Introduction

L’écologie (de Eco= habitat et Logie = science) st Une branche des sciences de la vie et de la terre qui s’intéresse à l’étude des relations entre les êtres vivants entre eux et entre ces mêmes êtres et le milieu dans lequel ils vivent. L’écologie est une science pluridisciplinaire, qui fait appel à plusieurs notions, lois et formules d’autres sciences telles que les mathématiques, la géologie, la pédologie (nature du sol) …

Quelques problématiques dans l’étude de l’écologie :

Comment établir une étude écologique d’un milieu naturel et quels sont les techniques utilisées dans cette étude ?
Quels sont les facteurs intervenant dans la répartition des êtres vivants dans des milieux bien appropriés à la vie de ces individus ?
Quelles sont les relations établies entre les différents être vivants du même milieu ?

Chapitre 1 : Les techniques utilisées dans les études écologiques.

Afin d'étudier un milieu naturel (foret, lac, lagon, mer…) on procède par des études sur le terrain, puis, après la récolte de données bien précis on complète l’étude par une deuxième partie qui se fait en classe ou au laboratoire qui consiste en l’évaluation et l’exploitation des études sur le terrain.

Les techniques utilisées sur le terrain.

Le choix du milieu à étudier

Les études écologiques ne sont applicables que dans les milieux naturels, c’est-à-dire au sein desquels le développement des êtres vivants animaux et végétaux se fait sans l’intervention de l’homme. Dans le choix de ce milieu, d’autres conditions doivent être respectées. Le document suivant permet d’identifier les stations au sein desquelles cette étude peut être appliquée :

La station choisie est celle située loin des limites séparant deux milieux naturels différents, et donc ce seront les stations 1 et 2 et 3 qu’on doit choisir pour effectuer notre étude.
La station 4 ne peut pas faire sujet de l'étude écologique: Elle se trouve dans la limite entre le foret et la prairie qui différent de par leur végétation et les animaux qui y vivent (milieu hétérogène).
La station 5 se trouve dans la limite entre l’étang (milieu aquatique) et la prairie (milieu terrestre) et ainsi les êtres vivants de cette station seront hétérogènes, ce qui empêche la réalisation de toute étude écologique dans cette station.

Conclusion: Pour effectuer une étude écologique, le milieu doit être:

Naturel
Homogène
Indépendant

La stratification verticale des végétaux : L’étude de la répartition verticale des végétaux.

Notons que tous les milieux naturels (désert, foret, fleuve, lac, lagon…) peuvent faire l’objet des études écologiques, nous nous intéresserons dans ce cours à l’étude de la foret.

Dans une forêt on peut remarquer la diversité des êtres vivants et surtout les végétaux, cette diversité s’observe au niveau :

Des types des espèces végétales occupant ce milieu.
De la répartition des mêmes espaces et leur classement suivant la hauteur.

Concernant le deuxième point, qui nous intéresse dans cette première technique, on remarque que, dans une forêt en bonne santé (bien équilibrée et avec une forte diversité végétale) les végétaux sont répartis, suivant leur hauteur, en cinq étages (couches) ou strates dont le nom de cette technique : la stratification verticale. La figure 1 représente une schématisation de la stratification horizontale dans une forêt marocaine.

De façon générale, le nombre maximal des strates végétales rencontrées dans une forêt est de cinq. Outre le critère hauteur, chaque strate englobe les espèces végétales ayant les mêmes caractéristiques. Le tableau suivant résume les caractéristiques majeures de ces strates :

Pour réaliser ce schéma on procède comme suit :

a- Une observation globale de la station: Faire un tour dans le maximum possible de la surface de la forêt afin de vérifier la présence des cinq strates (dans quelques forets on peut trouver moins de cinq)

b- Mesurer la hauteur des plantes: Pour pouvoir distinguer surtout entre les arbres et arbustes. Cette mesure se fait par un petit outil qu’on monte à la maison auparavant : Le triangle rectangle isocèle. La figure suivante présente l’utilité de cet outil :

