Pour comprendre les aliments et les systèmes alimentaires aujourd’hui, il est nécessaire de comprendre les processus naturels de base qui sont au cœur de l’agriculture. Si vous avez déjà étudié la Terre de guérison des chapitres sur la biodiversité, des ressources naturelles, l’énergie, et l’eau que vous avez appris l’ information qui est fondamentale pour l’ alimentation et l’ agriculture compréhension. Dans la discussion suivante, nous nous appuyons sur ces connaissances avec plus de détails sur les aliments issus d’une science de l’environnement.

La structure des réseaux alimentaires

Il est important de reconnaître que la production alimentaire est inextricablement liée aux processus écologiques qui ont évolué dans le monde naturel pendant des millions d’années. Dans tout écosystème, l’énergie calorique (énergie tirée de la nourriture et utilisée pour le métabolisme cellulaire ou le travail) est transférée des plantes aux herbivores, puis aux carnivores et aux omnivores à travers les nombreuses interrelations alimentaires des réseaux alimentaires.

Réseaux alimentaires terrestres

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Consultez des informations plus détaillées sur les niveaux trophiques dans le chapitre Énergie.

Les organismes du monde naturel sont classés en niveaux trophiques. Le premier niveau trophique est constitué des producteurs primaires. Ce sont des organismes tels que les plantes qui peuvent produire leur propre énergie alimentaire grâce à la photosynthèse et qui servent de nourriture à d’autres organismes. Les producteurs primaires sont à la base de la plupart des réseaux alimentaires. Les consommateurs primaires (herbivores) sont des organismes dont l’alimentation principale est constituée de producteurs primaires. Les consommateurs secondaires et les consommateurs tertiaires sont des organismes qui mangent les animaux qui se nourrissent de plantes (carnivores), ou mangent à la fois des plantes et des animaux (omnivores). La figure 2 ci-dessous montre les interrelations complexes entre les niveaux trophiques dans un biome terrestre de savane africaine.

Étant donné que les producteurs primaires sont ultimement responsables d’alimenter tous les autres organismes du réseau alimentaire, la quantité de biomasse produite par les plantes détermine le nombre d’organismes de niveau trophique supérieur qui peuvent exister dans un écosystème.

Les écosystèmes terrestres les plus productifs avec les plus grandes capacités de charge globales ont un sol riche et fertile, des précipitations abondantes et des températures modérément chaudes toute l’année. Ces réseaux trophiques peuvent supporter cinq niveaux trophiques et se produisent généralement à l’équateur ou à proximité.

Food web with the lion as the tertiary consumer. The lion is connected to the secondary consumers, primary consumers, then primary producers respectively. Some animals included in the diagram are giraffes, cheetahs, gorillas, zebras, as well as others.
Figure 2 : Représentation partielle d’un réseau trophique du biome de la savane. Les flèches désignent la direction du flux d’énergie alimentaire entre les niveaux trophiques. L’image ne montre pas le niveau inférieur aux producteurs primaires. Il s’agit d’un niveau extrêmement important de détritivores et de décomposeurs, d’animaux microscopiques et d’insectes dont les processus de vie recyclent des éléments clés comme le carbone, l’azote et le phosphore dans le sol.1

Les humains sont des consommateurs tertiaires et, comme tous les consommateurs tertiaires, les êtres humains dépendent en fin de compte des plantes pour leur subsistance et leur survie. Nous comptons sur les minéraux qui sont séquestrés dans le sol ainsi que sur les glucides, les graisses et les protéines produites par les plantes et transférées à travers les niveaux trophiques. Comme les huiles végétales, les glucides et les protéines sont consommés par les animaux, ils sont synthétisés métaboliquement en graisses et protéines animales, qui sont toutes nécessaires à une alimentation humaine complète.

