2012年7月，印度三個區域電網發生故障，引發了地球上最大規模的停電事件。超過6.2億人——佔世界人口的9%——陷入斷電狀態。原因是：缺水導致糧食生產緊張。由於嚴重乾旱，農民接入越來越多的電動水泵，從地下深處抽取水源用於灌溉。這些水泵在烈日下瘋狂運轉，增加了發電廠的電力需求。與此同時，低水位意味著水力發電大壩的發電量低於正常水平。
更糟糕的是，今年早些時候，洪水期間從那些灌溉農場流出的徑流將大量淤泥留在了大壩後面，降低了水庫的蓄水能力。突然間，一個比整個歐洲人口還多，是美國人口兩倍的人口陷入了黑暗。
加利福尼亞州正面臨著驚人地相似的能源、水和食物困境。積雪減少、創紀錄的低降雨量以及科羅拉多河流域持續的開發，已使加利福尼亞州中部河流的水量減少了三分之一。該州生產了美國一半的水果、堅果和蔬菜，以及近四分之一的牛奶，農民們正在瘋狂地抽取地下水；去年夏天，一些地區的灌溉用水量是前一年的兩倍。隨著地下水從地下被抽出，長達400英里的中央山谷正在實際下沉。正當需要更多電力的時候，南加州愛迪生公司因缺少冷卻水而關閉了兩座大型核反應堆。聖地亞哥沿海建造海水淡化廠的計劃受到了活動人士的挑戰，他們以該設施將消耗過多能源為由反對。
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能源、水和食物是世界上最重要的三種資源。儘管這個事實在政策界廣為人知，但這些資源彼此之間的相互依賴性卻被嚴重低估了。任何一種資源的緊張都可能削弱其他資源。這種情況使我們的社會比我們想象的更加脆弱，我們還沒有為等待著我們的潛在災難做好準備。
然而，我們正在對發電廠、供水基礎設施和農田做出千載難逢的決策，這些決策將持續數十年，將我們鎖定在一個脆弱的系統中。國際能源署2014年的一份報告顯示，僅滿足世界能源需求就需要從現在到2035年間投資48萬億美元，該機構的執行主任表示，存在“投資方向錯誤”的實際風險，因為影響沒有得到適當評估。
迫切需要一種綜合方法來解決這些巨大的問題，而不是試圖將每個問題與其他問題分開解決。地球上大量的居民中心都遭受乾旱襲擊，能源系統正面臨環境制約和成本上升的壓力，糧食系統正努力跟上快速增長的需求。食物、水和能源的聯絡是世界上許多動盪地區的大背景。利比亞和敘利亞的騷亂和革命是由乾旱或高糧價引發的，導致政府垮臺。我們需要解決相互關聯的難題，以建立一個更綜合和更有彈性的社會，但我們從哪裡開始呢？
級聯風險或回報
已故諾貝爾獎得主、萊斯大學的理查德·E·斯莫利在他2003年的演講中給出了從哪裡開始的提示，他強調了“未來50年人類面臨的十大問題”。他的清單按重要性降序排列：能源、水、食物、環境、貧困、恐怖主義和戰爭、疾病、教育、民主和人口。能源、水和食物位居榜首，因為解決這些問題將以級聯的方式應對更低層的問題。例如，開發豐富的清潔、可靠、負擔得起的能源，可以實現充足的清潔水。擁有充足的清潔水和能源（用於製造肥料和驅動拖拉機）可以實現糧食生產。以此類推。
儘管斯莫利的清單非常出色，但它遺漏了兩個重要的細微之處。首先，能源、水和食物是相互關聯的。其次，儘管一個資源的豐富能夠實現其他資源的豐富，但一個資源的短缺可能會造成其他資源的短缺。
有了無限的能源，我們就擁有了我們所需的所有水，因為我們可以淡化海水、挖掘非常深的井並將水輸送到各大洲。有了無限的水，我們就擁有了我們所需的所有能源，因為我們可以建造廣泛的水力發電廠或灌溉無限的能源作物。有了無限的能源和水，我們可以讓沙漠開花，建造高產的室內農場，全年生產食物。
當然，我們並非生活在一個資源無限的世界中。我們生活在一個充滿約束的世界中。隨著人口增長、壽命延長和消費增加帶來的壓力上升，這些約束導致級聯失敗的可能性也在增加。
