水土资源不但是人类社会生存最基本的物质基础,而且是生产与发展的基本条件,更是决定地区间经济差异和国家实力大小的重要因素。水土资源问题长期以来都是世界各国最为关注的焦点问题之一,尤其是1970年以后,由于人类日益增长的水土资源需求和其本身的稀缺性、有限性之间的矛盾越来越大,水土资源开发利用问题更加明显地成为全球性的热点问题之一。本论文立足于黑龙江省齐齐哈尔市,结合国家“十一五”科技支撑计划项目,采用现代数据处理方法和手段,对齐齐哈尔市水土资源发展趋势、水土资源多时间尺度特性、水土资源承载力、不同尺度下粮食增产潜力分析与预测及种植结构优化调整等问题进行了深入细致的研究,得出以下主要结论:(1)分别采用BP神经网络模型、改进的GM(1,1)模型、偏最小二乘回归模型和小波随机耦合建立了齐齐哈尔市年降水量、年地下水平均埋深、年径流量、耕地面积数学预测模型,研究结果表明:所建立的模型均能很好地对齐齐哈尔市的水土资源进行预测。其中:降水量预测结果表明在最近几年会持续较多,不会有严重旱灾发生;地下水预测结果表明如果仍然按照当前开采模式继续下去,未来10年内地下水埋深降幅为6.45m左右;耕地面积预测结果表明未来十年内耕地面积波动性较大,呈现增减交替波动趋势。(2)主要采用小波理论,分析了齐齐哈尔市年降水量、主汛期降水量、年径流量、月径流量、年耕地面积的多时间尺度变化特征。研究结果表明:年降水量的第一、第二、第三主周期分别为29年、6年和16年,主汛期降水量的第一、第二、第三主周期分别为6年、11年和29年,主汛期降水量的变化在很大程度上控制着年降水量的变化;年径流量序列的第一、第二、第三主周期分别为32年、5年(或7年)和13年,月径流量序列的第一、第二、第三主周期分别为384个月(32年)、84个月(7年)的39个月(3.3年),月径流量的变化决定着年径流量的变化;耕地面积序列的第一、第二、第三主周期分别为40年(甚至更大)、17年和23年,这几个主周期共同控制着齐齐哈尔市耕地面积的动态变化规律。(3)通过采用DPSIR模型(Driving Force-Pressure-State-Impact-Response Framework,驱动力-压力-状态-影响-响应框架)构建了齐齐哈尔市水土资源承载力评价指标体系,在指标体系信度检验的基础上,采用基于实数编码加速遗传算法优化的投影寻踪评价模型对齐齐哈尔市市区及所属各市县的水土资源承载力进行评价,结果表明:市区>甘南县>龙江县>富裕县>克东县>泰来县>依安县>讷河市>克山县>拜泉县。(4)各粮食增产影响因子对黑龙江省粮食总产量影响程度排序为:粮食单产>粮食播种面积>农田成灾面积>化肥施用量>农机总动力>有效灌溉面积>农药使用量,而在齐齐哈尔市粮食增产中起着关键作用的影响因子依次为有效灌溉面积、农药使用量、农机总动力。上述研究成果可以为不同尺度下黑龙江省和齐齐哈尔市制定粮食发展战略提供参考,同时也说明,随着研究尺度的改变,各粮食增产影响因子对区域粮食总产量影响程度也是在不断变化的。(5)从复杂适应系统理论的基本思想着手,对复杂适应系统及理论的特点、主体及运行机制进行了初探,分析了种植结构调整的复杂性及CAS特征,搭建了基于区域农业水土资源复杂适应系统的种植结构优化调整模型框架,并根据整体模型特点,采用多目标协同进化遗传算法对所建模型进行了求解,在此基础上,从子系统间协调度和系统总协调度入手,对农业水土资源系统效益的协调性进行了评价,结果表明:种植结构优化调整后的研究区域农业水土资源系统向着更加协调的方向演化。(6)黑龙江省粮食总产量中长期多元回归预报模型预测结果表明:未来黑龙江省粮食总产量将表现出持续增长的态势,2015、2020、2025、2030年的粮食总产量分别为5193.54万t、5701.73万t、6208.20万t、6703.89万t;齐齐哈尔市中长期粮食总产量主成分分析预报模型预测结果表明:齐齐哈尔市未来粮食总产量也将呈现出增加的趋势,2015、2020、2025、2030年的粮食总产量分别为844.33万t、907.33万t、974.33万t、1044.8万t。