基于生態容量模擬的丘陵地區城鎮開發規模研究*
——以中新（廣州）知識城為例

蔡云楠 張曼瀅

0 引言

丘陵地區具有較高的用地潛力，合理確定開發規模、正確引導其城鎮開發建設是其中的關鍵問題。然而丘陵地區具有環境復雜性、開發敏感性、建設不可逆性等特征，在城鎮化進程以及現代市政工程技術的迅猛推進下，出現過城市蔓延、生態破壞、土地資源浪費、基礎設施建設投入大等問題和教訓[1]。

近年來各界對國土空間開發格局進行了系統性的思考[2]，對丘陵地區的發展越來越重視，在其空間布局優化、城鄉規劃設計等方面的研究較為深入，但對丘陵地區開發建設過程中所涉及的土地資源、生態景觀以及災害韌性等方面的科學知識積累與技術經驗仍不成熟[3]，未能給丘陵地區城鎮開發提供完整系統的理論支持與技術參考。

國土空間規劃通過統籌布局生態、農業、城鎮等功能空間從而優化國土空間總體格局[4]。其中，科學合理地確定開發規模是國土空間規劃的重點和難點[5]。對于丘陵地區的開發而言，合理的生態容量是確定城鎮開發規模的重要前提以及生態安全的重要保障。后續研究和實踐應融合發展與保護的價值理念，增強對于國土空間規劃相關理論的內涵理解和層次推理，充分結合該類地區特征，有針對性地分析其自然、社會、經濟子系統之間的關系，因地制宜構建適當的模擬框架，以生態安全、剛彈結合等原則通過多情景模擬的形式確定最佳規模，最終達到生態效益與城鎮發展之間相互促進。

本文對生態容量概念及丘陵地區城鎮生態容量確定中面臨的問題進行闡述，分析國土空間規劃相關理論基礎并形成生態容量模擬的建構邏輯，構建生態容量模擬的理論框架，以中新（廣州）知識城為例，描述通過生態容量與多情景模擬的方法確定丘陵地區城鎮的開發規模的實踐做法。合理確定各類用地規模和空間布局，支撐丘陵城鎮生態安全和高質量發展。

1 生態容量概念及丘陵地區城鎮生態容量確定中面臨的問題

1.1 生態容量的概念解析與理論基礎

城鎮生態容量與承載力密切相關，特指區域在資源環境可持續承載基礎上，城鎮化開發的最佳規模[6]。根據此限度鑒別區域中哪里能開發、哪里不能開發以及如何確定開發強度。

城市作為一個由“自然—社會—經濟”構成的復雜巨系統，不同子系統的屬性不同，但各個系統間存在著相互影響而又相互合作的關系[7]。城市中各子系統的聯合作用形成了城鎮宏觀尺度上的結構和功能，子系統間的協同作用是城市復雜系統有序結構形成的內驅力，促進穩定系統結構的形成。因此在城市發展過程中，只有生態效應與社會經濟效應協調統一，我們才能找到城鎮發展的生態容量邊界，即城鎮的最佳規模[8]。

1.2 丘陵地區城鎮建設總體特點及生態容量確定的難點

丘陵地區具有山、水、城相融的獨特空間格局，其獨有的地質條件、地貌變化、氣候特征及生態多樣性等特點，蘊含了豐富的資源與能源，有著無限的經濟發展潛力[9]。然而，多數丘陵城市受到自然、環境、社會等因素的限制較多，其生態容量的確定存在許多問題與難點。

首先，丘陵地區生態環境較為復雜。在短距離內就具有復雜的生態基底類型，造成勘測困難，勘測后信息歸類也較為復雜。其次，丘陵地區生態環境具有高敏感性，開發時極易影響到周邊地區，在確定具體的開發規模時在生態條件與其他因素之間的權衡需要有更多考量。同時，丘陵地區難以形成連續、平整的地塊范圍，其建設具有較高的不可逆性，工程技術要求較高，需考慮到不同坡度大小所要求的特殊建設條件[10]。

2 現有主要生態容量確定方法與分析

2.1 生態容量測算方法

當前，生態容量測算常用的研究與計算方法有生態足跡法、生態承載力計算、生態赤字或生態冗余計算等。調查通常會從能源、生態資源、生物資源等方面入手，列出既定分析框架和測算模型，將其現有數量和消費需求等轉化為具體的土地面積或生物生產面積，通過計算公式換算成具體的指標從而確定發展規模[11]。

