50多年來，化石燃料和化肥一直是大幅提高全球糧食產量和分配的關鍵要素。食品與能源的關係一直良好，但現在正進入一個新時代。糧食產量正在急劇上升，需要更多的碳基燃料和氮基肥料，這兩者都會加劇全球變暖、河流和海洋汙染以及其他許多弊病。與此同時，許多國家都在努力應對如何減少能源需求，特別是對化石燃料的需求。
儘管運輸、發電廠和建築物作為減少能源消耗的目標受到了很多政策關注，但我們的食品供應常常被忽視。在美國，大約10%的能源預算用於生產、分配、加工、製備和儲存我們消費的植物和動物物質。這是能源消耗中相當大的一部分。
透過能源使用的視角審視我們的食品供應，可以發現明智政策、創新技術和新的飲食選擇的機會，這些機會有可能同時解決食品和能源問題。同樣的措施也將使我們的身體和我們的生態系統更健康。
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從農場到餐桌效率低下
簡單的數學計算表明，糧食生產是一個低效的過程。植物生長的能源效率不高：光合作用通常將不到2%的入射太陽能轉化為儲存的能量。當動物將植物物質轉化為牛肉（效率為5%至10%）或雞肉（效率為10%至15%）時，這種低效率會進一步惡化。然後我們攝入這些食物，並將其轉化為人體能量，以糖原的形式儲存在肌肉中，並以脂肪的形式儲存在我們的腰腹部。
鑑於每天照射到地球上的光子數量巨大，低效率似乎無關緊要。但是，當面臨土地、淡水、化肥徑流以及化石燃料的可負擔性和排放限制時，低效率可能會讓人望而生畏。用於生產食物的能量遠遠大於我們從中獲得的能量。美國大約消耗10個單位的化石能源來生產1個單位的食物能量。
當考慮到整個人口時，消費量之大令人矚目。一個健康的成年男性名義瞬時功率消耗約為125瓦。這相當於每天大約2,500營養卡路里，或大約10,000英制熱量單位 (Btu)。因此，美國3.12億人口每年需要大約1萬億英制熱量單位（1夸脫）的食物能量。因為我們使用10個單位的化石能源來生產1個單位的食物能量，所以供養人口需要10夸脫——這佔美國每年100夸脫能源消耗總量的10%。如果我們作為一個社會希望減少我們的食物能源消耗，我們需要找到方法來降低能源投入與食物產出的10:1比率。
供養世界70億人口所需的食物能量約為每年25夸脫，僅佔世界每年500夸脫能源消耗總量的5%。並不是世界其他地區比美國更有效率。而是有10億人飢餓，另有10億人面臨飢餓風險，還有更多人根本沒有消耗太多能量。
廣泛的能源使用透過柴油動力拖拉機、電動灌溉泵以及天然氣和石油製成的化肥和農藥等創新技術，極大地提高了糧食產量。自20世紀中期以來，這場綠色革命的作物產量突飛猛進，我們將加利福尼亞州中央山谷等沙漠變成了世界的水果籃。與此同時，農業所需的工人比例大幅下降。
廉價能源，主要是石油，也創造了交通運輸網路，極大地改善了食品分配，為我們帶來了意想不到的食物，例如冬季中來自遙遠角落的沙拉和新鮮橙子。我們仍然花費更多的能量來儲存和製備我們的食物。
當化石燃料價格低廉，我們不太關心汙染或排放時，我們並不擔心能源浪費。現在價格上漲，我們更加關心環境影響，我們必須改善10:1的比率。隨著越來越多的人在廉價空調的推動下搬到當地糧食生產只能支援不斷增長的人口的一小部分的地區（想想鳳凰城），這種低效率在美國可能會變得更糟。在這些情況下，即使使用更多的能源，也要麼透過能源密集型肥料和灌溉將劣質土地投入生產，要麼從偏遠市場運輸食物。
