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挠力河流域位于我国重要的商品粮生产基地-三江平原的腹地，具有重要的粮食生产地位和湿地生态保育功能。近年来，该流域水田面积持续扩张，水田化系数已由2000年的16.89％增至2015年的37.28％，变化极其剧烈。水田的扩张导致了下垫面条件发生改变并促使产汇流机制发生变化，使得该流域的植被截留、陆面蒸发、土壤入渗等水循环环节发生了明显变化。挠力河流域水土资源已非惯称的“水土资源丰富与匹配”的态势，且土地与水存在明显的错位情形。开展该流域耕地利用下水土资源平衡问题研究，具有较强的现实意义和范式推广意义。
本文遵循“理论机制-过程模拟-策略应对”的研究思路，围绕耕地利用下水土资源平衡综合应对的重大实践需求。由于耕地信息提取的准确与否及其精度直接关系到流域水循环过程、农田需水情势研究的准确性和精度，基于灰色理论提出耕地信息统计理论假设，提取出挠力河流域有效耕地空间分布信息，研究基础性的耕地利用格局问题;其次考虑到挠力河流域水文变量及参数数据资料较为匮乏的特点和遥感及GIS信息技术在获取偏僻区域的信息以及直接和间接的常规手段难以测量得到的水文数据上独特的优势，通过改进分布式时变增益水文模型(Distributed time variant gain model，DTVGM)，构建基于遥感驱动式的分布式水文模型(Remote sensing distributed time variant gain model，RS_ DTVGM)，从逐日尺度上模拟研究区的水文循环过程;将水土资源平衡细分为3个层次，通过逐级增加限制因素来探讨气候、作物和土壤3个层次的水土资源平衡态势及其耕地利用下的水土资源平衡效应，其中气候水分平衡反映区域水分盈亏一般状况，作物水分平衡反映作物的理论水分收支关系，而土壤水分平衡表征农田实际水分收支关系，更具有农田灌溉指导意义;最后围绕水土资源平衡的综合应对，通过加入人工状态来研究该流域水土资源平衡、农田精准灌溉管理等方面实现挠力河流域水资源平衡综合应对。主要结论如下:
(1)本文提出了耕地信息统计理论假设，即:在排除面积较大的特殊地块(如大片林地、建设项目用地)前提下，在一定非耕地斑块面积区间范围内，对一定面积区间间隔的非耕地斑块进行面积统计和若干次累加处理，数据将表现出显著的指数回归特征。通过对非耕地信息变化规律的“灰色”规律挖掘，预测出不同区间范围下的灰色预测精度。进而提取挠力河流域2000、2005、2010和2015年有效耕地的空间分布信息。同时对有效耕地格局的研究结果表明，近15年间挠力河流域水田化过程极其强烈，水田化系数由2000年的10.23％增至2015年的23.39％，逐渐进入水田化的中期阶段，而旱地面积则持续下降;4个研究时点耕地在空间分布上，流域旱地分布的标准差椭圆的主轴均沿东北偏北-西南偏南方向分布，在空间上具有极强的随机性和离散型，旱地主要分布区域的水田化现象较为剧烈。水田空间分布整体顺时针收缩，分布趋于集中化，且其分布重心缓慢向西南方向移动，水田整体偏移特征恰好与三江平原水田“北移东扩”的整体特征相反，未来需根据挠力河流域的地区特点的差异性制定差别化的耕地管理策略。
(2)挠力河流域的降雨特征差异较三江平原地区更为突出，流域夏季的降雨量逐渐下降，其周边的建三江垦区地区的降雨量缓慢波动上升，挠力河流域的水分供应条件逐渐变差，而这种变化特点也同样体现在地表潜在蒸散量和地表的植被要素条件上，该流域的水资源供应情势逐渐变差。同时人工下垫面要素条件的改变，将会改变挠力河流域的地表覆被信息、沟渠信息等，对水循环规律造成了强烈的人工影响。
(3)水土资源平衡研究实质是水资源和土地资源的时空匹配问题。由于水资源与土地资源的互动耦合关系，需将水土资源平衡纳入复杂系统来开展研究。本文构建的遥感驱动式水文模型RSDTVGM，能够对挠力河流域地表径流、壤中流、潜在蒸散量和实际蒸散量进行逐日尺度的反演。同时数据检验结果显示该模型在挠力河流域具有较好的适用性。模拟结果显示，挠力河流域境内径流分布差异较大，南部和东南部地区径流量偏低，挠力河干流沿岸和内外七星河地区地表径流量偏高。
