基于生态容量模拟的丘陵地区城镇开发规模研究*——以中新（广州）知识城为例

蔡云楠 张曼滢

0 引言

丘陵地区具有较高的用地潜力，合理确定开发规模、正确引导其城镇开发建设是其中的关键问题。然而丘陵地区具有环境复杂性、开发敏感性、建设不可逆性等特征，在城镇化进程以及现代市政工程技术的迅猛推进下，出现过城市蔓延、生态破坏、土地资源浪费、基础设施建设投入大等问题和教训[1]。

近年来各界对国土空间开发格局进行了系统性的思考[2]，对丘陵地区的发展越来越重视，在其空间布局优化、城乡规划设计等方面的研究较为深入，但对丘陵地区开发建设过程中所涉及的土地资源、生态景观以及灾害韧性等方面的科学知识积累与技术经验仍不成熟[3]，未能给丘陵地区城镇开发提供完整系统的理论支持与技术参考。

国土空间规划通过统筹布局生态、农业、城镇等功能空间从而优化国土空间总体格局[4]。其中，科学合理地确定开发规模是国土空间规划的重点和难点[5]。对于丘陵地区的开发而言，合理的生态容量是确定城镇开发规模的重要前提以及生态安全的重要保障。后续研究和实践应融合发展与保护的价值理念，增强对于国土空间规划相关理论的内涵理解和层次推理，充分结合该类地区特征，有针对性地分析其自然、社会、经济子系统之间的关系，因地制宜构建适当的模拟框架，以生态安全、刚弹结合等原则通过多情景模拟的形式确定最佳规模，最终达到生态效益与城镇发展之间相互促进。

本文对生态容量概念及丘陵地区城镇生态容量确定中面临的问题进行阐述，分析国土空间规划相关理论基础并形成生态容量模拟的建构逻辑，构建生态容量模拟的理论框架，以中新（广州）知识城为例，描述通过生态容量与多情景模拟的方法确定丘陵地区城镇的开发规模的实践做法。合理确定各类用地规模和空间布局，支撑丘陵城镇生态安全和高质量发展。

1 生态容量概念及丘陵地区城镇生态容量确定中面临的问题

1.1 生态容量的概念解析与理论基础

城镇生态容量与承载力密切相关，特指区域在资源环境可持续承载基础上，城镇化开发的最佳规模[6]。根据此限度鉴别区域中哪里能开发、哪里不能开发以及如何确定开发强度。

城市作为一个由“自然—社会—经济”构成的复杂巨系统，不同子系统的属性不同，但各个系统间存在着相互影响而又相互合作的关系[7]。城市中各子系统的联合作用形成了城镇宏观尺度上的结构和功能，子系统间的协同作用是城市复杂系统有序结构形成的内驱力，促进稳定系统结构的形成。因此在城市发展过程中，只有生态效应与社会经济效应协调统一，我们才能找到城镇发展的生态容量边界，即城镇的最佳规模[8]。

1.2 丘陵地区城镇建设总体特点及生态容量确定的难点

丘陵地区具有山、水、城相融的独特空间格局，其独有的地质条件、地貌变化、气候特征及生态多样性等特点，蕴含了丰富的资源与能源，有着无限的经济发展潜力[9]。然而，多数丘陵城市受到自然、环境、社会等因素的限制较多，其生态容量的确定存在许多问题与难点。

首先，丘陵地区生态环境较为复杂。在短距离内就具有复杂的生态基底类型，造成勘测困难，勘测后信息归类也较为复杂。其次，丘陵地区生态环境具有高敏感性，开发时极易影响到周边地区，在确定具体的开发规模时在生态条件与其他因素之间的权衡需要有更多考量。同时，丘陵地区难以形成连续、平整的地块范围，其建设具有较高的不可逆性，工程技术要求较高，需考虑到不同坡度大小所要求的特殊建设条件[10]。

2 现有主要生态容量确定方法与分析

2.1 生态容量测算方法

当前，生态容量测算常用的研究与计算方法有生态足迹法、生态承载力计算、生态赤字或生态冗余计算等。调查通常会从能源、生态资源、生物资源等方面入手，列出既定分析框架和测算模型，将其现有数量和消费需求等转化为具体的土地面积或生物生产面积，通过计算公式换算成具体的指标从而确定发展规模[11]。