全球趨勢將加劇這一挑戰。預計到2050年，世界人口將增長到90多億。人均能源和食物消耗也將上升：值得注意的是，隨著人們變得更富有，他們會消耗更多的肉類，這比其他食物的能源密集度要高得多。氣候變化意味著糧食生產將因乾旱和洪水造成的作物損失、鹽水入侵含水層、更高的溫度（這將降低許多地方的光合作用效率）以及生物燃料與農田的競爭而受到損害。因此，專家預測，到2050年，糧食產量必須翻一番。
本地農業可能無濟於事
不幸的是，透過能源的視角思考一些流行的糧食生產“解決方案”表明，它們並不總是有幫助。例如，許多人已經接受了本地食品運動，自稱為“本地食物愛好者”，以此來對抗長途運輸食品所消耗的能源以及大規模工業化農業的能源密集度。“吃本地食物”運動鼓勵居民從農貿市場或附近的社群支援農場購買本地食物。
在當地社群花錢而不是將其送到遙遠的地方在經濟上可能是有價值的，並且擁有充滿活力的本地食品系統可以在發生戰爭或乾旱等意外事件時產生彈性。然而，本地農場有時會使用邊際土地來生產非本地作物，這些作物需要更多的化學品和更多的能源用於灌溉，而且它們的產量仍然很低。奇怪的是，運輸數千英里的食物有時可能需要更少的能源，排放更少的二氧化碳，並減少對環境的破壞。
例如，在紐西蘭飼養羔羊通常比在英國飼養羔羊更節能，因為紐西蘭的動物在主要不使用化肥或灌溉的雨養草地上吃草，然後運往英國。此外，配備雷射平整田地（以最大限度地減少水分流失和化肥徑流）和GPS定位拖拉機（以最佳化燃料使用和作物密度）並種植旨在最大限度地減少用水量的轉基因作物的大型工業化農場，與一群效率低下地使用能源和水但離家更近的分散農場相比，在資源效率方面可能令人驚訝地高。斯坦福大學的一項研究得出結論，大型農業因其產量提高和規模經濟而減少了大量碳排放。
垂直城市農場或用於飼料的藻類生產（目前處於原型階段）也具有比本地農場更高的單位面積生物質產量潛力。
一些流行的可再生能源解決方案實際上使食品-能源系統更加複雜。以食物為基礎的原料——玉米、大豆、糖和棕櫚——主導著世界生物燃料市場，並在農田和淡水方面造成了不健康的競爭。2010年，在美國，約有3000萬英畝——超過玉米總產量的四分之一——用於生產127億加侖的乙醇。隨著美國試圖實現聯邦政府到2022年所有液體運輸燃料的20%來自生物燃料的強制性規定，這一比例將大幅上升。
利用廢物
儘管對食品-能源關係存在種種擔憂，但仍有一些樂觀的理由。透過不同的創新、政策、市場和文化選擇，專注於減少浪費和低效率，我們可以降低能源使用與能量攝入的10:1比率，並減輕環境損害。
第一步是停止使用玉米粒生產澱粉基乙醇，這是美國目前的做法。讓我們用玉米粒來餵養人和牲畜，只用纖維素秸稈（植物的莖和葉）來製造乙醇或合成燃料。美國能源政策已經包括推動這一解決方案。《2007年能源獨立與安全法案》制定了可再生燃料標準，規定到2022年，我們每年消耗360億加侖生物燃料，其中160億加侖來自纖維素來源。後一項要求是華盛頓特區的政治家罕見地承認玉米可能無法解決我們所有的能源問題；專家預測，在不損害我們養活自己的能力的情況下，我們每年最多隻能從可用農田上種植的玉米基原料生產150億加侖乙醇。
