我国寒地稻区（北纬40°以北）生育期短，活动积温少，前期升温慢，中期高温时间短，后期降温快，低温冷害多，无霜期短。寒地稻区地域广阔，覆盖了黑龙江大多数水稻种植区域。
黑龙江省是全国最大的粳稻生产基地，黑龙江的粮食波动，特别是水稻产量的波动对全国粮食安全影响很大。近年来年，黑龙江省实有水稻灌溉面积突破4000万亩，年用水量高达200多亿m3，水稻灌溉用水占农业用水总量的96%，占社会总用水量的70%。因此，水田节水是黑龙江省农业节水的重点，对全省水资源利用具有十分重要的现实意义。
水稻节水灌溉的生物学基础
水稻茎叶内部的通气组织，使其能够把由于日间光合作用生成的氧气和夜间从空气中吸入的氧气输送到根部，这些氧气可将水稻根部Fe2+及其他毒素氧化去除，以免有毒物质积累，还可以将剩余的氧气排到根部的周围，以供土壤有机质的分解。同时，通气组织还可以让水稻在通气不良的土壤环境中生长。由于水稻的这种生理特点，根据植物与水分的关系分类，许多研究水稻的学者将其分为“中生植物”或“多型性植物”，认为水稻具有半水生性，所以水稻具有对水旱环境的双重适应性。
水稻植株在生长发育过程中，为满足各项生理活动所消耗掉的水量，称为生理需水。这其中很大一部分用于水稻的蒸腾作用。从蒸腾系数来看，水稻的生理需水并不是最大，《中国稻作学》及《实用水稻栽培学》认为，水稻蒸腾系数一般为250~350，与小麦等C3作物相近。
稻田土壤水分与光合作用关系密切。中国科学院植物生理研究所曾经研究发现，在晒田初期土壤水分在田间持水量的80%以上时，光合作用强度不受影响，当土壤水分下降到80%以下时，试验处理的水稻光合作用强度低于对照26.7%。梁光商等在研究水稻的生理生态时也发现，在土壤水分不下降到一定程度时，光合作用并不减弱，当其下降到一次程度时候光合作用强度会急剧下降。因此，土壤水分对光合作用强度影响很大，而且，进一步的研究表明在不同的生育阶段敏感度也不一样。总体来说，在生育前期，影响较小，敏感度低，随着水稻的生长发育，影响大，敏感度增加。
上述水稻的生理需水特性成为进行水稻节水灌溉的生物学基础
节水调控基本原理
寒地水稻节水控制灌溉突破了稻田水层管理的传统观念，它既不同于传统淹水灌溉和在此基础上发展起来的湿润灌溉技术、薄露灌溉技术，也不同于非充分灌溉。
常规灌溉的灌水上限一般是50mm深度的水层，下限为饱和含水率，而控制灌溉的灌水上限为小于30mm的浅薄水层，下限一般为饱合含水率的60-90%，水稻返青以后除打药施肥等生产性用水和灌溉初始期有水层外，其余时间田面基本无灌溉水层。这种灌溉方式通过主动对土壤水分盈亏调控（不同阶段具有不同的灌溉下限指标）发挥作物对水分的适应性，诱导其产生补偿效应，通过促、控的结合发挥作物与土壤水分之间的互反馈作用和作物自身调节能力，在稳产增产的基础上节约用水。同时水分的调控改变了稻田土壤环境，改善了水稻根系功能，使水稻植株体与环境的协调处与最佳状态，达到节水高产的目的。
实行控制灌溉，在非需水关键期适当减少水分供应，造成适度的水分亏缺，大幅度的减少深层渗漏和课间蒸发，同时还可以有效控制叶面蒸腾，从而大幅度的节约用水。同时可以促进根系发育，使株型和群体结构更为合理，达到高产的目的；在需水关键期合理供水，改善根系中水、热、气、养分状况及田面附近小气候，使水稻对水分和养分的吸收更为合理有效，对水稻生长起到促控作用，有利于产量的形成。
主要的调控原理体现在以下几个方面：
1.调控水稻需水规律，降低无效耗水
水稻各个生育阶段对水分的需求各不相同，不必一直保留田面水层，也不必一直保证充分供水，应根据不同阶段水稻对水分需求的敏感度，适时、适量地供应水分，调整水稻生理生态状况，减少无效蒸腾、棵间蒸法和田间渗漏量，从而显著减少水稻耗水量。
控制灌溉通过各生育阶段不同的水分供应，形成充分与不同程度非充分供水并存的水分调控状态。在非关键需水期在叶片尺度上调控叶片的气孔导度，使气孔导度适度下降，再保障光合作用的前提下，使蒸腾速率出现一定程度的下降。
