美国东南部接骨木果与甜椒农林复合系统的表现及其对农业决策的启示

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Performance of an Elderberry–Bell Pepper Agroforestry System in the Southeastern US and Insights for Farm Decision-Making

　　摘要

全球食品需求的增长加剧了农业实践，这些实践虽然提高了产量，但往往导致土壤退化、生物多样性减少，并削弱了长期的可持续性。基于自然的解决方案，如农林业（将多年生灌木或树木与一年生作物结合），通过收入多样化、土地使用优化以及潜在的生态系统服务（例如在接骨木开花期间观察到的传粉者出现），为可持续集约化提供了途径。美国接骨木（Sambucus canadensis）是一种多功能多年生灌木，但目前关于这种灌木与蔬菜结合及其对作物表现和生产力影响的实地证据仍然有限。本研究在田间条件下评估了将美国接骨木与甜椒（Capsicum annuum）结合的多年生-一年生农林业系统。在2024-2025年的两年实验中，比较了三种甜椒品种：California Wonder、Orange Sun和Quadrato d’Asti Rosso（QDAR），这些品种分别种植在基于接骨木的条带种植系统和传统的单一种植系统中。我们在多个生长阶段（移植后30、45、60和75天）测量了生长特征（植株高度、叶面积指数、茎直径、分枝数量和叶片数量）和生理特征（叶绿素和气孔导度）。两年都对甜椒和接骨木的果实产量进行了记录。基于接骨木的条带种植系统改善了多个生长和生理参数，并保持了条带内一年生作物（甜椒）的产量。在生长和产量方面，California Wonder和QDAR品种表现优于Orange Sun。接骨木的产量从2024年的646公斤/公顷（576磅/英亩）增加到2025年的1625公斤/公顷（1450磅/英亩），这反映了其生长和成熟的情况。在移植后60天测量的中期生长和生理特征，特别是冠层特征（如叶片数量和叶面积指数），为产量提供了有价值的指标，并对农场层面的决策提供了参考。

