Freshwater ecosystems are among the most threatened ecosystems on Earth. At the same time, water demand for food is projected to increase with projected increase in population and diet shift putting part of the population under pressure in terms of food security. These projections are likely to be exacerbated by climate change. Over the past decades, irrigated areas have nearly tripled to meet actual human food requirements. Today, 40% of food production comes from irrigated production and about 30% from irrigated areas. This increasing share of irrigated production has come at the expense of freshwater ecosystems and river health. About half of the rivers have been fragmented and altered via the constructions of dams and reservoirs and via diversion of river flow to irrigated fields. Furthermore, water demand for industry, household and hydropower is predicted to increase and competition between water sectors will intensify. Under actual water competition, water availability for freshwater ecosystems has often been neglected.Over the past decade, awareness was given to define planetary boundaries for natural resources especially freshwater ones. While irrigation withdrawals and industries and household withdrawals already reach respectively about 2600 km3 yr-1 and 1000 km3 yr-1, planetary boundaries for freshwater have been defined to 4000 km3 yr-1. With the expected rise in water demand for food and industries, freshwater boundaries are likely to be exceeded in the coming decades and it is urgent to define global water availability and demand with accurate time and spatial resolutions. More specifically, it is necessary to develop a method that enables the calculation of water demand for freshwater ecosystems known as “Environment Flow Requirements” (EFRs). EFRs were often neglected in global assessments and/or defined with annual proxies.The overall objectives of this thesis were to redefine global water demand for freshwater ecosystems (EFRs) and set these last as a priority in global integrated assessments. For that, it was necessary to design a robust methodology that can be easily implemented in Global Hydrological Models (GHMs) and in global integrated assessments. In chapter 2, existing global and local Environmental Flow (EF) methods were reviewed. Three methods were selected among existing global methods, including the Smakhtin method, which is based on a combination of annual quantiles and proxies of annual flow, the Tennant method, which is based on annual proxies of flow, and the Tessman method, which is based on monthly proxies of flow. Two other methods were designed for this study: the Variable Monthly Flow (VMF) method, which is based on the allocation of the percentage of monthly flow to the environment and the Q90_Q50 method, which is based on the allocation of flow quantiles. These methods were compared with 11 local case studies from different ecoregions, for which EFRs have been defined locally with ecological and hydrological data collection. The VMF method showed the best performance against local case studies and demonstrated easiness of use and validation with different flow regime types. Among the five global EF methods, EFRs represent 20 to 50% of mean annual flow to maintain EFRs in “fair” ecological conditions.In chapter 3, the concept of “Environmental Flow (EF) deficit” was designed. It represents the lacking flow to meet EFRs. EF deficit was defined on a monthly basis at 0.5 deg. The originality of this study is that the origin of the deficit was characterized by the natural deficit and the anthropogenic deficit. Natural deficit is defined when EFRs are not met due to natural climate variability and anthropogenic deficit is defined when EFRs are not met due to water extractions for irrigation or other users. The frequency, timing and magnitude of each deficit were also calculated at global scale. The EF deficit was also studied for 23 river basins, which are located in different ecoregions, and it was shown that flow regime type, origin of deficit, magnitude of deficit and level of flow alteration were correlated. Perennial rivers such as the Congo River showed only natural deficit while very altered river such as the Godavari river showed high respective natural and anthropogenic deficit. In chapter 4, we set EFRs as a priority user in the global vegetation model LPJmL. It was shown that to sustain EFRs in “fair” ecological conditions, irrigation water use should be reduced by 30%, which would lead to 30% less food coming from irrigated area and a total of 5% loss in food production. Calorie loss per capita was really high in developing countries where population density is high such as