Réseaux alimentaires marins

Marine food web in which a shark is at the top representing the quaternary consumer. The shark is connected to the tertiary consumers, secondary consumers, primary consumers, and primary producers respectively showing the marine food web.
Figure 3 : Exemple d’un réseau trophique marin.2

Les réseaux trophiques de l’océan partagent de nombreuses similitudes avec les réseaux trophiques terrestres, mais dans l’eau, les principaux producteurs ne sont pas de grandes plantes mais de très petites algues flottantes et des cyanobactéries (généralement unicellulaires). Ensemble, ils sont appelés phytoplancton. Parce que les principaux producteurs dans les écosystèmes marins sont si petits, ils sont généralement mangés par des animaux flottants de taille similaire appelés zooplancton. Ces zooplanctons sont ensuite consommés par les larves de poissons ou par des zooplanctons plus gros, qui sont à leur tour consommés par les petits poissons. Les petits poissons sont mangés par les gros poissons, les phoques ou les oiseaux de mer. Au moment où l’énergie capturée à l’origine par le phytoplancton a atteint de grands animaux, elle a traversé de nombreux niveaux tropiques (figure 3). Les baleines à fanons et les requins baleines sont des exceptions intéressantes. . Bien qu’ils soient parmi les plus grands animaux de la terre, ces animaux marins se nourrissent presque entièrement de phytoplancton microscopique, de zooplancton, de krill et de petits poissons.

Photo of coral
Figure 4. Récif de corail.3

Les coraux contiennent également des algues et constituent la base des écosystèmes des récifs coralliens (figure 4). Les récifs coralliens, qui ont été abordés dans le chapitre sur la biodiversité , se trouvent dans des eaux peu profondes et relativement chaudes et abritent certaines des communautés les plus diverses de poissons et d’animaux marins de la Terre. Les récifs jouent également le rôle de nurseries pour certaines espèces de poissons qui passent leur vie adulte en pleine mer. Bien que la plupart des poissons disponibles pour la consommation humaine soient des espèces de haute mer capturées par des opérations de pêche à grande échelle, les espèces de récifs coralliens proches des côtes accessibles aux pêcheurs locaux sont vitales pour la survie de nombreuses communautés côtières à travers le monde.

Photosynthèse et cycles biogéochimiques

Diagram of Photosynthesis. Sun in the top lefthand corner with rays shining onto a flower. Leaves show oxygen leaving and carbon dioxide entering.
Figure 5 : La photosynthèse des plantes nécessite la lumière du soleil, du CO2 et de l’eau, et produit de l’O2 et du glucose.4

Les plantes et le phytoplancton ont besoin de l’énergie solaire du soleil, ce qui a été discuté en détail dans le chapitre Énergie. Grâce au processus de photosynthèse, l’énergie solaire est captée et convertie en énergie chimique sous forme de glucose, qui est utilisé par les plantes, les algues et les cyanobactéries pour synthétiser des molécules organiques plus complexes (figure 5). Grâce à ce processus, l’énergie de la lumière solaire est convertie en énergie calorique, qui est ensuite transmise aux organismes situés plus haut dans les réseaux trophiques terrestres et marins.

Même si les algues individuelles et les autres producteurs primaires marins sont généralement unicellulaires et microscopiques, ils sont si nombreux à capturer l’énergie du soleil qu’ils peuvent soutenir un réseau trophique contenant des baleines, des requins, des poissons et d’innombrables autres animaux qui vivent sur les océans de la Terre.

Le transfert d’énergie dans le réseau trophique est unidirectionnel, se dissipant au fur et à mesure qu’il est transféré, le soleil servant de source d’énergie. Lorsque les producteurs primaires reçoivent cette énergie, ils la stockent dans les liaisons entre les atomes. Lorsque ces liaisons se brisent lors de la digestion ou de la respiration, l’énergie qui maintient ensemble les atomes de la molécule est libérée. La majeure partie de l’énergie stockée d’un producteur primaire est perdue sous forme de chaleur métabolique lorsqu’elle passe d’un niveau trophique à un autre, par exemple lorsqu’un consommateur mange une plante comme nourriture.

La majeure partie de l’énergie transférée aux êtres vivants par la nourriture est utilisée pour maintenir le fonctionnement cellulaire de base qui alimente le mouvement. En moyenne, seulement 10% de l’énergie de la nourriture est utilisée pour construire de nouveaux tissus pour la croissance et la reproduction tandis que 90% de l’énergie est perdue sous forme de chaleur métabolique à travers chaque niveau trophique successif. En raison du flux d’énergie unidirectionnel, la plupart des pyramides trophiques ne peuvent pas supporter plus de 4 à 5 niveaux. Les principaux consommateurs dans un réseau alimentaire donné sont peu nombreux et comprennent la biomasse la plus faible (quantité totale de masse de tous les organismes) de tous les niveaux trophiques (figures 2 et 6).

