doit consommer de la matière organique pour fabriquer la sienne.
Les organismes phytophages (aussi dits herbivores) et les organismes zoophages (aussi dits carnivores) sont des organismes hétérotrophes.
Les consommateurs sont de deux types :
- Les consommateurs primaires
- Les consommateurs secondaires
Consommateur primaire
Les consommateurs primaires sont les organismes qui consomment les producteurs primaires. Ils sont aussi appelés producteurs secondaires. Ils constituent la seconde marche de la pyramide de productivité.
Les organismes phytophages, comme les vaches ou certains poissons se nourrissant d'algues, sont des consommateurs primaires.
Consommateur secondaire
Les consommateurs secondaires sont les organismes qui consomment les consommateurs primaires. Ils constituent la troisième marche de la pyramide de productivité.
Les félins ou les loups sont des animaux zoophages (qui consomment de la viande), ils sont des consommateurs secondaires.
Les décomposeurs
Organisme décomposeur
Les décomposeurs transforment la matière organique morte en matière minérale, qui pourra à nouveau entrer dans la pyramide de productivité.
Certaines bactéries et certains champignons sont des décomposeurs.
La pyramide de productivité
La pyramide de productivité est composée :
- Des producteurs primaires à la base, qui font entrer la matière organique dans le système.
- Des consommateurs primaires, ou producteurs secondaires, la seconde marche, qui consomment les producteurs primaires.
- Des consommateurs secondaires, la troisième marche, qui consomment les consommateurs primaires.
- Des décomposeurs, qui s'occupent de transformer la matière organique morte en matière minérale qui pourra être utilisée par les producteurs primaires pour rentrer à nouveau dans la pyramide.
Schéma de la pyramide de productivité
Entre chacun des niveaux de la pyramide de productivité, de l'énergie est perdue :
- L'énergie non consommée
- L'énergie non assimilée qui correspond aux excréments (c'est pour cela qu'ils sont parfois utilisés comme engrais, ou que certains animaux les consomment).
- L'énergie perdue par respiration : cette énergie est utilisée par l'organisme pour son fonctionnement, on parle ici non pas de la respiration "pulmonaire", qui est appelée l'inspiration, mais de la respiration cellulaire.
Environ 90% de la biomasse est perdue entre chaque niveau de la pyramide.
Les agrosystèmes
Généralités sur les agrosystèmes
Agrosystème
Un agrosystème est un écosystème modifié par l'Homme pour l'alimentation humaine, l'alimentation des animaux destinés à l'alimentation humaine, et la production de biocarburants.
Les cultures sont des agrosystèmes, c'est le cas des champs de céréales.
Les modifications de l'écosystème afin de former un agrosystème
Un agrosystème a pour but principal (hors production d'agrocarburants) de nourrir l'Homme. Les produits sont récoltés et transportés, parfois exportés. À la différence d'un écosystème naturel, les produits de l'agrosystème n'y restent pas, il n'y a pas de matière à décomposer pour l'apport de matières minérales, et le système s'appauvrit. L'appauvrissement est minéral et également hydrique.
Un agrosystème doit également avoir un rendement maximum. Pour cela, les espèces autres que celle cultivée sur la parcelle doivent être éradiquées.
Pour résoudre ces problèmes, l'Homme a mis en place des solutions :
- L'irrigation : elle permet de pallier le manque d'eau et d'augmenter le rendement des cultures.
- Les engrais : ils permettent de combler l'appauvrissement des sols dû au transport des produits, et d'améliorer le rendement des cultures.
- Les produits phytosanitaires : ils permettent d'éliminer les autres espèces que celle cultivée sur la parcelle pour améliorer le rendement.
Les engrais et les produits phytosanitaires sont appelés des intrants.
Intrant
Un intrant est un produit apporté à une culture qui ne fait pas partie du système originel.
Les engrais et les produits phytosanitaires sont des intrants.
L'impact écologique des différents types de cultures
Impacts sur l'environnement d'une culture végétale
Les impacts d'une culture végétale sur l'environnement sont nombreux :
- La culture prend la place d'un écosystème naturel : la richesse d'un écosystème naturel en faune et en flore est bien plus grande que celle d'un agrosystème.