1 引言

极端天气事件的频率和强度增加扰乱了食品生产，增加了食品安全风险。预计全球食品需求将大幅增加，从2011年到2050年，世界农作物热量产量预计将增加约47%，主要得益于产量集约化和适度的耕地扩张（Sands等人，2023年）。此外，预计到2050年全球人口将达到97亿，而在有限的耕地上养活这一不断增长的人口具有挑战性（联合国，2019年）。这些压力加剧了不可持续的农业实践，如过度使用化肥、农药、除草剂、过度耕作和资源的大量消耗。这些做法虽然提高了产量，但由于土壤侵蚀、污染、气候压力和生物多样性丧失等原因，对环境造成了破坏（Akanmu等人，2023年）。农民们正在通过适应性和非适应性措施来应对这些压力，这突显了向再生性和适应性生产系统过渡的必要性（Upadhaya和Arbuckle，2021年）。基于自然的解决方案（NbS）是利用自然过程来缓解紧迫挑战（如气候变化、食品安全问题、生物多样性丧失和土地退化）的可持续方法（IUCN，2020年；UNEP，2024年）。通过增强生态系统功能，NbS可以带来多重协同效益，包括提高韧性、环境可持续性和人类福祉（IUCN，2020年）。农林业作为一种重要的NbS，提供了一种在同一土地管理单元内结合树木和灌木与作物和/或牲畜的方式（Lundgren等人，1983年）。在农林业实践中，条带种植将树木或灌木排列成行，而在行间种植一年生作物（Garrett等人，2021年）。它通过多功能土地利用方法优化了土地使用。条带种植通过将树木或灌木与多样化作物结合，最大化了空间生产力，从而获得多种产品，如食物、饲料、木材或水果。该系统能够在保持两种成分的生态功能的同时，同时生产一年生作物和长期的树木产品或灌木果实。越来越多的研究表明，将树木或灌木融入农业景观可以带来多重环境、经济和社会效益（Bhandari等人，2025年；Castle等人，2022年）。这些系统通过提供一年生作物的短期现金流，同时开发木质或灌木成分的中长期产品，从而实现收入多样化（Jahan等人，2022年；Suwardi等人，2023年）。环境效益包括树木和灌木提供遮荫，创造了有利于作物的微气候条件，通过紧握土壤控制土壤侵蚀，通过提供多样的花卉资源和传粉者及其他物种的栖息地来增强生物多样性（Varah等人，2020年），保持土壤肥力，通过减少农业化学品的渗漏来改善水质，以及帮助碳封存（Arimi和Omoare，2021年）。经济效益包括来自树木、灌木、作物及其所有组成部分的多样化收入来源，以及减少收入损失的风险（Roshetko等人，2013年）。社会效益包括通过多样化作物提供多种营养，稳定的食品供应，以及通过农林业获得药用植物来提高社区健康（Pandit等人，2019年）。在这种背景下，美国接骨木（Sambucus canadensis）已成为美国多样化农业系统中的一种有前景的多年生灌木。全球接骨木市场正在经历显著增长，预计2024年至2029年间市场规模将增加3.495亿美元，复合年增长率（CAGR）为7.6%（Technavio，2025年）。此外，仅接骨木补充剂市场预计从2025年的14.5亿美元增长到2035年的34.2亿美元，复合年增长率（CAGR）为8.9%（FMI，2025年）。在美国，接骨木作为食品成分或补充剂的销售额在2019年达到了1.13亿美元，主要是由于其用于增强免疫力的产品（EastFruit，2024年）。此外，美国的商业接骨木种植面积从2017年的790英亩（USDA NASS，2017年）增加到2022年的2627英亩（USDA NASS，2022年），其中密苏里州是主要产区（USDA NASS，2022年）。在农场规模上，已建立的1000英尺高的树篱在3-5年内可产生2000-3000美元的年收入，突显了这种作物在多样化种植系统中的经济可行性（Brodt等人，2024年）。除了市场价值外，接骨木适应各种土壤和地点条件，可以在边缘土地上种植，并且相对于许多树种来说，它开始结果的年龄较早（Bulatovic-Danilovich，2022年；Ernst和Painter，2023年）。这些特性使接骨木成为寻求低风险进入农林业的农民的一个有吸引力的多年生成分。将高价值蔬菜作物（如甜椒）整合进去，始终是美国最受欢迎的蔬菜之一（USDA NIFA，2022年）。尽管具有这种潜力，但关于基于接骨木的农林业系统的实地证据仍然有限，特别是在与高价值一年生蔬菜作物的结合方面。现有的研究和实践主要集中在简单的条带管理上，例如在接骨木行间播种覆盖作物（如草或三叶草）（Errickson等人，2025年），通常不包括在条带中种植高价值的年度蔬菜，如甜椒。同样，大多数关于接骨木的农艺研究集中在品种试验、果实产量和土壤肥力影响上（Thomas等人，2024年）。因此，对于蔬菜在接骨木条带中生长时的表现以及这些相互作用如何影响整个系统的生产力，实证了解有限。这一差距限制了农民将基于接骨木的农林业评估为多样化生产实际选择的能力。除了了解系统生产力外，种植者还需要及时信息来调整施肥、灌溉、劳动力规划、收获安排和营销决策，最终降低生产风险并提高盈利能力（Kuradusenge等人，2023年；Shafi等人，2023年）。产量预测研究越来越多地使用多阶段生长数据来捕捉作物对管理和环境条件的响应（Paudel等人，2021年；Silva等人，2023年；Zhou等人，2025年）。LASSO回归等方法因其能够进行变量选择和识别有影响力的预测因子而被使用（Khaki等人，2020年；Shahhosseini等人，2021年）。集成方法，如随机森林（RF），通常通过捕捉多个生长阶段的非线性关系和相互作用来实现更高的预测准确性（Silva等人，2023年；Zhou等人，2025年）。Bregaglio等人（2023年）的最新工作表明，通过将经过校准的叶面积指数（LAI）动态嵌入作物模型参数集中，可以显著提高区域产量预测的准确性。尽管许多产量预测研究依赖于大规模数据集，但很少有研究关注多样化系统中的特定阶段预测，这对于管理决策至关重要。因此，本研究的目的是在田间条件下评估将美国接骨木与甜椒结合的多年生-一年生农林业系统。具体来说，本研究旨在（i）量化基于接骨木的条带种植对甜椒的生长、生理特征和产量的影响与传统单一种植相比的情况，（ii）比较不同种植系统中的品种表现，（iii）识别与产量相关的农场决策相关的生长阶段和特征。通过实现这些目标，本研究为温带生产区域（如肯塔基州）多样化农林业系统的设计和管理提供了实证依据。

