中国半干旱区三北防护林工程已有40年历史,建设成效显著,防护林发挥重大生态服务效益。河北坝上地区是生态防护林建设的重点区域,近年来出现了杨树防护林过熟老化、枯梢断枝等一系列退化现象,这引起社会各界的共同关注。而土壤水分是坝上地区防护林生长的关键性限制因子,是揭开防护林退化机制的重要因素,但当前还缺乏基于野外观测的大样本数据研究。为了探究杨树防护林退化过程中的林分结构变化和土壤水分对其响应,本研究以河北省张家口市张北县二台镇波罗素林场衰退防护林为研究对象,选取56个不同衰退程度的杨树、樟子松等乔木林样地和34个草地、农地、自然更新杨树、人工更新樟子松等对照样地,共90个典型样地,采用人工土钻法结合烘干法,研究2m深度土壤水分垂向分布变化规律,分析不同植被类型样地的土壤含水量之间的差异;同时,调查样地中乔灌木的生长现状以及更新情况等,以充分了解杨树防护林退化过程中,退化生态系统的林分结构和组成变化。基于野外调查和实验分析,结果表明:(1)杨树衰退过程中,枯树梢占树干比重为20%是关键阈值。低于20%为渐进型自然衰退,而超过20%表现为突变型严重衰退,通常缺乏过渡区间,直接表现为严重衰退特征,中值达55%,衰退特征明显,与渐进型自然衰退杨树形成显著对比;(2)从样地到单株尺度,杨树防护林的胸径树高关系皆遵循对数函数模型,即随着杨树胸径增大,树高遵循对数函数先快速增高,后缓慢增高。随着杨树防护林的衰退,乔木郁闭度随之减少,而林下草本植物覆盖度将遵循对数函数关系呈上升趋势;(3)在地下60～90cm深度,各植被类型下土壤水分含量发生集中现象,即土壤水分趋于相近,再向下杨树和樟子松样地土壤水分逐步降低,而其他植被类型土壤水分逐渐增加。自然更新杨树和人工更新樟子松两个植被类型样地,其0～60cm地表土壤水分含量显著低于其他植被类型,表明它们对地表土壤水分消耗较为剧烈;(4)0～60cm深度突变型严重衰退杨树的土壤含水量为8.27±2.59%,高于渐进型自然衰退杨树土壤含水量6.19±2.02%(p=0.0026),地表0～60cm 土壤水分明显偏高约20mm,蒸腾耗水下降与穿透雨补充增加是重要原因。60cm深度以下,不同衰退类型杨树样地的土壤水分不再具有显著差异(P>0.05),表明土壤水分对杨树防护林衰退产生显著响应只体现在地表60cm。(5)60cm深度是不同植被类型、衰退杨树土壤水分垂直变化的重要转折点,0～60cm深度受到植物根系和降水补给作用,而60cm深度以下主要受土壤质地影响。本研究采用大样本样地统计的方法,系统研究了杨树防护林退化后对土壤水分补充增加这一生态水文过程,研究结果对坝上地区过熟防护林修复具有一定参考价值,以期能从土壤水分角度为坝上地区防护林退化机理提供合理解释,为当前坝上地区生态工程建设提供理论支持与技术支撑。