in South-East Asia. This loss in food production can however be compensated by an increase of 50% in irrigation use efficiency.In chapter 5, we used an economic optimization model (GLOBIOM) to study future global change including different constrains of EFRs. It was shown that, under future climate change (RCP 8.5) and socio-economic development (SSP2), international trade should be increased by 15% to compensate for EFRs implementations compared to a business-as-usual scenario. The positive outcome is that it was demonstrated that food and water security for humans and ecosystems can be sustained with three levees: use of trade (+15%), conversion of irrigated land to rainfed land (60Mha) in South Asia and expansion of rainfed land into natural area in Latin America.In the chapter 6, we reviewed and analyzed each chapter as an ensemble. The new development of the VMF method is acknowledged thanks to its application in all chapters of this thesis and in many other global assessments. Among them, two studies redefined the freshwater planetary boundaries at 2,800 km3 yr-1 which is lower than previous estimates defined by Rockstrom et al. (2009). This thesis allowed the inclusion of EFRs in global integrated assessments with refined temporal and spatial scales and water demand for ecosystems are now recognized and acknowledged. The limitations of the VMF method are also discussed such as its weakness to be compatible with inter-annual studies considering extreme events such as floods and droughts. Further data collection on eco-hydrological relationships should be organized and harmonized at global scale to further improve EFRs at global scale. Characterization of EF deficit with differentiation of the anthropogenic and natural deficit can be used as a tool to prioritise actions in terms of river restoration/protection. In face of meeting future SDGs, we highlighted the complexity in meeting food and water security for humans and ecosystems. Competition between different water sectors already exist and require local, regional and international consensus to satisfy all water users while safeguarding water availability for freshwater ecosystems. For that, future improvement in agriculture and water management is fundamental to provide future sustainable water access to humanity. | Les écosystèmes d’eau douce contiennent les espèces les plus menacées de la planète. Parallèlement, les demandes en eau pour l’alimentation vont augmenter linéairement avec la croissance de la population et les changements de régimes alimentaires mettent en péril la sécurité alimentaire mondiale. Durant les dernières décennies, les surfaces en terres irriguées ont presque triplé pour satisfaire les besoins croissants de l’alimentation humaine. Aujourd’hui, 40% de l’alimentation humaine provient de la production agricole irriguée, laquelle recouvre 30% des surfaces agricoles. Cette croissance continue de la production des terres irriguées s’est développée au détriment des écosystèmes d’eau douce et au détriment de la qualité des rivières. Presque la moitié des rivières du monde ont été fragmentées et détruites via la construction de barrages et de réservoirs et via la déviation du débit des rivières vers les champs irrigués. De plus, il faut envisager que les demandes croissance en eau pour l’industrie, les foyers et les centrales hydro-électriques vont augmenter. La compétition entre les secteurs d’activités utilisant l’eau va donc s’intensifier et face à cette pression croissante, les disponibilités en eau pour les écosystèmes d’eau douce sont souvent négligées.Durant la dernière décennie, la définition « des limites planétaires » concernant l’utilisation des ressources naturelles est devenue critique, notamment pour les ressources en eau. Alors que l’utilisation de l’eau du secteur agricole et industriel atteint respectivement 2600 km3 par an et 1000 km3 par an, les limites planétaires pour l’eau douce ont été définies à 4000 km3 par an. Avec une projection croissante de demande en eau, le seuil des limites planétaires en eau douce est menace d’être dépassé. Il est donc urgent de redéfinir les disponibilités et les demandes mondiales en eau avec des échelles spatiales et temporelles fines. Il est aussi essential de développer une méthode permettant le calcul des demandes en eau pour les écosystèmes d’eau douce nomme : le « débit réservé ». Ce dernier a souvent été négligé dans les évaluations intégrées et/ou souvent défini seulement avec des pourcentages annuels du débit.Les objectifs de cette thèse sont de redéfinir les demandes mondiales en eau pour les écosystèmes d’eau douce et de leur donner une priorité dans les évaluations intégrées mondiales. Pour