作為第一作者兼通訊作者，劉文豐在首篇PNAS論文中終于得償所愿。
9年前，還在讀博的他在查閱文獻時萌生了一個想法——將不同維度的水資源要素整合起來開展研究。然而，當時這個設想有些“超前”，因缺乏系統數據與分析框架難以推進，只能暫時擱置。但劉文豐沒有放棄，而是把它深埋在心底。
如今，這顆種子終于破土而出。中國農業大學水利與土木工程學院教授劉文豐所在的研究團隊首次提出了考慮“藍水—綠水—水質”的多維水短缺概念及其評價框架，推動了水短缺的評價體系從“單一維度”到“多維度”評價體系的轉變，為未來精準識別、分析與應對水資源危機奠定了理論基礎并提供了實踐路徑。該學院博士生付中皞為論文共同第一作者，同學院教授杜太生和美國特拉華大學教授Kyle Frankel Davis為論文通訊作者。
劉文豐在石羊河流域。受訪者供圖
PNAS論文
填補領域空白
“長期以來，我們對‘水短缺’的理解更多停留在單一維度的量化分析上，缺少多維評價系統，忽視了其背后更為復雜的、多源協同的生態—環境過程，這導致許多地區真實的水資源困境被掩蓋了。”劉文豐說。
在傳統的水資源短缺研究中，科學家通常聚焦于三種水體——源自江河、湖泊和地下水等可以被直接取用的“藍水”、儲存于土壤中供植物吸收的“綠水”，及受污染影響而需要進行處理的“水質水”。
三者相互關聯，共同決定人類和生態系統的實際可用水狀況。但在過去的水資源研究中，這三者往往被割裂評估，缺乏統一視角與系統整合。
這一研究領域的空白，正是這項研究的起點。
2016年，在瑞士蘇黎世聯邦理工大學攻讀博士時，劉文豐的研究方向聚焦于全球農業系統中藍水與綠水的轉化規律和可持續利用，以及非點源污染中氮、磷元素對水質的影響。
一次查閱文獻時，他偶然讀到了一篇荷蘭瓦赫寧根大學研究者的論文，這篇文章首次嘗試將藍水與水質耦合分析。盡管篇幅不長、模型也不復雜，卻讓他眼前一亮。
“它觸及了一個一直在我腦中盤旋的問題——如果在藍水—綠水研究的基礎上引入水質維度，不就能建立一個更完整的水資源短缺評估框架了嗎？”帶著這個設想，他立刻和導師草擬了一份概念性方案，試圖搭建一個涵蓋藍水、綠水與水質水的綜合分析框架。
然而，由于缺乏數據支撐，這個方案沒能發表，卻為后來的“多維水短缺”理論框架奠定了基礎。
如今，在最新發表的這項研究中，劉文豐將多年前的想法付諸實踐。
他并未局限于傳統意義上的水資源短缺，提出了更具綜合性的“水短缺”概念?！霸谶@項研究中，我們強調的‘水短缺’不僅僅涉及水量，還包括水的類型、時空分布以及水質等多維要素?！眲⑽呢S解釋說。
他和研究團隊通過構建全球尺度的水文—作物耦合模型，首次將“藍水—綠水—水質水”三個維度納入同一體系進行綜合評估，量化了全球土地和人口在年和季節水平上的多維水短缺情況。
“我們的研究發現全球多維水短缺問題普遍存在且呈現顯著的空間變異性。約1/4的陸地面積和超過50%的人口全年面臨至少一種水短缺。從季節來看，全球有10%的人口每年至少經歷一個月的多維水資源短缺?！眲⑽呢S說，“這正是多維視角的意義——以前沒被發現的危機，現在藏不住了?！?span style="display:none">O4x速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
構建水文—作物耦合模型是這項研究工作最大的亮點之一，也是團隊面臨的關鍵挑戰。
研究初期，團隊先分別運行水文模型和作物模型，再將各自輸出的結果進行匹配和整合。然而，這種“松散耦合”看似合理，卻無法反映上下游影響和水質動態變化，導致評估結果與現實的水循環圖景存在較大差異。
“河道并不是簡單的直線，而是龐大的網絡。水在流動的過程中，部分會被沿岸的灌溉區、工業區取用，或通過回歸流重新返回河道，有些則會帶著污染繼續向下游流動。只有把這些過程都納入模型，才能真正揭示水資源的真實狀況?！闭撐墓餐谝蛔髡吒吨邪偨忉屨f。
多維水短缺的格局演變。受訪者供圖
為解決這個問題，團隊整合了不同來源的水文數據和作物耗水數據，深入分析了河流的拓撲結構。這不僅是科學挑戰，更是技術難題——所有復雜的物理與生態過程，都必須通過代碼轉換為可計算的形式，才能在計算機上運行并最終建立模型。
“有時候，一個微小的代碼錯誤，就可能導致整個大模型的結果失真?！备吨邪傉f。而在那段為修改程序bug而“愁云密布”的日子里，代碼和數據幾乎占據了他全部生活，他常常在入睡前還在腦中反復推演模型的運行邏輯，甚至夢里都在調試代碼程序。
最終，經過長達半年的迭代與修正，研究團隊成功將作物模塊完整融入水文模型框架，實現上下游影響的動態表征。這套緊密耦合的水文—作物模型，不僅解決了傳統模型無法反映上下游水量和水質動態的問題，也為全球水資源管理提供了更真實、全面的科學依據。
劉文豐（左）與付中皞。受訪者供圖
深耕科研初心
2006年，劉文豐考入四川大學水利水電工程系。由于課程偏重工程，彼時他對“水資源研究”還沒有太深入的認識。
轉折點出現在2008年，北京師范大學水科學研究院教授徐宗學來川大交流。這位長期致力于水資源研究的學者，以他對“水”的深刻理解與國際視野，引領劉文豐與“水”結下了深厚緣分。