2 材料与方法

2.1 研究地点和实验时间线

我们在美国肯塔基州的Frankfort（38.2° N，84.9° W；海拔750英尺）进行了田间实验（图1）。单个实验块的详细布局以及样本植物在块内的位置显示在支持信息S1中。2023年，我们以行作物形式种植了接骨木插条。2024年6月初和2025年5月底，我们将甜椒幼苗移植到条带种植区和对照组，并在2024年6月至10月和2025年5月至9月期间进行了实验。该地点的可访问性、现有基础设施、靠近水源的位置以及位于已建立的牧场中，使其成为这项试验的理想场所。

2.2 土壤特性

在实验开始之前，除了少数树木外，田地是裸露的。2023年，我们从块的中心采集了八个土壤芯样进行基线土壤分析。我们在0-15厘米深度收集了土壤样本，并在靠近接骨木的地块距离接骨木茎15厘米处，在没有接骨木的地块从开放空间取样。研究田地的土壤为沙质壤土。土壤pH值为6.32，表明略微酸性，有利于养分吸收；土壤水pH值为7.09，反映了接近中性的土壤溶液条件。土壤有机质平均含量为2.4%，总氮平均含量为0.19%，表明肥力处于中等水平。有效磷含量极高（540毫克/千克），超过了通常认为适合作物生产的15-40毫克/千克的充足范围，而有效钾含量也较高（379毫克/千克），远高于100-200毫克/千克的临界阈值。这表明基线肥力没有限制作物生长，观察到的处理效果反映了实验因素（例如接骨木的存在/缺失），而不是基线土壤肥力的差异。

2.3 气候条件

研究区域具有湿润的亚热带气候，夏季炎热潮湿，冬季寒冷。我们从肯塔基州Franklin县的气象站点获取了2024年和2025年的气象数据（https://www.kymesonet.org）。平均温度在7月至8月达到峰值，最高温度超过30°C。降水量在两年间有所不同，2024年的降水分布更均匀，而2025年早季降水量较多，随后是中段干季（图2）。

2.4 实验设计和处理

实验采用分割地块随机完全区组设计。主地块因素包括接骨木的存在/缺失，子地块因素包括三种甜椒品种。共有四个地块，每个地块面积为30×65英尺，每个地块有六株植物。第一个因素是接骨木的整合，有两个水平：接骨木的存在表示条带种植，接骨木的缺失表示传统种植。2024年时，接骨木灌木已有两年树龄，通常以西北-东南方向种植，间距为4×6英尺。每个地块的每行种植了七株接骨木植物，以创造它们之间的空间。第二个因素包括三种甜椒品种：California Wonder、Orange Sun和Quadrato d’Asti Rosso。在每个地块和接骨木处理中，我们在地块层面随机分配甜椒品种，而不是将它们固定在相对于接骨木灌木的行位置。这种方法确保了所有三种品种在行内出现，并且在块内和块间与接骨木植物的距离不同，从而避免行位置与品种混淆。由于接骨木花行的存在而产生的阴影梯度被视为巷作系统的固有组成部分，而不是一个独立的实验因素。我们在2024年6月24日将甜椒移植到地块中，植株间距为2英尺，并在2025年6月2日进行了第二次移植。三种甜椒品种在每个区块内进行了随机分配。我们在移植后的第30天、45天、60天和75天分别收集了四次数据，以评估在有无接骨木花的情况下，不同甜椒品种的早期（30天后）、中期（45天和60天后）和后期（75天后）的生长表现。测量的生长和生理参数包括植物高度、茎直径、叶片数量、分枝数量、叶面积指数（LAI）、气孔导度和叶绿素含量。植物高度是用木尺从基部测量到上部叶片尖端的距离。茎直径是在距地面2厘米处用数字卡尺测量的。LAI是使用LI-COR公司的LAI-2200C植物冠层分析仪（美国内布拉斯加州林肯市）测量的。气孔导度是在中午时分使用LI 600透射仪/荧光仪（LI-COR公司，美国内布拉斯加州林肯市）从上部冠层的一片完全发育的叶片上测量的。叶绿素含量则是通过Minolta Digital公司的SPAD-502叶绿素仪（日本大阪）测得的。产量是根据单个样本植株的总果实重量以及整个地块的总产量来计算的。