cela, il était indispensable de développer une méthode à la fois solide et facilement applicable dans les modèles hydrologiques à échelle mondiale et dans les évaluations intégrées à échelle mondiale Dans le chapitre 2, une étude bibliographique des méthodes du débit réserve est effectuée. Trois méthodes seront sélectionnées parmi les méthodes existantes : la méthode Smakthin basée sur les quantiles annuels et pourcentage du débit annuel, la méthode Tennant basée sur les pourcentages du débit annuel et la méthode Tessmann basée sur le pourcentage mensuel du débit. Deux autres méthodes sont conceptualisées : la «Variable Monthly Flow » méthode ou la méthode au « débit mensuel variable » basée sur le pourcentage du débit mensuel et la méthode du Q90_Q50 basée sur des quantiles du débit annuel. Ces méthodes ont été comparées à onze cas d’études locaux situés dans différentes écorégions du monde dont les débits réserves ont été définis avec la collecte de données écologiques et hydrologiques. La méthode VMF a révélé la meilleure performance par rapport aux cas d’études locaux et elle a démontré sa facilité d'utilisation et de validation avec différents types de régime d'écoulement. Parmi les cinq méthodes globales, le débit réservé représente 20 à 50% de l'écoulement annuel moyen pour maintenir les écosystèmes d’eau douce dans des conditions écologiques "acceptables".Dans le chapitre 3, le concept de «déficit du débit environnemental » ou « Environnemental Flow (EF) déficit » a été conçu. Il représente le manque de débit pour répondre au débit réservé. Le déficit de débit réserve a été calculé mensuellement avec une dimension spatiale de 0,5 degré. L'originalité de cette étude est que l’origine du déficit a été caractérisée par le déficit anthropique et naturel. Le déficit naturel est défini lorsque le débit réservé n’est pas satisfait en raison de la variabilité naturelle du climat et le déficit anthropique est défini lorsque le débit anthropique n’est pas suffisant pour l'irrigation. La fréquence, la durée, le timing et la magnitude de chaque déficit ont également été calculés à échelle mondiale. Le déficit du débit réservé a également été étudié pour 23 bassins situés dans différentes écorégions et il a été démontré que le type de régime d'écoulement, l'origine du déficit, l'ampleur du déficit et le niveau d'altération de l'écoulement étaient corrélés. Les rivières stables comme le fleuve Congo ont montré seulement un déficit naturel alors que les rivières très dégradées comme la rivière Godavari ont montré un haut déficit naturel et anthropique.Dans le chapitre 4, nous avons défini le débit réserve comme un utilisateur prioritaire dans le modèle de végétation globale LPJmL. Il a été démontré afin de maintenir le débit réservé dans des conditions écologiques "acceptables” que l'utilisation de l'eau pour l'irrigation devrait être réduite de 30%, ce qui entraînerait une baisse de 30% de moins de nourriture provenant des terres irriguées et une perte totale de production alimentaire de 5%. Il en résulterait une perte de calories très élevée par habitant dans les pays en développement. Cette perte de production alimentaire peut toutefois être compensée par une augmentation de 50% de l'efficacité de l'utilisation de l'irrigation.Dans le chapitre 5, nous avons utilisé un modèle d'optimisation économique (GLOBIOM) afin d’étudier les changements futurs à échelle mondiale, y compris les restrictions en eau par le débit réservé. Il est démontré que, dans le cadre du futur changement climatique (RCP 8.5) et du développement socioéconomique (scenario SSP2), l’utilisation du commerce devrait être augmentée de 15% pour compenser les mises en œuvre du débit réservé par rapport à un scénario normalisé. Le résultat positif et probant est le suivant : la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes peut être maintenue sous trois conditions: l'utilisation du commerce (+ 15%), la conversion des terres irriguées en terres pluviales (60Mha) en Asie du Sud et l'expansion des terres pluviales notamment en Amérique latine.Dans le chapitre 6, nous avons examiné et analysé chaque chapitre sous forme d'ensemble. Le nouveau développement de la méthode VMF est reconnu grâce à son application dans tous les chapitres de cette thèse et ainsi que dans de nombreuses autres évaluations scientifiques. Parmi celles-ci, deux études ont redéfini les limites planétaires d'eau douce à 2800 km3 par an, ce qui est inférieur aux estimations précédentes définies par Rockstrom et al. (2009). Cette thèse a permis l'inclusion du débit réservé dans les évaluations mondiales intégrées avec des échelles spatiales et temporelles fine et la demande en eau pour les