サムネイル|400x400ピクセル|干ばつに見舞われたトウモロコシ畑、米国テキサス州 気候変動による農業への影響（きこうへんどうによるのうぎょうへのえいきょう、英：effects of climate change on agriculture）は多数あり世界の食料安全保障を確保するうえで農業活動をより困難にしている。
概要 気温の上昇および気象パターンの変化は、干ばつ・熱波による水不足ならびに洪水により作物収量の低下を引き起こしBezner Kerr, R., T. Hasegawa, R. Lasco, I. Bhatt, D. Deryng, A. Farrell, H. Gurney-Smith, H. Ju, S. Lluch-Cota, F. Meza, G. Nelson, H. Neufeldt, and P. Thornton, 2022: Chapter 5: Food, Fibre, and Other Ecosystem Products. In: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, M. Tignor, E.S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, B. Rama (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, doi:10.1017/9781009325844.007.、複数地域で同時に凶作が起こるリスクを高めうる。世界的同時不作が発生すれば、世界の食料供給に深刻な結果をもたらす。さらに植物害虫や植物病害がより広範囲に広がったり、流行しやすくなったりすることが予測されている。畜産も気候変動の被害を被り、具体的には熱ストレス・飼料不足・寄生虫・家畜伝染病の拡大などである。
主に化石燃料の燃焼による大気中の人為的二酸化炭素（CO₂）濃度の上昇は、CO₂施肥効果と呼ばれる効果をもたらす。この効果は気候変動が農業に及ぼす悪影響の一部を軽減するが、その代償として作物中の必須微量栄養素の含有量すなわち栄養価は低下する。CO₂施肥効果はトウモロコシのようなC4作物にはほとんど影響しない。沿岸部では海面上昇により一部の農地が失われると予測されており、さらに氷河融解により灌漑用水が減少する可能性もある。一方で寒冷地では温暖化により耕作可能な土地が増加する場合もある。他にも侵食・土壌肥沃度の変化・生育期間の変化などの影響がある。サルモネラのような細菌やマイコトキシン産生真菌は、気温上昇により増殖が促進され、これが食品の安全性・損失・価格に悪影響を及ぼす。
気候変動が個々の作物に与える影響については広範な研究が存在し、特に主要4作物（トウモロコシ・米・小麦・大豆）に関する研究が多い。これらの作物は人類が摂取する全カロリーの約3分の2（畜産飼料を介した間接的摂取を含む）を担っている。将来の人口増加などの不確実性についての調査により、今後の食料需要はさらに増加すると見込まれている。将来の土壌侵食や地下水枯渇の程度も不確実要素である。一方1960年以降いわゆる「緑の革命」により単位面積あたりの収量は250〜300%向上しており、この進展の一部は今後も続くと予想されている。
2022年時点では21世紀中は気候変動が原因で世界規模の飢饉が起こるとは予想されていないMycoo, M., M. Wairiu, D. Campbell, V. Duvat, Y. Golbuu, S. Maharaj, J. Nalau, P. Nunn, J. Pinnegar, and O. Warrick, 2022: Chapter 3: Mitigation pathways compatible with long-term goals. In Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change [ K. Riahi, R.Schaeffer, J.Arango, K. Calvin, C. Guivarch, T. Hasegawa, K. Jiang, E. Kriegler, R. Matthews, G. P. Peters, A. Rao, S. Robertson, A. M. Sebbit, J. Steinberger, M. Tavoni, D. P. van Vuuren]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 463–464 |doi= 10.1017/9781009157926.005ものの、現実には2021年には7億2000万〜8億1100万人が栄養不足にあり、そのうち約20万人が壊滅的なレベルの食料不安に直面していた。気候変動により2050年までにさらに800万〜8000万人が飢餓リスクにさらされると予想される（この推計値幅は温暖化の強度および気候変動適応策の効果によって異なる）が、その頃までには農業生産性の向上により数億人分は食料安全保障が改善されると楽観視する論調もある。2100年以降にかけての長期的予測は殆どなされていないが、将来的な極端気象の影響について懸念されている。