例如，米德湖位於拉斯維加斯郊外，由科羅拉多河供水，現在正處於歷史最低水位。這座城市從相當於插入湖中的兩根大吸管中取水飲用。如果水位持續下降，可能會低於這些吸管：下游的大型農業社群可能會變得乾涸，而米德湖胡佛大壩內部巨大的水力發電機將提供更少的電力，甚至可能完全停止運轉。拉斯維加斯的解決方案是花費近10億美元建造第三根吸管，這將從水下進入湖泊。但這可能不會有多大作用。加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯海洋研究所的科學家發現，如果氣候變化如預期，並且依賴科羅拉多河的城市和農場不減少用水量，米德湖可能會在2021年乾涸。
在烏拉圭，政治家們必須面對關於如何利用水庫中水的艱難決定。2008年，薩爾託格蘭德大壩後面的烏拉圭河水位降至非常低的水平。該大壩的發電能力幾乎與胡佛大壩相同，但由於當地人民希望儲存水用於農業或市政用途，只有14臺渦輪機中的3臺在運轉。沿河居民及其政治領導人被迫選擇他們想要電力、食物還是飲用水。一個部門的約束引發了其他部門的約束。儘管對烏拉圭的威脅可能暫時緩解，但它在世界其他地方重演。同樣，最近在遭受乾旱的德克薩斯州和新墨西哥州的某些社群已經禁止或限制將水用於水力壓裂法開採石油和天然氣，以便將其節省下來用於農業。
我們消耗的水約80%用於農業——我們的食物。能源生產的近13%用於獲取、清潔、輸送、加熱、冷卻和處理我們的水。由天然氣製成的化肥、由石油製成的殺蟲劑以及執行拖拉機和收割機的柴油燃料都增加了生產食物所需的能源量。需要耗能製冷的食品工廠生產出用石化產品製成的塑膠包裝的商品，將食品從商店運回家中並烹飪它們還需要更多的能源。這種聯絡非常混亂，整個系統很容易受到任何部分的擾動。
技術解決方案
如果繼續以同樣的舊設計建造更多的發電廠和供水及處理設施，使用同樣過時的方法種植農作物，以及在沒有意識到這些行為彼此影響的情況下開採更多的石油和天然氣，那將是愚蠢的。值得慶幸的是，有可能以可持續的方式整合所有這三項活動。
最明顯的措施是減少浪費。在美國，25%或更多的食物被扔進了垃圾堆。由於我們在生產食物方面投入了大量的能源和水，減少浪費的比例可以同時節省幾種資源。這可能意味著像減少食物份量和少吃肉一樣簡單，肉類的能源密集程度是穀物的四倍。我們還可以將丟棄的食物和農業廢棄物（如糞便）放入厭氧消化池中，將其轉化為天然氣。這些金屬球看起來像閃亮的泡泡。內部的微生物分解有機物，在此過程中產生甲烷。如果我們廣泛實施這項技術——在家庭、雜貨店和農場等中心地點——這將創造新的能源和收入來源，同時減少處理垃圾所需的能源和水。
廢水是我們可能轉化為資源的另一種副產品。在加利福尼亞州，聖地亞哥和聖克拉拉正在使用處理過的廢水來灌溉土地。這種水甚至乾淨到可以飲用，如果州監管機構允許的話，這可以增加市政供水。
城市農場倡導者，如哥倫比亞大學的迪克森·德斯波米耶，設計了“垂直農場”，將建在玻璃摩天大樓內。例如，紐約市的人們每天產生十億加侖的廢水，該市花費鉅額資金將其淨化到足以傾倒入哈德遜河的程度。這些淨化後的水可以用來灌溉垂直農場內的農作物，在減少農場對淡水需求的同時生產食物。從液態廢物中提取的固體通常被焚燒，但相反，它們可以被焚燒以產生建築物所需的電力，從而減少其能源需求。而且，由於新鮮食物將在許多消費者居住和工作的地方種植，因此運入食物所需的運輸量將減少，從而可能節省能源和二氧化碳排放。
初創公司正試圖利用廢水和發電廠的二氧化碳在附近種植藻類。藻類吃掉氣體和水，工人們收穫這些植物作為動物飼料和生物燃料，同時透過去除水中的化合物和大氣中的二氧化碳來解決斯莫利清單上的第四個優先事項——改善環境。
我們可以利用相同的二氧化碳來創造能源。我在奧斯汀德克薩斯大學的同事們設計了一個系統，其中將發電廠產生的廢二氧化碳注入到地下深處的大型鹽水礦床中。二氧化碳保持淹沒狀態，將其從大氣中消除，並排出熱甲烷，甲烷會上升到地面，在那裡可以出售以獲取能源。工業也可以利用這種熱量。
明智的節約是同時節省不同資源的另一種方法。我們透過電燈開關和電源插座使用的水比透過水龍頭和淋浴噴頭使用的水更多，因為冷卻看不見摸不著的發電廠需要大量的水。我們加熱、處理和抽取水所用的能源也比照明所用的能源更多。關燈和電器可以節省大量的水，關水可以節省大量的能源。