2010年，劉文豐進入北京師范大學，師從徐宗學攻讀水文學及水資源的碩士學位。三年間，他不僅打下了堅實的專業基礎，更深受導師治學態度的影響。
“徐老師曾說‘踏遍五洲皆為水’。他的足跡遍布全世界50多個國家，始終關注水文水資源科學研究與人類福祉?！眲⑽呢S回憶說，“這正是他科研生涯的真實寫照——無論身在國外還是國內，他始終專注于水資源領域的研究，把一生都奉獻給了‘水’。是他讓我明白，做科研唯有專注踏實，才能真正有所收獲”。
在徐宗學的引薦下，劉文豐結識了另一位對其科研生涯產生深遠影響的前輩——瑞士聯邦供水、廢水處理與水體保護研究所教授楊紅。如果說徐宗學是劉文豐步入“水世界”的“引路人”，那么楊紅則是助他夯實科研學術根基的“筑路人”。
2013年，碩士畢業的劉文豐遠赴瑞士，加入楊紅研究團隊攻讀博士學位?！皸罾蠋煂γ课粚W生都傾注了極大的耐心，時常強調嚴謹的重要性。”
他至今記得，自己在撰寫博士課題第一篇學術論文時，哪怕是一個看似不起眼的措辭，楊紅都會反復推敲。這種“摳細節”的要求，進一步改變了劉文豐的科研寫作習慣，也讓他真正認識到，科研嚴謹不僅體現在實驗設計和數據分析上，更蘊含在文字背后的邏輯鏈條與表達自洽性中。
在楊紅的指導下，劉文豐逐漸建立起系統性的科研思維和全局視角。“過去做全球尺度的研究，我總是局限于幾個國家的樣本，研究結果常常以偏概全。但楊老師讓我意識到，做研究不能只盯著局部問題，要始終保持對整體的把握，理解每一個變量在系統中的位置和意義?！?span style="display:none">O4x速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
2020年，劉文豐結束法國氣候與環境變化實驗室（LSCE）博士后研究，歸國加入中國農業大學，開啟獨立科研新征程。
在這里，他遇到了科研道路上的又一位重要“拓路人”——中國工程院院士、中國農業大學教授康紹忠?？到B忠以實際行動指引他將科研扎根祖國大地。
“我由衷欽佩康院士三十余年如一日的堅守。”康紹忠長期扎根甘肅石羊河流域，親赴一線帶學生、做調研，始終專注于我國水資源與農業水問題研究。在劉文豐看來，這是將一件事做到了極致?！斑@讓我懂得，科研做到這種境界即是藝術，更讓我明確了科研初心：要把論文寫在祖國最需要的地方?！?span style="display:none">O4x速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
現在，他的研究重心聚焦于氣候變化背景下我國西北旱區水資源可持續性利用這一關鍵課題?！霸谑蚝友芯繄F隊中，我們依托兩大國家級科研平臺，實驗條件日趨完善。這份支撐更讓我堅定信念，要將青春熱忱揮灑在西北廣袤的土地上?！眲⑽呢S說。
厚植育研沃土
如今，劉文豐已在中國農業大學任教近5年，組建了自己的課題組。作為青年導師，他將求學路上沉淀的科研初心和育人理念融入日常教學，逐漸打磨出獨具風格的課題組氛圍。
在學生眼中，他是亦師亦友的導師。“平時劉老師總是笑意盈盈，親和力十足。但在討論科研問題時他很嚴謹專注。”付中皞說。
在劉文豐看來，科研培養的核心是點燃思維火花、喚醒問題意識。他不傾向于頻繁的全體組會模式，更推崇靈活的小組討論和一對一深度指導?！白尣煌较虻膶W生分小組推進，根據研究進展隨時交流，而不是為開會而開會?！彼f。
正因如此，課題組內逐漸形成了一種“輕結構、高效率”的協作方式。學生在各自研究方向深耕細作，遇關鍵節點便與他深入碰撞思路，形成開放研究的良性循環。
與此同時，他也格外注重培養學生的科研自主性?！叭绻辛诵孪敕ǎ視龑麄冏灾髦贫〞r間規劃與目標節點。”在他看來，主動規劃進度、明確攻堅方向，是成為獨立科研工作者的必經之路。
劉文豐還有個特別的理念。他認為，博士階段不應止步于被動接受知識的“學習者”，更要成長為特定科研問題的“深耕者”。
“進入博士中后期，學生在研究問題及技術細節上應比我更精進、專業。”他坦言，“這時我不再是單向輸出的指導者，反而要讓他們具備‘反哺’能力。這才是學生真正的成長?！?span style="display:none">O4x速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
彼此信任、相互啟發的相處之道，構成了劉文豐課題組更靈活自由、更尊重個體節奏的科研韻律。
“學生們常帶著新發現興沖沖來討論，有時一聊便是一下午，連飯點都忘了，但大家都樂在其中?！彼ρ裕斑@種為了一個問題共同鉆研思路、碰撞火花的時刻，正是科研最動人的底色——它本就是讓人心生沉醉的事業。”
相關論文信息：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2413541122
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