気象変動による直接的な影響
極端気象の増加
農業は天候に敏感であり、熱波・干ばつ・豪雨などの極端気象は深刻な損失を引き起こす。たとえばオーストラリアではエルニーニョ現象の際に農家が損失を被る可能性が高く、2003年欧州熱波では130億ユーロの保険対象外の農業損失が発生した。気候変動は熱波の頻度/強度を高め降水の予測困難性や極端性を強めるが、気候変動帰属研究は比較的新しい分野であり、特定の気象事象とその損害を自然変動ではなく人為的気候変動と確定的に結びつけることは容易ではない。例外として西アフリカでは気候変動による極端気象の強化により既に雑穀収量が10〜20%、モロコシ収量が5〜15%低下していることが確認されている。また2007年に南部アフリカで発生した干ばつは気候変動により悪化しており、食料価格の上昇およびレソトにおける「緊急食料不安」を引き起こした。同地域では2014〜2016年エルニーニョの影響も気候変動によって悪化し農業に被害を及ぼした。
欧州では1950年から2019年にかけて熱波の頻度と連続して発生する可能性が増加した一方で、寒冷の極端気象は減少した。同時期、北欧および東欧の大部分で豪雨がより頻繁に発生するようになり、逆に地中海地域では干ばつの影響が強まった。欧州における熱波と干ばつが農作物生産に及ぼす影響の深刻度は、50年間で3倍になったとされる。2.2%であった1964〜1990年の農作収量損失は1991〜2015年には7.3%に増加した。2018年の夏にはおそらく気候変動と関連している熱波により世界中多くの地域、特に欧州で平均収量が大きく低下した。8月中にはさらなる作物の不作が起こり、世界の食料価格が上昇した。
洪水も気候変動と関連しており近年の農業に著しい悪影響を及ぼしてきた。たとえば2019年5月米国中西部では洪水によりトウモロコシの播種時期が短縮され、予想収量は150億ブッシェルから142億ブッシェルに減少した。2021年欧州洪水では最も被害の大きかった国の一つであるベルギーの農業が深刻な損害を被り、土壌侵食などの長期的影響も懸念された。また中国では2023年の研究により、過去20年間にわたる極端降雨が米の生産量を約8%減少させたことが判明し、この影響は同時期の極端高温による損失と同程度であるとされた。
気温上昇による農作被害
気温および気象パターンの変化により農業に適した地域は変化し、乾燥/半乾燥地域（中東、・アフリカ・オーストラリア・アメリカ南西部・南欧州）で気温が上昇し降水量が減少すると予測されている。熱帯地域では（今世紀前半に予想される）1〜2℃程度の気温上昇により総じて作物収量が減少する見込みであり、さらに今世紀後半にはさらなる気温上昇により、カナダやアメリカ北部を含む全世界地域で作物収量の減少が見込まれている。多くの主食作物は高温に非常に敏感であり、たとえば気温36℃を超えると、大豆の苗は枯死しトウモロコシの花粉は受精能力を失う。ある見積もりでは、地球の平均気温が1℃上昇すると将来的に作物収量が5〜10%減少しうる。
一部地域では冬季の気温上昇と無霜日数の増加さえもむしろ悪影響をもたらすことがある。なぜならこれにより植物の開花期と花粉媒介者の活動の間にズレ（現象学的不一致）が生じ、受粉の不成功をきたすからである。長期的な気温上昇は生育期間を延長させるとする研究があり。2014年の研究は、中国黒竜江省において気温の上昇によりトウモロコシの収量が10年間で7〜17%増加したと報告している。しかし一方で、2017年のメタ分析（2種の気候モデル・統計的回帰・フィールド実験の4手法のデータ比較）は、地球規模では気温上昇そのものが主要4作物の収量に一貫して負の影響を与えると結論づけており、収量増加があるとすればそれは降水パターンの変化やCO₂施肥効果によるものである可能性が高いとしている。
気温上昇による畜産被害
一般的に家畜にとって快適気温範囲は10〜30℃であるKerr R.B., Hasegawa T., Lasco R., Bhatt I., Deryng D., Farrell A., Gurney-Smith H., Ju H., Lluch-Cota S., Meza F., Nelson G., Neufeldt H., Thornton P., 2022: Chapter 5: Food, Fibre and Other Ecosystem Products. In Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, M. Tignor, E.S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke,V. Möller, A. Okem, B. Rama (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, US, pp. 1457–1579 |doi=10.1017/9781009325844.012。温暖化が寒冷地域で人間の体感的快適さを向上させるという単純な期待と同様、同地域の家畜もより温暖な冬の「恩恵」を受ける。しかし地球全体で見ると夏季の平均気温上昇やより頻繁・強力な熱波は、家畜が熱ストレスを受けるリスクを大幅に高める。最悪温暖化シナリオSSP5-8.5では、低緯度地域における牛・羊・ヤギ・豚・鶏が、年間72〜136日の極端な高温・高湿による深刻なストレスを被ると予測されている。
