50多年来，化石燃料和化肥一直是大幅提高全球粮食产量和分配的关键要素。食品与能源的关系一直良好，但现在正进入一个新时代。粮食产量正在急剧上升，需要更多的碳基燃料和氮基肥料，这两者都会加剧全球变暖、河流和海洋污染以及其他许多弊病。与此同时，许多国家都在努力应对如何减少能源需求，特别是对化石燃料的需求。
尽管运输、发电厂和建筑物作为减少能源消耗的目标受到了很多政策关注，但我们的食品供应常常被忽视。在美国，大约10%的能源预算用于生产、分配、加工、制备和保存我们消费的植物和动物物质。这是能源消耗中相当大的一部分。
通过能源使用的视角审视我们的食品供应，可以发现明智政策、创新技术和新的饮食选择的机会，这些机会有可能同时解决食品和能源问题。同样的措施也将使我们的身体和我们的生态系统更健康。
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从农场到餐桌效率低下
简单的数学计算表明，粮食生产是一个低效的过程。植物生长的能源效率不高：光合作用通常将不到2%的入射太阳能转化为储存的能量。当动物将植物物质转化为牛肉（效率为5%至10%）或鸡肉（效率为10%至15%）时，这种低效率会进一步恶化。然后我们摄入这些食物，并将其转化为人体能量，以糖原的形式储存在肌肉中，并以脂肪的形式储存在我们的腰腹部。
鉴于每天照射到地球上的光子数量巨大，低效率似乎无关紧要。但是，当面临土地、淡水、化肥径流以及化石燃料的可负担性和排放限制时，低效率可能会让人望而生畏。用于生产食物的能量远远大于我们从中获得的能量。美国大约消耗10个单位的化石能源来生产1个单位的食物能量。
当考虑到整个人口时，消费量之大令人瞩目。一个健康的成年男性名义瞬时功率消耗约为125瓦。这相当于每天大约2,500营养卡路里，或大约10,000英制热量单位 (Btu)。因此，美国3.12亿人口每年需要大约1万亿英制热量单位（1夸脱）的食物能量。因为我们使用10个单位的化石能源来生产1个单位的食物能量，所以供养人口需要10夸脱——这占美国每年100夸脱能源消耗总量的10%。如果我们作为一个社会希望减少我们的食物能源消耗，我们需要找到方法来降低能源投入与食物产出的10:1比率。
供养世界70亿人口所需的食物能量约为每年25夸脱，仅占世界每年500夸脱能源消耗总量的5%。并不是世界其他地区比美国更有效率。而是有10亿人饥饿，另有10亿人面临饥饿风险，还有更多人根本没有消耗太多能量。
广泛的能源使用通过柴油动力拖拉机、电动灌溉泵以及天然气和石油制成的化肥和农药等创新技术，极大地提高了粮食产量。自20世纪中期以来，这场绿色革命的作物产量突飞猛进，我们将加利福尼亚州中央山谷等沙漠变成了世界的水果篮。与此同时，农业所需的工人比例大幅下降。
廉价能源，主要是石油，也创造了交通运输网络，极大地改善了食品分配，为我们带来了意想不到的食物，例如冬季中来自遥远角落的沙拉和新鲜橙子。我们仍然花费更多的能量来保存和制备我们的食物。
当化石燃料价格低廉，我们不太关心污染或排放时，我们并不担心能源浪费。现在价格上涨，我们更加关心环境影响，我们必须改善10:1的比率。随着越来越多的人在廉价空调的推动下搬到当地粮食生产只能支持不断增长的人口的一小部分的地区（想想凤凰城），这种低效率在美国可能会变得更糟。在这些情况下，即使使用更多的能源，也要么通过能源密集型肥料和灌溉将劣质土地投入生产，要么从偏远市场运输食物。
