我國寒地稻區（北緯40°以北）生育期短，活動積溫少，前期升溫慢，中期高溫時間短，後期降溫快，低溫冷害多，無霜期短。寒地稻區地域廣闊，覆蓋了黑龍江大多數水稻種植區域。
黑龍江省是全國最大的粳稻生產基地，黑龍江的糧食波動，特別是水稻產量的波動對全國糧食安全影響很大。近年來年，黑龍江省實有水稻灌溉面積突破4000萬畝，年用水量高達200多億m3，水稻灌溉用水佔農業用水總量的96%，佔社會總用水量的70%。因此，水田節水是黑龍江省農業節水的重點，對全省水資源利用具有十分重要的現實意義。
水稻節水灌溉的生物學基礎
水稻莖葉內部的通氣組織，使其能夠把由於日間光合作用生成的氧氣和夜間從空氣中吸入的氧氣輸送到根部，這些氧氣可將水稻根部Fe2+及其他毒素氧化去除，以免有毒物質積累，還可以將剩餘的氧氣排到根部的周圍，以供土壤有機質的分解。同時，通氣組織還可以讓水稻在通氣不良的土壤環境中生長。由於水稻的這種生理特點，根據植物與水分的關係分類，許多研究水稻的學者將其分為“中生植物”或“多型性植物”，認為水稻具有半水生性，所以水稻具有對水旱環境的雙重適應性。
水稻植株在生長髮育過程中，為滿足各項生理活動所消耗掉的水量，稱為生理需水。這其中很大一部分用於水稻的蒸騰作用。從蒸騰係數來看，水稻的生理需水並不是最大，《中國稻作學》及《實用水稻栽培學》認為，水稻蒸騰係數一般為250~350，與小麥等C3作物相近。
稻田土壤水分與光合作用關係密切。中國科學院植物生理研究所曾經研究發現，在曬田初期土壤水分在田間持水量的80%以上時，光合作用強度不受影響，當土壤水分下降到80%以下時，試驗處理的水稻光合作用強度低於對照26.7%。梁光商等在研究水稻的生理生態時也發現，在土壤水分不下降到一定程度時，光合作用並不減弱，當其下降到一次程度時候光合作用強度會急劇下降。因此，土壤水分對光合作用強度影響很大，而且，進一步的研究表明在不同的生育階段敏感度也不一樣。總體來說，在生育前期，影響較小，敏感度低，隨著水稻的生長髮育，影響大，敏感度增加。
上述水稻的生理需水特性成為進行水稻節水灌溉的生物學基礎
節水調控基本原理
寒地水稻節水控制灌溉突破了稻田水層管理的傳統觀念，它既不同於傳統淹水灌溉和在此基礎上發展起來的溼潤灌溉技術、薄露灌溉技術，也不同於非充分灌溉。
常規灌溉的灌水上限一般是50mm深度的水層，下限為飽和含水率，而控制灌溉的灌水上限為小於30mm的淺薄水層，下限一般為飽合含水率的60-90%，水稻返青以後除打藥施肥等生產性用水和灌溉初始期有水層外，其餘時間田面基本無灌溉水層。這種灌溉方式通過主動對土壤水分盈虧調控（不同階段具有不同的灌溉下限指標）發揮作物對水分的適應性，誘導其產生補償效應，通過促、控的結合發揮作物與土壤水分之間的互反饋作用和作物自身調節能力，在穩產增產的基礎上節約用水。同時水分的調控改變了稻田土壤環境，改善了水稻根系功能，使水稻植株體與環境的協調處與最佳狀態，達到節水高產的目的。
實行控制灌溉，在非需水關鍵期適當減少水分供應，造成適度的水分虧缺，大幅度的減少深層滲漏和課間蒸發，同時還可以有效控制葉面蒸騰，從而大幅度的節約用水。同時可以促進根系發育，使株型和群體結構更為合理，達到高產的目的；在需水關鍵期合理供水，改善根系中水、熱、氣、養分狀況及田面附近小氣候，使水稻對水分和養分的吸收更為合理有效，對水稻生長起到促控作用，有利於產量的形成。
主要的調控原理體現在以下幾個方面：
1.調控水稻需水規律，降低無效耗水
水稻各個生育階段對水分的需求各不相同，不必一直保留田面水層，也不必一直保證充分供水，應根據不同階段水稻對水分需求的敏感度，適時、適量地供應水分，調整水稻生理生態狀況，減少無效蒸騰、棵間蒸法和田間滲漏量，從而顯著減少水稻耗水量。
控制灌溉通過各生育階段不同的水分供應，形成充分與不同程度非充分供水並存的水分調控狀態。在非關鍵需水期在葉片尺度上調控葉片的氣孔導度，使氣孔導度適度下降，再保障光合作用的前提下，使蒸騰速率出現一定程度的下降。