L’utilisation de ce triangle permet d’appliquer la loi mathématique des triangles semblables:

L’emplacement de l’observateur dans le terrain représente le point « c’» semblable au point « c » du triangle
Le somment de la plante « b’ » est semblable au point « b » du triangle
Le niveau du point « a’ » est à la hauteur de l’œil de l’observateur (= la taille de l’observateur)

Et ainsi se crée, virtuellement, un nouveau triangle rectangle isocèle. En appliquant la loi des triangles semblable on aura cette formule :

La hauteur totale de l’arbre est H = h + [a’b’]
h = la taille de l’observateur
- Puisque [ab] = [ac] , donc [a’b’] = [a’c’)
- [a’c’] = La distance séparant l’observateur de la plante.
- Et ainsi H (la hauteur totale de la plante) = La taille de l’observateur + la distance le séparant de la plante. (à condition que l’observateur observe, à travers la lumière du tuyau de son triangle la pinte du sommet de la plante à mesurer)

c- Le dessin : Dans cette étape, il n’est pas question de dessiner toutes les plantes rencontrées dans la foret, mais juste un seul représentant de chaque strate et encore ne pas chercher l’exacte représentation de chaque strate mais on peut parfois nous limiter à donner un dessin plus proche.

La stratification horizontale : La représentation de la répartition horizontale des végétaux.

Dans cette deuxième technique on s’intéresse à représenter les végétaux rencontrer dans une distance choisie dans le milieu. Et pour ce, on procède comme suit :

a- Représentation du profil topographique de la distance choisie : A l’aide d’une carte topographique de la région, on détermine le segment choisi, on le dessine au crayon sur la carte, puis à l’aide des courbes de niveaux on trace le profil (consulter nos cours du collège). La figure suivante présente la technique de la réalisation du profil topographique.

Remarque : Dans le cas général, l’absence de la carte topographique de la même région étudié nous complique le travail, et ainsi on se limite à l’observation et la représentation de la surface du sol pour dessiner son aspect général (horizontal, incliné, présence de bassin ou d’autres reliefs.)

Chaque profil topographique doit représenter :

L’aspect des reliefs
Les directions ou orientations géographiques
L’échelle
Le titre (nom de la région ou de la foret)
Les constructions rencontrées sur le long de la distance choisie.

Remarque : Le profil topographique de la distance choisie ne doit comporter aucune des données rencontrées, récoltées ou observées au voisinage du segment choisi.

b- Réalisation de la stratification horizontale : Dans cette étape il est impératif de représenter chaque plante rencontrée en allant du premier bout (A) au deuxième bout (B). Cette représentation se fera à l’aide d’un symbole pour chacune des plantes rencontrées. La signification des symboles choisis doit figurer dans la légende sous forme de nom des espèces rencontrées.

Remarque : Au niveau des études lycéennes il est, bien sûr très difficile de préciser le nom scientifique de chaque espèce végétale, on se contente dans ce cas des nomenclatures communes (le nom commun par lequel est connue la plante dans la région).

La réalisation de la stratification horizontale permet d’approfondir les études géologiques en cherchant les facteurs responsables de la répartition et l’emplacement de chaque plante dans un endroit bien définit.

L’étude statistique de la répartition des êtres vivants.

Sur le terrain, au cours de la sortie écologique, vous serez appelés à dénombrer les individus de chaque espèce rencontrée (dans une unité de surface choisi) et ce pour pourvoir exploiter ces résultats statistiquement en les incluant dans des paramètres et formules mathématiques qui auront comme objectif de déterminer le degré de santé du milieu étudié autrement dit s’il est en équilibre ou non.

L’étude statistique des végétaux

Déterminer la surface de l’étude : L’aire minimale des relevés

Après avoir choisi la station et réaliser les deux dessins de la stratification horizontale et verticale, on procède au dénombrement des espèces et des individus de chaque espèce animale et végétale rencontrés dans le milieu. Puisqu’il est impossible de dénombrer tous les individus de toutes les espèces de la superficie totale de la foret, on se limite à choisir une surface minimale représentative de la foret (du fait que les mêmes espèces se répètent dans toute la foret : on appelle cette surface : L’aire minimale du relevé.