2.2 生態容量確定方法與分析

生態足跡法是生態容量確定方法中一種最普遍并最具代表性的方法。生產個人、城市或國家等已知人口消費的所有能源和資源以及吸納該人口產生所有廢棄物所需要的生物生產面積（含水域和陸地），將其與該范圍內自然所能供給人類的生物生產土地面積（生態承載力的量化）相比較，定量分析生態承載力能否滿足城市經濟日益發展的需求，以此判斷其生態安全及可持續狀況[12]。

在生態足跡的計算中，各種資源和能源消費項目被折算為耕地、草場、林地、建筑用地、化石能源土地和海洋（水域）等6種生物生產面積類型。所涉及到的資源水平都用同樣的指標來衡量或者將其折算為基本的生物生產面積，以量化方法來找到生態承載能力的閾值上限，從而為城市或區域的生態安全和可持續發展提供科學數據支撐。

總體而言，生態容量測算具有統一、量化評定的作用，但依舊存在著不足，如缺乏針對丘陵地區復雜生境的技術手段、技術體系和標準較久遠長期未更新等。后文將借鑒并吸收此方法的系統建構優勢，并在國土空間規劃相關理念背景下構建更適合丘陵地區的理論框架和技術體系。

3 生態容量模擬的理論建構與多情景模擬方法

3.1 生態容量模擬的理論建構

國土空間規劃作為區域空間發展戰略性、系統性安排，強調國土空間結構和布局的整體優化，從全域的國土層面對生態系統保護提出更高的要求，綜合的理論支撐可為國土空間規劃城市開發規模確定提供科學的決策依據。通過國土空間“雙評價”理論、生態安全格局理論、用途管制博弈理論等的內涵理解和層次推理，能夠科學評價生態系統質量和生態服務價值。結合丘陵地區的城市特點，同時融入現有生態容量測算方法中量化折算與系統建構的優勢，構建生態容量模擬理論。生態容量模擬的定義是指區域在資源環境可持續承載基礎上，運用生態本底分析、系統評價和多情景模擬法，針對城鎮不同發展情景而確立最佳城鎮化開發規模。

3.1.1 國土空間“雙評價”理論

資源環境承載力評價能夠識別區域自然條件對生態保護、農業生產以及城鎮建設的支撐能力，定量評估區域自然條件對人類各種生產建設的承載閾值；國土空間開發適宜性評價能夠判斷區域實施農業生產、城鎮開發建設等人類活動的適宜程度[13]，定量評估區域生態保護重要性等級，進而有效識別區域自然資源的優勢和短板，篩選出區域生態系統服務功能較強、生態敏感性較高的空間。“雙評價”是對資源環境承載狀況的全面審視，是有效規范國土空間開發秩序、合理控制空間開發強度的國土空間開發格局的重要科學依據。

3.1.2 國土空間生態安全格局理論

生態安全格局是指對維護生態過程安全起關鍵作用的“點、線、面”等構成的空間格局[14]。其中“面”是指生態源地，一般是指對促進生態安全具有重要意義或者擔負向外輻射重要生態功能的關鍵生態用地；“線”是指生態廊道，是保障生態空間連通穩定的重要組成部分；“點”是指生態節點，是由于人類進行城鎮開發建設或農業生產等活動形成的生態敏感性較高、規模較小的空間單元。依據景觀格局與生態過程的互饋作用，識別關鍵景觀要素，實現對研究區區域生態過程及服務的有效維持，從而保障區域生態安全及生態持續性。

3.1.3 國土空間用途管制博弈理論

國土空間用途管制強調將“山水林田湖草海”作為生命共同體，作為空間治理手段，涉及對生命共同體綜合管制和各類資源要素的保護、開發、利用，國土空間開發利用者嚴格按照國家規定的用途開發利用國土空間[15]。然而，在最佳生態容量的基礎上，各類用地最優使用的情況往往是一種理想狀態，各類用地的開發與保護之間將存在用途博弈，國土空間用途管制博弈提倡各類用途區域的彈性規劃與管理，通過多種方案的權衡使用地達到最佳使用規模。

