论文标题：Mapping the Nexus: A County-Level Analysis and Visualization of Iowa’s Food–Energy–Water Systems

论文链接：https://www.mdpi.com/2071-1050/16/13/5591

期刊名：Sustainability

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/sustainability

一、引言

美国爱荷华州是美国农业的关键参与者，该州在粮食、能源和饲料生产方面发挥着主导作用。然而，这些农业实践与关键的环境问题密切相关，尤其是氮素管理及其对水质的影响（过量的氮经过径流进入水体，最终汇入密西西比河，严重威胁海洋生态和人类健康）。来自于美国爱荷华州大学的Amy Kaleita博士及其团队在Sustainability期刊发表了文章。该研究以县级尺度对爱荷华州食物-能源-水系统进行了量化分析与可视化评估，重点探讨了农业实践、氮素管理与能源生产之间的相互依存关系，系统评估了爱荷华州的农田氮源、畜禽氮贡献及乙醇产能。该研究还采用了地理空间数据处理与插值工具优化氮盈余估算模型，从而揭示农田氮的时空动态特征，量化县级面源氮通量，评估能源系统对食物-能源-水系统平衡的影响，为可持续资源管理的政策制定提供科学依据。

图1 爱荷华州农业系统氮盈余（Ns）估算方法的流程图

二、研究过程与结果

该研究团队通过美国农业部国家农业统计局（USDA-NASS）的API系统收集农业产出数据（包括作物和牲畜数据）。面对数据在空间和时空尺度上的不连续性，该研究团队利用地理信息系统和数据插值工具来解决部分数据缺失的问题，确保县级数据加总后与州级报告总量一致，且验证结果显示插值数据与真实值高度吻合（R² = 0.99997）。接着，研究团队利用这些数据详细计算了农田氮收支组成部分（化学氮肥、生物固氮、籽粒氮），定量评估了动物氮收支组成部分（粪便氮）（牲畜被细分为10个不同的群体，因为不同类别、不同生长阶段的动物产生的粪便氮含量差异巨大。），最后根据氮收支方程（氮盈余=化学氮肥+粪便氮+生物固氮-籽粒氮）估算县级氮盈余。与此同时，考虑到爱荷华州是美国乙醇生产的重镇，大量的玉米被用于生产生物燃料，该研究团队还估算了县级乙醇生产能力，将能源系统整合到食物-能源-水系统框架内。

该研究表明：①在农田氮收支中，化学氮肥仍然是爱荷华州大多数年份和大多数县的主要氮输入来源，在63.4%的情况下超过了生物固氮，表明该州在农业实践中广泛使用化学肥料，突显了优化肥料使用对减小氮盈余的重要性。与此同时，生物固氮也能增强土壤健康并减少对外部氮输入的需求。② 在动物氮收支部分，改进粪便储存及其处理设施有利于氮素管理。在动物粪便氮计算中考虑粪便储存过程中的氮损失，估算值能更接近实际的县平均水平。③食物-能源-水系统中各要素相互作用，比如爱荷华州的乙醇生产中对玉米和大豆需求的不断增加会造成环境影响，尤其是氮盈余和水质问题。

图2 1968年至2018年爱荷华州各县氮盈余的变化

三、研究总结

该研究分析了爱荷华州各县食物-能源-水系统长时间的复杂动态变化，重点关注农业实践、氮素管理和能源生产之间的相互依存关系，同时强调了数据驱动、综合治理、政策制定的重要性。考虑到爱荷华州各县氮盈余的时空动态呈现出区域差异（受种植习惯、作物结构和技术程度的影响），该州需要针对不同区域制定差异化氮管理策略。同时，实现食物-能源-水系统的平衡也至关重要，将能源系统纳入食品-能源-水系统更有助于制定平衡农业生产、能源目标与环境可持续性的发展方案。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Steve W. Lyon, Ohio State University, USA

期刊涉及人类的环境、文化、经济和社会可持续性，为有关可持续性和可持续发展的研究提供了一个高级论坛。目前期刊已被 SCIE, SSCI (Web of Science) 和 Scopus 等数据库收录。

2024 Impact Factor: 3.3

2024 CiteScore: 7.7

Time to First Decision: 19.3 Days

Acceptance to Publication: 3.4 Days