我们需要很多土地来提供粮食、提供生物能源，保持土地营养使它们不能污染我们水和空气。为了使土地能够完成这些高需求，美国能源部Argonne国家研究所开展了改善土地利用方案设计。 通过与伊利诺斯州中部地区印度河流域的农业社区合作，这些研究人员寻求到可以同时满足三个目标（即最大农业生产、种植生物燃料和保护环境）的方法。
它所需要的是一个多功能景观，有效分配资源，种植适合土壤和地区的作物。在商品作物难以生长地区成排种植生物能源作物，如柳树或柳枝稷，可以提供生物能源材料，同时可以减少养分流失，所有这些不会损害农民利益。这是Argonne科学家在费尔伯里玉米田中收集数据和模拟得到结果。
“我们正在努力解决的问题是如何设计可持续能源系统。”Argonne首席农学家和环境工程师克里斯蒂娜•内格罗说，“这不是理想主义，我们想展示它的可行性，如果我们有了详细方案，我们将看到真实结果。”因此，内格罗和她的团队建立了试验站，开展经济可行性、生物燃料和环境健康之家平衡研究。
面对这个挑战，需要改变观念。研究人员没有把整块土地看做一个单元，而是分析了玉米地分区。他们发现最低产量分区中土壤氮素的持有量也是最低。这些区域都是双重征税，对农民来讲这些区域是无收益的，而且破坏了环境。
内格罗对生产力不足土地的解释是：“设想一下，倾倒一些品质好、营养丰富的溶液到长满植物的肥沃土壤上。而这些养分能被土壤保持足够长时间，以利于植物吸收，并最小化泄露。现在假设把同样的溶液浇在滤器上：如果样本透过土壤太快，则对植物无效。玉米生长慢，更多溶液则淋失到地下水。”
但是在“滤器”样的土壤上种植生物能源植物，能够解决环境和经济问题，这就是内格罗课题组所展示的反硝化作用分解模拟。
柳树和柳枝稷是多年生生物能源作物，这植物比一年生植物具有更加宽广根域系统，这些根每年从头开始生长。更深层次的根可以较好地吸收深层土壤中氮素。
农业耕地损失的氮素是主要环境问题。如果氮素不能被土壤持有或者被植物吸收，氮素将进入空气或水体。它能够以一氧化氮方式释放到空气中，比二氧化碳产生的温室效应强310倍。硝酸盐渗漏到水体中耗尽氧气，对水生系统造成破坏，就像伊利湖那样。费尔伯里玉米田位于印度河流域，流淌到朱沙河，最后到达墨西哥湾，这条河多年来一直患因养分流失造成缺氧问题。
尽管科学家们在能源和环境付出了努力，研究小组意识到必须把农民经济收入作为底线。
博士后赫尔伯说：“整个农村是盈利的，但是通过收集详细数据，我们发现在一些区域农民没有收回他们成本。”农民损失金钱用来购买了昂贵氮肥来弥补农田生产力不足。
在玉米产量低地区植入成排的生物能源作物，意味着农民不会再从玉米作物上受到可观的损失。作为回报，根深蒂固的生物能源作物可以积累损失的氮肥，以作为免费肥料。
自2013年以来，Argonne的科学家在费尔伯试验区里种植了柳树，将要在下一年继续收集数据，看能否达到他们预期。“我们已经可以控制28%硝酸盐损失，这只用了两个生长季节。” Ssegane说。没有施肥，柳树生长的很好。
依照Ssegane的研究，这个项目正在证明一个观念。农民有计划种植生物能源作物能够提高生产力、节约成本，同时为科学界展示了如果选择合适地点种植生物能源作物，这个模式是可持续的。
“在这项研究工作之前，主流方案是“专用土地”，即把大面积玉米变成柳枝稷，” Ssegane说：“生物能源作物的专用地在农业区是不可能的，他们的经济收入与粮食相关。通过成本效益检测，转化生产力不足的区域为轮作区是可行的。”
在生物能源作物专区与单一经济作物种植之间，多功能景观区是令人振奋的、有效的手段。
科学家正在探索这些设计理念能够延伸到整个水域。最终，他们希望这项研究能找到科学家与农民都支持农业规划。
期刊参考文献：Herbert Ssegane, M. Cristina Negri, John Quinn, Meltem Urgun-Demirtas.Multifunctional landscapes: Site characterization and field-scale design to incorporate biomass production into an agricultural system. Biomass and Bioenergy, 2015; 80: 179
DOI:10.1016/j.biombioe.2015.04.012