合理的調控土壤水分，減少水稻無效分櫱、限制營養生長期過多的葉片數目和葉面積，最高莖櫱量和葉面積指數降低，減少植株的蒸騰面積和無效的蒸騰耗水，同時，長期處於無水層狀態，改變了棵間蒸發的機制，使棵間蒸發大幅度降低，植株蒸騰佔蒸發蒸騰的比例有所提高。與常規灌溉相比，控制灌溉全生育期水稻蒸發蒸騰量減少15.3%～40.9%，平均減少23.7%。大部分時間田間無水層的水分狀態改變了稻田深層滲漏的發生機制，改變稻田滲漏的水頭，並使稻田在大部分時間處於非飽和狀態，極大地改變了深層滲漏產生的條件，滲漏量減少39.2%～61.4%，平均降低49.4%。
2.調控水稻特有的水分適應性，促控群體質量
水稻屬於“半水生性”植物，耐旱性介於旱生性植物與水生性植物之間，同時水稻在長期進化和人類馴化的過程中形成了對水旱的雙重適應性。正是基於水稻特有的水分適應性和作物抗旱、避旱的特性，通過不同階段的主動的階段性水分盈虧調控，形成多樣化的水分條件，發揮其對水分的適應性，提高水分利用效率。
在耗水強烈的非關鍵階段形成一定程度的虧缺，鍛鍊併發揮葉片氣孔調節作用，較大幅度的限制葉片蒸騰，而保持較高或更高的光合作用速率，併發揮葉片形態與功能方面的非氣孔適應，提高非氣孔因素（葉綠素含量、光能吸收利用）的效率，提高葉片尺度的水分利用效率。並在通過不同階段的合理促控發揮其生理補償作用，形成更為合理的光合幹物質生產與累積規律。
通過不同階段的合理促控使水稻生長形態發生變化，使根冠關係、群體莖櫱動態、受光結構等趨於合理化，通過根系與冠層結構的適應性調整，彌補群體數量降低的影響，保證了冠層的光能截獲與利用，並通過根系活力的提高保障後期生殖生長階段具有較高的綠色葉面積，提高幹物質生產，保障籽粒灌漿，實現優質高產。
通過不同的灌溉補水量，對農作物進行有促、有控的生理生態調整，充分利用根層土壤水分與稻作之間的相互反饋作用和作物對水分的自我適應與調節能力，促使水稻向“最佳群體結構”和“理想豐產株型”兩者的優化組合方向發展，以達到節水、高產、優質、高效的目的。
3.調控水稻根系和光合作用，為後期補償效應的發揮創造了條件
控灌水稻根深、根壯、分佈範圍廣、汲取水和養分的能力強，白根多、黑根少，根毛多，根系活力強，為控灌水稻中後期補償效應的發揮創造了條件。而常規淺灌根系處於淹水土壤還原條件下，根毛形成受阻，根系分佈呈水平層狀，根淺而細，根毛少，黑根多，衰退快。
控制灌溉能力光合作用提高，促進了生殖生長，抑制了無效分櫱，保持了適宜的葉面積指數，太陽光可透過冠層作用於下層葉片，擴大了光合作用的面積，有利於有機物的合成和運輸。尤其是在生殖生長期，孕穗和抽穗開花階段，無效分櫱的控制，使更多的碳水化合物作用於稻穗的枝梗和穎花發育，減少穎花退化和不育，有利於植物營養體的發育和延長功能葉的壽命，有利於光合產物和蛋白質的合成，有利滿足水稻後期吸氮，力攻後期大穗，增加了穗粒數和粒重，提高了結實率，達到了節水增產的目的。
4.調控水稻抗逆能力，優化稻株與環境的協調狀態
水稻控制灌溉減少了無效分櫱，形成了更多低位分櫱，植株高度降低，莖稈厚度增加，在生育後期抗莖稈倒伏的能力增加，與此同時增加了土壤密實度，根系紮根深度增加，根—土系統的機械阻力增加，抗擊根倒伏的能力也得到了加強，整體抗倒伏能力增強。模擬風力試驗顯示常規灌溉水稻在5級風時不會出現倒伏，8級風時出現不可恢復性倒伏（莖杆破壞），控制灌溉水稻6級風不會產生倒伏，8級風時產生可恢復性倒伏（莖杆彎曲但未破壞）。田間實際倒伏狀況的調查表明，控制灌溉區水稻倒伏面積僅有4.8%，遠低於常灌區水稻平均倒伏面積23.1%。
田間無水層狀態使冠層內部溼度降低，同時群體生長的適應使冠層內的空氣流通增加，水稻發生稻瘟病等的幾率降低。控制灌溉稻田稻瘟病的病株率降低43個百分點，病葉率降低42個百分點，病情指數下降3.9。
科學的水分調控，在改變水稻本身的生長的同時，使根層土壤環境發生變化，打破了厭氧條件，改善了根系生長環境，提高了稻田肥料的利用效率。群體方面減少無效分櫱、改變葉片分佈，改善了中下層葉片的受光狀態，形成合理冠層結構。同時田間溫度升高、溼度降低，提高了光溫資源的利用效率，並減少了潮溼環境中容易爆發的稻瘟病等的發病率。使水稻植株與根區土壤環境、田間微氣候環境之間形成了更為協調的狀態。
寒地水稻控制灌溉節水技術正是基於以上科學原理而迅速發展並推廣起來的。
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