(4)对于气候水分平衡，挠力河流域常年处于“负”的气候水分盈亏态势，西部以及东北部的饶河县盈亏绝对值显著大于中部和南部地区，且整体呈现由西向南递减的趋势。同时夏季的盈亏高值区恰为冬季低值区。随着耕地内部结构的剧烈变化，旱地和水田的气候水分盈亏绝对值逐年下降，旱地和水田的平均水分亏缺量均表现出逐渐下降的情形，在水田急剧扩张、旱地面积持续下降的区域土地利用变化背景下挠力河流域的气候水分盈亏条件表现趋好特征:2000年，挠力河流域水田的气候水分亏缺量达到649.63mm，至2015年，流域水田的平均水分亏缺量降低了75.60mm，变为574.03mm，下降幅度达到11.64％。旱地的气候水分亏缺量则由2000年的659.57mm降至2015年的573.71mm。近年来，挠力河流域整体表现出“暖湿化”的气候变化特征，在自然气候要素变化条件下，挠力河流域初始层次的水分亏缺态势向良性发展。
(5)作物水分平衡方面，中稻、春小麦和春玉米水分盈亏特征差异较大，其中中稻大部分处于轻度水分亏缺的状态，春小麦的盈亏状态最好，15年间大部分面积处于正常水分亏缺状态;而对于春玉米而言，由于其对水分需求大，同时早作物中的春玉米是最主要的作物类型，2000年轻度缺水区占到总面积的94.43％，其余年份的轻度干旱面积占比依次为17.65％、31.24％和24.08％。挠力河流域水田以水稻种植为主，中稻的水分盈亏评价结果对应着水田水分盈亏状态，水田的急速扩张，使得其对应的水分盈亏评价结果发生强烈变化。轻度干旱区面积急剧增加，由2005年的2826km2增至2015年的5473km2。由于水田的持续性扩张和旱地的收缩作用，挠力河流域无旱区面积波动幅度较大。对于旱地而言，2000年流域旱地中的春小麦和春玉米的相对面积比例依次为20.77％和79.23％，其对应着约有2746.69km2的早地处于无旱的状态，9023.19km2处于轻度干旱，2015年旱地的无旱区面积达到6985.21km2，轻度干旱区面积为2247.96km2。
(6)土壤水分平衡方面，对于3大作物而言，2000年的水分亏缺态势较2005、2010和2015年更为严峻，对于中稻而言，缺水是该流域土壤水分平衡的最主要特征，同时不同年际间表现出较为明显的差异特征，而对于春玉米而言，水分亏缺也是挠力河流域春玉米的多年期农田土壤水分平衡的特征，但部分地区的春玉米处于水分盈余的状态。春玉米表现出土壤水分亏缺的特点，其亏水量逐年减少。对于耕地的土壤水分平衡而言，2000年平衡态势极其严峻，以重度和严重缺水为主，2005、2010和2015年则以轻度和中度缺水为主。研究期初，挠力河流域农田土壤水分平衡平均水平处于-1194.63～277.44mm范围内，其中缺水的高值区多位于挠力河干流沿岸地区和内外七星河腹地，该地区为挠力河流域水田化扩张的核心区域。而至2015年，耕地高水分亏缺地区的面积也迅速增加，高水分亏缺地区更为集中，且分布范围更广。
(7)对于流域的水土资源平衡，富锦市、友谊县和集贤县处于灌溉缺水的状态，其中富锦市缺水量达到2.71×108m3，对应的水田平衡量为556.76km2，是挠力河流域灌溉情势最为严峻的县域，宝清县的相对缺水情势良好，水田平衡量为584.68km2，对于旱地而言，各县域的灌溉保障程度与水田基本一致，即宝清县、饶河县、七台河市和双鸭山市辖区处于开发盈余状态，富锦市、友谊县和集贤县的现有供水条件不能满足其耕地的用水需求。
(8)为保障挠力河流域的水土资源综合利用，应从科学调整作物结构布局、实施农田精准灌溉管理、实施区域间的调水工程和合理开采地下水4个方面来开展，其中农田精准灌溉管理可采用智能体模型(Agent)原理构建的空间优化配置模型(AgentLA)实现灌溉图层完整和灌溉需求程度高的双层目标下管理分区。
针对挠力河流域水资源与土地资源的综合开发利用，当地政府应在水土资源平衡评价的基础上，科学调整耕地作物结构布局(富锦市、友谊县和集贤县)，同时实施区域间的调水工程，以保证跨区域的水资源分配，并且采取合理的精准灌溉管理措施，在保证作物水分供应充足的条件下减少农业用水的损耗，同时根据地下水分布情况，合理开采地下水资源。
