城市化过程及其对生态系统的影响是地球生物化学过程研究的重要内容,随着全球城市化的迅速发展,城市生态系统的研究日益受到关注。城市化过程引发的大面积土壤封闭,导致土壤功能退化,地表植被覆盖率降低,进而影响城市生态系统的碳循环过程。未来全球的城市规模及人口将持续增大,城市非渗透地表面积将不断增加,城市碳循环过程将会发生深刻地改变,其变化趋势以及与城市扩张方式之间的联系已成为目前关注的热点。当前对于城市地区碳循环过程的模拟主要集中在对城市绿地以及城市森林的碳通量的模拟,对城非渗透地表下有机碳的分解过程研究较少,因此,开展城市尺度开放土壤与封闭土壤的碳循环过程的时空模拟研究对协调城市经济与生态建设具有重要意义。本文选取了城市化水平较高的南京市作为研究区域,在实地采样的基础上,基于碳的生物地球化学过程构建了城市封闭土壤碳循环模型,并与开放土壤碳循环模型耦合,对南京市1980年至2015年间城市中各个碳库的时空变化进行了模拟。利用CA模型模拟南京市在四种不同情景模式下的城市扩张方式,并结合城市碳循环模型模拟了不同城市扩张方式下的碳循环变化过程,分析彼此间的差异,为城市未来的发展与规划提出对策与建议。论文得出的主要结论如下:(1)本文基于对城市封闭土壤中有机碳分解过程的研究,在充分考虑温度、水分、惰性有机碳含量限制等因素的情况下,构建了城市封闭土壤碳循环模型,并将其与开放土壤碳循环模型进行耦合,建立了城市碳循环模型对城市区域的碳循环过程进行了模拟。模拟发现非渗透地表的覆盖会造成年均NPP、土壤有机碳密度以及土壤碳库显著降低,并且深刻影响相邻开放土壤的碳循环过程。模拟的结果与实测结果基本一致,说明该模型能较好的模拟城市区域的碳循环过程。(2)对南京市1980年至2015年的城市碳循环过程进行了模拟,发现南京市城市碳循环过程受人类活动影响严重,表现出强烈的时空异质性。在时间上,南京市的年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库随时间推移呈现出不断下降的趋势,在30年间分别下降了 27.1%、6.3%与5.8%。从空间上看,南京市主城区以及周边地区年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库含量较低;远离主城区的地区年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库含量较高,呈现出由城市中心向四周递增的趋势。南京市的年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库含量的变化与城市非渗透地表的扩张呈现出一定的相关性,即非渗透地表面积多的地区,年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库含量较低;非渗透地表比例高的地区,年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库含量较低,城市碳循环过程受到城市非渗透地表扩张的显著影响。(3)利用CA模型,在充分考虑研究区目前城市发展速率以及未来城市发展的诸多促进与限制因子的情况下,计算了研究区在不同情景模式下的城市扩张适应性指数,并通过适应性指数计算模拟了研究区2015年至2025年间城市的扩张过程。在未来的10年间,研究区在聚集模式下非渗透地表主要在主城区扩张;在分散模式下非渗透地表除了在主城区中扩张外,江宁区、六合区与浦口区也有大量的非渗透地表面积的增加,形成多核化的城市扩张模式。在优先保护耕地资源的条件下,城市扩张以占用非耕地类用地为主,非渗透地表扩张速度受到限制;在优先保护生态用地的条件下,城市扩张以占用耕地为主,非渗透地表面积显著增加,研究区内产生大量的封闭土壤。(4)在城市集聚与耕地优先保护协同情景、城市分散与耕地优先保护权衡情景、城市集聚与生态用地优先保护权衡情景以及城市分散与生态用地优先保护协同情景中,研究区的主城区的年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库含量均表现出显著的下降趋势。在分散模式中,除主城区外的各区的年均NPP、土壤有机碳密度与土壤有机碳库含量的降低程度均高于聚集模式。在生态用地优先保护的情景中,研究区各区的碳循环变化程度均高于优先保护耕地的情景。结合研究区未来城市发展与生态系统保护的需要,提出南京市未来10年的城市发展应该选择城市集聚与耕地优先保护协同的模式,尽量避免以城市分散与生态用地优先保护协同的模式发展的建议。