牛は屋外で飼育されることが多く気候の変化に直接さらされるため、これまでの熱ストレスと家畜に関する研究は主に牛に焦点を当ててきた。実際には2006年頃すでに世界の豚の50%以上、鶏の70%以上が完全屋内飼育であり、将来的には豚で3〜3.5倍、採卵鶏で2〜2.4倍、肉用鶏で4.4〜5倍にまで増加すると予測された。断熱された建物内で換気システムによって管理されている屋内飼育では、屋外飼育よりも温暖化から守られていると考えられてきた。しかしかつて冷涼だった中緯度地域では、夏季には屋内の気温はむしろ屋外より高くなることがすでに確認されており、気温の上昇が換気システムの設計限界を超えることで、屋内飼育の家畜がかえって屋外よりも高い熱ストレスにさらされる可能性があるとされている。
農業用水の可用性と確実性
干ばつと洪水の両方が作物収量の減少に寄与している。温暖化1℃ごとに大気中水蒸気量は約7%増加し（クラウジウス・クラペイロンの式で計算される）結果として降水量が増加するが、この増加は空間的にも時間的にも均等に分配されるわけではなく、すでに大気循環パターンによって地域ごとの降水量に違いがある。気候変動の中程度のシナリオ（SSP2-4.5）では、世界的な降水の規模が11.5%増加する一方で、その間隔は平均5.1%長くなる。最も排出の多いシナリオ（SSP5-8.5）では、降水の規模は18.5%増加し間隔は9.6%長くなる。一方、植物からの蒸発散による水の損失はほぼすべての地域で増加する。CO₂施肥効果はこのような損失を減らす働きも持つが、どちらの効果が優位になるかは地域の気候に依存する。2020–2023年アフリカの角の干ばつは、持続的な少雨に加え蒸発散の大幅な増加がさらに悪化させたことが主原因とされており、これは産業革命前（温暖化以前）の気候であれば対処可能であった可能性がある。
全体として干ばつは気候変動の影響でより頻発している。アフリカ・南欧州・中東・アメリカ大陸の大部分・オーストラリア・南/東南アジアは、降水量が世界的に増加するにもかかわらず干ばつがより頻繁かつ激しくなると予想される。干ばつは陸上の降水・蒸発・土壌水分をかき乱し、人口増加や都市拡大によって水需要が増すことでさらに悪化しうる。結果は水不足であり、作物不作、家畜放牧地損失、開発途上国の貧困をいっそう悪化させ栄養不良・飢饉につながる。
2025年6月ネイチャー誌に発表された研究は、1901～2022年の高解像度の世界的干ばつデータセットの解析により、世界中の干ばつの深刻度が平均40%増加しており、2018～2022年のわずか5年間で干ばつ地域は、それ以前1981～2017年と比較して平均74%も拡大したことを見出した。通常は乾燥している地域がさらに乾燥しているだけでなく、湿潤地域も乾燥傾向にある。 農作物への灌漑は、降水量の減少や気温上昇による収量への影響を緩和しうる。しかし水資源を灌漑に使うことは欠点があり費用もかかる。さらに一部の灌漑用水源は信頼性が今後低くなる可能性がある。たとえば夏季の氷河からの流出水を利用する灌漑について、氷河の後退は1850年からすでに観測されており今後も続くと予想されており、いずれ氷河が枯渇して流出水は減少または完全に消失しうる。アジアでは1.5℃の地球温暖化によりアジアの高山の氷の質量が約29–43%減少すると予測されている。ヒマラヤ河川系の流域には約24億人が住んでおり、インドだけでもガンジス川は5億人以上に飲料水と農業用水を供給している。インダス川流域ではこれらの山岳水資源はモンスーン期以外の灌漑の最大60%を供給、作物全体の生産の11%を追加的に支えている。いっぽう気候変動による水循環の増強により流域の西端を除いて降水量が大幅に増加すると予測されており、氷河の喪失は相殺されると見込まれている。しかしこのことは同地域の農業がこれまで以上にモンスーンに依存し、かつ水力発電の予測性と信頼性は低下することを意味する。
大気中の二酸化炭素とメタンの増加による植物への影響 大気中二酸化炭素（CO₂）およびメタン（CH₄）の大気濃度上昇は、植物の成長・生理機能・生態系プロセスに様々な影響を与える。また植物と昆虫の相互作用・病原体の動態・二次代謝産物の生成にも影響を与える可能性があり、将来の生態系の健康や生産性の予測を困難にする。