A tree showing its roots with a deer underneath the branches and leaves. Arrows pointing in directions of nutrient flows.
Figure 6 : Cycle typique des nutriments.5

Contrairement à l’énergie, les éléments chimiques et les nutriments ne se dissipent pas et ne sont pas unidirectionnels lors de leur passage à travers les réseaux trophiques. Au lieu de cela, ils parcourent les réseaux alimentaires. Les nutriments sont des éléments comme l’azote, le phosphore et le potassium qui sont essentiels à la vie car ils constituent les éléments constitutifs des molécules organiques, qui forment les composants de base des organismes. Les plantes et les animaux ont besoin de nutriments. Ils pénètrent généralement dans les réseaux trophiques terrestres lorsque les plantes les absorbent du sol et de l’atmosphère, et dans les réseaux trophiques marins et aquatiques lorsque les algues les absorbent de l’eau.

Tous les nutriments parcourent les différents niveaux d’un réseau alimentaire et sont convertis en différentes formes chimiques, mais ils ne sont jamais complètement perdus ou dissipés. La figure 6 illustre un cycle typique des nutriments terrestres. Alors que de nombreux éléments, tels que le phosphore et sodium, ne circulent que localement (ce qui signifie qu’ils restent dans les niveaux trophiques d’un écosystème pendant de longues périodes), d’autres éléments sont facilement convertis en formes gazeuses, comme le carbone et azote, sont plus largement cyclés à l’échelle mondiale.

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En savoir plus sur les cycles biogéochimiques du phosphore, du carbone et de l’azote dans le chapitre des ressources naturelles.

Les éléments nutritionnels nécessaires à des concentrations élevées pour la croissance des plantes et des animaux sont appelés macronutriments. Les éléments nécessaires à de faibles concentrations sont appelés micronutriments. La liste des macronutriments est l’azote (N), le phosphore (P), le potassium (K), le calcium (Ca), le soufre (S), le magnésium (Mg), le carbone (C), l’oxygène (O) et l’hydrogène (H). La liste des micronutriments (ou oligo-éléments) est le fer (Fe), le bore (B), le chlore (Cl), le manganèse (Mn), le zinc (Zn), le cuivre (Cu), le molybdène (Mo) et le nickel (Ni).

Les plantes tirent la plupart des nutriments des minéraux présents dans le sol. Sur une longue période géologique, les minéraux sont érodés des roches en raison de l’exposition au vent et à l’eau et s’infiltrent dans les sols où ils sont absorbés par les plantes ou transportés dans les rivières (comme ruissellement) vers les océans, où ils nourriront les algues (figure 7).

Aerial image of an island. Land, ocean, and some sand is seen.
Figure 7 : Dans cette image aérienne de la baie de Kuheia sur l’île de Kahoolawe à Hawaï, vous pouvez voir un ruissellement érosif de l’île vers l’océan. Les nutriments et les minéraux qui font partie de ce ruissellement entreront dans le réseau trophique marin comme nourriture pour les algues.6

Sol

Le sol est le substrat fondamental qui supporte tous les réseaux alimentaires terrestres et est défini comme le mélange interactif de minéraux, de matière organique, d’eau, de gaz et des organismes vivants qui composent la pédosphère, la couche la plus externe de la terre. En plus de créer un substrat physique pour soutenir les plantes enracinées et un habitat pour les organismes du sol, le sol fonctionne également comme un moyen de stockage de l’eau et un système de recyclage des nutriments et des déchets organiques.

Réseaux trophiques et organismes du sol

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Lisez ici pour en savoir plus sur les organismes qui vivent dans le sol, notamment les bactéries, les champignons, les arthropodes (comme les araignées et les acariens), les vers de terre et les vertébrés (comme les marmottes et les salamandres).

Quand beaucoup de gens pensent au sol, ils l’assimilent souvent à de la saleté – de minuscules morceaux de roches et de minéraux altérés. Les particules de saleté sont une composante vitale du sol, mais il y a beaucoup plus dans le sol que la saleté. Le sol est un substrat vivant qui partage de nombreuses similitudes avec les écosystèmes en surface. Tout comme il y a des arbres, des arbustes, des plantes, des mammifères, des oiseaux, des arthropodes et des micro-organismes qui forment des communautés vivantes au-dessus du sol, il existe d’innombrables micro et macroorganismes vivants qui vivent parmi les particules de roche concassée et contribuent à la différence entre la saleté et le sol.

