黑龙江省位于世界有名的三大黑土带之一,其自然条件适宜各种农作物生长。自2003年以来粮食产量持续增长,到2013年粮食总产量达到1.2×1011斤,超过河南省,成为全国粮食增长最快、贡献最大的区域,对保障我国的粮食安全具有举足轻重的作用。伴随着粮食产量的逐年增加,黑龙江省部分地区由于地下水严重超采、农田掠夺性经营以及化肥、农膜的长期大量使用,导致耕地质量下降,土壤沙化退化,水土流失加重,面源污染增加,水环境恶化等一系列环境问题,严重影响着黑龙江省的粮食生产与水土资源的可持续利用。针对黑龙江省水土资源开发利用中存在的诸多问题,本文以区域的可持续发展为指导思想,以实现区域粮食产量的稳定增长为目标,进行了黑龙江省水土资源优化配置方面的研究,并在此基础上针对不同的区域用水方案对黑龙江省的粮食安全进行风险分析,为黑龙江省水土资源的可持续利用、粮食产能的稳定提高以及区域产业结构的合理化提供一定的理论研究基础。本研究的主要内容及成果如下:(1)通过对黑龙江省水、土地资源开发利用现状和农业生产概况的分析,提炼出黑龙江省水土资源开发利用中存在的问题。在分析国际和国家水资源承载力评价标准的基础上,与我国的实际情况相结合,给出黑龙江省水资源承载力各评价指标的评价标准,为评价结果在各区域间的比较提供一个较可靠的标准。基于信息熵理论,利用研究区域的实际数据所反映的信息确定各指标的权重,并通过云模型实现黑龙江省不同行政区的水资源承载力的评价。结果表明:2011年黑龙江整体水资源承载力处于Ⅱ级,区划内的大兴安岭地区水资源承载力为Ⅰ级;鸡西、七台河和牡丹江水资源承载力处于Ⅱ级;哈尔滨、齐齐哈尔、鹤岗、双鸭山、大庆、黑河水资源承载力处于Ⅲ级;伊春、佳木斯和绥化水资源承载力等级为Ⅳ级,本结果可为区域进行水资源的合理开发提供政策导向。(2)依据整体可操作性、客观系统性、层次性以及地域特点等指标体系建立的基本原则,结合区域社会发展概况、土地资源使用的实际情况、经济保障能力和自然条件等影响因素,构建了区域土地资源承载力综合评价的指标体系,基于逆向云理论,利用研究区本身的数据特征寻求客观、科学地土地资源承载力评价标准,并利用正向云发生器对研究区土地资源的承载能力进行综合评价。评价结果显示:黑龙江省土地资源承载力呈现持续下降趋势,到2012年土地资源承载力等级超过最高级别,对区域发展的支撑能力极差,同时,区域内不同地区的承载力也存在较大差异。该方法不仅避免了制定评价标准的主观性,而且评价结果更加客观有效,具有较高的可信度。可以为土地资源承载力的客观评价与决策提供一种新的研究思路。(3)针对水土资源的复杂系统特征,基于复杂适应系统理论对区域水土资源进行优化配置,将区域水土资源的使用者划分为具有不同适应能力的主体,区域水土资源的配置过程实质就是基于利益追求的主体在适应性选择下相互竞争、相互协作的过程,主体基于利益追求的适应性选择成为水土资源优化配置的演化机制,利用信息熵计算主体对各目标的贡献度,并以此为基础确定各目标在综合效益中的权重,在区域水土资源总量不变的前提下,提出了区域水土资源优化配置的适应性模式,以期为区域水土资源的高效利用和相关地区开展类似研究提供一种新的研究思路和模式。(4)以黑龙江省三江平原的粮食主产区佳木斯市为例进行模型的实证研究,将区域水土资源系统的诸多实体化分为系统级主体、部门级主体与用户级主体三个层次,其中包括一个系统级主体;生活、工业、农业与生态四个部门级主体;用户级主体分别为:生活部门的城市家庭和农村家庭;工业部门的全部用水企业;农业部门的水稻、玉米、豆类、薯类和蔬菜瓜果;生态部门的森林、草地与水域滩涂。并通过嵌套遗传算法实现模型求解。结果表明:模型的演化发展过程符合主体的适应性行为;而且,在水土资源适应性配置之后,区域经济效益预计可以取得3.34%的增长,用水部门的综合用水满意度由0.61提升至0.73,生态部门的标准生态面积也提高了5.6%。研究成果对实现区域水土资源的可持续利用具有较强的指导意义。(5)在区域协调发展的原则下,依据黑龙江省2003-2010年粮食产量、水资源量以及人口等原始数据,采用复杂适应系统理论中的多主体(Agent)建模方法对水资源的4种利用方案分别进行动态仿真,实现不同气候条件下黑龙江省2020年的人均粮食占有量、人均收益和用水保障率的预测。并利用黑龙江省2011年的实测数据对预测结果进行风险分析。研究结果表明:技术革新与政策调控相结合的综合方案是不同气候条件下实现粮食安全的最佳方案,因此,要进一步减轻黑龙江省水资源的压力,以及气候条件对粮食产量的影响,应加大先进科技与政策调控在各产业中的综合运用,才能保证水资源对区域粮食生产的可持续供给能力。综上所述,通过黑龙江省水土资源使用情况以及水土资源承载力的研究分析,可以对黑龙江省水土资源开发利用程度、以及区域水土资源对人类社会发展的支撑能力有一个充分的了解。针对黑龙江省水土资源开发利用中存在的地下水超采、水土资源匹配差、耕地质量下降和环境污染等问题,以黑龙江省佳木斯市为例,基于复杂适应系统理论对区域水土资源系统进行适应性配置模式的实例研究,并在此基础上,利用构建的多主体模型对不同的水资源开发利用方案进行仿真,实现不同气候条件下黑龙江省粮食生产状况的预测和分析,为区域水土资源的可持续利用和保障区域粮食安全提供理论指导。