合理的调控土壤水分，减少水稻无效分蘖、限制营养生长期过多的叶片数目和叶面积，最高茎蘖量和叶面积指数降低，减少植株的蒸腾面积和无效的蒸腾耗水，同时，长期处于无水层状态，改变了棵间蒸发的机制，使棵间蒸发大幅度降低，植株蒸腾占蒸发蒸腾的比例有所提高。与常规灌溉相比，控制灌溉全生育期水稻蒸发蒸腾量减少15.3%～40.9%，平均减少23.7%。大部分时间田间无水层的水分状态改变了稻田深层渗漏的发生机制，改变稻田渗漏的水头，并使稻田在大部分时间处于非饱和状态，极大地改变了深层渗漏产生的条件，渗漏量减少39.2%～61.4%，平均降低49.4%。
2.调控水稻特有的水分适应性，促控群体质量
水稻属于“半水生性”植物，耐旱性介于旱生性植物与水生性植物之间，同时水稻在长期进化和人类驯化的过程中形成了对水旱的双重适应性。正是基于水稻特有的水分适应性和作物抗旱、避旱的特性，通过不同阶段的主动的阶段性水分盈亏调控，形成多样化的水分条件，发挥其对水分的适应性，提高水分利用效率。
在耗水强烈的非关键阶段形成一定程度的亏缺，锻炼并发挥叶片气孔调节作用，较大幅度的限制叶片蒸腾，而保持较高或更高的光合作用速率，并发挥叶片形态与功能方面的非气孔适应，提高非气孔因素（叶绿素含量、光能吸收利用）的效率，提高叶片尺度的水分利用效率。并在通过不同阶段的合理促控发挥其生理补偿作用，形成更为合理的光合干物质生产与累积规律。
通过不同阶段的合理促控使水稻生长形态发生变化，使根冠关系、群体茎蘖动态、受光结构等趋于合理化，通过根系与冠层结构的适应性调整，弥补群体数量降低的影响，保证了冠层的光能截获与利用，并通过根系活力的提高保障后期生殖生长阶段具有较高的绿色叶面积，提高干物质生产，保障籽粒灌浆，实现优质高产。
通过不同的灌溉补水量，对农作物进行有促、有控的生理生态调整，充分利用根层土壤水分与稻作之间的相互反馈作用和作物对水分的自我适应与调节能力，促使水稻向“最佳群体结构”和“理想丰产株型”两者的优化组合方向发展，以达到节水、高产、优质、高效的目的。
3.调控水稻根系和光合作用，为后期补偿效应的发挥创造了条件
控灌水稻根深、根壮、分布范围广、汲取水和养分的能力强，白根多、黑根少，根毛多，根系活力强，为控灌水稻中后期补偿效应的发挥创造了条件。而常规浅灌根系处于淹水土壤还原条件下，根毛形成受阻，根系分布呈水平层状，根浅而细，根毛少，黑根多，衰退快。
控制灌溉能力光合作用提高，促进了生殖生长，抑制了无效分蘖，保持了适宜的叶面积指数，太阳光可透过冠层作用于下层叶片，扩大了光合作用的面积，有利于有机物的合成和运输。尤其是在生殖生长期，孕穗和抽穗开花阶段，无效分蘖的控制，使更多的碳水化合物作用于稻穗的枝梗和颖花发育，减少颖花退化和不育，有利于植物营养体的发育和延长功能叶的寿命，有利于光合产物和蛋白质的合成，有利满足水稻后期吸氮，力攻后期大穗，增加了穗粒数和粒重，提高了结实率，达到了节水增产的目的。
4.调控水稻抗逆能力，优化稻株与环境的协调状态
水稻控制灌溉减少了无效分蘖，形成了更多低位分蘖，植株高度降低，茎秆厚度增加，在生育后期抗茎秆倒伏的能力增加，与此同时增加了土壤密实度，根系扎根深度增加，根—土系统的机械阻力增加，抗击根倒伏的能力也得到了加强，整体抗倒伏能力增强。模拟风力试验显示常规灌溉水稻在5级风时不会出现倒伏，8级风时出现不可恢复性倒伏（茎杆破坏），控制灌溉水稻6级风不会产生倒伏，8级风时产生可恢复性倒伏（茎杆弯曲但未破坏）。田间实际倒伏状况的调查表明，控制灌溉区水稻倒伏面积仅有4.8%，远低于常灌区水稻平均倒伏面积23.1%。
田间无水层状态使冠层内部湿度降低，同时群体生长的适应使冠层内的空气流通增加，水稻发生稻瘟病等的几率降低。控制灌溉稻田稻瘟病的病株率降低43个百分点，病叶率降低42个百分点，病情指数下降3.9。
科学的水分调控，在改变水稻本身的生长的同时，使根层土壤环境发生变化，打破了厌氧条件，改善了根系生长环境，提高了稻田肥料的利用效率。群体方面减少无效分蘖、改变叶片分布，改善了中下层叶片的受光状态，形成合理冠层结构。同时田间温度升高、湿度降低，提高了光温资源的利用效率，并减少了潮湿环境中容易爆发的稻瘟病等的发病率。使水稻植株与根区土壤环境、田间微气候环境之间形成了更为协调的状态。
寒地水稻控制灌溉节水技术正是基于以上科学原理而迅速发展并推广起来的。
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