城镇化进程中社会经济活动改变了土地原有的利用方式,造成城市的能量流动、物质循环和信息传递过程发生紊乱。城市代谢是对城市物质能量信息输入、转化和输出过程的综合描述,以其为透镜,通过优化土地利用结构和布局调控城市系统资源利用、物质能量转化和废弃物排放过程,是促进城市可持续发展的有效途径。本研究围绕土地利用优化问题,以城市代谢的理论和方法为指导,以物质能量的动态流动为基础,探索了一套城市代谢视角下的土地利用优化方法。本研究首先在系统梳理城市代谢的理论内涵、研究视角、测度方法和评价指标的基础上,从土地利用层面对城市系统内部的代谢组分进行了划分,提出“土地代谢元”的概念以表征城市系统内部的代谢单元,并分析了土地代谢元的内涵;基于对城市代谢实体空间和现有土地利用类型划分标准的探讨,构建了包括6个一级类和15个二级类的土地代谢元两级分类体系,同时分析了不同类型土地代谢元的代谢过程和驱动机制,为土地利用优化寻求了基本依据。其后,本研究以土地代谢元的代谢机制为基础,从土地代谢元的空间布置规律和城市发展对土地代谢元的选择规律入手,解析了城市代谢视角下土地利用优化的原理,并根据城市系统和土地代谢元的特征,提出了土地利用优化的原则和目标;再以土地利用优化原理、原则和目标为依据,将系统动力学模型、多目标规划和智能求解算法进行改进并集成,构建了时空动态优化模型,形成了城市代谢视角下的土地利用时空动态优化方法。最后,本研究从市域和区县两个层面分别以济南市和济南市槐荫区的土地利用优化实践为案例,验证了上述土地利用优化方法的有效性和可行性,并为济南市和槐荫区的土地利用及城市发展提出了新的建议。本研究验证了土地利用优化在低碳和资源高效的城市建设中的积极作用;提出的土地代谢元及对其代谢机制的分析为土地利用优化提供了视角和依据;从优化原理、原则、目标到模型,构建的城市代谢视角下的土地利用优化方法有效、可行。土地代谢元的提出及其代谢机制的分析为土地利用优化的研究提供了新的视角和内涵,也丰富了土地利用的研究内容;土地利用时空动态优化模型的构建丰富了土地利用优化的方法体系,为探讨复杂土地系统问题提供了技术支撑。