作为人类活动的热点区域，城市突出反映了人类对自然环境的改造和控制;城市区域内大规模的物质生产、消费活动正在（或已经）改变陆地表面覆被状况、生物多样性和地下水;此外，城市的废物排放对从局部到全球的生物地球化学循环和气候变化均产生了重要影响。这些因人类主导城市化而带来的城市-区域-全球环境的变化，产生了前所未有的环境问题，也对人类的生存构成了极大的威胁。城市化为全球环境变化的重要驱动力，因此对城市、区域和全球尺度上的城市化环境问题、生态响应研究亟待开展，尤其需要深入分析在全球环境变化下典型的、特大型城市生态系统对环境变化的响应与反馈，进而推广到区域、全球尺度的城市化效应研究。本研究以菲尼克斯大都市区（美国亚利桑那州）为研究区域，基于HPM-UEM(Hierarchical Patch Mosaic-Urban Ecosystem Model)等级斑块城市生态过程模型，探讨荒漠城市生态系统对未来全球气候变化的响应。　　本次研究基于菲尼克斯大都市区2000-2005年站点观测数据与2000-2005年IPCC-CMIP5(Intergovernmental Panel on Climate Change-the fifth phase of the Coupled Model Intercomparision Project)数据集拟合，从中挑选出拟合效果最好的MPI-ESM-MR模式数据。采用“LOCA”统计降尺度方法，将2006-2099年MPI-ESM-MR模式数据集中三个情景（RCP2.6（Representative Concentration Pathway2.6）、RCP4.5、RCP8.5)气候数据重新生成500m×500m空间数据。基于高分遥感影像数据(传感器:QuickBird)，采用面向对象结合目视解译提取菲尼克斯大都市区土地覆被数据，优化HPM-UEM等级斑块城市生态模型关于土地利用、土地覆被结构参数。我们在模型模拟中分别设计了气温实验、降水实验、大气二氧化碳实验和总的环境因子实验，以分析菲尼克斯大都市区城市生态系统对未来环境变化的响应，重点探讨各个环境因子变化对城市生态系统NPP（净初级生产力）、有机碳库的贡献率。HPM-UEM等级斑块城市生态模型模拟的结果显示，与21世纪初（2006-2010年）相比，到21世纪末期（2095-2099年），菲尼克斯大都市区城市生态系统净初级生产力表现为净增加的趋势:在情景RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5中分别增加14％、51％和99％;并且情景RCP4.5和RCP8.5生态系统净初级生产力在两个时段均为净增加趋势，而情景RCP2.6中生态系统净初级生产力由2006-2050年的净增转变为2050-2099年递减。在情景实验的模拟中，我们发现在整个21世纪大气二氧化碳的施肥效应是城市生态系统净初级生产力变化主要的影响因子，约为56％-61％（在情景RCP2.6，情景RCP4.5和情景RCP8.5）;而气温、降水的变化对该区域城市生态系统NPP的年际波动产生重要影响。在情景RCP2.6中，生态系统净初级生产力增加的区域主要分布在研究区域西部和西南部的农业用地中;在情景RCP4.5和RCP8.5中，净初级生产力的增加区域则位于城市凤凰山保护区(The Phoenix preserves)东部、南部和西南部的湿住宅区。菲尼克斯大都市区城市生态系统有机碳库在情景RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5中均表现为净碳汇，在2006-2099年分别增加了596KtonC、12908KtonC和1819K ton C,同2006年(21世纪初)相比较分别增加了8％、18％和27％，其中情景RCP8.5中城市生态系统碳储量的增长最为突出。在2006-2099年生态系统碳储量在情景RCP4.5第一阶段(2006-2050)和第二阶段(2050-2099)均表现为净增加，而且第二阶段的相对增长(11％)高于第一阶段(6％);情景RCP2.6和情景RCP8.5中生态系统碳储量在第二阶段的相对增长略小于第一阶段，情景RCP2.6生态系统碳库的相对增长由5％(2006-2050年)减少到3％(2050-2099)，情景RCP8.5中生态系统碳储量的相对增长由14％(2006-2050)减少到12％(2050-2099年)。在菲尼克斯大都市区城市生态系统有机碳库中，土壤碳和植被碳增量大，并且土壤碳的贡献大于植被碳;此外我们发现虽然掉落物碳、产品碳储量的相对增长较快，但是其在整个生态系统总碳储量中所占的比重较小。在三个情景中，城市生态系统总碳储量（2099年）高值(＞4000gC/m2)区域分布在凤凰山保护区的东部、东南部和西部，低值(＜10009C/m2)区域分散在萨拉多河(The Salado River)水库下游以北、阿瓜弗里亚河(The Agua Freya River)流域的工业用地、交通设施用地和未利用地，以及凤凰山保护区、城市北部和东南部边缘的未利用。　　在整个研究时段（2006-2099年）内，菲尼克斯大都市区城市生态系统的净初级生产力、有机碳库均表现为净增长的趋势。作为生态系统过程、功能的一项重要指标，生态系统净初级生产力已证实同生态系统生态服务的总体价值较为一致，尤其城市生态系统有机碳库的增加会提升荒漠城市生态系统的生态服务功能。模型模拟的结果显示大气二氧化碳浓度、气候变化在未来的情景中会提升城市生态系统服务功能，例如农田的产量在未来的情景中将会增加。此外，城市植物生长、叶面积的改善也将有助于城市生态系统服务的其它方面，如调节、减轻城市热岛效应，提高城市生态系统对污染排放物的调节、吸收，以及城市生态系统的碳同化。但是，这并不意味着人类可以肆意地向大气排放二氧化碳和其它温室气体，因为通过分析模拟结果显示菲尼克斯大都市区城市生态系统净初级生产力所固定的大气二氧化碳仍远远小于人源（人类排放）二氧化碳的排放量。此外，需要注意的是生态系统净初级生产力、有机碳库仅是生态系统健康（生物多样性）中的重要指标之一，即生态系统净初级生产力、有机碳库的增加不一定就意味着生态系统的可持续性提高了。未来荒漠区域剧烈的气候变化可能会引起生态系统的演替，部分入侵植物会适应气候变化逐渐成为优势种，限制了本地植物的生长，进一步降低了生态系统的生物多样性。此外，荒漠城市生态系统NPP、有机碳的增加，意味着城市区域内将消耗更多的灌溉用水。