对于C₃植物叶片，增加CO₂浓度既可提高光合作用，又可导致气孔阻力增大，蒸腾减弱，最终使C3植物水分利用效率得以提高。对于C4植物叶片，增加CO₂浓度，水分利用效率提高的原因主要是由于高浓度CO₂使叶片气孔阻力增大，蒸腾减小所致。

CO₂浓度对植物蒸腾及水分利用效率影响已有许多研究结果。研究认为，大气CO₂浓度增加1倍，C3作物春小麦叶片蒸腾速率平均减小39.2％，水分利用效率增加3倍左右。另据研究指出，CO₂浓度增加；大白菜蒸腾系数减小，水分利用效率提高，大气CO₂浓度700uL／L比350uL／L蒸腾系数降27.1％，比500uL／L降低23.1％。

CO₂浓度增加后，植物群体水分利用效率增加主要是由于光合干物质积累的增加。如对玉米群体来说，在水分充足条件下，干物质积累增加为16％，而蒸散减少只有8％；在水分不足时，二者分别为22％和12％，前者约为后者的两倍。