绿洲城镇是我国西北干旱区人类生活和生产的核心，是干旱区内部人类活动最为集聚，人地关系最为敏感的区域。目前对于绿洲城镇化的起源、过程与机制等研究还相对偏少且比较零散，多数研究停留在现象描述与经验总结，缺乏理论上的系统论述。另外，面对中国社会经济制度的渐进转型与新型城镇化理念提出，绿洲城镇化的建设急需正确的理论指导与路径探索。复杂系统理论凭借其综合性、跨学科性与方法论的普适性，为研究绿洲城镇化这一复杂过程提供了新的分析思路与研究方法。基于此，本文在研究绿洲城镇的生成、演化、相变等过程中引入复杂系统的相关理论，首先界定了城镇化系统的内涵并建立其概念模型，分析了绿洲城镇化系统的开放性、自组织性、涨落、反馈性、非线性、不稳定性、支配性等演化特征。通过引入涌现、协同、“球-盆体模型”等概念和模型，创新性地从涌现生成、协同维生、临界相变三个维度构建了绿洲城镇化复杂性的解释框架，并据此对诺瑟姆曲线进行了重新解读。在理论框架构建的基础上，根据协同学和耗散结构理论，综合运用自组织演化的序参量判据和熵判据，建立了绿洲城镇化子系统演化的协同度μi和系统整体演化的有序度Rs，从而构建了绿洲城镇化系统自组织演化的一般识别模型。通过分析绿洲城镇化系统内部各种序变量间的反馈循环，建立偏微分方程，确定模型参数，构建了绿洲城镇化的系统动力学模型，并设定了常规发展、人口政策调整、产业政策调整、水资源的总量调配等4种模式进行模拟预测。案例分析结果表明：①2001-2010年威武绿洲的城镇化，除经济和水资源子系统呈平稳增长外，其他几个子系统均有不同形态的较大波动；②近年来武威绿洲城镇化系统虽逐年趋向更加有序稳定，但系统并未达到自组织临界状态，系统整体发展提升的空间较大；③按照城镇化常规发展型到21世纪中叶，凉州区城镇化率将达到70%，且2030年之前，城镇化发展速度较快；④人口政策和第二、三产业增长率的变化对城镇化速度都有较大影响，水资源紧张型发展情景下，城镇化速度明显放缓；⑤绿洲城镇化的发展应建立自组织发展观和系统整体观，重视系统内的反馈循环，坚持城镇化系统的多样性发展。