2.2 生态容量确定方法与分析

生态足迹法是生态容量确定方法中一种最普遍并最具代表性的方法。生产个人、城市或国家等已知人口消费的所有能源和资源以及吸纳该人口产生所有废弃物所需要的生物生产面积（含水域和陆地），将其与该范围内自然所能供给人类的生物生产土地面积（生态承载力的量化）相比较，定量分析生态承载力能否满足城市经济日益发展的需求，以此判断其生态安全及可持续状况[12]。

在生态足迹的计算中，各种资源和能源消费项目被折算为耕地、草场、林地、建筑用地、化石能源土地和海洋（水域）等6种生物生产面积类型。所涉及到的资源水平都用同样的指标来衡量或者将其折算为基本的生物生产面积，以量化方法来找到生态承载能力的阈值上限，从而为城市或区域的生态安全和可持续发展提供科学数据支撑。

总体而言，生态容量测算具有统一、量化评定的作用，但依旧存在着不足，如缺乏针对丘陵地区复杂生境的技术手段、技术体系和标准较久远长期未更新等。后文将借鉴并吸收此方法的系统建构优势，并在国土空间规划相关理念背景下构建更适合丘陵地区的理论框架和技术体系。

3 生态容量模拟的理论建构与多情景模拟方法

3.1 生态容量模拟的理论建构

国土空间规划作为区域空间发展战略性、系统性安排，强调国土空间结构和布局的整体优化，从全域的国土层面对生态系统保护提出更高的要求，综合的理论支撑可为国土空间规划城市开发规模确定提供科学的决策依据。通过国土空间“双评价”理论、生态安全格局理论、用途管制博弈理论等的内涵理解和层次推理，能够科学评价生态系统质量和生态服务价值。结合丘陵地区的城市特点，同时融入现有生态容量测算方法中量化折算与系统建构的优势，构建生态容量模拟理论。生态容量模拟的定义是指区域在资源环境可持续承载基础上，运用生态本底分析、系统评价和多情景模拟法，针对城镇不同发展情景而确立最佳城镇化开发规模。

3.1.1 国土空间“双评价”理论

资源环境承载力评价能够识别区域自然条件对生态保护、农业生产以及城镇建设的支撑能力，定量评估区域自然条件对人类各种生产建设的承载阈值；国土空间开发适宜性评价能够判断区域实施农业生产、城镇开发建设等人类活动的适宜程度[13]，定量评估区域生态保护重要性等级，进而有效识别区域自然资源的优势和短板，筛选出区域生态系统服务功能较强、生态敏感性较高的空间。“双评价”是对资源环境承载状况的全面审视，是有效规范国土空间开发秩序、合理控制空间开发强度的国土空间开发格局的重要科学依据。

3.1.2 国土空间生态安全格局理论

生态安全格局是指对维护生态过程安全起关键作用的“点、线、面”等构成的空间格局[14]。其中“面”是指生态源地，一般是指对促进生态安全具有重要意义或者担负向外辐射重要生态功能的关键生态用地；“线”是指生态廊道，是保障生态空间连通稳定的重要组成部分；“点”是指生态节点，是由于人类进行城镇开发建设或农业生产等活动形成的生态敏感性较高、规模较小的空间单元。依据景观格局与生态过程的互馈作用，识别关键景观要素，实现对研究区区域生态过程及服务的有效维持，从而保障区域生态安全及生态持续性。

3.1.3 国土空间用途管制博弈理论

国土空间用途管制强调将“山水林田湖草海”作为生命共同体，作为空间治理手段，涉及对生命共同体综合管制和各类资源要素的保护、开发、利用，国土空间开发利用者严格按照国家规定的用途开发利用国土空间[15]。然而，在最佳生态容量的基础上，各类用地最优使用的情况往往是一种理想状态，各类用地的开发与保护之间将存在用途博弈，国土空间用途管制博弈提倡各类用途区域的弹性规划与管理，通过多种方案的权衡使用地达到最佳使用规模。

