文|《中国科学报》记者 杜珊妮
作为第一作者兼通讯作者，刘文丰在首篇PNAS论文中终于得偿所愿。
9年前，还在读博的他在查阅文献时萌生了一个想法——将不同维度的水资源要素整合起来开展研究。然而，当时这个设想有些“超前”，因缺乏系统数据与分析框架难以推进，只能暂时搁置。但刘文丰没有放弃，而是把它深埋在心底。
如今，这颗种子终于破土而出。中国农业大学水利与土木工程学院教授刘文丰所在的研究团队首次提出了考虑“蓝水—绿水—水质”的多维水短缺概念及其评价框架，推动了水短缺的评价体系从“单一维度”到“多维度”评价体系的转变，为未来精准识别、分析与应对水资源危机奠定了理论基础并提供了实践路径。该学院博士生付中皞为论文共同第一作者，同学院教授杜太生和美国特拉华大学教授Kyle Frankel Davis为论文通讯作者。
刘文丰在石羊河流域
PNAS论文
1 填补领域空白
“长期以来，我们对‘水短缺’的理解更多停留在单一维度的量化分析上，缺少多维评价系统，忽视了其背后更为复杂的、多源协同的生态—环境过程，这导致许多地区真实的水资源困境被掩盖了。”刘文丰说。
在传统的水资源短缺研究中，科学家通常聚焦于三种水体——源自江河、湖泊和地下水等可以被直接取用的“蓝水”、储存于土壤中供植物吸收的“绿水”，及受污染影响而需要进行处理的“水质水”。
三者相互关联，共同决定人类和生态系统的实际可用水状况。但在过去的水资源研究中，这三者往往被割裂评估，缺乏统一视角与系统整合。
这一研究领域的空白，正是这项研究的起点。
2016年，在瑞士苏黎世联邦理工大学攻读博士时，刘文丰的研究方向聚焦于全球农业系统中蓝水与绿水的转化规律和可持续利用，以及非点源污染中氮、磷元素对水质的影响。
一次查阅文献时，他偶然读到了一篇荷兰瓦赫宁根大学研究者的论文，这篇文章首次尝试将蓝水与水质耦合分析。尽管篇幅不长、模型也不复杂，却让他眼前一亮。
“它触及了一个一直在我脑中盘旋的问题——如果在蓝水—绿水研究的基础上引入水质维度，不就能建立一个更完整的水资源短缺评估框架了吗？”带着这个设想，他立刻和导师草拟了一份概念性方案，试图搭建一个涵盖蓝水、绿水与水质水的综合分析框架。
然而，由于缺乏数据支撑，这个方案没能发表，却为后来的“多维水短缺”理论框架奠定了基础。
如今，在最新发表的这项研究中，刘文丰将多年前的想法付诸实践。
他并未局限于传统意义上的水资源短缺，提出了更具综合性的“水短缺”概念。“在这项研究中，我们强调的‘水短缺’不仅仅涉及水量，还包括水的类型、时空分布以及水质等多维要素。”刘文丰解释说。
他和研究团队通过构建全球尺度的水文—作物耦合模型，首次将“蓝水—绿水—水质水”三个维度纳入同一体系进行综合评估，量化了全球土地和人口在年和季节水平上的多维水短缺情况。
“我们的研究发现全球多维水短缺问题普遍存在且呈现显著的空间变异性。约1/4的陆地面积和超过50%的人口全年面临至少一种水短缺。从季节来看，全球有10%的人口每年至少经历一个月的多维水资源短缺。”刘文丰说，“这正是多维视角的意义——以前没被发现的危机，现在藏不住了。”
构建水文—作物耦合模型是这项研究工作最大的亮点之一，也是团队面临的关键挑战。
研究初期，团队先分别运行水文模型和作物模型，再将各自输出的结果进行匹配和整合。然而，这种“松散耦合”看似合理，却无法反映上下游影响和水质动态变化，导致评估结果与现实的水循环图景存在较大差异。
“河道并不是简单的直线，而是庞大的网络。水在流动的过程中，部分会被沿岸的灌溉区、工业区取用，或通过回归流重新返回河道，有些则会带着污染继续向下游流动。只有把这些过程都纳入模型，才能真正揭示水资源的真实状况。”论文共同第一作者付中皞解释说。
多维水短缺的格局演变
为解决这个问题，团队整合了不同来源的水文数据和作物耗水数据，深入分析了河流的拓扑结构。这不仅是科学挑战，更是技术难题——所有复杂的物理与生态过程，都必须通过代码转换为可计算的形式，才能在计算机上运行并最终建立模型。
“有时候，一个微小的代码错误，就可能导致整个大模型的结果失真。”付中皞说。而在那段为修改程序bug而“愁云密布”的日子里，代码和数据几乎占据了他全部生活，他常常在入睡前还在脑中反复推演模型的运行逻辑，甚至梦里都在调试代码程序。
最终，经过长达半年的迭代与修正，研究团队成功将作物模块完整融入水文模型框架，实现上下游影响的动态表征。这套紧密耦合的水文—作物模型，不仅解决了传统模型无法反映上下游水量和水质动态的问题，也为全球水资源管理提供了更真实、全面的科学依据。
刘文丰（左）与付中皞
2 深耕科研初心