本研究对开展挠力河流域乃至三江平原地区的现代农业试验区农业结构调整、农田精准灌溉管理和建设高标准农田均具有重要价值，丰富和完善了水土资源平衡研究，同时具有较强的理论意义和实践价值。
本文遵循“理论机制-过程模拟-策略应对”的研究思路，围绕耕地利用下水土资源平衡综合应对的重大实践需求。由于耕地信息提取的准确与否及其精度直接关系到流域水循环过程、农田需水情势研究的准确性和精度，基于灰色理论提出耕地信息统计理论假设，提取出挠力河流域有效耕地空间分布信息，研究基础性的耕地利用格局问题;其次考虑到挠力河流域水文变量及参数数据资料较为匮乏的特点和遥感及GIS信息技术在获取偏僻区域的信息以及直接和间接的常规手段难以测量得到的水文数据上独特的优势，通过改进分布式时变增益水文模型(Distributed time variant gain model，DTVGM)，构建基于遥感驱动式的分布式水文模型(Remote sensing distributed time variant gain model，RS_ DTVGM)，从逐日尺度上模拟研究区的水文循环过程;将水土资源平衡细分为3个层次，通过逐级增加限制因素来探讨气候、作物和土壤3个层次的水土资源平衡态势及其耕地利用下的水土资源平衡效应，其中气候水分平衡反映区域水分盈亏一般状况，作物水分平衡反映作物的理论水分收支关系，而土壤水分平衡表征农田实际水分收支关系，更具有农田灌溉指导意义;最后围绕水土资源平衡的综合应对，通过加入人工状态来研究该流域水土资源平衡、农田精准灌溉管理等方面实现挠力河流域水资源平衡综合应对。主要结论如下:
(1)本文提出了耕地信息统计理论假设，即:在排除面积较大的特殊地块(如大片林地、建设项目用地)前提下，在一定非耕地斑块面积区间范围内，对一定面积区间间隔的非耕地斑块进行面积统计和若干次累加处理，数据将表现出显著的指数回归特征。通过对非耕地信息变化规律的“灰色”规律挖掘，预测出不同区间范围下的灰色预测精度。进而提取挠力河流域2000、2005、2010和2015年有效耕地的空间分布信息。同时对有效耕地格局的研究结果表明，近15年间挠力河流域水田化过程极其强烈，水田化系数由2000年的10.23％增至2015年的23.39％，逐渐进入水田化的中期阶段，而旱地面积则持续下降;4个研究时点耕地在空间分布上，流域旱地分布的标准差椭圆的主轴均沿东北偏北-西南偏南方向分布，在空间上具有极强的随机性和离散型，旱地主要分布区域的水田化现象较为剧烈。水田空间分布整体顺时针收缩，分布趋于集中化，且其分布重心缓慢向西南方向移动，水田整体偏移特征恰好与三江平原水田“北移东扩”的整体特征相反，未来需根据挠力河流域的地区特点的差异性制定差别化的耕地管理策略。
(2)挠力河流域的降雨特征差异较三江平原地区更为突出，流域夏季的降雨量逐渐下降，其周边的建三江垦区地区的降雨量缓慢波动上升，挠力河流域的水分供应条件逐渐变差，而这种变化特点也同样体现在地表潜在蒸散量和地表的植被要素条件上，该流域的水资源供应情势逐渐变差。同时人工下垫面要素条件的改变，将会改变挠力河流域的地表覆被信息、沟渠信息等，对水循环规律造成了强烈的人工影响。
(3)水土资源平衡研究实质是水资源和土地资源的时空匹配问题。由于水资源与土地资源的互动耦合关系，需将水土资源平衡纳入复杂系统来开展研究。本文构建的遥感驱动式水文模型RSDTVGM，能够对挠力河流域地表径流、壤中流、潜在蒸散量和实际蒸散量进行逐日尺度的反演。同时数据检验结果显示该模型在挠力河流域具有较好的适用性。模拟结果显示，挠力河流域境内径流分布差异较大，南部和东南部地区径流量偏低，挠力河干流沿岸和内外七星河地区地表径流量偏高。