3.2 多情景模拟

多情景模拟是探索土地利用优化的重要原则。城市发展的外部环境变化充满不确定性，通过不同发展模式选择与模型构建，依据不同区域、不同生态问题及生态优势，综合考虑人口密度、经济发展状况等因素，模拟外部因素可能发生变化的情景，根据模拟结果对其中的各类因子、生态系统总体效益与城市经济发展效益之间的关系进行正向调整，有效提高边界的弹性以及边界管理的效果与效率。

同时，在实践中还应遵循“生态安全”与“刚弹结合”原则[16]。在各项开发建设前注重生态安全及生态背景，立足自然地理格局，遵循自然生态系统演替规律和内在机理，保持自然生态功能的稳定。强调“刚性管控”与“弹性引导”相结合，对涉及底线性、基础性、生态敏感、公共利益等方面的内容进行严格管控，而底线之外的内容应该采取更为灵活的方式进行弹性引导。

3.2.1 刚性基础容量

“刚性”是力学上的一个概念，特指基础性条件限制。将刚性运用到生态容量测算，可以理解为一个区域生态资源能够承载的最大城市发展体量，以及这些生态资源能否对城市发展提供相应的供给能力。关于基础刚性容量测算，主要基于国土空间“双评价”理论框架确定。具体而言，就是通过土地资源承载力和城镇开发适宜性评估，确定基础刚性生态容量规模和基础刚性开发边界。

3.2.2 刚性结构容量

刚性基础容量确定了区域最大开发容量，但该容量没有考虑国土空间生态安全格局的塑造，因此该容量不具备生态属性[17]。刚性结构容量是在刚性基础容量基础上，根据国土空间生态安全格局理论，将维持国土空间生态安全格局的区域从刚性基础容量中核减，赋予刚性容量以生态属性。刚性结构容量既保留了符合城市发展的自然生态，又能够使城市得到最大开发容量，为区域空间开发提供了强有力的科学依据和理论支持。

3.2.3 弹性发展容量

刚性结构容量估算出了理论最大潜力，但在实际发展过程中受社会经济发展、农田和生态保护等各种不确定性因素的制约，完全刚性规划不符合实际发展需求。就空间规划而言，任何生态容量都必须要针对各种不确定性考虑其弹性特征。城市规划设计中的弹性控制是促进城市有效、有序建设发展的重要手段，合理运用弹性原则可有效激发城市建设的能动性，提高城市建没的运作效应。城市生态容量弹性本质是国土空间用途管制博弈的后果，通过空间博弈理论分析，可以得到区域不同容量发展情景，为区域国土空间用途管制提供多种弹性容量选择，保障规划既严肃又灵活。

3.2.4 最佳建设容量

基于上述概念内涵，综合考虑城市发展的“刚性”和“弹性”特征，构建如图1所示的研究范式。“刚性”边界分为刚性基础边界和刚性结构边界，“弹性”边界考虑其弹性发展容量，为城市发展预留缓冲地带。

图1 生态容量模拟理论框架Fig. 1 theoretical framework of ecological capacity simulation

基于此，生态容量模拟能成为城市最佳建设容量确定的重要方法。基于多情景的空间模拟结果，提炼出不同生态安全水平和发展速度下城市增长边界相关策略组合，为城市发展热点区域识别、城市增长边界体系建立和土地利用空间布局的优化战略提供依据[18-19]。

3.3 小结

综上所述，城市生态容量模拟是在多方面因素考虑下逐步确定适宜城镇开发规模的过程，是复合视角下以城市空间为枢纽统筹生态安全保障与城市增长管理的过程。融合发展与保护的价值理念，建立一个以生态安全格局提升边界管控效率、边界管控促进生态安全格局优化两者相统一的理论框架，为我国城市增长管理提供新的思路[20]。