Afin de généraliser les résultats du dénombrement dans l’aire minimale, on répète le même travail, avec la même aire minimale dans différents endroits de la station (foret) : ce sont les relevés.

Comment mesurer l’aire minimale ?

La technique : Pour délimiter l’aire minimale du relevé, on utilise la règle du quadrillage représentée par le document suivant :

Le dispositif utilisé dans cette technique est constitué de piquets et de ficelles. On place le premier piquet au niveau du début de l’aire à mesurer, on relie les deux ficelles de sorte à tracer un rectangle de 1m².

Remarque : Pour accélérer la délimitation de l’aire minimale, on met des nœuds sur les ficelles éloignées séparés de 1m.

Commencer par dénombrer les espèces et les individus dans une surface de 1m²
Enregistrer les résultats dans un tableau comportant le numéro du relevé, le nombre des espèces et le nombre de ses individus.
Ajouter une deuxième surface de 1m² juxtaposée (en contact) à la première et refaire le dénombrement des espèces (et des individus, vous en aurez besoin dans une prochaine étude). Vérifier si de nouvelles espèces (autres que celles rencontrées dans la première surface) apparaissent.
Continuer à ajouter des surfaces de dénombrement toujours de 1m² jusqu’à l’absence de toute nouvelle espèce.

Le tableau suivant donne un exemple de la détermination de l’aire minimale des relevés:

Observez : Le nombre d’espèces (différentes) augmente au fur et a mesure que la surface augmente de 1m² jusqu’à 16m², après cette surface le nombre d’espèces reste différents. L’aire minimale des relevés est de 16m².

Dans la station d’étude, on choisit différents endroits où l’on applique la même aire minimale et au sein desquels on effectue le même travail : dénombrement des espèces (et des individus de chaque espèce)

Représentation graphique : Au cours de la sortie écologique, on vous demandera de chercher l’aire minimale de façon collectif, puis vous devrez former des groupes, chaque groupe effectuera un relevé (sur la base de la même aire minimale trouvée). Chaque groupe devra :
1. Dénombrer les espèces dans son propre relevé
2. Chercher le nom de chaque espèce végétale ou lui donner un symbole
3. Dénombrer les individus pour chaque espèce.
4. Regrouper les résultats dans un tableau
5. Prendre des échantillons de chaque espèce (les parties aériennes de la plante. Essayer de ne pas abimer le milieu)

L’exploitation des données des relevées

Dans cette étape les différents résultats de tous les groupes/relevés seront regroupés en un seul tableau afin de les exploiter en utilisant des paramètres et formules mathématiques et statistiques:

a- La fréquence (F):

La fréquence représente le pourcentage par lequel une espèce se répète dans un effectif de relevé. La formule de la fréquence sera ainsi :

F = 100% x Nombre des relevés comprenant l’espèce étudiée/l’effectif des relevés

b- L’indice de fréquence (IF)

Les fréquences sont regroupées en intervalles ou catégories puis converties en un nouvel paramètre appelé Indice de fréquence. L’utilité de cet indice est de :

Déterminer les caractéristiques écologiques des espèces
Déterminer les espèces caractéristiques du milieu
Déterminer le degré d’homogénéité du groupement végétal du milieu
Déterminer le degré d’équilibre du milieu

Le tableau suivant représente la relation Fréquence-Indice de fréquence selon Durietz.

Les espèces dont IF = III sont des végétaux accompagnateurs dont l’abondance indique que le milieu est en changement ou qu’il est soumis à l’interférence de deux milieux différents.
Les espèces avec IF = IV ou V sont des espèces caractéristiques (indicateurs) du milieu et qui donnent généralement le nom du milieu (foret de chêne liège, foret de pin,)

c- L’histogramme et la courbe des fréquences.