3.2 多情景模擬

多情景模擬是探索土地利用優化的重要原則。城市發展的外部環境變化充滿不確定性，通過不同發展模式選擇與模型構建，依據不同區域、不同生態問題及生態優勢，綜合考慮人口密度、經濟發展狀況等因素，模擬外部因素可能發生變化的情景，根據模擬結果對其中的各類因子、生態系統總體效益與城市經濟發展效益之間的關系進行正向調整，有效提高邊界的彈性以及邊界管理的效果與效率。

同時，在實踐中還應遵循“生態安全”與“剛彈結合”原則[16]。在各項開發建設前注重生態安全及生態背景，立足自然地理格局，遵循自然生態系統演替規律和內在機理，保持自然生態功能的穩定。強調“剛性管控”與“彈性引導”相結合，對涉及底線性、基礎性、生態敏感、公共利益等方面的內容進行嚴格管控，而底線之外的內容應該采取更為靈活的方式進行彈性引導。

3.2.1 剛性基礎容量

“剛性”是力學上的一個概念，特指基礎性條件限制。將剛性運用到生態容量測算，可以理解為一個區域生態資源能夠承載的最大城市發展體量，以及這些生態資源能否對城市發展提供相應的供給能力。關于基礎剛性容量測算，主要基于國土空間“雙評價”理論框架確定。具體而言，就是通過土地資源承載力和城鎮開發適宜性評估，確定基礎剛性生態容量規模和基礎剛性開發邊界。

3.2.2 剛性結構容量

剛性基礎容量確定了區域最大開發容量，但該容量沒有考慮國土空間生態安全格局的塑造，因此該容量不具備生態屬性[17]。剛性結構容量是在剛性基礎容量基礎上，根據國土空間生態安全格局理論，將維持國土空間生態安全格局的區域從剛性基礎容量中核減，賦予剛性容量以生態屬性。剛性結構容量既保留了符合城市發展的自然生態，又能夠使城市得到最大開發容量，為區域空間開發提供了強有力的科學依據和理論支持。

3.2.3 彈性發展容量

剛性結構容量估算出了理論最大潛力，但在實際發展過程中受社會經濟發展、農田和生態保護等各種不確定性因素的制約，完全剛性規劃不符合實際發展需求。就空間規劃而言，任何生態容量都必須要針對各種不確定性考慮其彈性特征。城市規劃設計中的彈性控制是促進城市有效、有序建設發展的重要手段，合理運用彈性原則可有效激發城市建設的能動性，提高城市建沒的運作效應。城市生態容量彈性本質是國土空間用途管制博弈的后果，通過空間博弈理論分析，可以得到區域不同容量發展情景，為區域國土空間用途管制提供多種彈性容量選擇，保障規劃既嚴肅又靈活。

3.2.4 最佳建設容量

基于上述概念內涵，綜合考慮城市發展的“剛性”和“彈性”特征，構建如圖1所示的研究范式。“剛性”邊界分為剛性基礎邊界和剛性結構邊界，“彈性”邊界考慮其彈性發展容量，為城市發展預留緩沖地帶。

圖1 生態容量模擬理論框架Fig. 1 theoretical framework of ecological capacity simulation

基于此，生態容量模擬能成為城市最佳建設容量確定的重要方法。基于多情景的空間模擬結果，提煉出不同生態安全水平和發展速度下城市增長邊界相關策略組合，為城市發展熱點區域識別、城市增長邊界體系建立和土地利用空間布局的優化戰略提供依據[18-19]。

3.3 小結

綜上所述，城市生態容量模擬是在多方面因素考慮下逐步確定適宜城鎮開發規模的過程，是復合視角下以城市空間為樞紐統籌生態安全保障與城市增長管理的過程。融合發展與保護的價值理念，建立一個以生態安全格局提升邊界管控效率、邊界管控促進生態安全格局優化兩者相統一的理論框架，為我國城市增長管理提供新的思路[20]。