高濃度の二酸化炭素は、光合成の促進を通じて作物の収量やバイオマス生産量の両方を増加させ、また植物の気孔を部分的に閉じさせることで、植物の水蒸散を減らし水利用効率を上げる。C₃植物の場合、CO₂施肥効果は光合成の初期刺激を2倍以上に高めることが一般的であり、それによって炭素同化速度・栄養成長・場合によっては作物収量の増加が見られ、この効果は将来の高二酸化炭素大気条件を模倣するよう設計された開放系大気CO2増加実験（FACE）で実証されている。しかしCO₂濃度上昇による利益は窒素・リンなど栄養素の枯渇により制限され、自然生態系ではバイオマス蓄積を制約する。
メタンは光合成に直接関与しないが、気温・降水・土壌条件の変化を通じて植物群落を間接的に変化させる。大気中のメタン濃度上昇は湿地環境のメタン酸化活性を促進し、栄養循環や根と微生物の相互作用に影響を与えうる。
CO₂施肥効果と作物収量・緑化 サムネイル|400x400ピクセル|CO₂施肥効果による地球全体の葉面積の増加
1993年の温室実験研究のレビューによると、CO₂濃度が倍増すると156種の植物での平均成長率は37%上昇する。反応は種により大きく異なり顕著な増加を示すものもあれば減少するものもある。たとえば1979年の温室実験では、CO₂濃度倍増で綿花の40日齢の乾燥重量は2倍に達したが、トウモロコシの30日齢の乾燥重量は20%増加にとどまった。しかしCO₂濃度上昇が植物成長に与える正の効果は、特にN（窒素）およびP（リン）の栄養制限によって弱められる可能性があるLeakey, A.D.B. (2019). "Climate change: What does elevated CO₂ do to crops?". Current Biology. 29(19): R953–R954. doi:10.1016/j.cub.2019.07.021.Terrer, C., Jackson, R.B., Prentice, I.C. et al. (2021). "Nitrogen and phosphorus constrain the CO₂ fertilization of global plant biomass". Nature Climate Change. 11: 730–735. doi:10.1038/s41558-021-01063-1.。
温室研究に加え、より自然環境下に近い条件でのCO₂施肥効果を見るため野外実験で評価した研究もある。開放系大気CO2増加実験は、植物を野外の区画で育て周囲の空気のCO₂濃度を人工的に上昇させるものだが温室実験よりCO₂濃度は低く設定され、成長増加も小さく抑えられ、植物種による違いをより明らかにできる。2005年の12の実験（CO₂濃度475–600 ppm）のレビューは、作物収量の平均増加は17%であり、マメ科植物は他の種よりも反応が大きく、トウモロコシのようなC₄植物は一般に反応が小さかったとしているが、CO₂濃度が比較的低く実験の多くが温帯地域で行われた点を指摘している。
衛星による測定では、過去35年間で地球上の植生域の25%から50%において葉面積指数（LAI）の増加が観測されており、これはCO₂施肥効果による地球の緑化の証拠とされている。とはいえこの緑化傾向が炭素隔離の増加に比例しているとは限らない。なぜなら温暖化に伴う炭素の滞留時間の短縮・生態系の呼吸の増加・計測されていない炭素損失があるためであるZhu, Z. et al. (2016). "Greening of the Earth and its drivers". Nature Climate Change. 6: 791–795. doi:10.1038/nclimate3004.Piao, S., Sitch, S., Ciais, P. et al. (2010). "The carbon balance of terrestrial ecosystems in China". Nature. 458: 1009–1013. doi:10.1038/nature07944.。すなわちCO₂施肥による地球の緑化が進んでも、それが人為的排出を補う能力には限界があり、相応の栄養塩（窒素・リン）供給や土地管理/調整なしには実現しないReich, P.B. et al. (2014). "Plant growth enhancement by elevated CO₂ eliminated by joint water and nitrogen limitation". Nature Geoscience. 7: 920–924. doi:10.1038/ngeo2284.。
作物の栄養価の低下 CO₂施肥効果は作物によっては栄養価を低下させる。例えば小麦ではタンパク質や一部のミネラル（マグネシウム・鉄・亜鉛・カリウムなど）が減少する。C₃植物（小麦・オーツ麦・米など）の栄養価は特にその傾向が大きい。2014年のメタ分析では、さまざまな緯度で高濃度CO₂にさらされた栽培植物および野生植物で複数のミネラル濃度が低下することが示されており、CO₂濃度が倍増するとミネラル濃度は平均して8%減少する。2018年の研究は小麦・コメ・トウモロコシ・野菜・根菜・果実など225種類の作物について国連食糧農業機関（FAO）などの公的データを用い、2050年に予想される大気中のCO₂濃度で栽培された場合について、栄養価低下を3%から17%と見積もった。