全球趋势将加剧这一挑战。预计到2050年，世界人口将增长到90多亿。人均能源和食物消耗也将上升：值得注意的是，随着人们变得更富有，他们会消耗更多的肉类，这比其他食物的能源密集度要高得多。气候变化意味着粮食生产将因干旱和洪水造成的作物损失、盐水入侵含水层、更高的温度（这将降低许多地方的光合作用效率）以及生物燃料与农田的竞争而受到损害。因此，专家预测，到2050年，粮食产量必须翻一番。
本地农业可能无济于事
不幸的是，通过能源的视角思考一些流行的粮食生产“解决方案”表明，它们并不总是有帮助。例如，许多人已经接受了本地食品运动，自称为“本地食物爱好者”，以此来对抗长途运输食品所消耗的能源以及大规模工业化农业的能源密集度。“吃本地食物”运动鼓励居民从农贸市场或附近的社区支持农场购买本地食物。
在当地社区花钱而不是将其送到遥远的地方在经济上可能是有价值的，并且拥有充满活力的本地食品系统可以在发生战争或干旱等意外事件时产生弹性。然而，本地农场有时会使用边际土地来生产非本地作物，这些作物需要更多的化学品和更多的能源用于灌溉，而且它们的产量仍然很低。奇怪的是，运输数千英里的食物有时可能需要更少的能源，排放更少的二氧化碳，并减少对环境的破坏。
例如，在新西兰饲养羔羊通常比在英国饲养羔羊更节能，因为新西兰的动物在主要不使用化肥或灌溉的雨养草地上吃草，然后运往英国。此外，配备激光平整田地（以最大限度地减少水分流失和化肥径流）和GPS定位拖拉机（以优化燃料使用和作物密度）并种植旨在最大限度地减少用水量的转基因作物的大型工业化农场，与一群效率低下地使用能源和水但离家更近的分散农场相比，在资源效率方面可能令人惊讶地高。斯坦福大学的一项研究得出结论，大型农业因其产量提高和规模经济而减少了大量碳排放。
垂直城市农场或用于饲料的藻类生产（目前处于原型阶段）也具有比本地农场更高的单位面积生物质产量潜力。
一些流行的可再生能源解决方案实际上使食品-能源系统更加复杂。以食物为基础的原料——玉米、大豆、糖和棕榈——主导着世界生物燃料市场，并在农田和淡水方面造成了不健康的竞争。2010年，在美国，约有3000万英亩——超过玉米总产量的四分之一——用于生产127亿加仑的乙醇。随着美国试图实现联邦政府到2022年所有液体运输燃料的20%来自生物燃料的强制性规定，这一比例将大幅上升。
利用废物
尽管对食品-能源关系存在种种担忧，但仍有一些乐观的理由。通过不同的创新、政策、市场和文化选择，专注于减少浪费和低效率，我们可以降低能源使用与能量摄入的10:1比率，并减轻环境损害。
第一步是停止使用玉米粒生产淀粉基乙醇，这是美国目前的做法。让我们用玉米粒来喂养人和牲畜，只用纤维素秸秆（植物的茎和叶）来制造乙醇或合成燃料。美国能源政策已经包括推动这一解决方案。《2007年能源独立与安全法案》制定了可再生燃料标准，规定到2022年，我们每年消耗360亿加仑生物燃料，其中160亿加仑来自纤维素来源。后一项要求是华盛顿特区的政治家罕见地承认玉米可能无法解决我们所有的能源问题；专家预测，在不损害我们养活自己的能力的情况下，我们每年最多只能从可用农田上种植的玉米基原料生产150亿加仑乙醇。