écosystèmes est désormais reconnue. Les limites de la méthode VMF sont également discutées, comme notamment sa faiblesse pour être compatible avec les études interannuelles tels les événements extrêmes incluant inondations et sécheresses. Il faudrait organiser et harmoniser la collecte de données sur les relations éco-hydrologiques à l'échelle mondiale afin d’améliorer les méthodes de débit réservé. La caractérisation du déficit avec la différenciation du déficit anthropique et naturel peut servir d'outil pour définir le niveau de priorité d’action en termes de restauration/protection des rivières. Dans le cadre de l’agenda des futurs SDG, nous avons souligné la complexité de satisfaire la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes. La concurrence entre les différents secteurs de l'eau existe déjà et nécessite un consensus local, régional et international afin de satisfaire tous les utilisateurs d'eau tout en préservant la disponibilité de l'eau pour les écosystèmes d'eau douce. Pour cela, l'amélioration future de l'agriculture et de la gestion de l'eau est fondamentale, elle assurera un accès durable et pérenne à l'humanité.Les écosystèmes d’eau douce contiennent les espèces les plus menacées de la planète. Parallèlement, les demandes en eau pour l’alimentation vont augmenter linéairement avec la croissance de la population et les changements de régimes alimentaires mettent en péril la sécurité alimentaire mondiale. Durant les dernières décennies, les surfaces en terres irriguées ont presque triplé pour satisfaire les besoins croissants de l’alimentation humaine. Aujourd’hui, 40% de l’alimentation humaine provient de la production agricole irriguée, laquelle recouvre 30% des surfaces agricoles. Cette croissance continue de la production des terres irriguées s’est développée au détriment des écosystèmes d’eau douce et au détriment de la qualité des rivières. Presque la moitié des rivières du monde ont été fragmentées et détruites via la construction de barrages et de réservoirs et via la déviation du débit des rivières vers les champs irrigués. De plus, il faut envisager que les demandes croissance en eau pour l’industrie, les foyers et les centrales hydro-électriques vont augmenter. La compétition entre les secteurs d’activités utilisant l’eau va donc s’intensifier et face à cette pression croissante, les disponibilités en eau pour les écosystèmes d’eau douce sont souvent négligées.Durant la dernière décennie, la définition « des limites planétaires » concernant l’utilisation des ressources naturelles est devenue critique, notamment pour les ressources en eau. Alors que l’utilisation de l’eau du secteur agricole et industriel atteint respectivement 2600 km3 par an et 1000 km3 par an, les limites planétaires pour l’eau douce ont été définies à 4000 km3 par an. Avec une projection croissante de demande en eau, le seuil des limites planétaires en eau douce est menace d’être dépassé. Il est donc urgent de redéfinir les disponibilités et les demandes mondiales en eau avec des échelles spatiales et temporelles fines. Il est aussi essential de développer une méthode permettant le calcul des demandes en eau pour les écosystèmes d’eau douce nomme : le « débit réservé ». Ce dernier a souvent été négligé dans les évaluations intégrées et/ou souvent défini seulement avec des pourcentages annuels du débit.Les objectifs de cette thèse sont de redéfinir les demandes mondiales en eau pour les écosystèmes d’eau douce et de leur donner une priorité dans les évaluations intégrées mondiales. Pour cela, il était indispensable de développer une méthode à la fois solide et facilement applicable dans les modèles hydrologiques à échelle mondiale et dans les évaluations intégrées à échelle mondiale Dans le chapitre 2, une étude bibliographique des méthodes du débit réserve est effectuée. Trois méthodes seront sélectionnées parmi les méthodes existantes : la méthode Smakthin basée sur les quantiles annuels et pourcentage du débit annuel, la méthode Tennant basée sur les pourcentages du débit annuel et la méthode Tessmann basée sur le pourcentage mensuel du débit. Deux autres méthodes sont conceptualisées : la «Variable Monthly Flow » méthode ou la méthode au « débit mensuel variable » basée sur le pourcentage du débit mensuel et la méthode du Q90_Q50 basée sur des quantiles du débit annuel. Ces méthodes ont été comparées à onze cas d’études locaux situés dans différentes écorégions du monde dont les débits réserves ont été définis avec la collecte de données écologiques et hydrologiques. La méthode VMF a révélé la meilleure performance par rapport aux cas d’études locaux et elle a démontré sa facilité d'utilisation et de validation avec