Pourquoi les arbres disparaissent-ils en haute montagne ?
― La photosynthèse fonctionne, mais le froid bloque le « chantier de construction du corps »
Quand on grimpe en montagne, la forêt s'arrête soudain à une certaine altitude. Au-delà, il ne reste que des arbustes bas et des fleurs. C'est la limite des arbres. Surprise : les arbres ne disparaissent pas parce que la photosynthèse devient impossible. Le sucre, la matière première, est bien là, mais il fait trop froid pour que le « chantier de construction du corps » avance. Et plus l'arbre est grand, plus il subit ce froid de plein fouet.
Vous marchez dans les Alpes japonaises en été. Au début, vous êtes dans une forêt de grands conifères, et le feuillage filtre le soleil.
En montant, les arbres deviennent de plus en plus bas. Les troncs se tordent, et de plus en plus d'arbres n'ont des branches que d'un seul côté. Soudain, la vue s'ouvre. À vos pieds, des arbustes qui ne montent pas jusqu'aux genoux rampent sur le sol.
Le soleil est même plus fort. La pluie tombe aussi. Et pourtant, plus haut, il n'y a plus de forêt. Qu'est-ce qui arrête les arbres ?
Il y a seulement deux raisons
Les feuilles continuent la photosynthèse même près de 0 degré. Mais le chantier qui utilise ce sucre pour fabriquer de nouvelles cellules et épaissir troncs et racines est bloqué par le froid bien avant. La matière première est là, mais on ne peut pas s'en servir.
Les plantes au ras du sol baignent dans la chaleur du sol réchauffé par le soleil. Le bout des branches d'un grand arbre, lui, est balayé par le vent et aussi froid que l'air. En plus, l'ombre de ses propres feuilles refroidit le sol au pied de l'arbre.
Quand ces deux effets se cumulent, il existe une hauteur où « une plante basse peut vivre, mais un grand arbre ne peut pas finir de grandir ». C'est la limite des arbres. Voyons cela pas à pas.
Pourquoi ne pousse-t-on pas, alors que la photosynthèse marche ?
Pendant longtemps, on a pensé que la limite des arbres venait d'un manque de sucre, la photosynthèse étant insuffisante par temps froid. Mais en étudiant les arbres à la limite des arbres, on a découvert que les réserves de sucre de leurs troncs et de leurs branches sont plutôt en excès.
Pour qu'une plante grandisse, produire du sucre ne suffit pas. Il faut diviser les cellules, assembler leurs parois et empiler le bois du tronc. Ce chantier est bien plus sensible au froid que la photosynthèse. En dessous d'environ 5 degrés, l'assemblage n'avance presque plus.
C'est comme un entrepôt rempli de planches, mais où les charpentiers ne peuvent pas travailler tant il fait froid. Le botaniste suisse Christian Körner et ses collègues ont mesuré la température du sol au pied des arbres à la limite des arbres, partout dans le monde. Ils rapportent que la moyenne de la saison de croissance était partout d'environ 6 à 7 degrés. Dans une haute montagne tropicale comme dans une petite montagne du Nord, on retombe sur le même chiffre.
Regardez la partie gauche de la figure 1. La ligne pointillée qui marque la limite de la forêt correspond à l'altitude où la moyenne de la saison de croissance atteint environ 6 à 7 degrés.
Pourquoi fait-il plus chaud quand on est petit ?
Par temps clair, le sol peut être bien plus chaud que l'air quand on le touche. Le sol chauffé par le soleil crée juste au-dessus de lui une mince couche d'air tiède. Comme le vent est faible près du sol, cette couche est difficile à balayer.
Les fleurs de haute montagne et les plantes en coussin, rondes et denses, sont entièrement logées dans cette couche. On rapporte qu'en plein jour par temps clair, la température de leurs feuilles peut dépasser celle de l'air de plus de 10 degrés.
En revanche, le bout des branches d'un grand arbre se trouve à une hauteur où le vent passe sans obstacle. Même en plein soleil, la chaleur est vite emportée par le vent. La température des branches ne diffère donc presque pas de celle de l'air. De plus, quand les arbres sont denses, leur ombre empêche le soleil d'atteindre le sol à leur pied, qui se refroidit aussi.
Autrement dit, sur la même montagne et à la même altitude, « le climat ressenti par une plante basse » et « le climat ressenti par un grand arbre » ne sont pas les mêmes. Si seules les plantes basses survivent au-dessus de la limite des arbres, c'est qu'elles vivent dans un autre climat, un peu plus doux, tout près du sol.
Dans les hautes montagnes japonaises, le pin nain (hai-matsu) s'étend au-dessus de la limite des arbres et pousse en rampant sur le sol, comme son nom l'indique. L'hiver, enfoui sous la neige, il protège ses branches du vent glacial et de la sécheresse. Les branches qui dépassent de la neige s'abîment facilement en hiver et peuvent mourir. Sur les crêtes très ventées, on voit aussi des arbres dont les branches côté vent sont mortes, ce qui leur donne une forme de drapeau.