- L'irrigation des sols a un impact important à l'échelle planétaire : nombreux sont les fleuves qui s'assèchent au bénéfice des cultures, entraînant entre autres la progression des déserts.
- L'apport des intrants est néfaste pour l'environnement : les engrais utilisés en trop grande quantité (pour un rendement maximum) ne sont pas tous consommés par les cultures. Ils passent dans l'eau de ruissellement et rejoignent les nappes phréatiques et les cours d'eau où ils déséquilibrent les écosystèmes. La décomposition des intrants entraîne l'appauvrissement en dioxygène de l'eau et ainsi, la disparition de la faune. Les engrais (riches en nitrates et en phosphates) sont responsables de l'eutrophisation (prolifération très importante des algues dans les milieux aquatiques).
- Il est difficile de cantonner les produits phytosanitaires à la culture : ils impactent donc les écosystèmes environnants. La disparition des abeilles est imputée à la trop grande utilisation de pesticides (qui font partie des produits phytosanitaires). De plus, les produits phytosanitaires peuvent s'accumuler dans les productions : on parle de bioaccumulation. Les consommateurs situés en bout de chaîne concentrent des doses 10 000 fois supérieures à celles des organismes autotrophes qui composent la première marche de la pyramide de productivité.
Bioaccumulation d'un pesticide (toxique pour l'Homme et les autres animaux) au sein de la pyramide écologique
Impact sur l'environnement d'une production animale
Dans un agrosystème, le rendement global dépend de la place du produit dans la pyramide de productivité. Le rendement énergétique diminue lorsque l'on monte d'une marche dans la pyramide, car toute l'énergie ingérée ne peut être utilisée pour fabriquer le consommateur.
Mise en évidence des pertes énergétiques lors de l'alimentation d'un individu
Rendement énergétique
\text{Rendement énergétique}=\dfrac{\text{Productivité nette}}{\text{Matière ingérée}}\times100
Si 1 kg de viande nécessite 5 kg de céréales, le rendement énergétique est de :
\text{Rendement énergétique}=\dfrac{\text{Productivité nette}}{\text{Matière ingérée}}\times100=\dfrac{1}{5}\times100=20\%
Entre chaque marche de la pyramide, de la biomasse est perdue.
Par exemple :
- 1 kg de viande nécessite environ 5 kg de céréales.
- 5 kg de céréales nécessitent 60 000 L d'eau pour leur culture.
Ainsi, plus un aliment est haut dans la pyramide, plus il y a de pertes de matière et d'énergie. Il faut donc compter non seulement les impacts sur l'environnement de l'élevage (tels que l'utilisation d'antibiotiques en masse par exemple), mais également ceux des cultures des aliments nécessaires à l'élevage. Les productions animales sont donc bien plus néfastes pour l'environnement que les productions végétales du fait de leur place dans la pyramide de productivité.
Se nourrir d'une grande quantité de viande, au lieu d'avoir une diversité d'alimentation, épuise les ressources de notre planète.
Mise en évidence de la perte d'énergie en ajoutant un niveau à la pyramide écologique
Les limites de l'agriculture
La population humaine et ses besoins alimentaires sont en constante augmentation.
Les surfaces cultivables sont limitées et posent une limite physique à la nécessité de nourrir la population humaine. Les pratiques agricoles doivent concilier développement durable et alimentation des populations, c'est-à-dire qu'il est nécessaire de protéger la planète afin que les populations futures puissent subvenir à leurs besoins.
Les ressources en eau posent également une limite physique. Les climats ne sont pas toujours favorables à l'agriculture, et si l'irrigation est une solution envisageable à court terme, les conséquences à long terme sont trop importantes pour qu'il ne faille pas envisager une solution alternative.
Malgré l'apport d'intrants, l'agriculture dégrade les sols et transforme des terres cultivables en terres infertiles. Des milliers d'hectares cultivables disparaissent ainsi chaque année.
Il est donc important de penser dès aujourd'hui à élaborer et à mettre en place des pratiques culturales qui permettent à la fois de nourrir la population humaine croissante et de préserver les ressources de la planète pour en assurer la durabilité.