然而，激進的生物燃料推廣政策使以食物為基礎的乙醇形式最快上線，而纖維素形式則落後多年，因為它們更難生產。自然界經過數千年的設計，使纖維素材料不會分解。為了生產乙醇而分解它們意味著我們必須逆轉自然規律，這需要酶——也就是金錢；以工業規模生產酶的成本很高。然而，我們可以克服技術障礙，並朝著這個方向更加有力地前進。使用纖維素來源而不是以食物為基礎的來源可以幫助美國的能源供應，並解放數千萬英畝土地用於其他糧食生產。
改善食品-能源方程的另一個步驟是將農業廢棄物轉化為電力。牲畜糞便是豐富的資源之一。在過去，小型農場在一個地點混合飼養動物和種植各種作物；農民將糞便而不是化學肥料撒在農田上。如今，隨著大型農場只種植少數幾種大型作物和集中式動物飼養場，這種閉環做法已經消失。大型動物養殖場產生的大量糞便遠遠超過當地的任何需求，而且跨國運輸到大型農場的成本太高。該系統還造成了環境熱點，例如糞便瀉湖，這些瀉湖是溫室氣體的重要排放源和有毒廢物的來源。然而，瀉湖的能量密度非常高，而且數量眾多；美國農場每年產生超過10億噸糞便。
厭氧消化器和微型渦輪機可以將糞便轉化為足夠的可再生、低碳沼氣發電，以取代全國2.5%的發電量，同時減少溫室氣體排放。這種方法還將為農民帶來另一個收入來源。德克薩斯A&M大學和康奈爾大學農業與生命科學學院等領先農業機構的研究人員正在研究將糞便厭氧消化納入農場運營的新方法。德國小村莊Juehnde與加州大學戴維斯分校的弗蘭克·米特洛納合作，正在生產如此多的沼氣用於供暖和烹飪，以至於該鎮已變得獨立於國家天然氣網。政策制定者可以透過為農民提供低成本資本、為裝置創造財產稅減免等激勵措施、提供資訊和培訓課程，使潛在使用者瞭解如何操作這些系統，以及建立淨計量（一種允許任何現場產生的電力減少農民水電費的系統），來鼓勵安裝更多的消化器和渦輪機。
另一種可以節省食物能量的廢物流是燃煤電廠煙囪排放的二氧化碳。它可以用於種植藻類，以供人類食用、動物飼料和燃料，從而避免一些用於農業生產的傳統能源投入。有些人已經直接食用藻類以獲取營養，一些全國連鎖餐廳將其用作增稠成分。藻類脂質也可以轉化為生物柴油，從而提供一種低碳、國內、可再生的燃料，這種燃料不是由以食物為基礎的原料製成的。其餘的藻類生物質通常由蛋白質和碳水化合物組成，這可能會取代玉米基動物飼料，從而使更多的玉米可用於食物，從而對食品-能源關係做出積極貢獻。一些藻類在微鹹水或鹽水中也能很好地生長，從而消除了對淡水的需求。私營企業（透過各種初創公司，如Solazyme）、國家實驗室（如國家可再生能源實驗室）和大學（如德克薩斯大學奧斯汀分校和加州大學聖地亞哥分校）都開展了積極的測試和試點專案。儘管藻類解決方案似乎離大規模實施還有幾十年的時間，但其前景值得進一步研究，因此政策制定者應繼續資助開發。
每滴水產生更多作物
僅僅在更大範圍內實施已經在試點專案中完善的創新農業技術，就可以顯著降低10:1的能量-食物比率。例如，滴灌可以每滴水產生更多作物，從而節省淡水和抽水所需的能量。傳統方法——中心樞軸噴灌器，在棕色沙漠中間創造了外星人般的綠色作物圈（從空中俯瞰很容易看到）——非常浪費，將水噴灑到空氣中，其中大部分蒸發了。確實落在作物上的水滴很可能擊中葉子和莖稈而不是根部，從而造成更多的蒸發損失。在典型的滴灌設定中，鋪設在成行播種的植物底部的長段窄管將水直接輸送到根部。愛荷華州立大學的研究人員估計，如果採用滴灌，該州的玉米種植者將減少40%的用水量，並降低15%的能源費用。現在有六家大型農場供應商提供這些系統，如果廣泛使用，每年可以在全國範圍內節省數千兆瓦時的電力。鼓勵轉向滴灌的激勵措施，加上對浪費水的懲罰措施，可能會加速採用。