Dans les montagnes tropicales, la limite des arbres se situe, dit-on, vers 3500 à 4000 mètres. Plus on va vers le nord, plus elle est basse, et dans l'Arctique, elle descend enfin jusqu'à la plaine. La ligne où la forêt s'arrête en plaine est connue comme la limite des arbres arctique. Les montagnes japonaises, très neigeuses et ventées, ont une limite des arbres plus basse que celle des montagnes continentales de même latitude.
En résumé
Si les arbres disparaissent en haute montagne, ce n'est ni par manque de lumière, ni par impossibilité de fabriquer du sucre. C'est parce que le froid bloque le chantier d'assemblage des nouvelles cellules, et que les grands arbres sont plus exposés au vent froid. Partout dans le monde, la limite des arbres suit la même ligne de température : « une moyenne d'environ 6 à 7 degrés pendant la saison de croissance ».
Ce qui arrête les arbres, ce n'est ni la lumière ni le sucre,
c'est « un froid qui empêche d'assembler » et « la grande taille ».
Pourquoi les arbres diffèrent selon l'orientation de la pente : voir « Sur une même montagne, pourquoi les arbres sont-ils différents sur le versant nord et sur le versant sud ? ». Comment la neige protège le sol : voir « Même par −20 degrés dehors, pourquoi reste-t-il 0 degré sous la neige ? ». Ce qui arrive au corps humain en altitude est dans l'article « Le mal des montagnes », et pourquoi le temps change vite en montagne dans l'article « Le temps en montagne ». Le mécanisme qui refroidit l'air en altitude est calculé dans « Pourquoi les couleurs d'automne descendent-elles de la montagne vers la vallée ? ».
- Par une journée bien ensoleillée et venteuse, allez sur une pelouse ou dans un pré. Prenez deux thermomètres.
- Placez-en un dans l'herbe, au ras du sol, et l'autre à hauteur de poitrine, à l'ombre. Attendez quelques minutes, puis lisez. Couvrez légèrement les thermomètres d'une feuille de papier blanc pour que le soleil ne les frappe pas directement.
- Si vous allez en haute montagne ou sur une colline, observez la hauteur et la forme des arbres en montant. Notez l'altitude où les arbres deviennent bas et où leurs branches commencent à pencher d'un seul côté.
Si le thermomètre près du sol indique quelques degrés de plus, c'est le « climat des basses couches » où vivent les plantes alpines. Si vous partez en montagne, soyez très attentif à la météo et à l'équipement.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau du cours de sciences au collège
- LycéeNiveau des cours de lycée (biologie de base, sciences de la Terre de base)
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Niveau universitaire, non vu au lycée (physiologie et écologie végétales, microclimatologie)
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient encore, non enseignées comme établies, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Limite des arbres : altitude (ou latitude) maximale où une forêt continue peut exister. Au-delà, les grands arbres ne forment plus de bois.
- Étage alpin : zone située au-dessus de la limite des arbres. Au Japon, on y trouve des fourrés de pin nain, des prairies et des rochers de haute montagne.
- Gradient thermique vertical : vitesse à laquelle la température baisse avec l'altitude. En moyenne, elle baisse d'environ 0,6 degré tous les 100 mètres.
CollègeLycéeVérifier par une formule : à quelle altitude se trouve la limite des arbres ?
Si l'on connaît la température moyenne de la saison de croissance au pied de la montagne, on peut calculer de combien de mètres il faut monter pour descendre à environ 6,5 degrés. Ici, on suppose une température moyenne de 22 degrés au niveau de la mer.
| En symboles | h ＝ ( T0 － Tc ) ÷ Γ |
| En mots | Altitude de la limite des arbres ＝ (température au pied － température minimale de croissance) ÷ baisse de température par unité d'altitude |
| D'où vient cette formule | Elle vient de l'approximation selon laquelle la température baisse proportionnellement à l'altitude (gradient thermique). L'air qui monte se dilate et se refroidit, donc la température baisse à peu près au même rythme avec l'altitude. Γ vaut environ 0,6 degré par 100 mètres. |
| Température moyenne de la saison de croissance au niveau de la mer (hypothèse) | 22 degrés |
| Température moyenne repère commune aux limites des arbres | 6,5 degrés |
| Baisse de température tous les 100 mètres | 0,6 degré |
| T0 | Température moyenne au niveau de la mer (en degrés) |
| Tc | Température repère de la limite des arbres (en degrés) |
| h | Altitude de la limite des arbres (en mètres) |
| Γ | Gradient thermique (baisse de température par 100 mètres, en degrés) |
| Baisse de température nécessaire | 22 － 6,5 ＝ 15,5 |
| Combien de tranches de 100 mètres il faut monter | 15,5 ÷ 0,6 ≒ 25,8 |
| Conversion en mètres | 25,8 × 100 ＝ 2580 |
Cela donne environ 2600 mètres. C'est à peu près cohérent avec la limite des arbres d'environ 2500 mètres dans les montagnes du centre de Honshu. Si l'on baisse la température au pied de 2 degrés, à 20 degrés, le même calcul donne environ 2250 mètres.
| Dans une région où il fait 2 degrés plus froid au pied | La limite des arbres est plus basse de plus de 300 mètres |
| À l'inverse, si la température monte de 1 degré | La limite des arbres peut monter, en théorie, d'environ 170 mètres |
Une différence de quelques degrés seulement déplace le paysage de montagne de plusieurs centaines de mètres. Mais en réalité, les graines doivent être transportées et les arbres mettent des dizaines d'années à grandir : ils ne suivent donc pas tout de suite les changements de température.