開放系大気CO2増加実験でも作物および非作物植物の微量栄養素濃度が減少することが示されており、例えばイネではビタミンB群が減少する。栄養素の減少は生態系の他の部分にも波及効果をもたらし、草食生物はより多くの植物を摂取しなくてはならなくなる。
2022年のレビュー論文では、これらの栄養素の喪失が特に脆弱な人々において広範な栄養欠乏を引き起こし栄養失調のリスクを上げるので、この問題に対応するための農業と持続可能な食料システムが急務であると強調している。約20億人がこれらの栄養素の60%以上を小麦・米・大豆・インゲン豆類などの主食作物から摂取しており、これらの欠乏はすでに年間約6,300万寿命年の損失を引き起こしているとされている。十分な副食を摂る余裕がなく主食作物が日常的なタンパク質とミネラルの主な供給源である低/中所得国の人々には特にリスクが高くSmith, M.R., Myers, S.S. (2018). "Impact of anthropogenic CO₂ emissions on global human nutrition". Nature Climate Change. 8(9): 834–839. doi:10.1038/s41558-018-0253-3.、現在すでに存在している栄養不足をさらに悪化させ、貧血・発育阻害・認知能力の発達に関する問題を増加しうるMyers, S.S. et al. (2014). "Increasing CO₂ threatens human nutrition". Nature. 510: 139–142. doi:10.1038/nature13179.。これら事実は、将来の気候シナリオにおいては単に作物収量だけでなくその栄養価も考慮する必要があることを示しているLong, S.P. et al. (2015). "Food for thought: lower-than-expected crop yield stimulation with rising CO₂ concentrations". Science. 349(6250): 142–143. doi:10.1126/science.aac4257.。
オゾン増加による影響 対流圏オゾン濃度は19世紀後半以降大幅に増加した。2016年の推定によれば、主要4種作物収量は、気候変動のないシナリオに比べ、オゾン増加分だけででも5±1.5%減少した。これは気候変動のその他の影響による負の効果（10.9±3.2%）のほぼ半分に相当し、CO₂施肥効果（6.5±1.0%）のほとんどを相殺しているBezner Kerr, R., T. Hasegawa, R. Lasco, I. Bhatt, D. Deryng, A. Farrell, H. Gurney-Smith, H. Ju, S. Lluch-Cota, F. Meza, G. Nelson, H. Neufeldt, and P. Thornton, 2022: Chapter 5: Food, Fibre, and Other Ecosystem Products. In: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, M. Tignor, E.S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, B. Rama (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, doi:10.1017/9781009325844.007.。
農地の規模と質の変化 侵食と土壌肥沃度 気候変動による水循環の増強により浸食および土壌劣化の発生がより起こりやすくなる。このことは土壌の肥沃度にも影響を及ぼす。すなわち農地浸食の増加で、50年間で最大22%の土壌炭素を失いうる。また土壌温度上昇は土壌有機物の分解を加速し、結果として土壌養分の損失を招く。土壌養分低下により低栄養性（oligotroph）の土壌微生物が優位となる。気温上昇により土壌微生物の個体数が40〜150%増加する可能性がある。これらの要因は総じて土壌の質を低下させ、作物の成長に悪影響を及ぼす。
海面上昇による農地の喪失 海面上昇は農地の喪失を引き起こし、特に東南アジアのような地域で影響が大きい。海面上昇による浸食・海岸線の水没・地下水塩分濃度の上昇は、主に低地の冠水を通じて農業に被害を及ぼす。バングラデシュ・インド・ベトナムのような低地では、予測される世紀末までの海面上昇により米作物の大幅な損失が発生する。たとえばベトナムは南部のメコンデルタに大きく依存しており、海面が1メートル上昇すると数平方キロメートルの水田が水没する。
農地の冠水に加え、海面上昇は淡水井戸への海水侵入も引き起こしうる。塩分濃度が2〜3%を超えると井戸水は使用不能になる。特に米国の推定15%の海岸線に沿った地域など、地下水源がすでに海抜0メートル以下にある場合その影響は大きい。
凍土融解による農地拡大