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2. Sol : production et recyclage de la biomasse

Deux photographies du même sous-bois prises à un an d’intervalle

Sommaire

Contexte et problématiqueQuestionnement ouvertQuestionnement guidé
DocumentsDoc. 1 La production de biomasseDoc. 2 Expérience agricoleDoc. 3 Micro-organismes et fertilité du solDoc. 5 Les ingénieurs du solDoc. 6 Les organismes du sol, indispensables au recyclage de la matière organique
Savoir-faireGeste technique : capture et observation des animaux du sol à l’aide de l’appareil BerlèseInterpréter des résultats et en tirer des conclusions
Bilan et exercices
Sol : production et recyclage de la biomasse
Le devenir d’une feuille morte - Légender

Contexte et problématique

Deux photographies du même sous-bois prises à un an d’intervalle
L’épaisseur de la litière de feuilles mortes reste constante, alors que chaque année les arbres perdent leurs feuilles...
Les végétaux, les animaux, les champignons et les bactéries qui peuplent le sol dépendent plus ou moins directement de celui-ci pour produire leur matière organique, c'est-à-dire la biomasse.
Après leur mort partielle (perte des feuilles par exemple) ou complète, la biomasse de ces organismes retourne au sol. D’une année sur l’autre, cependant, on observe que l’épaisseur de la litière d’une forêt formée de matière organique morte n’augmente pas. C’est la preuve que cette matière est continuellement recyclée.
On affirme que ce recyclage assure une fertilité durable des sols, en d’autres termes qu’il permet perpétuellement la production d’une nouvelle biomasse.
En quoi les sols permettent-ils la production de biomasse et dépendent-ils de son recyclage ?

Questionnement ouvert

En utilisant l’ensemble des documents proposés, montrer que les végétaux dépendent du sol pour produire leur biomasse et expliquer comment celle-ci y est ensuite recyclée, ce qui entretient leur fertilité.
On attend que vous caractérisiez les besoins des végétaux et que vous précisiez comment le sol y contribue, puis que vous expliquiez comment les animaux, les champignons et les bactéries du sol participent au recyclage de leur biomasse en assurant progressivement sa minéralisation.
Liste des documents
Doc. 1 La production de biomasse
Doc. 2 Expérience agricole
Doc. 3 Micro-organismes et fertilité du sol
Doc. 4 Faune et fertilité du sol
Doc. 5 Les ingénieurs du sol
Doc. 6Les organismes du sol, indispensables au recyclage de la matière organique

Questionnement guidé

1.À l’aide des docs 1 et 2, identifier les besoins des végétaux pour réaliser la photosynthèse puis préciser à partir de « l’expérience agricole » quels sont les éléments minéraux disponibles en solution dans le sol qui sont nécessaires à leur production de biomasse.
L’interprétation de l’expérience agricole doit être effectuée en prenant appui sur le savoir-faire « interpréter des résultats et en tirer des conclusions ».
2.Relever, dans le doc. 3, le rôle des champignons et des bactéries dans le recyclage de la biomasse.
3.Indiquer, d’après le doc. 4, comment les animaux de la micro-, méso- et macro-faune du sol participent au recyclage de la biomasse.
4.En exploitant le résultat de l’expérience de dégradation d’une biomasse végétale sur sol stérilisé du doc. 5, en prenant appui sur le savoir-faire « interpréter des résultats et en tirer des conclusions », prouver le caractère indispensable des organismes du sol dans le recyclage de cette biomasse.
5.Construire un schéma fonctionnel de l’écosystème sol pour montrer comment le recyclage de la biomasse qui s’y opère assure la fertilité du sol.
Liste des documents
Doc. 1 La production de biomasse
Doc. 2 Expérience agricole
Doc. 3 Micro-organismes et fertilité du sol
Doc. 4 Faune et fertilité du sol
Doc. 5 Les ingénieurs du sol
Doc. 6Les organismes du sol, indispensables au recyclage de la matière organique

Documents

Doc. 1 La production de biomasse

Laproduction de biomasseest la quantité de matière organique produite (végétale, animale, fongique – champignons – et bactérienne) par unité de surface d’un écosystème ou d’un agrosystème. Elle s’exprime en t/ha (tonne par hectare), qx/ha (quintal par hectare ; 1 quintal = 100 kg), etc.
La matière organique végétale est issue de matières minérales (eau, dioxyde de carbone, sels minéraux) par la photosynthèse : c’est laproduction primaire. La production animale de matière organique est laproduction secondaire. Elle résulte de la consommation par les herbivores de nutriments d’origine végétale et par les carnivores de nutriments d’origine animale. Les champignons et les bactéries sont des décomposeurs, ils produisent leur matière organique en dégradant labiomasse des êtres vivants mortsreprésentée par les MOM (matières organiques mortes) en matière minérale (eau, dioxyde de carbone, sels minéraux, etc.).
Les productions primaires et secondaires sont intégrées au sein de réseaux alimentaires nommésréseaux trophiques, dont les points d’entrée sont toujours des producteurs primaires végétaux et les points de sortie des décomposeurs.
Remarque: depuis 10 000 ans environ, avec l’invention de l’agriculture au Proche-Orient, les humains ont développé l’utilisation de la production primaire (cultures) et secondaire (élevage) pour répondre à leurs besoins alimentaires ou énergétiques.