(4)对于气候水分平衡，挠力河流域常年处于“负”的气候水分盈亏态势，西部以及东北部的饶河县盈亏绝对值显著大于中部和南部地区，且整体呈现由西向南递减的趋势。同时夏季的盈亏高值区恰为冬季低值区。随着耕地内部结构的剧烈变化，旱地和水田的气候水分盈亏绝对值逐年下降，旱地和水田的平均水分亏缺量均表现出逐渐下降的情形，在水田急剧扩张、旱地面积持续下降的区域土地利用变化背景下挠力河流域的气候水分盈亏条件表现趋好特征:2000年，挠力河流域水田的气候水分亏缺量达到649.63mm，至2015年，流域水田的平均水分亏缺量降低了75.60mm，变为574.03mm，下降幅度达到11.64％。旱地的气候水分亏缺量则由2000年的659.57mm降至2015年的573.71mm。近年来，挠力河流域整体表现出“暖湿化”的气候变化特征，在自然气候要素变化条件下，挠力河流域初始层次的水分亏缺态势向良性发展。
(5)作物水分平衡方面，中稻、春小麦和春玉米水分盈亏特征差异较大，其中中稻大部分处于轻度水分亏缺的状态，春小麦的盈亏状态最好，15年间大部分面积处于正常水分亏缺状态;而对于春玉米而言，由于其对水分需求大，同时早作物中的春玉米是最主要的作物类型，2000年轻度缺水区占到总面积的94.43％，其余年份的轻度干旱面积占比依次为17.65％、31.24％和24.08％。挠力河流域水田以水稻种植为主，中稻的水分盈亏评价结果对应着水田水分盈亏状态，水田的急速扩张，使得其对应的水分盈亏评价结果发生强烈变化。轻度干旱区面积急剧增加，由2005年的2826km2增至2015年的5473km2。由于水田的持续性扩张和旱地的收缩作用，挠力河流域无旱区面积波动幅度较大。对于旱地而言，2000年流域旱地中的春小麦和春玉米的相对面积比例依次为20.77％和79.23％，其对应着约有2746.69km2的早地处于无旱的状态，9023.19km2处于轻度干旱，2015年旱地的无旱区面积达到6985.21km2，轻度干旱区面积为2247.96km2。
(6)土壤水分平衡方面，对于3大作物而言，2000年的水分亏缺态势较2005、2010和2015年更为严峻，对于中稻而言，缺水是该流域土壤水分平衡的最主要特征，同时不同年际间表现出较为明显的差异特征，而对于春玉米而言，水分亏缺也是挠力河流域春玉米的多年期农田土壤水分平衡的特征，但部分地区的春玉米处于水分盈余的状态。春玉米表现出土壤水分亏缺的特点，其亏水量逐年减少。对于耕地的土壤水分平衡而言，2000年平衡态势极其严峻，以重度和严重缺水为主，2005、2010和2015年则以轻度和中度缺水为主。研究期初，挠力河流域农田土壤水分平衡平均水平处于-1194.63～277.44mm范围内，其中缺水的高值区多位于挠力河干流沿岸地区和内外七星河腹地，该地区为挠力河流域水田化扩张的核心区域。而至2015年，耕地高水分亏缺地区的面积也迅速增加，高水分亏缺地区更为集中，且分布范围更广。
(7)对于流域的水土资源平衡，富锦市、友谊县和集贤县处于灌溉缺水的状态，其中富锦市缺水量达到2.71×108m3，对应的水田平衡量为556.76km2，是挠力河流域灌溉情势最为严峻的县域，宝清县的相对缺水情势良好，水田平衡量为584.68km2，对于旱地而言，各县域的灌溉保障程度与水田基本一致，即宝清县、饶河县、七台河市和双鸭山市辖区处于开发盈余状态，富锦市、友谊县和集贤县的现有供水条件不能满足其耕地的用水需求。
(8)为保障挠力河流域的水土资源综合利用，应从科学调整作物结构布局、实施农田精准灌溉管理、实施区域间的调水工程和合理开采地下水4个方面来开展，其中农田精准灌溉管理可采用智能体模型(Agent)原理构建的空间优化配置模型(AgentLA)实现灌溉图层完整和灌溉需求程度高的双层目标下管理分区。
针对挠力河流域水资源与土地资源的综合开发利用，当地政府应在水土资源平衡评价的基础上，科学调整耕地作物结构布局(富锦市、友谊县和集贤县)，同时实施区域间的调水工程，以保证跨区域的水资源分配，并且采取合理的精准灌溉管理措施，在保证作物水分供应充足的条件下减少农业用水的损耗，同时根据地下水分布情况，合理开采地下水资源。
本研究对开展挠力河流域乃至三江平原地区的现代农业试验区农业结构调整、农田精准灌溉管理和建设高标准农田均具有重要价值，丰富和完善了水土资源平衡研究，同时具有较强的理论意义和实践价值。