LycéeLycée+Lien avec la répartition verticale des biomes
LycéeEn biologie de base, on apprend la « répartition verticale » : selon l'altitude, la végétation passe de l'étage collinéen à l'étage montagnard, subalpin, puis alpin. La frontière entre l'étage subalpin et l'étage alpin est la limite des arbres de cet article. Si la température baisse avec l'altitude, c'est parce que l'air qui monte se dilate et se refroidit.
Lycée+Dans les montagnes japonaises, surtout du côté de la mer du Japon où la mousson d'hiver est forte, la limite des arbres apparaît parfois plus bas que ne le prévoit la température. Cela s'explique par la combinaison de beaucoup de neige, de vents forts et de la sécheresse hivernale des branches qui dépassent de la neige. On appelle parfois ces lieux « étage pseudo-alpin ».
Univ.Pas un « manque de matière première », mais un « manque d'usage »
📖 Dérivation de la formule et pour aller plus loin : Gradient thermique (Wikipédia, en japonais)
En physiologie et écologie végétales, on distingue deux limites à la croissance : le côté « production de sucre » (photosynthèse) et le côté « utilisation du sucre » (division, élongation des cellules, synthèse des parois). Chez les arbres à la limite des arbres, les réserves de glucides non structuraux (amidon et sucres) des troncs et des branches se sont souvent révélées non inférieures à celles des arbres de basse altitude. C'est pourquoi l'hypothèse de la « limitation de la croissance », selon laquelle la cause principale est la limitation par le froid du côté « utilisation du sucre », est devenue la plus solide. L'effet de la taille s'explique par l'épaisseur de la couche limite autour de la plante et l'intensité des échanges de chaleur avec le vent. Une plante basse, dans la couche limite du sol, échange peu de chaleur avec l'air et se réchauffe facilement au soleil.
RechercheCe qu'on ne comprend pas encore bien
- Jusqu'où la limite des arbres montera-t-elle avec le réchauffement ? Les températures augmentent, mais la limite des arbres monte vite à certains endroits et presque pas à d'autres. On étudie en divers lieux le rôle de l'installation des semis, du broutage par les animaux et des dégâts du gel.
- Pourquoi cette valeur de 6 à 7 degrés partout ? On pense à un lien avec la température à laquelle l'assemblage des cellules s'arrête, mais on ne sait pas encore avec certitude quel processus est décisif.
- Dégâts hivernaux ou croissance insuffisante en été : lequel compte le plus ? On pense aussi que, par endroits, la sécheresse hivernale des branches qui dépassent de la neige ou le gel des jeunes semis fixent la limite des arbres.
Le contenu de cet article est donc « l'explication dans l'état actuel des connaissances ». La montée de la limite des arbres attire aussi l'attention comme repère pour surveiller le changement climatique.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : structure et fonctionnement des plantes / météo | Photosynthèse, il fait plus froid en altitude |
| Lycée | Biologie de base : répartition verticale des biomes | Frontière entre étage subalpin et étage alpin |
| Lycée+ | Sciences de la Terre de base : structure thermique de l'atmosphère | Calcul d'altitude avec le gradient thermique, étage pseudo-alpin |
| Univ. | Physiologie et écologie végétales, microclimatologie | Hypothèse de limitation de la croissance, couche limite et température des plantes |
| Recherche | Écologie alpine, recherche sur le changement climatique | Vitesse de montée de la limite des arbres, raison des 6 à 7 degrés |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Lire le paysage en randonnée, repère des effets du réchauffement |
- Körner, C. & Paulsen, J. (2004) A world-wide study of high altitude treeline temperatures. Journal of Biogeography 31: 713–732.
- Körner, C. (2012) Alpine Treelines: Functional Ecology of the Global High Elevation Tree Limits. Springer.
- Körner, C. (2003) Alpine Plant Life: Functional Plant Ecology of High Mountain Ecosystems, 2nd ed. Springer.
- Holtmeier, F.-K. (2009) Mountain Timberlines: Ecology, Patchiness, and Dynamics, 2nd ed. Springer.
- Ministère de l'Environnement du Japon, Bureau de la nature, Centre de la biodiversité (環境省 自然環境局 生物多様性センター)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. L'altitude de la limite des arbres varie beaucoup selon le relief, la neige et le vent.