Les indices de fréquences permettent de dresser un diagramme sous forme d’histogramme puis une courbe (histogramme et courbe de fréquences) représentant l’évolution du nombre des espèces en fonction de l’indice de fréquence. La courbe de fréquence permet de déterminer le niveau de stabilité et d’équilibre du milieu étudié :

Si la courbe de fréquences est unimodale : Le groupement végétal est homogène et le milieu est stable (équilibré)
Si la courbe des fréquences est polymodale : Le groupement végétal est hétérogène et le milieu est donc en évolution (positive ou négative) donc peu ou pas équilibré.

Exemple :Au cours d’une sortie écologique on a pu réaliser 10 relevés. Les résultats de cette étude sont présentés par le tableau suivant :

+ : Présence - : Absence

Déterminer la fréquence pour chaque espèce
Déterminer l’indice de fréquence de chaque espèce.
Déterminer les espèces indicatrices du milieu
Tracer l’histogramme et la courbe des fréquences
Déterminer le degré de stabilité du milieu

Solution

1 et 2 :

3- Les espèces indicatrices sont celles avec le IF = IV et V et donc ce sont : Le bouleau blanc, le bouleau pubescent, le châtaigner.

4- L’histogramme et la courbe des fréquences.

5- La courbe des fréquences est unimodale (pressentant un seul sommet) donc le groupement végétal est homogène et le milieu est en équilibre ou stabile.

d- L’abondance-Dominance

L’abondance d’une espèce végétale est un coefficient permettant de déterminer le nombre d’individus d’une espèce dans une unité de surface.

La dominance (ou recouvrement) d’une espèce représente la surface totale occupée par tous les individus de la même espèce. Cette surface est mesurée par projection de l’appareil aérien du végétal sur le sol à l’azimut (projection verticale des rayons solaires sur le sol).

Les deux coefficients (abondance et dominance) paraissent indiquant le même paramètre, ce qui permet de les assembler en un seul et unique indice proposé par Braun Blanquet et représenté par la figure suivante:

L’étude statistique des animaux

Dénombrement des espèces animales

Cette étude parait un peu délicate par rapport à celle effectuée chez les végétaux du fait du déplacement continu des animaux et donc L’utilisation de techniques appropriées sera nécessaire, parmi lesquelles :

Observation des animaux et leur localisation avec des jumelles ou l’étude des nids (pour es oiseaux) ou même étude de leur chants…
Etude des traces laissées par les différentes activités des animaux : traces des pattes, restes de nourriture, excréments.
Capture de quelques individus par des pièges appropriés.

Exploitation des données des relevés

a- La fréquence et l’indice de fréquence.

On utilise les mêmes formules que celles chez les végétaux.

b- La densité

Nouvel indice utilisé chez les animaux et qui se présente sous deux formes :

La densité absolue (D) = Nombre total des individus de l'espèce étudiée/La surface totale de l'ensemble des relevés effectués

La densité relative (d) = 100% x Nombre totale d'individus de l'espèce étudiée / effectif général des individus de toutes les espèces

Exemple : Une étude écologique dans un milieu aquatique d’eau douce (lac) a permis de collecter les résultats présentés dans le tableau suivant :

1- Compléter le tableau en calculant :

a- La fréquence et l’indice de fréquence

b- La densité absolue et la dominance relative sachant que l’aire minimale des relevés est de 4m³.

Solution

Techniques de conservation des êtres vivants

Avant d’achever votre travail sur le terrain vous allez récolter quelques échantillons végétaux et collecter des échantillons d’animaux (surtout les insectes) afin d’approfondir l’étude écologique en classe : Classification des espèces récoltées, étude des conditions climatiques et édaphiques nécessaires au bon développement des espèces, études des modes de reproduction…

A- Collecte et conservation des végétaux : La réalisation de l’herbier

La conservation des espèces végétales collectées au cours de la sortie écologique se basse sur le principe de la pérennité de l’échantillon (un échantillon peut durer des dizaines d’années) et cela nécessite des conditions de conservation qu’on peut résumer comme suit :