4 中新（广州）知识城开发生态容量模拟应用

4.1 中新知识城生态空间多功能评价与生态问题辨识

中新（广州）知识城是中国与新加坡合作的国家级平台，位于广州市东北部，距广州中心城区约35 km，毗邻帽峰山东麓，珠江三角洲平原东北缘和粤中丘陵区的过渡地带，处于由北部山地形成的“屏山”与帽峰山系形成的“秀峰”之间，东西两侧群山连绵，为典型的谷地地形。南部、中部、西北两侧均为岭南高丘陵地貌，其余为低丘陵台地或河谷平原地貌。本次规划范围为九龙镇域、长岭居范围，总面积为232 km2，其中，中新广州知识城片区面积123 km2，镇龙片区面积55 km2，长岭居片区面积104 km2。

4.1.1 自然环境与生态要素分析

知识城山体生态环境总体良好，林地主要分布于帽峰山、福和山、油麻山及知识城主要建成区周边。拥有凤凰河、平岗河和金坑河三大流域，共有现状河涌19条。17座水库中最大的水库为新陂水库，集雨面积41 km2，库容为1 931.9万m3。同时，在知识城东南侧为万亩良田，农田类型多样。整体来说，知识城现状具有“山、水、林、田、湖”等多种类型的生态资源，并在前期建设中进行了有效保护（表1）。

表1 知识城生态要素构成表Tab.1 table of ecological elements of knowledge city

4.1.2 生态空间多功能评价

知识城生态系统可分为森林生态系统、滨水生态系统、农田生态系统以及聚落生态系统四类[21]。森林生态系统具有绿量供给、固碳释氧、水源涵养等功能，其森林绿量供给较好。滨水生态系统具有雨洪调蓄、降温增湿、生物信息交流、文化服务等功能。农田生态系统具有生产、提供农耕文化服务、农业旅游资源等功能，农田山林联系较密切。聚落生态系统中城乡聚落发展有序。四类生态系统具有丰富多样的生态系统服务功能，保障了知识城的生态安全。

4.1.3 生态问题辨识

4.1.3.1 生态结构面临建设侵入威胁

通过生境斑块连接度分析可知（图2），结构性廊道，即位于生态廊道及通风廊道上的生态斑块阻隔较为明显。具体表现在东西向动物迁徙廊道人工化严重、绿量不足、海绵性不足；南北向通风廊道规划建设密度过高。

图2 知识城生境连通性Fig. 2 habitat connectivity of knowledge city

4.1.3.2 部分生境斑块质量不高，自然性和本土性不足

山林生境动植物多样性具有一定优势，但缺乏生态景观特色；城中建成区生境斑块未能形成复层植物群落，乡土植物比率有待提升；河流、湖泊岸线自然性不足，生境类型较单一。

4.1.3.3 生态景观社会服务和生态形象感知较弱

知识城生态空间对城市独特品质、对居民宜居贡献等感知较弱；生态空间可达性较弱、社会服务存在盲区；生态文化品位未能形成。

4.2 中新知识城生态容量模拟

知识城总体规划通过生态本底调查，科学评价生态系统质量和生态服务价值，分析其生态安全格局、风热环境和生态、农业用地构成等，科学预测生态容量，协调统筹人口、产业、支撑配套等发展需求与“山水林田湖草”等生态要素的关系，并进行多情景模拟，提出最优生态用地规模和总体空间布局。

4.2.1 生态安全格局构建

4.2.1.1 生态安全格局构建范式

首先，根据生态安全格局构建范式，对知识城生态源、生态廊及生态网进行分析、模拟及构建。从土地利用类型上看，生态源斑块主要以山地及水流为主，山脉主要分布在研究区中部西侧及西南部，水脉则以河道和库塘的形式贯穿于研究区之中。提供多种生态系统服务的生态源斑块占比较少，生态系统服务间的协同与权衡关系较为明显。

处于最小累计阻力势能面上的斑块应优先作为生态廊道加以构建，知识城北部及中部偏北地区的阻力值呈现最高水平（图3）。该区域城镇建设较为集中、河湖水体密布，人类活动频率较高，在空间上呈现出带状的高阻力值格局，并对周边区域物种的扩散产生一定的负向滞后效应；中部及中部东侧的阻力值处于中等水平，该区域地势较为平坦，多以耕地为主，人类活动频率一般；南部及剩余地区的阻力值处于低与较低水平，因为该区域地形地貌较复杂，地势较高，多为生态林地，人类活动足迹较少。总体来看，知识城生态阻力低值区在空间上能形成集聚成片的格局，对周边物种扩散产生正向推动效应。