然而，激进的生物燃料推广政策使以食物为基础的乙醇形式最快上线，而纤维素形式则落后多年，因为它们更难生产。自然界经过数千年的设计，使纤维素材料不会分解。为了生产乙醇而分解它们意味着我们必须逆转自然规律，这需要酶——也就是金钱；以工业规模生产酶的成本很高。然而，我们可以克服技术障碍，并朝着这个方向更加有力地前进。使用纤维素来源而不是以食物为基础的来源可以帮助美国的能源供应，并解放数千万英亩土地用于其他粮食生产。
改善食品-能源方程的另一个步骤是将农业废弃物转化为电力。牲畜粪便是丰富的资源之一。在过去，小型农场在一个地点混合饲养动物和种植各种作物；农民将粪便而不是化学肥料撒在农田上。如今，随着大型农场只种植少数几种大型作物和集中式动物饲养场，这种闭环做法已经消失。大型动物养殖场产生的大量粪便远远超过当地的任何需求，而且跨国运输到大型农场的成本太高。该系统还造成了环境热点，例如粪便泻湖，这些泻湖是温室气体的重要排放源和有毒废物的来源。然而，泻湖的能量密度非常高，而且数量众多；美国农场每年产生超过10亿吨粪便。
厌氧消化器和微型涡轮机可以将粪便转化为足够的可再生、低碳沼气发电，以取代全国2.5%的发电量，同时减少温室气体排放。这种方法还将为农民带来另一个收入来源。德克萨斯A&M大学和康奈尔大学农业与生命科学学院等领先农业机构的研究人员正在研究将粪便厌氧消化纳入农场运营的新方法。德国小村庄Juehnde与加州大学戴维斯分校的弗兰克·米特洛纳合作，正在生产如此多的沼气用于供暖和烹饪，以至于该镇已变得独立于国家天然气网。政策制定者可以通过为农民提供低成本资本、为设备创造财产税减免等激励措施、提供信息和培训课程，使潜在用户了解如何操作这些系统，以及建立净计量（一种允许任何现场产生的电力减少农民水电费的系统），来鼓励安装更多的消化器和涡轮机。
另一种可以节省食物能量的废物流是燃煤电厂烟囱排放的二氧化碳。它可以用于种植藻类，以供人类食用、动物饲料和燃料，从而避免一些用于农业生产的传统能源投入。有些人已经直接食用藻类以获取营养，一些全国连锁餐厅将其用作增稠成分。藻类脂质也可以转化为生物柴油，从而提供一种低碳、国内、可再生的燃料，这种燃料不是由以食物为基础的原料制成的。其余的藻类生物质通常由蛋白质和碳水化合物组成，这可能会取代玉米基动物饲料，从而使更多的玉米可用于食物，从而对食品-能源关系做出积极贡献。一些藻类在微咸水或盐水中也能很好地生长，从而消除了对淡水的需求。私营企业（通过各种初创公司，如Solazyme）、国家实验室（如国家可再生能源实验室）和大学（如德克萨斯大学奥斯汀分校和加州大学圣地亚哥分校）都开展了积极的测试和试点项目。尽管藻类解决方案似乎离大规模实施还有几十年的时间，但其前景值得进一步研究，因此政策制定者应继续资助开发。
每滴水产生更多作物
仅仅在更大范围内实施已经在试点项目中完善的创新农业技术，就可以显着降低10:1的能量-食物比率。例如，滴灌可以每滴水产生更多作物，从而节省淡水和抽水所需的能量。传统方法——中心枢轴喷灌器，在棕色沙漠中间创造了外星人般的绿色作物圈（从空中俯瞰很容易看到）——非常浪费，将水喷洒到空气中，其中大部分蒸发了。确实落在作物上的水滴很可能击中叶子和茎秆而不是根部，从而造成更多的蒸发损失。在典型的滴灌设置中，铺设在成行播种的植物底部的长段窄管将水直接输送到根部。爱荷华州立大学的研究人员估计，如果采用滴灌，该州的玉米种植者将减少40%的用水量，并降低15%的能源费用。现在有六家大型农场供应商提供这些系统，如果广泛使用，每年可以在全国范围内节省数千兆瓦时的电力。鼓励转向滴灌的激励措施，加上对浪费水的惩罚措施，可能会加速采用。