4 中新（廣州）知識城開發生態容量模擬應用

4.1 中新知識城生態空間多功能評價與生態問題辨識

中新（廣州）知識城是中國與新加坡合作的國家級平臺，位于廣州市東北部，距廣州中心城區約35 km，毗鄰帽峰山東麓，珠江三角洲平原東北緣和粵中丘陵區的過渡地帶，處于由北部山地形成的“屏山”與帽峰山系形成的“秀峰”之間，東西兩側群山連綿，為典型的谷地地形。南部、中部、西北兩側均為嶺南高丘陵地貌，其余為低丘陵臺地或河谷平原地貌。本次規劃范圍為九龍鎮域、長嶺居范圍，總面積為232 km2，其中，中新廣州知識城片區面積123 km2，鎮龍片區面積55 km2，長嶺居片區面積104 km2。

4.1.1 自然環境與生態要素分析

知識城山體生態環境總體良好，林地主要分布于帽峰山、福和山、油麻山及知識城主要建成區周邊。擁有鳳凰河、平崗河和金坑河三大流域，共有現狀河涌19條。17座水庫中最大的水庫為新陂水庫，集雨面積41 km2，庫容為1 931.9萬m3。同時，在知識城東南側為萬畝良田，農田類型多樣。整體來說，知識城現狀具有“山、水、林、田、湖”等多種類型的生態資源，并在前期建設中進行了有效保護（表1）。

表1 知識城生態要素構成表Tab.1 table of ecological elements of knowledge city

4.1.2 生態空間多功能評價

知識城生態系統可分為森林生態系統、濱水生態系統、農田生態系統以及聚落生態系統四類[21]。森林生態系統具有綠量供給、固碳釋氧、水源涵養等功能，其森林綠量供給較好。濱水生態系統具有雨洪調蓄、降溫增濕、生物信息交流、文化服務等功能。農田生態系統具有生產、提供農耕文化服務、農業旅游資源等功能，農田山林聯系較密切。聚落生態系統中城鄉聚落發展有序。四類生態系統具有豐富多樣的生態系統服務功能，保障了知識城的生態安全。

4.1.3 生態問題辨識

4.1.3.1 生態結構面臨建設侵入威脅

通過生境斑塊連接度分析可知（圖2），結構性廊道，即位于生態廊道及通風廊道上的生態斑塊阻隔較為明顯。具體表現在東西向動物遷徙廊道人工化嚴重、綠量不足、海綿性不足；南北向通風廊道規劃建設密度過高。

圖2 知識城生境連通性Fig. 2 habitat connectivity of knowledge city

4.1.3.2 部分生境斑塊質量不高，自然性和本土性不足

山林生境動植物多樣性具有一定優勢，但缺乏生態景觀特色；城中建成區生境斑塊未能形成復層植物群落，鄉土植物比率有待提升；河流、湖泊岸線自然性不足，生境類型較單一。

4.1.3.3 生態景觀社會服務和生態形象感知較弱

知識城生態空間對城市獨特品質、對居民宜居貢獻等感知較弱；生態空間可達性較弱、社會服務存在盲區；生態文化品位未能形成。

4.2 中新知識城生態容量模擬

知識城總體規劃通過生態本底調查，科學評價生態系統質量和生態服務價值，分析其生態安全格局、風熱環境和生態、農業用地構成等，科學預測生態容量，協調統籌人口、產業、支撐配套等發展需求與“山水林田湖草”等生態要素的關系，并進行多情景模擬，提出最優生態用地規模和總體空間布局。

4.2.1 生態安全格局構建

4.2.1.1 生態安全格局構建范式

首先，根據生態安全格局構建范式，對知識城生態源、生態廊及生態網進行分析、模擬及構建。從土地利用類型上看，生態源斑塊主要以山地及水流為主，山脈主要分布在研究區中部西側及西南部，水脈則以河道和庫塘的形式貫穿于研究區之中。提供多種生態系統服務的生態源斑塊占比較少，生態系統服務間的協同與權衡關系較為明顯。

處于最小累計阻力勢能面上的斑塊應優先作為生態廊道加以構建，知識城北部及中部偏北地區的阻力值呈現最高水平（圖3）。該區域城鎮建設較為集中、河湖水體密布，人類活動頻率較高，在空間上呈現出帶狀的高阻力值格局，并對周邊區域物種的擴散產生一定的負向滯后效應；中部及中部東側的阻力值處于中等水平，該區域地勢較為平坦，多以耕地為主，人類活動頻率一般；南部及剩余地區的阻力值處于低與較低水平，因為該區域地形地貌較復雜，地勢較高，多為生態林地，人類活動足跡較少。總體來看，知識城生態阻力低值區在空間上能形成集聚成片的格局，對周邊物種擴散產生正向推動效應。

