人类排放碳总量的78％—97％来自城市。城市已经成为地球表面人类活动最重要和最活跃的空间范围。城市生态系统是人类活动与陆地、大气之间各种过程与相互作用最活跃的生态界面。同时，作为陆地生态系统中人类活动干扰和作用最为强烈的区域，城市生态系统是土地利用/覆盖和生态环境变化最为迅速的地区。人口急剧膨胀及大规模快速城市化和都市圈的发展和形成，已经对陆地生态系统的碳吸收能力产生深刻的影响，碳吸收能力的消弱必将影响陆地生态系统的服务功能和碳循环，从而不利于食物供给、人类福利的保障，及其区域碳收支平衡，并影响全球变化。本文在景观尺度水平上，以北京都市区为例，研究了都市区城市扩展及其土地利用/覆盖格局变化。文章建立了空间异质性人口模拟模型，以人口、社会经济和地理环境约束等为驱动力进行了北京都市区景观格局动态模拟。根据光能利用率原理，建立了遥感—生态过程NPP—PEM估算模型，估算了城市扩展和蔓延对城市生态系统碳吸收的影响。 ㈠利用1975至2001年多期遥感影像和其他社会经济数据，进行了北京都市区土地利用/覆盖变化时空格局动态研究。采用遥感次像元混合分解技术获得了地表覆盖要素的非透水层、光和作用植被、裸土和水体的次像元组分，通过遥感次像元土地利用/覆盖分类对北京都市区土地利用/覆盖变化的转变规律、速率进行了分析研究。研究结果表明，北京都市区快速的城市化过程是引起土地利用变化的主要原因。北京都市区城市扩展(Urban Growth)或城市蔓延(Urban Sprawl)及其土地利用/覆盖变化是在在地理背景制约下、人文因素和社会经济系统变化共同驱动下发生的。在1975-2001间，城市扩展速度逐渐加速，城乡交错带成为土地利用/覆盖变化最活跃的区域，耕地面积减少，城市用地大面积增加，土地退化和生境破碎化现象严重。社会经济活动、政策和人文因素相互作用和干扰是城市扩展和土地利用/覆盖变化的主要驱动力因素。北京都市区城市扩展中城镇景观不断面积、空间延伸范围扩大，导致整个研究区范围除城镇景观以外的农田、水域、园地等景观类型所占空间和布局受到严重挤压，中心圆式扩张和蔓延导致整体景观镶嵌斑块的团聚程度下降，取而代之的是大范围单一和均质性的城镇景观。尤其是农田景观不断受到城镇景观的侵入和吞噬，沿中心城镇景观外缘在城市．乡村交错带梯度上不断转置成为城镇景观。 ㈡基于VIS遥感混合分解系统和GIS构建了SUB—POP异质性人口空间分布模拟模型，分析了城市热岛与人口及其城市扩展的关系。人口分布、集聚、活动及其形成的人口压力是城市扩展的主要驱动力之一。为了测度北京都市区人口分布及其活动对环境的压力和干扰强度，我们尝试基于遥感和GIS技术利用LandsatTM/ETM+遥感影像进行数据挖掘、融合和整合多源遥感光谱响应信息，采用光谱混合分解等方法来，构建了SUB—POP模型，模拟了高精度人口密度的异质性空间分布。模拟的人口密度空间异质性强烈、空间精细结构完整、空间梯度和渐变差异鲜明，能在较高的空间尺度上反映北京都市区人口密度的空间差异、异质性和分布格局，较以往的人口密度空间分布模拟结果无论在空间尺度、精细程度、可靠性都有显著提高。 ㈢建立了基准情景、经济优先情景、市场优先情景、安全优先情景、政策优先情景和生态优先情景6种城市扩展模拟情景。构建了基于GIS和空间直观模型CLIYE—s的城市化过程空间模拟与分析框架，利用空间直观模型重建了以人口、社会经济和地理环境约束为驱动力的1975年至2001年北京都市区城市扩展及其土地利用/覆盖时空动态过程，对模拟结果进行了精度检验和不确定性分析。分析阐述了北京地区城市化的基本过程和驱动机制。并通过情景分析模拟预测了未来20年(2000-2020年)的北京城市格局，分析了城市扩展过程的景观格局动态。 ㈣从城市结构、生态功能及其与环境相互作用出发，根据光能利用率原理，建立了遥感．生态过程NPP—PEM估算模型。利用该模型估算了北京都市区净初级生产力NPP空间分布，并分析了城市扩展和蔓延对城市生态系统各土地利用/覆盖类型碳吸收/净初级生产力的影响。1999年相对1992年研究区平均NPP从749.70gC/m2/yr降低到636.35 gC/m2/yr。1992年整个研究区年NPP累计，即年碳吸收量335.67×104Mg C(1Mg C=106g C)，1999年研究区年碳吸收量284.96×10Mg C，较1992年减少了50.71×104Mg C。证明快速城市扩展/蔓延与强烈的土地覆盖变化，尤其是农田的大量丧失导致了都市区陆地生态系统碳吸收能力的变化，90年代年平均碳吸收量减少7.244×104Mg C/yr。基于6种城市扩展模拟情景研究了不同情景下城市扩展对都市区陆地生态系统碳吸收的影响，结果证明在经济优先情景下年碳吸收量降低速度明显高于生态优先等城市扩展情景。 ㈤基于以上先验性研究证明北京都市区城市扩展及其土地利用/覆盖变化对陆地生态系统碳吸收产生深刻的影响。都市区及其城乡交错区高度集约的土地利用、巨大而密集的人口以及快速经济增长导致都市区生态系统碳循环的深刻变化。由于城市扩展导致的LUCC、热岛效应、CO2施肥作用及其人文因素对陆地生态系统影响及其响应，都市区及其城乡交错区成为研究全球或区域土地利用/覆盖变化、气候变暖、温室效应及其陆地生态过程响应提供了先天样地和验证场所。