城市化作为人类活动导致的土地利用和土地覆盖变化的重要方面,从多个方面影响着生态系统的组成、结构和功能,以至区域性景观过程,并形成特定的城市景观格局。建国50多年来,我国城市发展最为迅速的是50万人口以下的中小城市,中小城市在区域社会发展和城市化进程中的优势地位是无可替代的。特别是近20年来,由于中小城市庞大的数量和迅猛的发展速度,中小城市的城市化问题越来越受到人们关注。然而,目前现有的城市景观格局研究多集中于大型城市,而对中小城市城市发展的复杂性和动态性以及城市土地利用与城市生态系统功能之间的关系研究较少。本文在多时相遥感数据和社会经济环境数据的支持下,利用城市景观格局分析方法,研究了快速城市化背景下中小城市的城市景观格局演变过程,模拟了中小城市的城市化发展趋势,对未来10年土地利用变化进行了预测,并利用CASA、生态足迹等模型,在景观水平上对城市化造成的生态效应——区域净初级生产力和生态安全进行了定量估算,主要研究结论如下:(1)1991年至2008年的18年间,张家港市经历了一个快速城市化的发展时期,土地利用发生了剧烈的变化,城市用地不断扩张,占用了大量的农业用地,城市的破碎化程度和斑块形状不规则程度都呈下降趋势;张家港市主城区的城市扩张由以新发生型为主兼有延展型的扩张模式,发展成为以填充型为主要的扩张模式,而农村地区城市化则由新发生型为主的扩张模式,转变为新发生型与填充型并存的扩张模式,农村地区的城市化进程不断加速;张家港市的城市化进程具有明显的阶段性:1991至2001年为主城区城市化阶段,城市的增长为以主城区城市斑块的"聚合"为主要特征,2001至2008年为农村地区城市化阶段,城市的增长以农村地区城市斑块的"扩散"为主要特征。(2)张家港市与上海市的景观格局差异主要由道路数量、道路宽度以及农村地区景观格局三个方面的原因造成;由于道路的影响,上海的最佳粒度为7.5 m,而张家港的最佳粒度则小于7.5 m,因此,在进行城市景观生态学的研究时,对不同大小的城市要注意尺度和遥感影像的选择;中小城市的农村地区景观格局受到城市化更强烈的影响,要注重对这些中小型城市的城市化进行科学管理,积极借鉴大城市的发展经验,完善土地管理制度,加强土地监督力度,合理引导和规划。(3)1986年至2000年15年间,长三角地区和新疆地区中小城市的总体景观格局变化基本相似,两地区景观的破碎化程度和景观多样性都有所提高,斑块形状更趋于不规则;长三角地区中小城市间景观格局变异性趋于下降,各城市的景观格局趋于一致,而在新疆地区,随着城市化的推进,各中小城市间的景观格局变异更加明显;长三角地区中小城市景观格局变化的驱动力主要是人口的增加和流动,新疆地区中小城市对整体景观格局的变化起到了重要的推动作用的是农业的发展,人类活动对整个城市和地区景观格局的影响主要表现在耕地景观类型的变化,而并非城市景观类型;产业结构、交通设施和政策支持是导致我国东西部城市化差距的三大主要成因,应采取措施,缩小东西部差距,实现东西部城市协调发展。(4)利用元胞自动机模型模拟得到的城市热点区域既能在大部分区域符合实际的城市分布,又比实际城市区域图更符合城市集中发展理论,对从城市可持续发展角度进行有效地城市规划和设计具有重要的参考价值;未来10年(2006至2016年)张家港市用地形势趋于紧张,城市由郊区逐步向交通条件较好的边远乡镇扩张,并且随着城市的增长,农业用地不断被占用,政府应采取积极的措施合理规划城市增长,保护农业用地,以确保区域粮食安全,避免生态环境被过度破坏。(5)由于快速城市化下张家港市土地利用/覆盖方式的改变损失了大量的NPP,城市用地区域内年净初级生产力较大幅度减少,而在农业用地由于灌溉、施肥以及田间管理等将导致其具有比潜在NPP更高的生产力,因此,作为碳汇的重要组成和陆地碳循环中的一个关键环节,要充分发挥农业生态系统在改善全球变化状况中的作用;NPPlucc在城乡梯度上的变化表现出了与张家港市城市用地景观比重相似的变化趋势,城市化下土地利用/覆盖性质的根本性变化以及人类活动对周边植被的影响不断增强,导致了 NPP大量损失;由于NPPlucc与城市化过程的相关性,可以将NPPlucc作为一个城市化水平的测度指标。(6)2000至2008年,张家港市生态赤字增加了28.24%,表明该地区的发展是以过度消耗自然生态资源的存量和输入其他地区的自然生态资源来弥补其生态承载力供给不足的,总体生态安全受到严重的威胁;2000至2008年,张家港市农业生态赤字增加了37.67%,草地生态赤字一直在总生态赤字中所占比例最大,并从2000年的0.4098 hm2增长到2008年0.6781 hm2,增幅为65.47%;耕地生态赤字小幅上升,增加了0.0397 hm2;水域生态赤字基本保持稳定;林地生态赤字基本为0。在工业化和城市化导致的工农业生产消费和人民生活消费都迅速增加的双重压力下,导致的农产品需求激增,而农业用地面积却在不断减少,农业生态承载力下降,农业供需矛盾尖锐对立,成为农业生态严重赤字的主要原因。(7)1981年到2008年,阜康市总人均生态足迹消费增加约2.2倍,而人均生态承载力下降16.03%,生态赤字严重,生态系统处于不安全状态;1981年到2008年,阜康市草地人均生态足迹消费增幅达到625%,而草地人均生态承载力减幅达52.78%,相比于林地和耕地,草地生态严重赤字,生态危机已向草地倾斜转移,草地因素在整个区域生态系统安全中的地位越来越重要;草地生态赤字最终归因于阜康市工业化和城市化的迅猛发展,在工农业生产消费和人民生活消费都迅速增加的双重压力下,牧产品需求激增,草地出现严重退化,草地生产力下降,草地面积又在不断减少,草地生态承载力下降,供需矛盾尖锐对立,由此产生了严重的生态问题,表现为草地生态严重赤字。本研究的创新之处主要有以下三点:1)利用景观格局分析方法和城乡梯度分析法,结合了人口经济数据,根据不同区域的城市化景观格局的不同区分城市化阶段,在景观水平上探讨了中小城市的城市化发展各阶段的特征;2)将长三角地区中小城市城市化景观格局变化及其生态效应与大型城市和新疆地区中小城市进行了差异对比分析,进一步揭示了中小城市在城市化过程中所隐藏着的生态过程和社会经济过程;3)从城市化的角度研究HANPP中土地利用覆盖变化造成的NPP损失(NPPlucc),并对NPPlucc进行了城乡梯度分析,是对尚处于理论框架完善和发展阶段的净初级生产力的人类占用(HANPP)研究的发展和补充。总之,通过对典型景观格局变化和生态学效应的研究表明,中小城市在近30年的时间里经历了一个快速城市化的发展时期,土地利用发生了剧烈的变化,城市用地不断扩张,城市化进程由主城区城市化阶段进入农村城市化阶段,而且未来十年中小城市仍将保持快速城市化的趋势,城市化造成了净初级生产力大量损失,生态承载力下降,区域生态赤字严重。因此,必须采取有效措施,合理规划,科学管理,正确处理城市化与生态保护的客观矛盾,使中小城市向低碳、生态城市方向发展,提高中小城市可持续性。