图3 知识城生态阻力值评价Fig. 3 evaluation of ecological resistance value of knowledge city

根据生态源空间分布集中情况及生态安全网络构建下生态廊道链接关系，其中处于最小累计阻力势能面上的斑块应优先作为生态廊道加以构建。受地形地貌的特征影响，生态源地多分布在东西两侧，潜在生态廊道大多呈现出东西连接走向，但廊道之间相互连接的空间网络化程度较低，不利于区域内生态源之间生态流、物种流、能量流、人口流的相互连接与扩散。

因此，知识城未来需要在东西向生态廊道的基础上推动区域生态廊道向网络化发展。如通过容积率控制主要交通网络沿线地区的生态环境，增强生态网络空间连接度。

4.2.1.2 单一安全格局分析

首先对地质灾害安全格局进行分析，结合知识城的自然资源以及地形地貌特点，综合考虑高程、坡度和地表的植被覆盖进行地质灾害风险分析，并以此划分高、中、低三个生态安全等级（图4）。其次从水资源保护和水环境重要性两个方面，对知识城内的水安全问题展开分析，在此基础上结合地理信息系统（GIS）空间分析构建水综合安全格局（图5）。同时遵从动植物生物保护要求构建生物保护安全格局，从生境质量和生态阻力面两个视角，叠加分析生物过程，构建生物保护安全格局（图6）。

图4 地质灾害安全格局Fig. 4 security pattern of geological disasters

图5 水综合安全格局Fig. 5 security pattern of comprehensive water

图6 生物保护安全格局Fig. 6 security pattern of biological protection

4.2.1.3 综合生态安全格局

综合基于分系统安全格局，建立具有多种功能的生态基础设施，知识城生态安全格局设施总体上呈现为由具有重要生态意义的斑块和廊道构成的网络状空间结构（图7）。在中新知识城范围内，低安全水平区域主要集中在九佛街西部、新龙镇南部以及长岭街西部的自然保护用地，以及包含凤尾坑在内的水库坑塘以及南岗河等河流的重要地表水源地保护区，这些区域需重点保护和管控，应禁止开发建设。中安全水平区域主要分布在知识城东西两侧，以及中南部新龙镇与长岭街的交汇处，包含了自然保护地周边的主要生态用地以及对景观连通性起主要作用的生态廊道，这个区域在保证生态优先的基础上允许开发建设；高安全水平区域主要分布在九佛街、龙湖街以及新龙镇的西南部，属于生态重要空间。

图7 知识城综合生态安全格局Fig. 7 comprehensive ecological security pattern of knowledge city

4.2.2 生态容量模拟

4.2.2.1 刚性基础容量分析

根据知识城的规模开发需求，项目主要选取高程以及坡度来反映基础地形地貌承载潜力，可以基本反映出知识城的地形地貌特点，以及大致锁定适宜开发的区域范围，同时，对地质灾害风险进行分析。最后，进行自然保护地体系分析。通过一系列分析得出具体数据后进行刚性基础容量综合测算，可以判别出非常适宜区、一般适宜区域和不适宜开发区域，得到城镇开发适宜性初判结果（图8），并得出知识城刚性基础容量数据如下表所示（表2）。

表2基础刚性容量测算表Tab. 2 foundation rigid capacity measurement table

图8 知识城基础刚性容量评价结果Fig. 8 evaluation result of the foundation rigid capacity ofknowledge city

4.2.2.2 刚性结构容量分析

结构刚性容量的大小是通过核减生态安全格局管控区域得到的。综合生态安全格局的中安全水平作为参考，考虑到知识城中部的海拔较高，山体资源丰富，长岭街也有较多自然资源，新增了一条凤凰湖东西向生态廊道，以及一条经过长岭街的生态廊道，便于知识城中南部地区的生态交流和生态安全格局的稳定发展。