Les organismes du sol vont de minuscules bactéries et champignons mycorhiziens de grande envergure aux insectes, vers, salamandres et même aux très petits mammifères. Ensemble, ils forment un écosystème complexe essentiel au maintien de la santé des sols et au cycle des nutriments et de l’énergie qui soutiennent les écosystèmes terrestres. Cette communauté de sols souterrains influence directement les plantes qui constituent la base des réseaux trophiques hors sol.

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Regardez cette vidéo sur les champignons mycorhiziens qui s’associent aux racines des plantes pour augmenter leur surface absorbante.

Lorsque les plantes et les animaux meurent, leur décomposition dépend des organismes vivant dans le sol. Au cours du processus de décomposition, les nutriments liés aux molécules organiques sous forme de tissus végétaux, animaux, fongiques ou bactériens sont minéralisés en formes inorganiques qui peuvent être dissoutes dans l’eau et absorbées par les plantes. De cette façon, les plantes et les animaux décomposés réintègrent le réseau alimentaire dans un système parfait de recyclage naturel.

Les sols sont classés par profils de sols, propriétés des particules, types de sols et formations de sols. Chacun d’eux est décrit ci-dessous.

Profil du sol

Drawing of different layers of soil. Top layer is grass, then there is the organic layer, followed by the surface, subsoil, substratum, then bedrock. Subsoil is the thickest layer according to this drawing. Roots go through this layer.
Figure 8 : Profil du sol.7

Un profil de sol est une section verticale du sol mesurée depuis la surface du sol jusqu’au substrat rocheux parent sous-jacent. Les profils de sol contiennent des horizons, qui sont des bandes ou couches horizontales caractéristiques, visibles lorsque le sol est vu en coupe transversale (voir les figures 8 et 9).

Différents sols ont des profils différents selon comment, quand et où ils ont été formés. Les deux couches supérieures du sol, connues sous le nom d’horizon O et d’horizon A, sont les plus importantes pour la croissance des plantes car elles sont accessibles à la plus large gamme de racines et contiennent le plus de nutriments. Ensemble, ces couches sont appelées terre végétale. Un sol arable profond peut mettre des dizaines de milliers d’années à se développer, car bon nombre de ses nutriments proviennent de la décomposition des plantes et des animaux.

Les sols des régions tempérées sont différents de ceux des régions tropicales (figure 9). De nombreux sols tropicaux ont été fortement altérés par le temps et ont été exposés à de grandes quantités de précipitations et à des taux élevés de décomposition dus à des conditions chaudes et humides constantes. Ces sols perdent une grande partie de leur capacité à se lier chimiquement aux nutriments. En conséquence, les nutriments sont rapidement lessivés et absorbés par la biomasse végétale massive que ces sols supportent. Les sols tropicaux ont généralement peu de terre végétale accumulée. En revanche, les prairies ont un sol arable profond en raison des longues racines de leurs herbes et de leur taux de rotation élevé.

5 different photos of soil profiles to compare the depth of each layer of soils depending on the ecosystem
Figure 9 : Profils de sols de différents écosystèmes.8
Malgré la faible profondeur relative de leur sol tropical, les écosystèmes tropicaux (en particulier les forêts tropicales humides) sont parmi les écosystèmes terrestres les plus productifs de la Terre. Les arbres tropicaux et les petites plantes maintiennent leur productivité en absorbant rapidement les nutriments libérés par les plantes et les animaux en décomposition. De cette façon, ils détiennent la plupart des nutriments du système dans leur biomasse aérienne.

Propriétés du sol

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Lisez cet article pour une description des propriétés du sol.

Les composants physiques et chimiques du sol ont une influence majeure sur les propriétés du sol, déterminant la quantité et les types de cultures que les agriculteurs cultiveront. Ces propriétés comprennent la texture du sol, la structure du sol, la composition chimique, le pH du sol, la salinité, la capacité de rétention d’humidité et ses organismes vivants. Les paragraphes suivants décrivent la composition, la formation et la fertilité des sols en termes généraux. Pour une discussion plus détaillée des propriétés du sol, consultez le regard plus attentif noté ici.

