中国南方喀斯特地区降雨丰富,特殊的喀斯特地质地貌导致干旱发生率较高。同时,水土流失具有特殊性,兼具地表流失和地下漏失的双重性,在成土速率很低的背景下,水土流失显得异常严重,地表无植被或无土覆盖而呈现出石漠化景观。石漠化治理关键问题在于治理水土流失,而水力作用是水土流失最重要的影响因子。喀斯特地区混农林业是节水增值产业,符合发展生态衍生产业治理石漠化的需求,其中“五水”赋存转化机理及其高效利用研究,可以揭示混农林因地因时合理配置的规律,为水资源高效利用模式提供理论依据。我们根据混农林配置节水、节水耕作及水资源高效利用等多学科交叉理论,2016-2020年在代表南方喀斯特不同地貌结构与石漠化环境的毕节撒拉溪、关岭-贞丰花江和施秉喀斯特研究区,通过15个径流小区35场侵蚀性降雨监测,对26个农艺节水样地和18个工程节水样地共采集了1810个土样并进行实验室物理属性分析,以及1080次土壤蒸发监测、21种植物的浸水试验、21种作物共592次的蒸腾速率监测,结合气象站数据,利用统计分析和数学模型构建,对混农林地的降雨、地表水、土壤水、地下水和生物水的赋存转化机理和机制进行研究,构建模式、技术研发和应用示范及验证推广,为国家石漠化治理水资源高效利用和生态产业发展提供科技支撑。(1)探讨了不同等级石漠化“五水”赋存转化规律,阐明了混农林对水资源高效利用特征,揭示了不同石漠化环境混农林对水资源赋存效益的差异及气温、生物量、土壤水力特征参数等对“五水”赋存转化的影响。不同石漠化程度下可利用降水量与降雨量、陆面蒸发量与土壤蒸发量在研究区的分布呈耦合关系,可利用降水量在中-强度石漠化环境分布最低,土壤蒸发和陆面蒸发则是中强度石漠化最高。混农林在不同程度上都具有减少地表产流、降低蒸腾速率和抑制土壤蒸发的生态效益,混农林对地表产流的阻控、抑制土壤水分蒸发和增加地下水赋存、降低蒸腾速率等方面均表现为潜在-轻度石漠化环境的生态效益最好。水资源赋存效益最终是潜在-轻度石漠化>无-潜在石漠化>中强度石漠化。在“五水”转化中,地表水、地下水、生物水和土壤水相对于降水的贡献率分别为0.14-12.71%、9.43-30.20%、9.79-49.97%和40.72-82.58%。对比研究发现,潜在-轻度石漠化环境混农林系统水资源赋存效益最高,提高了水分利用效率。干旱胁迫有助于提高水分利用效率,中-强度石漠化环境受干旱胁迫的影响使得水分利用效率最高。干旱胁迫、气温、土壤水力特征、生物量等自然因子综合影响着“五水”资源的赋存转化,呈现出一定的规律性和差异性。对规律性和差异性的掌握有利于进一步揭示混农林节水保水机制,为发展节水增值生态衍生产业提供理论支撑。(2)探讨了农艺节水和工程节水策略下混农林业水资源赋存转化与水资源高效利用规律,揭示了不同措施下土壤水赋存转化特征、植物水抑蒸特征,得出了不同节水措施的抑蒸减蒸机制。秸秆覆盖增加了土壤表层肥力,以肥调水的机制增加了表层土壤含水量,中间层土壤含水量较低,说明作物根系主要分布在10-20cm土层。混农林地秸秆覆盖+保水剂、秸秆覆盖、保水剂、地膜覆盖措施与对照组相比,降低了土壤水分蒸发,增加了土壤水分含量,提高了水分利用效率和水资源赋存效益。单一措施与复合措施相比,复合措施更能提高水资源赋存效益和水分利用效率。在干旱胁迫条件下,节水措施布设下的中-强度石漠化地区水分利用效率仍然最高。农艺措施和工程措施的布设,在不同程度上抑制了土壤蒸发、增加了土壤含水量,降低了土壤水向大气水的转化速率,降低了混农林的蒸腾速率,提高了水分利用效率和水资源赋存效益。混农林系统通过节水保水措施后,减少了水资源的耗散,揭示了基于“五水”赋存转化的混农林抑蒸减蒸及水资源高效利用机制,证实了喀斯特地区混农林系统采用节水保水措施进行水资源高效利用的可行性。(3)根据“五水”赋存转化机理,结合混农林节水保水机制,构建了不同石漠化环境混农林水资源高效利用的毕节模式、花江模式和施秉模式,研发了共性关键技术,集成无-潜在、潜在-轻度、中度-强度石漠化环境水资源高效利用技术体系。根据混农林节水与水资源高效利用策略,在毕节撒拉溪构建了喀斯特高原山地潜在-轻度石漠化环境水资源高效赋存与混农林节水增值模式,关岭-贞丰花江构建了喀斯特高原峡谷中-强度石漠化环境地表地下水有效转化与混农林节水保值模式,施秉构建了喀斯特山地峡谷无-潜在石漠化环境土壤-生物水高效赋存与混农林节水增值模式,分别简称“毕节模式”、“花江模式”和“施秉模式”。在模式中对现有技术进行总结,研发了混农林配置、地膜覆盖、屋顶集雨、地表-地下水联合调度、坡面集雨、生态水池、节水灌溉、矮化密植、林下养殖、生草覆盖等共性关键技术及技术体系,针对无-潜在、潜在-轻度、中度-强度石漠化环境,提出了水肥耦合、生草清耕覆盖保墒、瓶式根灌、硬化路面集雨、屋面集雨、地表地下水联合调度等技术集成。(4)混农林节水与水资源高效利用模式具较好的科学性和可操作性,应用示范成效较好,可起到示范引领作用,其中毕节模式、关岭-贞丰模式和施秉模式最适宜推广面积分别占南方8省区总面积的37.12%、20.52%和38.38%。2016年以来在对毕节撒拉溪、花江和施秉混农林与水资源利用现状的走访调查和实际调研基础上,结合前期项目的示范和研究成果,选取了三个研究区共6139hm~2进行混农林节水与水资源高效利用示范,带动当地居民发展生态产业,具有良好的生态效益、经济效益和社会效益。发展节水增值混农林业有利于修复已退化的石漠化环境、遏制水土流失、促进植被恢复并带动经济发展。结合GIS空间分析并对指标进行赋值,建立了降雨、气温、海拔、地貌类型、岩性、坡度、土层厚度、水土流失强度、土壤类型、人口密度、人均GDP等评价指标体系,对模式进行推广适宜性评价。结果显示毕节模式、花江模式和施秉模式在中国南方喀斯特8省(市、区)最适宜、较适宜、基本适宜、勉强适宜和不适宜的推广面积分别为74.33×10~4km~2、225.03×10~4km~2、37.68×10~4km~2、52.05×10~4km~2、4.60×10~4km~2,39.74×10~4km~2、14.52×10~4km~2、21.90×10~4km~2、20.83×10~4km~2、96.70×10~4km~2,74.33×10~4km~2、25.03×10~4km~2、37.68×10~4km~2、52.05×10~4km~2、4.60×10~4km~2。