免耕農業是另一種有希望的方法。它透過使用特殊的播種裝置減少對土壤的擾動，該裝置透過狹窄的表面槽而不是鈍化的翻土方法將種子放入未耕作的土壤中。減少土壤擾動可以減少勞動力、灌溉、能源、侵蝕和碳排放。阿根廷是世界領先者；那裡一半以上的農場都採用了這種先進技術。可以透過全國範圍內的農業推廣服務機構對農民進行關於免耕優勢的培訓。
雷射平整田地可以最大限度地減少侵蝕、灌溉和化肥徑流。大多數田地都有一個緩坡，這會導致不均勻的水分佈和不均勻的徑流收集。為了避免一部分田地缺水，農民經常過度灌溉整個田地，多餘的水會溢位到當地水道中。透過使田地平整，農民可以減少抽水的能源浪費，並且由於徑流減少，所需的化肥也減少。
GPS定位拖拉機、聯合收割機和其他機械的出現——如今已成為約翰迪爾等製造商提供的標準功能——引入了“精準農業”的概念，這提高了生產力並降低了能源消耗。GPS制導使農民能夠真正精確到英寸地照料田地和種植作物，減少浪費的空間、時間和燃料，甚至無需用手操縱機器。儘管中等規模農場的升級可能花費10,000美元，但普渡大學的研究人員表明，收益大於成本。首先，燃料使用量減少了。將GPS與田間診斷相結合，農民可以繪製土壤狀況圖，並微調化學品的使用量，化學品的使用量在一個田地的兩端可能會有所不同，最終減少了需求量。田地也可以在夜間以及在人類能見度有限的霧和雨天進行耕作，從而提高生產力。
更好的行為
減少食物浪費也可以降低能量使用與食物攝入的10:1比率。每年浪費的食物驚人地達到25%或更多。這個巨大的數量相當於美國年度能源消耗的2.5%——比2011年美國生產的所有乙醇的能量還要多，也比2030年從今天解除外大陸架鑽探限制中產生的能量還要多。僅僅減少我們扔掉的食物量，在未來十年或二十年內，就可能比許多已提出的昂貴或有爭議的能源供應政策更能減少能源消耗和溫室氣體排放。
許多減少食物浪費的方法可以從明天開始實施。我們可以投資於監測食物變質的診斷技術，而不是使用已經存在了幾十年的粗略的基於日期的標籤系統。一個例子是食品包裝上對溫度和時間敏感的墨水，如果食物暴露在錯誤的溫度下過久，標籤就會變色。初創公司生產這些標籤，這些標籤可以挽救大量被商店不必要地扔掉的食物，因為商店擔心讓顧客生病。這些標籤實際上也可以預防許多由變質食物引起的疾病。要求公司跟蹤食物暴露的溫度——除了食物包裝的時間長短之外——可能會為零售商和消費者提供關於食物變質風險的更好資訊。
不同的態度和飲食選擇也有幫助。餐館可以停止供應超大份量，消費者可以停止在自助餐上吹噓自己的戰績。更多的剩菜可以儲存起來並作為剩飯吃掉。我們可以改變我們的飲食習慣，用能量密集度較低的水果、堅果、蔬菜、豆類和穀物來替代至少一部分能量密集度較高的肉類。這些行為不需要發明；它們只需要新的思維方式。其中許多行為最終也會為消費者省錢。擁有無肉星期五或素食星期一可能會開始幫助我們實現目標。
正如最初的綠色革命所表明的那樣，大規模的變革可以在短短幾十年內相對快速地實施。這些變化可能是巨大的，取得的結果遠遠好於預期。然而，也可能出現意外：多年的糧食豐產增加了肥胖症的發生率，並加劇了氣候變化。僅僅依靠技術是不夠的；即使有了最初的綠色革命，飢餓問題也沒有得到解決。在全球範圍內採取一種減少食物能源浪費的方法，其中包括新的行為、態度和政策，對於取得廣泛成功至關重要。沒有理由認為這場新的綠色革命會有什麼不同。