Doc. 2 Expérience agricole

Photographie « d’expérience agricole » vers 1910, issue du fond MUNAÉ du réseau Canopé
Dix plants d’avoine ont été mis en culture en pot le même jour dans 5 milieux différents :
  • témoin : sur terre agricole sans engrais ;
  • At(amendement = engrais) complet : avec engrais contenant des phosphates PO₄³⁻ (phosphore), des nitrates NO³⁻ (azote) et chlorure de potassium KCl (potasse) ;
  • Ss phosphate : engrais complet sans phosphates ;
  • Ss azote : engrais complet sans nitrates ;
  • Ss potasse : engrais complet sans chlorure de potassium.
Les 5 pots ont par ailleurs été placés dans les mêmes conditions en extérieur (conditions d’éclairement et de température naturelles) et régulièrement arrosés. Le résultat de cette « expérience agricole » pour l’avoine est observé 4 mois après le semis.

Doc. 3 Micro-organismes et fertilité du sol

Deux types de micro-organismes essentiels :
  • lesbactéries: c’est avant tout par leurs fonctions deminéralisationque les bactéries jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des sols. En dégradant totalement la matière organique, elles permettent la libération de minéraux : carbone, azote, phosphore, soufre, etc. et perpétuent ainsi la fertilité des sols ;
  • leschampignonspluricellulaires, qui forment des ramifications appelées filaments mycéliens ou hyphes. Ce sont ces fins filaments blancs que l’on observe très souvent à la surface du sol ou des feuilles de la litière lors d’une promenade en forêt. Ces filaments constituent une biomasse très importante (plusieurs tonnes par hectare) et aussi un réseau impressionnant circulant à travers le sol sur de longues distances : 1 m2de sol de prairie ou de forêt contient plusieurs kilomètres d’hyphes.
Parmi les champignons, lesdits saprophytesse nourrissent de matières organiques mortesdéjà plus ou moins décomposées ou dégradées par d’autres organismes. Les champignons sont capables de digérer la lignine du bois ainsi que la cellulose et l’hémicellulose des parois des cellules végétales, trois molécules majeures constitutives des plantes et donc de la litière d’une forêt, participant ainsi à leur minéralisation.

Doc. 5 Les ingénieurs du sol

Les ingénieurs du sol modifient l’environnement du sol par leurs activités de construction (turricules, galeries, nids) qui affectent la diversité et l’activité microbienne. Les ingénieurs du sol sont principalement représentés par les lombrics et les fourmis.

Doc. 6 Les organismes du sol, indispensables au recyclage de la matière organique

Expérience de recyclage de matière organique végétale sur sol stérilisé
Protocole
1.On prélève un échantillon de sol et on le répartit dans deux cristallisoirs.
2.On passe un des deux cristallisoirs à l’étuve à 112 °C pendant 3 heures, de façon à stériliser cette fraction de l’échantillon (la chaleur supérieure à 100 °C détruit les bactéries, les champignons et autres animaux du sol). Il constitue le test de l’expérience. L’autre cristallisoir, resté à température ambiante, constitue le témoin de l’expérience.
3.On dispose des fragments de feuilles mortes et de feuilles fraîches sur les deux fractions de sol, puis on humidifie les préparations.
4.On protège partiellement les préparations de futures contaminations bactériennes à l’aide d’un film étirable finement perforé.
5.On réalise une première photographie des deux préparations au début de l’expérience, puis une seconde 15 jours plus tard.
Résultats
À gauche sur sol stérilisé à l’étuve ; à droite sur sol non stérilisé
Photographies à J. 0
Photographies à J. +15

Savoir-faire

Geste technique : capture et observation des animaux du sol à l’aide de l’appareil Berlèse

Interpréter des résultats et en tirer des conclusions

Ce que cela signifie
Interpréter un résultat consiste à donner la signification d’un résultat d’expérience, de modélisation ou de manipulation en lien avec ses connaissances ou avec des informations utiles à leur compréhension.
Tirer des conclusions implique d’induire à partir des résultats une règle généralisable et, si la démarche mise en œuvre l’impose, de valider une hypothèse.
Comment je dois faire
Pour interpréter les résultats, je dois les citer, les ordonner, les comparer, puis les mettre en lien avec des connaissances pour les expliquer. Il est ensuite possible de répondre au problème posé et de valider une ou des hypothèses explicatives.
Ce que l’on attend de moi
L’interprétation des résultats est réussie si leur mise en relation permet de formuler une conclusion argumentée scientifiquement.
La conclusion est réussie si elle répond scientifiquement correctement au problème posé.

Bilan et exercices

Sol : production et recyclage de la biomasse

Le sol contribue à laproduction de biomasse végétaledans la mesure où il répond aux besoins des végétaux en ions minéraux dissous (phosphates, nitrates et potassium) présents dans l’eau absorbée par leur système racinaire. Ainsi, un sol carencé en l’un de ces sels minéraux entraîne un développement réduit des végétaux, c’est-à-dire une production de biomasse moindre.
Les animaux macro- et microscopiques possédant des régimes alimentaires variés (carnivores, phytophages, détritivores, fongivores, coprophages, géophage, etc.), les champignons et les bactéries décomposeurs du sol sont indispensables pour assurer au sein d’un réseau trophique complexe lerecyclage de cette biomasseen assimilant, de maillon en maillon des chaînes alimentaires du réseau, toute la matière organique pour ne rejeter finalement dans le sol que la matière minérale d’abord utile à la production primaire des végétaux. Cette fraction minérale fertilisant le sol est ainsi à nouveau disponible pour la production d’une nouvelle biomasse.

Le devenir d’une feuille morte - Légender