我国半干旱区由于气候问题和不合理的人类活动造成植被稀疏、水资源短缺,导致水土流失严重、生态环境脆弱。本区气候高寒、干旱,土层薄、土壤贫瘠等特点,使植被恢复困难,林业发展受到制约,应用功能性环境材料等技术手段是解决该问题的重要途径。本研究针对半干旱区自然条件特点,根据环境材料的功能特性和研究趋势,创新性的选择聚丙烯酸型高分子保水剂和微生物菌剂两种材料,系统的进行了材料机理性研究、作用基础性研究和实际应用性研究。首先进行室内试验,研究高分子保水剂与微生物菌剂的相互作用机理,为二者共同作用对土壤和植物生长产生的影响提供机理依据;通过室内盆栽试验,进行保水剂与微生物菌剂对植物-土壤影响的基础性研究,将保水剂和微生物菌剂设计不同浓度进行交叉配比,研究环境材料不同配比处理下对土壤结构、水分、养分、有机质、土壤微生物等土壤特性的影响,以及对油松、白蜡、丁香、红瑞木、紫花苜蓿、高羊茅等植物生长的影响;通过在张北县半干旱区野外造林试验,研究保水剂和微生物菌剂在半干旱区的自然条件下对樟子松、柠条生长的影响和对土壤理化特性、微生物环境的调节作用,并调查樟子松人工林生长情况,构建樟子松人工林生长方程,并对环境材料处理下的人工林生长进行修正,以预估环境材料对樟子松人工林生长的影响。研究取得主要成果如下:(1)微生物菌剂会显著降低高分子保水剂的吸水倍率,并加强保水剂的降解性能;保水剂一定浓度下可以促进微生物菌剂在土壤中的微生物活性,保水剂中浓度处理下微生物总量最高可达3.45×l06 cfu/g,但浓度过高会抑制微生物数量的增长;保水剂显著提高了土壤水分条件,但微生物菌剂轻微降低了保水剂的在土壤中的吸水能力。(2)多功能环境材料显著提高了不同植物的土壤含水率和土壤水稳性团聚体含量,增加有机质,提高土壤微生物总量,促进速效养分转化,提高速效养分含量。土壤水分含量和水稳性团聚体含量均随保水剂浓度增大而增大,不同植物水稳性团聚体最高含量均达60%以上。(3)多功能环境材料不同浓度配比处理对植物生长具有不同程度的促进作用,显著提高了油松、白蜡、丁香、红瑞木株高、地径的生长量,并促进根系生长;提高了紫花苜蓿、高羊茅的生物量,最佳处理分别比对照高61%、94%。试验植物在低、中浓度保水剂(20g/株、30g/株)与中浓度菌剂(10g/株)混施处理下,极大的促进了植物株高、地径、根系以及生物量的生长,并显著增加土壤水分、水稳性团聚体的含量,促进微生物活性,加快速效养分的转化。(4)半干旱区野外造林试验中,土壤水稳性团聚体含量、土壤田间持水量、最大吸湿水含量以及有效水含量均随施加保水剂浓度的增大而呈现递增趋势,有效水分含量最高达28.62%。同时,环境材料对土壤速效养分和有机质具有显著促进作用,微生物菌落数最高达29.71 × 105 cfu/g,比对照组高321%,显著改善了土壤微生物环境,提高微生物活性。多功能环境材料处理下,樟子松、柠条造林三年后成活率最大可达96%,樟子松树高、地径的生长量及柠条二级分蘖枝条的萌发量均显著高于对照。根据主成分分析,樟子松在保水剂高浓度单施处理下,柠条在保水剂中浓度与菌剂高浓度混施处理下,植物生长和土壤特性改善作用最为显著。(5)建立樟子松树高、地径生长模型,并基于环境材料处理下樟子松生长情况对模型进行修正,建立樟子松人工林树高、胸径生长预估模型。根据预估结果,多功能环境材料将促使樟子松提前进入快速生长期,并延长速生期时间,使樟子松人工林树高、地径均显著高于正常立地条件下的生长量。