我們還可以重新思考如何在不太可能的地方更好地利用能源和水來種植食物。在西南部沙漠的部分地區，淺層有豐富的微鹹地下水。風能和太陽能也很豐富。這些能源給公用事業公司帶來了挑戰，因為太陽不在夜間照射，風也不間斷地吹。但這種時間安排對於淡化水來說很好，因為乾淨的水很容易儲存起來以供以後使用。海水淡化是能源密集型的，但微鹹地下水的鹽度遠沒有那麼高。我們在德克薩斯大學奧斯汀分校的研究表明，間歇性風力發電用於從微鹹地下水中製造清潔水時，比用於發電時更有經濟價值。當然，處理後的水隨後可以灌溉農作物。這就是對我們有利的聯絡。
同樣的思路可以改進用於石油和天然氣的水力壓裂法。一個不幸的副作用是，從井中冒出的廢氣（主要是甲烷）被燃燒掉——排入空氣中。燃燒非常大量，以至於晚上從太空都能看到。這些井還會產生大量髒水——數百萬加侖注入井中用於壓裂的淡水又帶著鹽和化學物質流出來。如果運營商足夠聰明，他們可以使用甲烷為蒸餾器或其他熱力機器提供動力來淨化水，使其可以在現場重複使用，從而節省淡水，同時避免浪費能源和排放廢氣。
我們還可以更聰明地瞭解如何將水輸送到家庭和企業。嵌入智慧電網中的感測器有助於提高配電效率。但我們的供水系統比我們的電力系統笨得多。過時的、有百年曆史的儀表通常無法準確記錄用水量，專家表示，老舊的管道會洩漏流經管道的處理水量的10%到40%。在供水系統中嵌入無線資料感測器將為公用事業公司提供更多工具來減少洩漏——以及收入損失。智慧用水還將幫助消費者管理他們的消費。
我們也可以做到智慧食物。造成如此多食物浪費的一個原因是，雜貨店、餐館和消費者依賴於保質期，這只是對食物是否變質的粗略估計。即使食物的溫度和狀況管理得當，過了保質期，食物也不會被出售或食用，儘管它可能仍然完好。使用感測器直接評估食物會更智慧。例如，我們可以在食品包裝上使用特殊的墨水，如果它們暴露在錯誤的溫度下或如果不需要的微生物開始在食物中生長，表明變質，這些墨水會改變顏色。我們可以在供應鏈上安裝感測器，以測量腐爛的水果和蔬菜釋放的微量氣體。這些相同的感測器可以實現更嚴格的冷藏控制，從而最大限度地減少損失。
新的政策思維
儘管許多技術解決方案可以改善能源-水-食物聯絡，但我們通常沒有利用它們，因為在意識形態和政治上，美國尚未完全掌握這些資源之間的相互關聯性。政策制定者、企業主和工程師通常以孤立的方式處理一個又一個問題。
可悲的是，我們透過各個機構做出的政策、監督和資金決策加劇了問題。能源規劃者認為他們將擁有所需的水。水資源規劃者認為他們將擁有所需的能源。糧食規劃者認識到乾旱的風險，但他們的反應是更努力地抽水和更深地鑽井取水。我們最需要的創新是對我們所有資源進行整體思考。
這種思維方式可以帶來更明智的政策決策。例如，政策可以資助對節水型能源技術、節能型水技術以及防止損失同時減少能源和用水需求的糧食生產、儲存和監測技術的研究。制定跨資源效率標準可以一石二鳥。建築規範也可以成為減少浪費和提高效能的有力工具。新能源站點的許可應要求進行用水足跡評估，反之亦然。政策制定者可以為整合這些技術解決方案的機構設立迴圈貸款基金、直接資本投資或稅收優惠。
一個令人鼓舞的跡象是來自33個國家的300名代表在北卡羅來納州教堂山舉行的“2014年聯絡：水、食物、氣候和能源會議”上發表的宣告。該宣告不僅由政治代表撰寫，也由來自世界銀行和世界可持續發展商業委員會的與會者撰寫，宣告指出“世界是一個單一的複雜系統”，並且“應該尋求對整個系統有利的解決方案和政策干預”。
正如斯莫利指出的那樣，能源可以成為驅動力。我們必須考慮利用我們的能源部門同時解決多重挑戰。例如，專注於降低大氣二氧化碳水平的政策可能會推動我們轉向非常耗水的低碳電力選擇，例如核電站或帶有碳捕獲技術的燃煤電廠。
個人責任也發揮著作用。對來自5000英里外、在冬季餐桌上享用的新鮮沙拉的需求創造了一個分佈廣泛、能源消耗巨大的食品分銷系統。總的來說，我們對更多一切的個人選擇只是將我們的資源推向極限。能源-水-食物聯絡是我們星球面臨的最棘手的問題。引用現代水力壓裂法之父、可持續發展倡導者已故的喬治·米切爾的話：“如果我們無法解決70億人口的問題，我們又將如何解決90億人口的問題呢？”