2.5 季节中的作物管理
我们在所有处理组中保持了统一的管理措施。我们通过滴灌系统定期为甜椒植株行和接骨木灌木行浇水，从而为植物提供稳定的土壤湿度。在研究期间，我们没有施用任何外部肥料或土壤改良剂，让实验依赖于现有的土壤养分状况。对于甜椒，我们没有进行任何修剪或掐尖处理。我们还进行了常规的田间维护工作，如手工除草和机械除草，以减少不需要的植被竞争。在休眠期（1月至2月），我们按照推荐的做法修剪了接骨木灌木，以促进均匀的再生（Byers等人，2022年）。

2.6 作物表现和作物/树木生产力
一旦果实达到理想的市售大小、硬度和颜色，我们就会在每个季节多次收获甜椒。甜椒大约在移植后的第80至90天达到可收获的成熟期。我们通过计算每株植物的浆果重量来量化接骨木的产量，以确定作物的生产力。由于接骨木的开花和结果模式不均匀，因此需要分几次收获浆果。

2.7 统计分析
我们分析了生长和产量参数，以评估基于接骨木的巷作系统的影响。我们采用线性混合效应模型进行建模，将测量变量作为响应变量，将接骨木的存在与否、品种及其交互作用作为固定效应，同时将区块作为随机效应纳入模型，以考虑实验设计的特点。由于我们在不同行之间随机分配了甜椒品种，因此没有将行位置作为独立因素进行处理；通过将区块作为随机效应，我们考虑了空间变异。我们使用lmerTest包进行了基于Satterthwaite近似的III型方差分析。我们使用Shapiro-Wilk检验、Q-Q图和Levene检验来评估正态性和方差同质性的模型假设。通过emmeans包中的“emmeans”函数进行了Tukey的诚实显著差异（HSD）事后检验。为了表示组间差异，生成了紧凑字母显示（CLD），显著性水平为α=0.05。我们还计算了每种处理组合的描述性统计量（平均值、标准差和平均值的标准误差）。在数据不符合正态性假设的情况下，使用了Wilcoxon秩和检验作为非参数替代方法。产量预测模型是基于2024年和2025年生长季节期间测量的甜椒植物的生长和生理特征建立的（n=288株植物）。特征包括植物高度、LAI、叶绿素含量（SPAD）、气孔导度、茎直径、分枝数量和叶片数量。接骨木处理（EB；有/无巷作）被作为一个二元预测因子纳入模型。每株植物的产量（磅）被用作目标变量。我们分别为30天、45天、60天和75天的每个生长阶段建立了独立的模型，使用了八个预测因子。我们评估了五种算法：线性回归、LASSO回归、梯度提升机（GBM）和支持向量回归（SVM）。对于线性、LASSO和SVM模型，预测因子进行了标准化处理；而对于基于树的模型，则使用原始值。标准化（缩放到零均值和单位方差）确保了所有预测因子对对变量尺度敏感的算法都有类似的贡献，而基于树的模型则不需要这个步骤。我们使用蒙特卡洛交叉验证来评估模型性能，该方法通过多次随机训练-测试分割来提供模型准确性的稳定估计。