2006年，刘文丰考入四川大学水利水电工程系。由于课程偏重工程，彼时他对“水资源研究”还没有太深入的认识。
转折点出现在2008年，北京师范大学水科学研究院教授徐宗学来川大交流。这位长期致力于水资源研究的学者，以他对“水”的深刻理解与国际视野，引领刘文丰与“水”结下了深厚缘分。
2010年，刘文丰进入北京师范大学，师从徐宗学攻读水文学及水资源的硕士学位。三年间，他不仅打下了坚实的专业基础，更深受导师治学态度的影响。
“徐老师曾说‘踏遍五洲皆为水’。他的足迹遍布全世界50多个国家，始终关注水文水资源科学研究与人类福祉。”刘文丰回忆说，“这正是他科研生涯的真实写照——无论身在国外还是国内，他始终专注于水资源领域的研究，把一生都奉献给了‘水’。是他让我明白，做科研唯有专注踏实，才能真正有所收获”。
在徐宗学的引荐下，刘文丰结识了另一位对其科研生涯产生深远影响的前辈——瑞士联邦供水、废水处理与水体保护研究所教授杨红。如果说徐宗学是刘文丰步入“水世界”的“引路人”，那么杨红则是助他夯实科研学术根基的“筑路人”。
2013年，硕士毕业的刘文丰远赴瑞士，加入杨红研究团队攻读博士学位。“杨老师对每位学生都倾注了极大的耐心，时常强调严谨的重要性。”
他至今记得，自己在撰写博士课题第一篇学术论文时，哪怕是一个看似不起眼的措辞，杨红都会反复推敲。这种“抠细节”的要求，进一步改变了刘文丰的科研写作习惯，也让他真正认识到，科研严谨不仅体现在实验设计和数据分析上，更蕴含在文字背后的逻辑链条与表达自洽性中。
在杨红的指导下，刘文丰逐渐建立起系统性的科研思维和全局视角。“过去做全球尺度的研究，我总是局限于几个国家的样本，研究结果常常以偏概全。但杨老师让我意识到，做研究不能只盯着局部问题，要始终保持对整体的把握，理解每一个变量在系统中的位置和意义。”
2020年，刘文丰结束法国气候与环境变化实验室（LSCE）博士后研究，归国加入中国农业大学，开启独立科研新征程。
在这里，他遇到了科研道路上的又一位重要“拓路人”——中国工程院院士、中国农业大学教授康绍忠。康绍忠以实际行动指引他将科研扎根祖国大地。
“我由衷钦佩康院士三十余年如一日的坚守。”康绍忠长期扎根甘肃石羊河流域，亲赴一线带学生、做调研，始终专注于我国水资源与农业水问题研究。在刘文丰看来，这是将一件事做到了极致。“这让我懂得，科研做到这种境界即是艺术，更让我明确了科研初心：要把论文写在祖国最需要的地方。”
现在，他的研究重心聚焦于气候变化背景下我国西北旱区水资源可持续性利用这一关键课题。“在石羊河研究团队中，我们依托两大国家级科研平台，实验条件日趋完善。这份支撑更让我坚定信念，要将青春热忱挥洒在西北广袤的土地上。”刘文丰说。
3 厚植育研沃土
如今，刘文丰已在中国农业大学任教近5年，组建了自己的课题组。作为青年导师，他将求学路上沉淀的科研初心和育人理念融入日常教学，逐渐打磨出独具风格的课题组氛围。
在学生眼中，他是亦师亦友的导师。“平时刘老师总是笑意盈盈，亲和力十足。但在讨论科研问题时他很严谨专注。”付中皞说。
在刘文丰看来，科研培养的核心是点燃思维火花、唤醒问题意识。他不倾向于频繁的全体组会模式，更推崇灵活的小组讨论和一对一深度指导。“让不同方向的学生分小组推进，根据研究进展随时交流，而不是为开会而开会。”他说。
正因如此，课题组内逐渐形成了一种“轻结构、高效率”的协作方式。学生在各自研究方向深耕细作，遇关键节点便与他深入碰撞思路，形成开放研究的良性循环。
与此同时，他也格外注重培养学生的科研自主性。“如果有了新想法，我会引导他们自主制定时间规划与目标节点。”在他看来，主动规划进度、明确攻坚方向，是成为独立科研工作者的必经之路。
刘文丰还有个特别的理念。他认为，博士阶段不应止步于被动接受知识的“学习者”，更要成长为特定科研问题的“深耕者”。
“进入博士中后期，学生在研究问题及技术细节上应比我更精进、专业。”他坦言，“这时我不再是单向输出的指导者，反而要让他们具备‘反哺’能力。这才是学生真正的成长。”
彼此信任、相互启发的相处之道，构成了刘文丰课题组更灵活自由、更尊重个体节奏的科研韵律。
“学生们常带着新发现兴冲冲来讨论，有时一聊便是一下午，连饭点都忘了，但大家都乐在其中。”他笑言，“这种为了一个问题共同钻研思路、碰撞火花的时刻，正是科研最动人的底色——它本就是让人心生沉醉的事业。”
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2413541122
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