A circle graph that shows the composition of fertile top-soil.
Figure 10 : Composantes du sol fertile qui répondent aux besoins de croissance de la plupart des plantes terrestres. Fertile top-soil components : les constituants de la couche superficielle du sol ; Organic matter : matière organique.9

Le sol arable joue un rôle important dans la détermination de la productivité d’un site agricole. Pour atteindre une croissance optimale, une plante a généralement besoin d’une terre végétale composée de 45% de minéraux, 5% de matière organique (ou d’humus), 25% d’eau et 25% d’air (figure 10). La portion de matière organique peut être subdivisée en 80% d’humus, 10% de racines et 10% d’organismes vivants. Cette distribution fournit la combinaison optimale de nutriments, de drainage et d’aération pour la croissance des plantes.

Les compactés sont très condensés, ce qui signifie qu’il y a peu d’espaces interstitiels pour l’air et l’eau et que l’humus est étroitement comprimé. Les sols se compactent lorsque des machines lourdes sont entraînées sur des sols agricoles ou lorsque des machines de compactage sont utilisées dans la construction de routes ou de fondations. À la suite d’un tel compactage, la composition du sol est modifiée et est moins propice à la croissance des plantes (figure 11).

Formation et types de sols

Percentages of composition between undisturbed soil and compacted soil. Compacted soil has 74% mineral matter as compared to 45% in undisturbed soil.
Figure 11 : Composantes des sols non perturbés et compactés. Les sols non perturbés contiennent les portions optimales de minéraux, d’air, d’eau et de matière organique. Undisturbed soil : sol non perturbé ; Compact soil : sol compacté.10
Les processus de formation des sols déterminent les types de sols et leurs profils. Ces processus varient d’un endroit à l’autre et dépendent de l’histoire géologique d’une région, du climat et des modes d’utilisation des terres par les humains. Les facteurs contribuant à la formation du sol comprennent le matériau d’origine (le substrat rocheux dont le sol est originaire), le terrain de la région, la quantité de précipitations, le climat, le type de micro-organismes présents, la quantité et le type de végétation présente, le temps et les influences humaines. Ces processus agissent de concert avec des facteurs chimiques, biologiques et physiques pour influer sur la formation locale du sol. Dans des conditions chaudes et humides, les sols peuvent se former rapidement. Dans des conditions froides ou sèches, les sols peuvent prendre des centaines de milliers d’années pour se former. Les pédologues ont classé plus d’un millier de types de sols différents, regroupés en l’un des 12 types de sols de base, qui sont décrits dans ce tableau.

La fertilité des sols

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Découvrez comment les agriculteurs modifient le pH de leurs sols pour améliorer la croissance des plantes.

La fertilité du sol fait référence aux propriétés chimiques et physiques du sol qui lui confèrent sa capacité à favoriser une croissance soutenue des plantes. Un large éventail de fertilité se trouve dans les sols du monde entier, des sols désertiques infertiles aux prairies tropicales les plus riches et aux plaines inondables des rivières. Les sols sont plus ou moins fertiles en fonction de leur teneur en macronutriments et micronutriments, leur capacité d’échange cationique, leur pH, leur capacité à absorber et drainer l’eau, et leur teneur en matière organique.

Les sols fertiles ont tendance à contenir une abondance de phosphore, de potassium, de soufre, de calcium, de magnésium et de fer. Ces sols abritent une plus grande variété d’espèces végétales que les sols infertiles. Parce que les plantes forment la base des réseaux trophiques terrestres et que différents insectes, mammifères et oiseaux utilisent différentes espèces végétales pour se nourrir, les variations de la fertilité du sol peuvent avoir un impact sur l’ensemble de la communauté naturelle d’une région.

Questions à considérer

  • On pourrait penser qu’appeler un aliment nutritif signifie qu’il a bon goût. Pourquoi est-ce incorrect ? Qu’est-ce qui rend un aliment nutritif ?
  • •Comment serait-il plus efficace en termes de transfert d’énergie et de nutriments dans le réseau alimentaire si les humains étaient des herbivores plutôt que des omnivores ? 
  • Quel type de sol avez-vous dans votre région et est-il fertile pour cultiver des aliments ?