地球碳循环系统的研究，可以清晰地给出系统中各圈层碳的交换过程,进而明确地球碳循环系统各圈层间的相互关系，及其人类活动的影响程度。大气中的二氧化碳被地球各圈层吸收，然后通过生物、地质过程及人类活动返回大气中。在这个循环中，城市层面的碳循环和流通研究引起学者的广泛兴趣，逐渐成为目前的研究热点之一。深入探讨城市碳循环系统中大气、土壤、陆地植物、陆地动物等变量及其约束条件，有助于探明变量间复杂的关系，揭示碳循环系统的演化机理。　　本文基于经济时期区域大气圈、土壤圈及陆地植物圈之间复杂的循环演化关系，构建了大气—土壤—陆地植物的三维碳循环动态演化系统。给出三维碳循环系统的建模思想，进一步分析系统的相图，时间序列等动力学行为，为深入探究碳循环系统的演化及其规律奠定了模型研究基础。　　进一步，本文基于南京市碳循环系统的统计数据，借助神经网络辨识出满足实际碳循环系统的参数。以人为碳效应指数为衡量指标，探究系统中各变量变化对系统的演化影响。结果表明：大气中碳的峰值到达的越晚，人为碳效应指数的数值越大；动物圈中（人类活动）的碳储量的峰值越早达到，人为碳效应指数越大；人类活动是致使人为碳效应指数变大的主要原因，同时城市碳循环人为碳效应指数的控制应该多地区协同发展，控制总体人为碳效应指数，局部地区才会真正意义上降低碳量。　　根据碳运动规律，给出符合实际的假设，并建立基于假设的大气—土壤—陆地动物—陆地植物碳循环动力系统，研究区域大气圈、土壤圈、动物圈及植物圈中碳随时间变化的运动规律。探索碳循环系统中区域城市陆地系统碳循环的演化规律，分析了所构建动力演化系统的动力学行为。并根据中国江苏南京市的真实数据，对系统作参数辨识，获得南京市的大气—土壤—陆地动物—陆地植物碳循环演化方程。通过对单参数的分叉分析，获得南京市大气-土壤-动植物碳循环的主要影响因素。　　进一步从节能减排角度，研究在3D非线性节能减排系统的基础上引入动物圈作为新的变量，构建动物圈约束下的4D节能减排系统。借助Lyapunov指数和bifurcation理论分析了模型的动力学行为，探究了系统的平衡点问题，并得到了一类新的吸引子。基于南京市统计数据，借助基于GA-BP神经网络辨识出实际系统的参数。分析了实际节能减排系统的相关行为，探讨了动物圈中碳含量自身的发展规律，及其对节能减排、碳排放、经济增长等变量的演化影响。　　基于动物圈约束下的城市节能减排系统，以南京市、扬州—镇江市为例，研究了城市碳循环系统的协调发展问题。基于自适应同步控制方法，探讨了两个城市系统之间节能减排协调发展的条件，得出碳排放峰值是两个城市系统协调发展的关键因素。进一步探究了南京市、扬州—镇江市节能减排的演化及如何实现协调发展。　　本文的创新之处主要体现在：将系统科学方法、非线性动力学理论、优化控制理论等应用于城市碳循环系统模型的构建及研究，定性与定量相结合、理论研究与实证分析相结合。探讨了城市碳循环系统的非线性动力学行为；不同约束条件下系统碳效应指数的演化发展规律；探讨了动物圈中碳含量自身的发展规律，及其对节能减排、碳排放、经济增长等变量的演化影响；揭示了不同城市碳循环系统协调发展的驱动机制。将这些演化发展规律图像化，通过对比分析，得到了一系列符合实际情形的研究成果，为研究城市碳循环问题提供了很好的解决方案。借助非线性动力学方法研究此类问题是很好的尝试，得到的结论更加具有说服性和推广性。