différents types de régime d'écoulement. Parmi les cinq méthodes globales, le débit réservé représente 20 à 50% de l'écoulement annuel moyen pour maintenir les écosystèmes d’eau douce dans des conditions écologiques "acceptables".Dans le chapitre 3, le concept de «déficit du débit environnemental » ou « Environnemental Flow (EF) déficit » a été conçu. Il représente le manque de débit pour répondre au débit réservé. Le déficit de débit réserve a été calculé mensuellement avec une dimension spatiale de 0,5 degré. L'originalité de cette étude est que l’origine du déficit a été caractérisée par le déficit anthropique et naturel. Le déficit naturel est défini lorsque le débit réservé n’est pas satisfait en raison de la variabilité naturelle du climat et le déficit anthropique est défini lorsque le débit anthropique n’est pas suffisant pour l'irrigation. La fréquence, la durée, le timing et la magnitude de chaque déficit ont également été calculés à échelle mondiale. Le déficit du débit réservé a également été étudié pour 23 bassins situés dans différentes écorégions et il a été démontré que le type de régime d'écoulement, l'origine du déficit, l'ampleur du déficit et le niveau d'altération de l'écoulement étaient corrélés. Les rivières stables comme le fleuve Congo ont montré seulement un déficit naturel alors que les rivières très dégradées comme la rivière Godavari ont montré un haut déficit naturel et anthropique.Dans le chapitre 4, nous avons défini le débit réserve comme un utilisateur prioritaire dans le modèle de végétation globale LPJmL. Il a été démontré afin de maintenir le débit réservé dans des conditions écologiques "acceptables” que l'utilisation de l'eau pour l'irrigation devrait être réduite de 30%, ce qui entraînerait une baisse de 30% de moins de nourriture provenant des terres irriguées et une perte totale de production alimentaire de 5%. Il en résulterait une perte de calories très élevée par habitant dans les pays en développement. Cette perte de production alimentaire peut toutefois être compensée par une augmentation de 50% de l'efficacité de l'utilisation de l'irrigation.Dans le chapitre 5, nous avons utilisé un modèle d'optimisation économique (GLOBIOM) afin d’étudier les changements futurs à échelle mondiale, y compris les restrictions en eau par le débit réservé. Il est démontré que, dans le cadre du futur changement climatique (RCP 8.5) et du développement socioéconomique (scenario SSP2), l’utilisation du commerce devrait être augmentée de 15% pour compenser les mises en œuvre du débit réservé par rapport à un scénario normalisé. Le résultat positif et probant est le suivant : la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes peut être maintenue sous trois conditions: l'utilisation du commerce (+ 15%), la conversion des terres irriguées en terres pluviales (60Mha) en Asie du Sud et l'expansion des terres pluviales notamment en Amérique latine.Dans le chapitre 6, nous avons examiné et analysé chaque chapitre sous forme d'ensemble. Le nouveau développement de la méthode VMF est reconnu grâce à son application dans tous les chapitres de cette thèse et ainsi que dans de nombreuses autres évaluations scientifiques. Parmi celles-ci, deux études ont redéfini les limites planétaires d'eau douce à 2800 km3 par an, ce qui est inférieur aux estimations précédentes définies par Rockstrom et al. (2009). Cette thèse a permis l'inclusion du débit réservé dans les évaluations mondiales intégrées avec des échelles spatiales et temporelles fine et la demande en eau pour les écosystèmes est désormais reconnue. Les limites de la méthode VMF sont également discutées, comme notamment sa faiblesse pour être compatible avec les études interannuelles tels les événements extrêmes incluant inondations et sécheresses. Il faudrait organiser et harmoniser la collecte de données sur les relations éco-hydrologiques à l'échelle mondiale afin d’améliorer les méthodes de débit réservé. La caractérisation du déficit avec la différenciation du déficit anthropique et naturel peut servir d'outil pour définir le niveau de priorité d’action en termes de restauration/protection des rivières. Dans le cadre de l’agenda des futurs SDG, nous avons souligné la complexité de satisfaire la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes. La concurrence entre les différents secteurs de l'eau existe déjà et nécessite un consensus local, régional et international afin de satisfaire tous les utilisateurs d'eau tout en préservant la disponibilité de l'eau pour les écosystèmes d'eau douce. Pour cela, l'amélioration future de l'agriculture et de la gestion de l'eau est fondamentale, elle assurera un accès durable et pérenne à l'humanité.

