2020年11月17日，《Nature Communications》正式刊发了我院李云开教授团队参与美国密西根州立大学刘建国院士团队完成的题为“Impacts of irrigated agriculture on food-energy-water-CO2 nexus across meta-coupled systems”的论文，系统地探讨了灌溉农业生产对区域水-能源-粮食-环境的纽带关系的影响，并进行不同调控情景的权衡决策分析，为宏观调控政策的制订和实现多部门协同可持续发展提供了科学依据。李云开教授为文章共同通讯作者，博士生陈修之为共同第一作者，团队成员硕士生王叶、张宇等参与了本研究。论文受到了康绍忠院士主持的国家自然科学基金创新群体项目（51621061）等的支持。

        在全球资源日趋紧张的背景下，确保不断增长的人口的粮食安全同时不产生较大的环境负担是全球面临的重大挑战之一。食物、能源、水和碳排放是高度关联的，四者共同组成纽带关系，粮食生产过程消耗大量的水和能源，并产生了大量的碳排放，加剧了水资源短缺、能源紧张和全球气候变暖等问题。本研究以全球最大的地下水漏斗区——华北平原为研究对象，从南水北调和北粮南运远程耦合巨系统出发，评估了灌溉农业对粮食水-能源-粮食-CO2纽带关系的影响，并通过情景分析等方法探究了不同宏观调控手段对Nexus的影响以及效果。

        结果表明，尽管华北平原的粮食供应促进了中国其他地区的粮食可持续性，但华北平原为此每年消耗的水资源超过其可利用水总量的4倍，水资源处于严重不可持续状态，并且所有节水灌溉技术都未能逆转华北平原水的不可持续性情势。同时，华北的灌溉农业使本地区承担了大量的碳排放和能源消耗，产生了巨大的环境负效益。南水北调和北粮南运的收受地共同构成了耦合巨系统，水资源从湖北输送到华北平原服务灌溉农业，而华北生产的粮食输送到南方甚至全国其他地区，华北的灌溉农业间接引起了湖北地区的环境影响，分担了维持整个国家粮食安全而产生的环境负担。南水北调工程每年将95亿m3的水从湖北转移到中国北方，其中21亿m3的水用于华北平原的农业生产，因此华北平原的浪费水会间接加重湖北的土地和水资源大量减少。通过情景分析可以发现，在气候变化的背景下，只有同时实施高效节水灌溉技术、改变种植策略、增加南水北调引水量等条件下，才可以同时是实现水和食物的可持续性。

        该研究首次针对灌溉农业讨论了复杂环境和社会经济因素对水-能-粮- CO2纽带的影响与权衡，揭示了水和食物可持续性与对应的环境影响之间的关系，为其他国家、地区乃至全球评价灌溉农业对水-能-粮- CO2纽带关系的影响奠定基础，对全球推动可持续发展等具有重要意义。未来的研究可把重点从环境影响扩展到社会经济影响，如贫困、社会平等、良好的健康等，有助于帮助实现对全球粮食贸易和水资源流动相关的社会生态负担进行更全面的评估，促进可持续发展目标的实现。