圖3 知識城生態阻力值評價Fig. 3 evaluation of ecological resistance value of knowledge city

根據生態源空間分布集中情況及生態安全網絡構建下生態廊道鏈接關系，其中處于最小累計阻力勢能面上的斑塊應優先作為生態廊道加以構建。受地形地貌的特征影響，生態源地多分布在東西兩側，潛在生態廊道大多呈現出東西連接走向，但廊道之間相互連接的空間網絡化程度較低，不利于區域內生態源之間生態流、物種流、能量流、人口流的相互連接與擴散。

因此，知識城未來需要在東西向生態廊道的基礎上推動區域生態廊道向網絡化發展。如通過容積率控制主要交通網絡沿線地區的生態環境，增強生態網絡空間連接度。

4.2.1.2 單一安全格局分析

首先對地質災害安全格局進行分析，結合知識城的自然資源以及地形地貌特點，綜合考慮高程、坡度和地表的植被覆蓋進行地質災害風險分析，并以此劃分高、中、低三個生態安全等級（圖4）。其次從水資源保護和水環境重要性兩個方面，對知識城內的水安全問題展開分析，在此基礎上結合地理信息系統（GIS）空間分析構建水綜合安全格局（圖5）。同時遵從動植物生物保護要求構建生物保護安全格局，從生境質量和生態阻力面兩個視角，疊加分析生物過程，構建生物保護安全格局（圖6）。

圖4 地質災害安全格局Fig. 4 security pattern of geological disasters

圖5 水綜合安全格局Fig. 5 security pattern of comprehensive water

圖6 生物保護安全格局Fig. 6 security pattern of biological protection

4.2.1.3 綜合生態安全格局

綜合基于分系統安全格局，建立具有多種功能的生態基礎設施，知識城生態安全格局設施總體上呈現為由具有重要生態意義的斑塊和廊道構成的網絡狀空間結構（圖7）。在中新知識城范圍內，低安全水平區域主要集中在九佛街西部、新龍鎮南部以及長嶺街西部的自然保護用地，以及包含鳳尾坑在內的水庫坑塘以及南崗河等河流的重要地表水源地保護區，這些區域需重點保護和管控，應禁止開發建設。中安全水平區域主要分布在知識城東西兩側，以及中南部新龍鎮與長嶺街的交匯處，包含了自然保護地周邊的主要生態用地以及對景觀連通性起主要作用的生態廊道，這個區域在保證生態優先的基礎上允許開發建設；高安全水平區域主要分布在九佛街、龍湖街以及新龍鎮的西南部，屬于生態重要空間。

圖7 知識城綜合生態安全格局Fig. 7 comprehensive ecological security pattern of knowledge city

4.2.2 生態容量模擬

4.2.2.1 剛性基礎容量分析

根據知識城的規模開發需求，項目主要選取高程以及坡度來反映基礎地形地貌承載潛力，可以基本反映出知識城的地形地貌特點，以及大致鎖定適宜開發的區域范圍，同時，對地質災害風險進行分析。最后，進行自然保護地體系分析。通過一系列分析得出具體數據后進行剛性基礎容量綜合測算，可以判別出非常適宜區、一般適宜區域和不適宜開發區域，得到城鎮開發適宜性初判結果（圖8），并得出知識城剛性基礎容量數據如下表所示（表2）。

表2基礎剛性容量測算表Tab. 2 foundation rigid capacity measurement table

圖8 知識城基礎剛性容量評價結果Fig. 8 evaluation result of the foundation rigid capacity ofknowledge city

4.2.2.2 剛性結構容量分析

結構剛性容量的大小是通過核減生態安全格局管控區域得到的。綜合生態安全格局的中安全水平作為參考，考慮到知識城中部的海拔較高，山體資源豐富，長嶺街也有較多自然資源，新增了一條鳳凰湖東西向生態廊道，以及一條經過長嶺街的生態廊道，便于知識城中南部地區的生態交流和生態安全格局的穩定發展。

