当前全球正经历快速城市化，城市化在空间上的显著特征表现为城市用地扩张和自然生境的丧失，进而导致区域景观格局变化。城市生态系统已成为一个由人类主导的以人工景观为基质的高度破碎化的异质性景观。城市景观格局的改变影响物质循环、能量流动等生态过程，降低区域生态系统的抗干扰能力和稳定性，进而产生一系列生态环境效应，如热岛效应增强、生物多样性丧失、城市内涝频发、大气污染加剧等等。这些生态环境问题已严重威胁城市居民健康、影响人类社会经济可持续发展。研究城市生态系统的时空格局特征及其对城市生态环境效应的影响，可以从理论上丰富和发展城市生态学研究，在应用上为城市规划、环境管理提供决策支持。　　 本研究以历史悠久的北京城市作为研究对象，以景观生态学理论和方法为指导，以遥感数据（航空照片、卫星影像等）、图形数据（历史地图、土地利用图等）、实地调查数据和文本数据（统计年鉴和城市发展史等）为数据源研究了北京城市扩张时空格局及驱动因子，同时研究了主城区城市景观格局特征对植物多样性、城市热岛效应和土壤重金属含量的影响。主要结果如下:　　 (1)北京城市建成区从1750年的44.98km2扩张到2010年的1201.53km2，空间上也从今二环扩张到今五环，并包括六环部分区域。城市建成区扩张表现出明显的阶段性:1947年前的近200年城市建成区仅增加10.36km2，空间范围一直局限在今二环以内;1947-1984年北京城市建成区面积波动增加，经历了新中国成立初期的第一次快速城市扩张、文革时期低速扩张和改革开放初期的再一次快速扩张，建成区面积增加至337.14km2，空间上达今三环（部分地区达四、五环）;1984年以后北京城市建成区面积飞速增加，年均扩张速度超过20 km2，且速度越来越快。伴随城市扩张，建成区紧凑度下降，空间形态日益复杂。不同时段城市扩张具有明显的主方向，北京城市扩张先后经历了向西、南、东和北的扩张方向。社会发展（社会变革）是决定北京城市建成区扩张的首要因素，经济发展和人口增长是建成区扩张的直接驱动力，而土地利用政策和城市规划等在一定程度上影响城市建成区的扩张规模和空间结构。　　 (2)以2004年SPOT多光谱影像为数据源（10米分辨率），北京市主城区（五环）土地覆盖格局以不透水面为主，占总面积的66.22％，是景观基质。城市绿地和水体面积比例分别为31.98％和1.79％，以斑块形式散布于不透水地表之中。北京主城区总斑块数57438块，斑块密度为75块/平方公里，平均斑块面积1.33公顷。城市绿地斑块面积小（平均斑块面积0.53公顷）、数量多（斑块密度60块/平方公里），破碎化严重。　　 (3)北京主城区植物物种丰富度较高，103个样方内共调查到植物490种，其中草本362种（本地草本186种、外来草本176种），乔木128种（本地乔木70种、外来乔木58种）。附属绿地植物物种丰富度高于公园绿地。物种丰富度空间差异明显。其中附属绿地本地草本物种丰富度差异最明显，受城市绿地景观格局影响显著。城市绿地景观格局对植物丰富度变异的解释力存在尺度效应，缓冲区内城市绿地面积比例所能解释的样地本地草本物种丰富度变异随缓冲区半径先增后减少，在缓冲区半径为300米时达到最大值。城市绿地面积比例、平均斑块面积和斑块密度是影响植物物种丰富度的主要指标。附属绿地本地草本物种丰富度随周围绿地面积比例增加而增加，随绿地破碎化增加而降低。　　 (4)北京主城区城市热岛现象明显，人口统计街道尺度上地表温度最高和最低分别为27.59℃和35.43℃，平均31.34℃。城市绿地面积组成和空间配置均显著影响地表温度，分别解释52.54％和51.52％的地表温度变异（其中二者交互作用较大，解释41.58％的地表温度变异）。地表温度随城市绿地面积比例增加而降低，随斑块密度增加而增加。城市绿地破碎化不利于缓解城市热岛效应。不同遥感影像分辨率下，城市绿地面积百分比与地表温度均呈极显著负相关，但景观配置指数与地表温度的关系在不同分辨率下并不一致。最明显的是绿地斑块密度，其与地表温度的相关性在2.44米分辨率(QuickBird)和10米分辨率(SPOT)时为正相关，在30米分辨率(TM)时二者表现为负相关。这主要是由于TM影像不能有效提取城市中数量庞大的小面积城市绿地斑块。　　 (5)北京主城区居住区土壤重金属含量空间变异明显:均值分别为26mg/kg（铜）、19.72mg/kg（铅）和88.7mg/kg（锌），标准差分别为10mg/kg（铜）、7.03mg/kg（铅）和37mg/kg（锌）。城市景观格局（城市化时间、50米缓冲区建筑面积比例、50米缓冲区道路比例、距建筑物最短距离、距公路最短距离）和土壤属性（土壤有机质含量和PH值）对重金属变异的解释力分别为47.53％（铜）、56.74％（铅）和51.94％（锌）。城市化时间、50米缓冲区建筑面积比例和土壤有机质含量是影响土壤重金属含量的主要指标。3种重金属含量均随城市化历史增加而增加，随周围建筑比例增加而增加，随土壤有机质含量增加而增加。城市化时间对土壤铜和铅的积累作用大于对锌的积累作用。　　 综合来看，受社会经济发展和人口增加的影响，北京正经历快速城市化，导致城市景观格局变化，城市面积扩大、景观格局破碎化加剧。城市景观格局，特别是城市绿地景观格局影响城市生态环境效应（如草本植物多样性、城市热岛、土壤重金属含量等）。优化城市景观格局，如增加绿地面积、降低绿地破碎度可作为改善城市生态环境质量的重要手段。今后需加强城市景观格局现状及变化对多种生态环境效应在不同尺度上的综合影响，以更全面地理解城市生态环境问题产生的机制并制定科学合理的调控对策。