免耕农业是另一种有希望的方法。它通过使用特殊的播种设备减少对土壤的扰动，该设备通过狭窄的表面槽而不是钝化的翻土方法将种子放入未耕作的土壤中。减少土壤扰动可以减少劳动力、灌溉、能源、侵蚀和碳排放。阿根廷是世界领先者；那里一半以上的农场都采用了这种先进技术。可以通过全国范围内的农业推广服务机构对农民进行关于免耕优势的培训。
激光平整田地可以最大限度地减少侵蚀、灌溉和化肥径流。大多数田地都有一个缓坡，这会导致不均匀的水分布和不均匀的径流收集。为了避免一部分田地缺水，农民经常过度灌溉整个田地，多余的水会溢出到当地水道中。通过使田地平整，农民可以减少抽水的能源浪费，并且由于径流减少，所需的化肥也减少。
GPS定位拖拉机、联合收割机和其他机械的出现——如今已成为约翰迪尔等制造商提供的标准功能——引入了“精准农业”的概念，这提高了生产力并降低了能源消耗。GPS制导使农民能够真正精确到英寸地照料田地和种植作物，减少浪费的空间、时间和燃料，甚至无需用手操纵机器。尽管中等规模农场的升级可能花费10,000美元，但普渡大学的研究人员表明，收益大于成本。首先，燃料使用量减少了。将GPS与田间诊断相结合，农民可以绘制土壤状况图，并微调化学品的使用量，化学品的使用量在一个田地的两端可能会有所不同，最终减少了需求量。田地也可以在夜间以及在人类能见度有限的雾和雨天进行耕作，从而提高生产力。
更好的行为
减少食物浪费也可以降低能量使用与食物摄入的10:1比率。每年浪费的食物惊人地达到25%或更多。这个巨大的数量相当于美国年度能源消耗的2.5%——比2011年美国生产的所有乙醇的能量还要多，也比2030年从今天解除外大陆架钻探限制中产生的能量还要多。仅仅减少我们扔掉的食物量，在未来十年或二十年内，就可能比许多已提出的昂贵或有争议的能源供应政策更能减少能源消耗和温室气体排放。
许多减少食物浪费的方法可以从明天开始实施。我们可以投资于监测食物变质的诊断技术，而不是使用已经存在了几十年的粗略的基于日期的标签系统。一个例子是食品包装上对温度和时间敏感的墨水，如果食物暴露在错误的温度下过久，标签就会变色。初创公司生产这些标签，这些标签可以挽救大量被商店不必要地扔掉的食物，因为商店担心让顾客生病。这些标签实际上也可以预防许多由变质食物引起的疾病。要求公司跟踪食物暴露的温度——除了食物包装的时间长短之外——可能会为零售商和消费者提供关于食物变质风险的更好信息。
不同的态度和饮食选择也有帮助。餐馆可以停止供应超大份量，消费者可以停止在自助餐上吹嘘自己的战绩。更多的剩菜可以保存起来并作为剩饭吃掉。我们可以改变我们的饮食习惯，用能量密集度较低的水果、坚果、蔬菜、豆类和谷物来替代至少一部分能量密集度较高的肉类。这些行为不需要发明；它们只需要新的思维方式。其中许多行为最终也会为消费者省钱。拥有无肉星期五或素食星期一可能会开始帮助我们实现目标。
正如最初的绿色革命所表明的那样，大规模的变革可以在短短几十年内相对快速地实施。这些变化可能是巨大的，取得的结果远远好于预期。然而，也可能出现意外：多年的粮食丰产增加了肥胖症的发生率，并加剧了气候变化。仅仅依靠技术是不够的；即使有了最初的绿色革命，饥饿问题也没有得到解决。在全球范围内采取一种减少食物能源浪费的方法，其中包括新的行为、态度和政策，对于取得广泛成功至关重要。没有理由认为这场新的绿色革命会有什么不同。