本研究针对水土资源开发利用过程中产生的水土流失、水环境恶化、土地资源退化及农业面源污染等问题，以水土保持学、水资源学、分形理论及农牧平衡理论等理论为指导，采用外业调查、实验观测和系统分析法，综合运用“3S”技术，以位于干旱区的乌梁素海上游区域为研究对象，开展水土资源高效利用研究。提出了水土资源高效利用措施配置模式及关键技术，为水土流失治理及水土资源高效利用提供理论支撑和技术指导。主要结论如下:　　 (1)建立了以3S技术为基础的土壤侵蚀时空动态变化评价方法。以3S技术为手段，采用马尔可夫模型构建不同土壤侵蚀面积的转移矩阵，运用分形理论研究分析了土壤侵蚀强度变化速率、空间结构分形特征及稳定性等。结果表明:1）不同土壤侵蚀强度的土地图斑破碎度复杂程度大小排序为:1985年，轻度、微度、强度;2000年，微度、轻度、中度、极强度、强度;2011年，剧烈、微度、强度、极强度、轻度、中度;2)1985-2011年间，微度侵蚀图斑稳定性指数变差，轻度侵蚀的稳定性指数值由小变大，说明图斑稳定性变好;而中度侵蚀基本保持不变，较为稳定;变化幅度较大的为强度侵蚀和极强度侵蚀，是需要重点治理的区域。　　 (2)构建了基于GIS和RUSLE的土壤侵蚀模型。在GIS平台下实现了RUSLE计算过程的自动化，为土地资源的质量评价、利用规划和治理措施配置等提供科学依据与决策手段。　　 (3)初步探讨了土地资源及植被退化的驱动因素及其定量分析方法。结果表明:自1985年以来，高覆盖度草地面积急剧减少，其面积由1985年的882.38km2锐减至2000年的462.55 km2，降幅达47.57％;2000年至2011年面积减少了122.48km2，主要驱动因素为过度放牧及开垦;盐碱地面积呈快速增加趋势，1985至2011增加了21.93km2，主要驱动因素为不合理灌溉。　　 (4)定量分析评价了研究区农牧业、工业及人畜需水量与水资源供给量的均衡性关系，结果表明:1）需水总量为9115.90×104m3/a，总补给量为4521.67×104m3，供需严重不平衡;2）地下水资源超采严重，地下水位年均下降速度为0.87m/a，局部区域达1.56m/a，地下水环境日趋恶化。　　 (5)综合考虑区域内地形地貌、水土资源利用及水土流失特征及农牧面源污染等因素，将研究区划分为三个功能区，即:源头带水源涵养与土壤保持区、过程带农牧生产与防风固沙区以及滨海带污染控制与生态滤水区，针对各功能区属性特征及水土资源利用存在的问题，结合水土流失综合治理、生态修复、节水灌溉、风沙区治理及面源污染控制等技术，提出了水土资源高效利用措施配置模式及关键技术。