Global effects of doubled atmospheric CO₂ content on evapotranspiration, soil moisture and runoff under potential natural vegetation

Abstract

Rising atmospheric CO₂ concentration affects the water balance through climatic changes and through changes in transpiration, vegetation structure and distribution. This study quantifies CO₂ effects upon evapotranspiration, soil moisture and runoff under conditions of potential natural vegetation globally, using a biosphere model forced by observed climate (1961–1990). Isolated CO₂ impacts were inferred from a 2 × CO₂ scenario, assuming no climate change. Global effects are moderate: evapotranspiration reduces by 7%, whilst runoff and soil moisture increase by 5% and 1%, respectively. But the effects vary regionally and seasonally, owing to the complex interplay between water and vegetation dynamics. For example, reduced leaf-level transpiration is outweighed by increased transpiration resulting from enhanced vegetation cover in semiarid areas; and seasonal transpirational water savings result in year-round increases in soil moisture in boreal regions. Overall, CO₂ effects impart significant variability to hydrological processes at all scales, so they merit consideration in assessments of future water resources.

Résumé

L'augmentation de la teneur atmosphérique en CO₂ affecte le bilan hydrique à travers les changements climatiques et à travers les changements de transpiration, et de structure et distribution de la végétation. Cette étude quantifie à l'échelle du globe les effets du CO₂ sur l'évapotranspiration, l'humidité du sol et l'écoulement en conditions de végétation naturelle potentielle, en utilisant un modèle de la biosphère sous forçage du climat observé (1961–1990). Les impacts du CO₂ ont été identifiés isolément pour un scénario 2 × CO₂ en supposant l'absence de changement climatique. Les effets globaux sont modérés: l'évapotranspiration diminue de 7%, tandis que l'écoulement et l'humidité du sol augmentent respectivement de 5% et 1%. Mais les effets varient selon les régions et selon les saisons, à cause de la relation complexe qui existe entre les dynamiques de l'eau et de la végétation. Par exemple, la réduction de la transpiration à l'échelle foliaire est compensée par l'augmentation de la transpiration qui résulte de l'accroissement du couvert végétal dans les régions semi-arides; et la diminution de l'eau transpirée engendre des augmentations tout au long de l'année de l'humidité du sol dans les régions boréales. D'un point de vue général, les effets du CO₂ génèrent une variabilité significative des processus hydrologiques à toutes les échelles, ce qui justifie d'en tenir compte dans les estimations des ressources en eau futures.

Key words:

• CO₂ effects
• evapotranspiration
• global vegetation model
• global water resources
• LPJ model
• soil moisture
• transpiration
• vegetation

Mots clefs:

• effets du CO₂
• évapotranspiration
• modèle global de végétation
• ressources en eau globales
• modèle LPJ
• humidité du sol
• transpiration
• végétation