Prendre un échantillon représentatif de l’espèce en question : essayez d’avoir un échantillon de l’appareil aérien de la plante (comprenant tige, feuille et fleur si cela est possible)
Mettre chaque échantillon entre des feuille de papier (entre les pages d’un magazine) puis poser un poids sur les papiers pour faire sortir l’eau de l’échantillon (séchage à l’ombre)
vérifier de façon continue l’état de l’échantillon. Cette étape prend fin lorsque vous êtes sur du séchage complet de l’échantillon.
Mettre l’échantillon sur du papier carton en indiquant sur une pancarte les données suivantes :
- Le nom commun de l’espèce (le nom populaire)
- Le nom scientifique de l’espèce
- Le lieu de la collecte
- La date de la collecte

La figure suivante présente les étapes de la réalisation de l’herbier :

B- Collecte et conservation des animaux : Réalisation d’une collection faunistique

1- Conservation des animaux morts

La collecte (techniques étudiées antérieurement dans ce chapitre) et la conservation des espèces animale sont des techniques plus difficiles par rapport à celles appliquées chez les végétaux du fait que :

le déplacement continu des animaux
Les animaux fuient l’homme
La grande teneur d’eau

Les techniques de conservation des espèces animales différent d’un groupe d’animaux à un autre:

Pour les insectes : l’échantillon sera fixé (par des épingles ou du scotch) sur un papier cartonné en ajoutant de la phénolphtaléine tout en indiquant le nom de l’espèce (commun et scientifique), le lieu de collecte et la date de cette collecte.
Pour des animaux de grande taille et dont le corps et très riche en eau (poisson, annélides, amphibiens …), l’exposition à l’air libre induit leur décomposition et donc on les met dans des bocaux remplis de l’eau et de l’alcool à volume égaux avec quelques morceaux de sucre afin de conserver leur couleur originale.
Pour les oiseaux : le principe est d’éliminer tous les organes internes riches en eau :
Dégager le cerveau, les viscères et tout autre organe,
Séchage de l’intérieur avec du coton,
Remplir la partie vidée par du Cotton et quelques produits absorbant l’eau
choisir la « forme » finale du corps après conservation et maintenir l’oiseau dans la même position
injecter du formol en différents endroits du corps et des ailes, cela permet à l’animal de rester dans la même position durant des années.

2- Conservations des animaux vifs

Afin d’approfondir l’étude des conditions écologiques responsable de la répartition des animaux dans des milieux bien définis, l’étude de leur mode et période de reproduction, de leur comportement… on procède à la conservation de quelques spécimens animaux vivants en captivité dans des milieux comportant les bonnes conditions de vie ; température, nutrition, espace (cages pour les animaux terrestre, bocaux pour les poissons…)

Définition préliminaire de l’écosystème

La répartition toute espèce végétale ou animale est ordonnée par la condition de vie qu’offre leur milieu de vie. Chaque milieu naturel est caractérisé par un groupement animal et végétal en plus des conditions de vie de l’ensemble de ces groupements. Chaque ‘’milieu naturel ‘’ est constitué de deux parties :

une partie vivante ou biotique formée par l’ensemble des êtres vivants animales et végétales : La biocénose
Une partie non-vivante ou abiotique représentée par l’ensemble des conditions de vie du groupement vivant, c’est le biotope constitué de l’ensemble des conditions physico-chimique spécifiques : Température, nature du sol, humidité, Lumière…

On appelle écosystème l’ensemble formé du biotope et de la biocénose.

En fonction de l’étendue et de la diversité des espèces présentes on peut distinguer :

Les micro-écosystèmes : Petite étendue permettant l’association d’une biocénose et un biotope bien spécifique tels que : le dessous d’une pierre, le tronc d’arbre.
Les méso-écosystèmes : étendue moyenne représentés par les lacs, les prairies, les lagons.
Les macro-écosystèmes : très grande étendue représentée par les océans, les mers, les forêts.