根據基礎剛性容量測算結果，利用生態安全格局管控區域對剛性容量進行核減，最終得到結構剛性容量約為11 800 hm2，占整個知識城國土空間的51%，評價結果如圖9所示。結構剛性容量是維持知識城生態安全和保障可持續發展的本底，原則上不宜突破。

圖9 基于生態安全網控制的剛性結構Fig. 9 rigid structure based on ecological safety netcontrol

4.2.2.3 彈性生態容量模擬

知識城作為一個中新合作示范區，具有較高的發展定位，因而知識城的農田保護是一個巨大的不確定性因素，基于剛性區域，可以確定城市發展的范圍，將永久基本農田作為彈性區域，規劃主要考慮了三種農田保護博弈的情景方案。情景一：生態安全格局外農田全部調保；情景二：城鎮開發邊界內集中發展區內農田全部調保，但彈性區內農田則保留；情景三：城鎮開發邊界內，只調重點項目涉及農田，其他全部保留。最終得出最佳的彈性發展情景為情景二，具體數據如表3所示。再根據不同的發展方式，可以分為粗放型、精明型和集約型，進行元胞自動機的空間擴張情景模擬，各情景模擬的規模增長情況如下表所示（表4）。總體來看，粗放型和精明型發展均可滿足知識城在2035年前的大規模開發需求，然而精明型比粗放型預留了更多后期指標，儲備了更多的彈性空間，為2050年后更高端產業的落地預留了彈性，是更適合中新知識城的發展模式。

表3 知識城農田保護策略情景Tab. 3 farmland protection strategy scenario of knowledge city

表4 知識城建設用地規模增長曲線情景Tab.4 construction land scale growth curve scenario of knowledge city

4.2.3 最佳生態容量建議

通過開發與保護關系的多情景假設，結合基礎剛性容量評估、結構剛性容量評估與彈性生態容量模擬等多層次推演和綜合分析，論證出知識城科學擴容的最適宜規模可按50%計，即“一半山水一半城”的城市發展格局。根據論證，面向2035年，知識城可劃定8 984 hm2的城鎮集中發展區，但需要對區內934 hm2的農田進行核減，實施調保或異地代保；彈性發展區1 330 hm2，包括79 hm2農田；特殊發展區1 684 hm2（主要是生態廊道），生態廊道內也存在 384 hm2的農田可以復合利用。展望2050年，知識城最佳生態容量應控制在110 km2以內。綜合來看，知識城城鎮開發邊界管控規模應控制在120 km2以內（包含8條生態廊道），實現“一半山水一半城”（即城鎮空間≤115 km2）的國土空間規劃戰略目標，滿足生態文明建設和城市可持續發展需求。

5 結論與展望

在國土空間規劃背景下，從全域的國土層面對生態系統保護提出了更高的要求。在丘陵地區的城市開發建設中，其資源環境配置運用與城鎮發展之間的關系便尤為重要。首先，丘陵資源環境是城鎮發展的基礎和保障，為城鎮提供生產生活的原料。其次，丘陵資源環境是城鎮經濟發展的制約條件，一旦城鎮發展帶來的負面影響超出資源環境的承受能力，會影響城鎮發展和人類自身健康與安全。第三，人類對丘陵資源環境的利用與改造以城鎮發展為主導。第四，資源環境和經濟可以相互促進，丘陵資源環境為城鎮發展提供物質資料和環境條件，修復城市發展帶來的不良影響，從而促進城市發展；城市發展帶來的經濟支持，能夠更好的進行環境的防治與治理，提高資源利用的深度與廣度，開發更多替代性可再生資源。

在明確其內在機制的基礎上，針對丘陵地區提出生態容量模擬的方法，將預測、模擬、多目標決策以及政策設計有機結合，構建出一套開發規模確定的多情景模擬方法，使開發的規模與發展方向更加科學，更好地實現生態空間系統的保護優化和提質增效，具有巨大的實踐價值與現實意義。

未來研究應立足國際趨勢與我國國情，繼續探索丘陵地區與其他地區的區別與規律特性，深化生態容量模擬方法、運行機制、保障體系等科學難點問題，從多方面入手探尋更加精細化、體系化的開發規模確定模式，推動未來城鎮更加可持續發展。

圖表來源：

圖1-9：作者繪制

表1-4：作者繪制