Water is considered the bloodstream of the biosphere, but its management is one of the most important challenges for human development. In view of the sustainable water management, several approaches have been proposed: Integrated Water Resources Management, Adaptive Management and, more recently, Water–Energy–Food (WEF) Nexus. Considering these approaches, over the last few decades, extensive efforts have been made to develop assessment methods and tools framed within the paradigm of sustainable development. As part of a holistic assessment of water resources, the recent approach based upon the WEF Nexus narrows down the consideration of intersectoral linkages to three dimensions that are of prominent interest, in particular in developing countries. This study presents a comprehensive indicator-based approach for the assessment of water, energy and food securities, with reference to the Sustainable Development Goals of the United Nations. The main ambition of the proposed approach is to provide a tool to monitor progresses, compare different geographical areas, highlight synergies and conflicts amongst and within the three dimensions of the WEF Nexus, and provide support for improved—more effective—management strategies to meet the goals. The proposed approach is demonstrated in the Ganges–Brahmaputra–Meghna (GBM) River Basin in Asia and to the Po River Basin in Europe. The comparative analysis suggests that WEF security is currently rather low in the GBM basin compared to the other case study and other parts of the world and allows the identification of which dimensions (indicators) require special attention on the part of local and global policy makers.

A mass-balance Ecopath model of coastal areas in the Caspian Sea has been constructed for a quantitative description of the trophic structure of the ecosystem. The model is used to estimate the important biological parameters and relationships among the different ecologically important groups. Twenty five species were used in the present analysis. The model is based on the data collected of Kilka fisheries, beach seining (Bony fish fisheries), and set Gillnet (Sturgeon Fisheries) and also dietary information. Total landings along the Iranian portion of southern Caspian coast reached 39647 t, including sturgeon (41 t), kilka (22873 t) and bony fishes (16733 t) in 2014. Two species of kilka (Common kilka and Anchovy) are important commercially in the Caspian Sea, together accounting in the past decade for > 60 % of the total catch, as well as being a crucial part of the food chain. The mean average trophic level was estimated at 3.17 by Ecopath software. In this research, the mean level were studied between eight species varied from 2.56 to 4.04, Sander lucioperca occupy the highest and the as vimba vimba was the lowest level. The ranges of total mortality varied from 0.5 to 2.56 per years. The food consumption rate was estimated about 101.56 per year Mixd trophic level index (MTI) showed small pelagic fishes as prey, have crucial role in feeding of pelagic predators population such as invasion of the ctenophore Mnemiopsis leidyi, bream fish and benthic fish such as sturgeon. In general, niche overlap was greater in more species such as Alburnus chalcoides, Rutilus rutilus, Clupeonella cultriventris, Rutilus kutum and M. leidyi who consumed large amounts of plankton. In conclusion small pelagic fish exert a major control on the trophic dynamics of the Caspian Sea ecosystems and constitute midtrophic-level populations.

Understanding the food-energy-water nexus is necessary to identify risks and inform strategies for nexus governance to support resilient, secure, and sustainable societies. To manage risks and realize efficiencies, we must understand not only how these systems are physically connected but also how they are institutionally linked. It is important to understand how actors who make planning, management, and policy decisions understand the relationships among components of the systems. Our question is: How do stakeholders involved in food, energy, and water governance in Phoenix, Arizona understand the nexus and what are the implications for integrated nexus governance? We employ a case study design, generate qualitative data through focus groups and interviews, and conduct a content analysis. While stakeholders in the Phoenix area who are actively engaged in food, energy, and water systems governance appreciate the rationale for nexus thinking, they recognize practical limitations to implementing these concepts. Concept maps of nexus interactions provide one view of system interconnections that be used to complement other ways of knowing the nexus, such as physical infrastructure system diagrams or actor-networks. Stakeholders believe nexus governance could be improved through awareness and education, consensus and collaboration, transparency, economic incentives, working across scales, and incremental reforms.

Asia, Europe, Oceania, North America, South America, Middle East and Africa.The purpose of this paper is to review and analyze the water, energy, and food nexus and regions of study, nexus keywords and stakeholders in order to understand the current state of nexus research.Through selected 37 projects, four types of nexus research were identified including water–food, water–energy–food, water–energy, and climate related. Among them, six projects (16%) had a close linkage with water–food, 11 (30%) with water–energy–food, 12 (32%) with water–energy, and eight (22%) with climate. The regions were divided into Asia, Europe, Oceania, North America, South America, Middle East and Africa. North America and Oceania had a tendency to focus on a specific nexus type, water–energy (46%) and climate (43%), while Africa had less focus on water–energy (7%). Regarding keywords, out of 37 nexus projects, 16 projects listed keywords in their articles. There were 84 keywords in total, which were categorized by the author team depending on its relevance to water, food, energy, climate, and combination of water–food–energy–climate, and 40 out of 84 keywords were linked with water and only 4 were linked with climate. As for stakeholders, 77 out of 137 organizations were related to research and only two organizations had a role in media.

