防护林是协调人与自然关系的一种系统,在涵养水源、保持水土、防风固沙、维护生态平衡,减少自然灾害,保障和促进工农业生产的发展,为人类创造良好生存环境方面具有重要的意义。华北土石山区防护林建设,既保护水源区以维护该区饮用水安全,又防止泥石流及其他形式的土壤侵蚀危害人类生命及生产安全,同时华北土石山区北京山区的防护林体系作为首都北京的绿色屏障,在防沙治沙和提供优质生态服务功能等方面具有更重要的意义。目前,华北土石山区防护林存在诸如布局不合理、林分结构稳定性差和树种单一等问题,导致防护林生态功能较低、林分稳定性差、生物多样性低。因此,构筑以生物学稳定保证生态学稳定的防护林系统,建立树种多样性培育技术体系,进行多样性结构合理布局,是华北土石山区防护林建设的核心问题。本研究以华北土石山区具有代表性的密云集水区典型防护林分为研究对象,在林分尺度上,以树种的蒸腾耗水规律和水量平衡为依据,研究不同生态条件下节水、抗旱型树种选择、树种组成、层次结构、配置方式、合理密度等关键因子和生态服务功能评价指标,进而根据植被演替方向,确定不同阶段定向调控目标;研究提出防护林林分结构优化调控技术;衰退、残次、低效防护林健康高效更新修复、改造、功能导向调控技术。针对北京密云水库上游现有的主要林木树种,选择6种树种,利用茎流计、全自动气象站、露点水势仪、植物效能分析仪等国内外先进仪器和设备,在室内和野外进行多项试验,分析单株林木和典型林分的耗水性。采用ISODATA模糊聚类分析法对研究区天然灌丛植被进行分类,分析灌丛植被群落分布特征、坡面灌丛植被生物生产力和灌丛群落的组织水平结构特征。采用空间代替时间的方法,分析不同封育年限灌丛植被种类消长变化、灌丛植被植物数量和生物量的变化和灌丛植被组成结构的变化,提出了天然灌丛植被演替趋势和天然植被演替阶段的防护功能。通过系统调查主要乡土树种和引进植物种类,以低耗水、高效调水与净化水质为主要目标,选取17个生理生化及形态指标,运用模糊综合评判法,对5个树种抗旱特性和抗逆性进行综合评价;同时,选择栓皮栎等7个不同落叶栎类树种和种源,进行生长特性测定。最终筛选和提出适合当地土壤和气候等自然环境条件、符合防护林防护功能要求的优良乔灌树种。以选取的主要造林树种为基础,确定山区防护林合理的林分密度、林分的适宜郁闭度和林分的层次结构,以实现山区防护林的稳定林分结构设计。以防护林林地土壤对历年一日出现频率较大(10年一遇)暴雨降雨量的全部蓄留为标准和以防止土壤侵蚀为目标来确定该区最佳防护林森林覆盖率。运用层次分析法对研究区防护林最优植被类型结构进行分析优化,确定华北土石山区防护林最优植被类型。在对森林植被耗水规律及其分布与演替规律等研究的基础上,划分了研究区的立地条件,并提出稳定林分结构防护林建设的整地、造林密度控制、混交、栽植、造林模式及其幼林抚育等配套综合技术。在分析现有防护林人工植被生长状况的基础上,确定低功能防护林植被的判别标准,系统提出低质林更新改造技术。并基于近自然林业理论,利用层次分析法,提出现有防护林调整的方向,并建立一套低功能防护林的经营模式系统,提出了3种低功能防护林森林植被更新改造类型及相应的7种经营模式。根据更新改造模式在研究区分别建立了防护林定向调控试验示范区。同时,通过对森林植被水文生态功能分析,表明结构稳定的防护林在水源涵养、土壤侵蚀防止和改善水质等方面具有较强功能。