Att förutsäga hur ökande atmosfärisk CO2 kommer att påverka den hydrologiska cykeln, från extrema väderprognoser till långsiktiga prognoser för jordbruk och vattenresurser, är avgörande både för det dagliga livet och för planetens framtid. Det är vanligt att tro att hydrologiska förändringar drivs av nederbörd och strålningsförändringar orsakade av klimatförändringar, och att när landytan anpassar sig, stigande temperaturer och lägre nederbörd kommer att göra planeten torrare.

Columbia Engineering-forskare har funnit att, tvärtom, växtlighet spelar en dominerande roll i jordens vattenkretslopp och att växter kommer att reglera och dominera den ökande stressen som utsätts för kontinentala vattenresurser i framtiden. Studien, ledd av Pierre Gentine, docent i jord- och miljöteknik vid Columbia Engineering och vid Earth Institute, publiceras idag i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vår upptäckt att vegetation spelar en nyckelroll i framtiden i terrestra hydrologiska svar och vattenstress är av yttersta vikt för att korrekt förutsäga framtida torrhet och vattenresurser, säger Gentine, vars forskning fokuserar på förhållandet mellan hydrologi och atmosfärisk vetenskap, interaktion mellan land och atmosfär, och dess inverkan på klimatförändringarna. "Detta kan vara en verklig spelväxlare för att förstå förändringar i kontinental vattenstress som kommer in i framtiden."

Gentines team är det första att isolera vegetationens reaktion från den totala komplexa reaktionen på global uppvärmning, som inkluderar sådana variabler för vattnets kretslopp som evapotranspiration (vattnet som avdunstat från ytan, både från växter och bar jord) jordfuktighet, och avrinning. Genom att lösa upp vegetationens reaktion på den globala ökningen av CO2 från reaktionen från atmosfären (växthusgaser), de kunde kvantifiera det och fann att vegetationen faktiskt är den dominerande faktorn som förklarar framtida vattenstress.

"Växter är verkligen världens termostat, säger Léo Lemordant, Gentines doktorand och huvudförfattare till uppsatsen. "De är i mitten av vattnet, energi, och kolkretslopp. När de tar upp kol från atmosfären för att frodas, de släpper ut vatten som de tar från jordarna. Gör det, de kyler också av ytan, kontrollera temperaturen som vi alla känner. Nu vet vi att främst växter, inte bara nederbörd eller temperatur? kommer att berätta för oss om vi kommer att leva en torrare eller fuktigare värld."

För studien, Gentine och Lemordant tog jordsystemmodeller med frikopplad yta (vegetationsfysiologi) och atmosfäriska (strålande) CO2-svar och använde en statistisk multimodellanalys från CMIP5, den senaste uppsättningen av samordnade klimatmodellexperiment som inrättats som ett internationellt samarbetsprojekt för International Panel on Climate Change. De använde tre körningar:en kontrollkörning med CO2 på bladnivå och i atmosfären, en körning där endast vegetationen svarar på en ökning av CO2, och en körning där bara atmosfären svarar på CO2 -ökningen.

Deras resultat visade att förändringar i viktiga vattenstressvariabler är starkt modifierade av vegetationsfysiologiska effekter som svar på ökad CO2 på bladnivå, illustrerar hur djupt de fysiologiska effekterna på grund av ökande atmosfärisk CO2 påverkar vattnets kretslopp. Det fysiologiska CO2-svaret har en dominerande roll i evapotranspiration och har stor effekt på långtidsavrinning och markfuktighet jämfört med strålnings- eller nederbördsförändringar på grund av ökad atmosfärisk CO2.

Denna studie belyser vegetationens nyckelroll för att kontrollera framtida terrestra hydrologiska svar och betonar att de kontinentala kol- och vattencyklerna är intimt kopplade över land och måste studeras som ett sammankopplat system. Den betonar också att hydrologer bör samarbeta med ekologer och klimatforskare för att bättre förutsäga framtida vattenresurser.

"Biosfärens fysiologiska effekter och relaterade biosfär-atmosfärinteraktioner är nyckeln till att förutsäga framtida kontinental vattenstress som representeras av evapotranspiration, långvarig avrinning, markfuktighet, eller bladarea index, " säger Gentine. "I sin tur, Vegetationsvattenstress reglerar till stor del markens kolupptag, ytterligare betona hur tätt de framtida kol- och vattenkretsloppen är kopplade så att de inte kan utvärderas isolerat."

Gentine och Lemordant planerar att ytterligare reda ut de olika fysiologiska effekterna. "Vegetationssvaret är i sig självt verkligen komplext, "Gentine säger, "och vi vill bryta ner effekten av biomassatillväxt kontra stomatal respons. Det finns också konsekvenser för extrema värmeböljor som vi för närvarande arbetar med."

"Detta arbete belyser ett viktigt behov av att ytterligare studera hur växter kommer att reagera på stigande atmosfärisk koldioxid, säger James Randerson, professor i jordsystemvetenskap, University of California, Irvine, som inte var involverad i studien. "Växter kan ha en stor effekt på klimatet på marken, och vi måste bättre förstå hur de kommer att reagera på koldioxid, uppvärmning, och andra former av global förändring."