Raised-bed plasticulture, an intensive production system used around the world for growing high-value crops (e.g., fresh market vegetables), faces a water-food nexus that is actually a food-water-energy-land-economic nexus. Plasticulture represents a multibillion dollar facet of the United States crop production value annually and must become more efficient to be able to produce more on less land, reduce water demands, decrease impacts on surrounding environments, and be economically-competitive. Taller and narrower futuristic beds were designed with the goal of making plasticulture more sustainable by reducing input requirements and associated wastes (e.g., water, nutrients, pesticides, costs, plastics, energy), facilitating usage of modern technologies (e.g., drip-based fumigation), improving adaptability to a changing climate (e.g., flood protection), and increasing yield per unit area.Compact low-input beds were analyzed against conventional beds for the plasticulture production of tomato (Solanum lycopersicum), an economically-important crop, using a systems approach involving field measurements, vadose-zone modeling (HYDRUS), and production analysis. Three compact bed geometries, 61cm (width)× 25cm (height), 45cm× 30cm, 41cm× 30cm, were designed and evaluated against a conventional 76cm× 20cm bed. A two-season field study was conducted for tomato in the ecologically-sensitive and productive Everglades region of Florida. Compact beds did not statistically impact yield and were found to reduce: 1) production costs by $150–$450/ha; 2) leaching losses by up to 5% (1cm/ha water, 0.33kg/ha total nitrogen, 0.05kg/ha total phosphorus); 3) fumigant by up to 47% (48kg/ha); 4) plasticulture's carbon footprint by up to 10% (1711kg CO2-eq/ha) and plastic waste stream by up to 13% (27kg/ha); 5) flood risks and disease pressure by increasing field's soil water storage capacity by up to 33% (≈1cm); and 6) field runoff by 0.48–1.40cm (51–76%) based on HYDRUS model simulations of 10-year, 2-h storm events in other major tomato production regions of California and Virginia.Re-designing the bed geometries in plasticulture production systems to be more compact is an example of win-win production optimization not only for traditional farms in rural areas but also for urban and peri-urban farms which are located closer to city centers. Compact beds could enable more plants per unit area, thus requiring less land area for the same production. Needing less area facilitates urban and peri-urban farming where land values can be high. Urban and peri-urban farming has several benefits, including reductions in transportation energy as production is closer to market and the ability for city wastewater to be reused for irrigation instead of freshwater withdrawals. Compact beds allow plasticulture to have smaller water, chemical, energy, carbon, waste, and economic footprints without impacting production. Improving agricultural systems in this way could enhance economic and environmental viability, which is essential for a sustainable food-water-energy-land-economic nexus.

A mass-balance Ecopath model of coastal areas in the Caspian Sea has been constructed for a quantitative description of the trophic structure of the ecosystem. The model is used to estimate the important biological parameters and relationships among the different ecologically important groups. Twenty five species were used in the present analysis. The model is based on the data collected of Kilka fisheries, beach seining (Bony fish fisheries), and set Gillnet (Sturgeon Fisheries) and also dietary information. Total landings along the Iranian portion of southern Caspian coast reached 39647 t, including sturgeon (41 t), kilka (22873 t) and bony fishes (16733 t) in 2014. Two species of kilka (Common kilka and Anchovy) are important commercially in the Caspian Sea, together accounting in the past decade for > 60 % of the total catch, as well as being a crucial part of the food chain. The mean average trophic level was estimated at 3.17 by Ecopath software. In this research, the mean level were studied between eight species varied from 2.56 to 4.04, Sander lucioperca occupy the highest and the as vimba vimba was the lowest level. The ranges of total mortality varied from 0.5 to 2.56 per years. The food consumption rate was estimated about 101.56 per year Mixd trophic level index (MTI) showed small pelagic fishes as prey, have crucial role in feeding of pelagic predators population such as invasion of the ctenophore Mnemiopsis leidyi, bream fish and benthic fish such as sturgeon. In general, niche overlap was greater in more species such as Alburnus chalcoides, Rutilus rutilus, Clupeonella cultriventris, Rutilus kutum and M. leidyi who consumed large amounts of plankton. In conclusion small pelagic fish exert a major control on the trophic dynamics of the Caspian Sea ecosystems and constitute midtrophic-level populations. | Iranian Fisheries Science Research Institute | Published

The introduction of drug residues into the food chain and their presence in drinking water has been recently investigated. The aim of this work was to monitor the presence of 19 active drugs in water samples collected from milking parlors of dairy farms located in Galicia (northwest Spain), one of the main Spanish milking areas. Overall, 65% of the samples tested positive for at least one of the compounds analyzed. A total of 12 drugs were measured, with concentrations ranging between 17 and 3,941 ng/L. Considering that a mixture of compounds may contribute to the overall effect of each compound and might increase or reduce its toxicity, it should be noted that 29% of the samples tested contained more than one pharmaceutical. To date, the effects of the continuous consumption of these mixtures of drugs in water or milk are unknown; however, antimicrobials may affect the human gut microbiota or have toxic effects in sensitive individuals.

