截止20世纪末，多于一半的世界人口居住在城市，城市成为人地关系最为复杂的地域综合体。城市化的快速发展导致原有自然地理性质发生了显著变化，其自然地理过程、机制与范式等变的更为复杂，出现了以人类活动为主要驱动力形成的第二自然地理格局，自然地理学的许多新问题也进一步凸显，原有的水系规范化，原有的地貌平整化，原有的植被被替代，作为气候的自然下垫面改变为城市建筑群等不透水地面，导致局地的能量平衡、水分平衡和物质循环发生重要变化，作为人们生活水源的河流或多或少遭受污染，而大量能源的集中消耗又产生了人为热的排放和空气污染，等等。城市自然地理学问题的出现，是人地关系演变的一个新阶段。本文拟通过城市自然地理学学科发展的综合分析、讨论的基础上，从学科理论体系、研究方法学以及前沿发展领域等方面，通过典型实证研究，重点探讨城市复杂系统第二自然地理格局的出现对典型物质循环的影响，揭示物质循环的主要特征、变化过程、机制和效应，模拟预测典型物质在城市复杂系统多介质、多界面的归趋，以期丰富和深化城市自然地理学研究内容，并进一步推动城市自然地理学的研究和发展。