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本文以坝上张北地区典型杨树人工林生态系统的结构与功能特征为研究内容,以坝上张北地区森林健康调查数据为依据,采用定性描述和定量计算的方法分析杨树人工林的演替规律;分析坝上张北地区典型杨树人工林的树种组成、直径、树高分布还有角尺度、大小比等结构特征;分析防风固沙和水源涵养,土壤肥力以及生物多样性等生态主导功能。对典型杨树人工林林分特征进行主成分分析,根据林分特征综合评价结果进行等级划分并且提出适宜不同退化等级林分类型的恢复与重建技术。论文主要研究结果如下:(1)通过4种典型杨树人工林演替度计算、龄级分配、幼苗更新和枯树分析,张北地区典型林分钻天杨林和青杨林将在未来一段时间里稳定地发挥生态功能,而北京杨林和小叶杨林已达到成熟阶段,下一阶段将会出现林分退化现象。典型杨树人工林径阶分布规律主要有正态、多峰、近似正态等三种分布形式。杨树人工林树高分布以单峰曲线分布为主,多峰曲线分布较少。(2)4种典型杨树人工林地风蚀强度和风蚀量排序与各林分减风效益排序一致。典型杨树人工林减风效益降序为:钻天杨林(36.61±2.85%)>青杨林(34.34±3.48%)>小叶杨林(28.69±1.54%)>北京杨林(20.14±0.62%)。风蚀量为:北京杨林(7.68±0.43kg)>小叶杨林(5.6±0.56kg)>青杨林(3.35±0.14kg)>钻天杨林(3.25±0.23kg)。减沙效益最好的是钻天杨林,最差的是北京杨林。(3)4种典型杨树人工林林林冠最大截留量最大值出现在青杨林(0.60±0.13mm),最小值出现在小叶杨林(0.08±0.01mm);林下枯落物平均持水率最大值出现在钻天杨林(44.53±7.48%),最小值出现在青杨林(2.68±0.12%);林地土壤蓄水量最大值出现在钻天杨林地地(1075.00±27.40t/hm2)>青杨林地(800.13±82.73t/hm2)>北京杨林地(791.35±37.30t/hm2)>小叶杨林地(788.54±111.28t/hm2)。4种杨树人工林的水源涵养能力降序为:钻天杨林(1132.96t/hm2)>青杨林(994.93t/hm2)>北京杨林(892.23t/hm2)>小叶杨林(833.45t/hm2),其中,土壤层的贡献率高达84.87%。(4)坝上张北典型杨树人工林地土壤偏碱性(pH>7.5)。所有目标林分全氮、全磷、全钾含量表现为:TK>TN>TP;有效钾>碱解氮>有效磷。有机质表现为钻天杨林地(33.87±5.84g/kg)>青杨林地(17.11±2.94g/kg)>北京杨林地(11.55±0.85g/kg)>小叶杨林地(10.21±1.07g/kg)。(5)4种典型杨树人工林林地草本层生物多样性较低,4种典型杨树人工林Shannon-Wiener多样性指数最大值出现在钻天杨林地(0.74±0.02),最小值出现在北京杨林地(0.65±0.02)。Patrick丰富度指数最大值出现在钻天杨林地(45.50±2.70),最小值出现在北京杨林地(35.50±4.97)。Pielou均匀度指数最大值出现在小叶杨林地(0.42±0.01),最小值出现在北京杨林地(0.35土0.01)。(6)选择林分特征23项指标,运用主成分分析法(PCA)进行杨树人工林林分特征综合评价,其中,钻天杨林分综合特征指数排名最高,小叶杨林分综合特征指数排名最低。根据林分特征综合评价得分情况,把4种典型杨树林林分状况分为4个退化等级,即未退化、轻度退化、中度退化、重度退化等。(7)根据生态特征综合评价结果,针对4种退化等级的典型杨树人工林分别设计了 4种恢复和重建模式模型。恢复模式为;杨树+樟子松、杨树+柠条、杨树+山杏、杨树+榆树;重建模式为樟子松、樟子松+柠条、榆树+柠条、榆树+山杏。