Irrigated agriculture is the backbone of Central Asian economies. Therefore, efficient irrigation water management is of crucial importance to the sustainable crop production in the region. Presented here are two studies aiming to improve agricultural water productivity â?? ET-based irrigation scheduling in Uzbekistan; and valuation of ecosystem services in Kazakhstan. The ET-based irrigation scheduling method has potential to replace subjective daily water management decisions at Water Users Association level with crop water demand-based decisions to improve water-use efficiency. Results from a two year study show that there can be a 32-35% saving of water when irrigation is applied using the ET-based scheduling method. The pilot plots are representative of 38% of irrigated area in Fergana Valley (241,407ha) and 50% in Khorezm (137,500ha) area. If this methodology is widely adopted, large amounts of water can be saved which can be diverted for other purposes. Flood irrigation of cotton is practiced on 128,000ha in the Bugunski Reservoir watershed of Kazakhstan. This practice is unsustainable due to seasonal unavailability in water supply and depletion of river discharges that were historically important at maintaining water levels downstream in nearby wetlands and the Aral Sea. Farmer surveys were used along with RIOS and SWAT modeling to evaluate alternative irrigation practices and cropping systems that can conserve water from the Bugunski Reservoir while maintaining farmer incomes. Simulations show significant reductions in irrigation water demand in the alternative scenario relative to the baseline scenario. Under baseline flood irrigation of cotton, annual irrigation demand was 928 MCM/yr averaged over the 32 year climatic record simulated. Irrigation demand decreased by 38% to 573 MCM/yr when 40,439ha of flood irrigated cotton was converted to drip irrigated cotton, sprinkler irrigated alfalfa and drip irrigated grapes. This represents a savings of 355 MCM/yr in water extracted from irrigation canals and groundwater wells | Vinay Nangia. (7/11/2016). Managing Scarce Water Resources in Irrigated Agri-Food Systems of Central Asia Two Case Studies. Phoenix, United States: American Society of Agronomy.

Decomposition of the urban water footprint can provide insight for water management. In this paper, a new decomposition method based on the log-mean Divisia index model (LMDI) was developed to analyze the driving forces of water footprint changes, attributable to food consumption. Compared to previous studies, this new approach can distinguish between various factors relating to urban and rural residents. The water footprint of food consumption in Xiamen City, from 2001 to 2012, was calculated. Following this, the driving forces of water footprint change were broken down into considerations of the population, the structure of food consumption, the level of food consumption, water intensity, and the population rate. Research shows that between 2001 and 2012, the water footprint of food consumption in Xiamen increased by 675.53 Mm3, with a growth rate of 88.69%. Population effects were the leading contributors to this change, accounting for 87.97% of the total growth. The food consumption structure also had a considerable effect on this increase. Here, the urban area represented 94.96% of the water footprint increase, driven by the effect of the food consumption structure. Water intensity and the urban/rural population rate had a weak positive cumulative effect. The effects of the urban/rural population rate on the water footprint change in urban and rural areas, however, were individually significant. The level of food consumption was the only negative factor. In terms of food categories, meat and grain had the greatest effects during the study period. Controlling the urban population, promoting a healthy and less water-intensive diet, reducing food waste, and improving agriculture efficiency, are all elements of an effective approach for mitigating the growth of the water footprint.