根据基础刚性容量测算结果，利用生态安全格局管控区域对刚性容量进行核减，最终得到结构刚性容量约为11 800 hm²，占整个知识城国土空间的51%，评价结果如图9所示。结构刚性容量是维持知识城生态安全和保障可持续发展的本底，原则上不宜突破。

图9 基于生态安全网控制的刚性结构Fig. 9 rigid structure based on ecological safety netcontrol

4.2.2.3 弹性生态容量模拟

知识城作为一个中新合作示范区，具有较高的发展定位，因而知识城的农田保护是一个巨大的不确定性因素，基于刚性区域，可以确定城市发展的范围，将永久基本农田作为弹性区域，规划主要考虑了三种农田保护博弈的情景方案。情景一：生态安全格局外农田全部调保；情景二：城镇开发边界内集中发展区内农田全部调保，但弹性区内农田则保留；情景三：城镇开发边界内，只调重点项目涉及农田，其他全部保留。最终得出最佳的弹性发展情景为情景二，具体数据如表3所示。再根据不同的发展方式，可以分为粗放型、精明型和集约型，进行元胞自动机的空间扩张情景模拟，各情景模拟的规模增长情况如下表所示（表4）。总体来看，粗放型和精明型发展均可满足知识城在2035年前的大规模开发需求，然而精明型比粗放型预留了更多后期指标，储备了更多的弹性空间，为2050年后更高端产业的落地预留了弹性，是更适合中新知识城的发展模式。

表3 知识城农田保护策略情景Tab. 3 farmland protection strategy scenario of knowledge city

表4 知识城建设用地规模增长曲线情景Tab.4 construction land scale growth curve scenario of knowledge city

4.2.3 最佳生态容量建议

通过开发与保护关系的多情景假设，结合基础刚性容量评估、结构刚性容量评估与弹性生态容量模拟等多层次推演和综合分析，论证出知识城科学扩容的最适宜规模可按50%计，即“一半山水一半城”的城市发展格局。根据论证，面向2035年，知识城可划定8 984 hm2的城镇集中发展区，但需要对区内934 hm2的农田进行核减，实施调保或异地代保；弹性发展区1 330 hm2，包括79 hm2农田；特殊发展区1 684 hm2（主要是生态廊道），生态廊道内也存在 384 hm2的农田可以复合利用。展望2050年，知识城最佳生态容量应控制在110 km2以内。综合来看，知识城城镇开发边界管控规模应控制在120 km2以内（包含8条生态廊道），实现“一半山水一半城”（即城镇空间≤115 km2）的国土空间规划战略目标，满足生态文明建设和城市可持续发展需求。

5 结论与展望

在国土空间规划背景下，从全域的国土层面对生态系统保护提出了更高的要求。在丘陵地区的城市开发建设中，其资源环境配置运用与城镇发展之间的关系便尤为重要。首先，丘陵资源环境是城镇发展的基础和保障，为城镇提供生产生活的原料。其次，丘陵资源环境是城镇经济发展的制约条件，一旦城镇发展带来的负面影响超出资源环境的承受能力，会影响城镇发展和人类自身健康与安全。第三，人类对丘陵资源环境的利用与改造以城镇发展为主导。第四，资源环境和经济可以相互促进，丘陵资源环境为城镇发展提供物质资料和环境条件，修复城市发展带来的不良影响，从而促进城市发展；城市发展带来的经济支持，能够更好的进行环境的防治与治理，提高资源利用的深度与广度，开发更多替代性可再生资源。

在明确其内在机制的基础上，针对丘陵地区提出生态容量模拟的方法，将预测、模拟、多目标决策以及政策设计有机结合，构建出一套开发规模确定的多情景模拟方法，使开发的规模与发展方向更加科学，更好地实现生态空间系统的保护优化和提质增效，具有巨大的实践价值与现实意义。

未来研究应立足国际趋势与我国国情，继续探索丘陵地区与其他地区的区别与规律特性，深化生态容量模拟方法、运行机制、保障体系等科学难点问题，从多方面入手探寻更加精细化、体系化的开发规模确定模式，推动未来城镇更加可持续发展。

图表来源：

图1-9：作者绘制

表1-4：作者绘制