3 结果
3.1 有接骨木和无接骨木条件下甜椒的形态或物理生长参数
接骨木的存在对两个研究年份的物理生长反应有持续的影响。在移植后的所有天数里，有接骨木的试验组的平均植物高度都显著高于无接骨木的试验组，除了2025年的第30天。在有接骨木的试验组中，植物随着时间的推移表现出稳定的生长，75天时的高度优势在4到6厘米之间。2024年的所有时间点以及2025年后期的茎直径在有接骨木的条件下也更大（见图3）。这反映了更强的结构发育。LAI在两年观察期间都有类似的趋势，有接骨木的条件下值更高（见图3）。这表明冠层发育得到了增强。2024年的第45天、60天和75天以及2025年的第45天和60天，有接骨木的试验组的叶片数量显著更多。2024年的第30天、45天和75天以及2025年的第60天，有接骨木的试验组的分枝数量也显著更多（见支持信息S2）。图3显示了2024年和2025年有接骨木和无接骨木处理条件下植物高度、茎直径和叶面积指数的发展趋势。三个品种的植物高度在整个季节都在增加。接骨木的存在的影响取决于品种和生长阶段。在California Wonder品种中，靠近接骨木生长的植物在45天和75天时略微高一些，尽管早期阶段的值在处理组之间相似。Orange Sun品种的反应最为明显。当甜椒在有接骨木的试验组中生长时，30天、60天和75天的高度始终更高。Quadrato d'Asti Rosso品种在60天和75天时也显示出明显的增加，尽管2024年的30天值在处理组之间基本相似。总体而言，接骨木在季节中后期具有更大的影响，此时植物生长最为活跃（见图4）。

3.2 有接骨木和无接骨木条件下甜椒的生理参数
叶绿素含量（SPAD）对接骨木存在的反应因采样日期和年份而异。2024年，30天和75天时在有接骨木条件下SPAD值略高，这两个时间点存在显著差异，而在45天和60天时则没有显著差异。2025年，所有采样日期下不同处理组的叶绿素含量总体相似，没有检测到显著差异（见图5；支持信息S3）。总体而言，有接骨木的试验组的SPAD水平略有 higher，但这些差异在不同日期和年份之间并不一致（见图5）。

3.3 有接骨木和无接骨木条件下甜椒的产量参数
2024年，有接骨木的试验组的甜椒产量在22,000至40,000公斤/公顷之间。与2024年相比，有接骨木的试验组的产量显著高于无接骨木的试验组；而在2025年，各处理组之间的产量更为接近（见表1；支持信息S4）。当结合两年间的产量数据时，有接骨木的处理组的产量高于无接骨木的处理组（见图6）。在有接骨木和无接骨木的试验组中，California Wonder和QDAR品种的表现优于Orange Sun品种。表1显示了2024-2025年间接骨木存在与否对甜椒品种产量的影响。

3.4 基于生长和生理特征的产量预测建模
我们使用机器学习模型来评估生长和生理特征在预测甜椒产量方面的能力。在两个生长季节中，我们在四个时间点（30天、45天、60天和75天）测量了甜椒的植物高度、LAI、茎直径、叶片数量、分枝数量、叶绿素含量和气孔导度等生长和生理特征，并将接骨木的存在与否作为处理因素纳入模型。模型性能通过R2和RMSE进行评估。在60天生长期（DAT）时获得了最高的预测准确性，随机森林（RF）模型平均R2值为0.29±0.06，均方根误差（RMSE）为0.50磅/株，这在200次蒙特卡洛重复实验中得到了验证（支持信息S5）。尽管解释的方差相对较小，但这表明中期生长和生理特征能够捕捉到产量变异性的一个可测量但部分的因素。产量变异的很大一部分可能归因于天气变化、土壤参数和管理实践等因素。在这一阶段，线性回归（Linear Regression）和LASSO模型的表现相当（R2≈0.27），表明中期特征与产量之间的关系主要是线性的。在30天生长期进行早期预测也取得了一定的成功（R2≈0.21–0.24），表明初始的冠层发展特征可以为最终产量提供一些信号。在75天生长期，模型仅解释了约24%-25%的产量变异，而在45天生长期则表现较差（R2接近或低于零），表明在该阶段特征与产量之间的关联较弱。在所有模型中，线性回归、LASSO和RF的表现始终优于梯度boosting（GBM）和支持向量机（SVM）。在60天生长期，GBM最多只解释了约13%的产量变异，而SVM经常产生负的R2值，反映出过拟合和泛化能力差。在不同模型中，叶数（LN）和叶面积指数（LAI）是最强的产量预测因子，其次是茎直径（SD）。生理特征（SPAD和GSW）和植株高度的贡献较小，而接骨木的存在与否几乎没有任何重要性，这表明中期冠层特征是产量预测的主要依据。

4讨论
在基于接骨木的种植系统中，甜椒的生长和生理特征（如植株高度、LAI、茎直径、分枝数、叶片数、叶绿素含量和气孔导度）的一致性改善表明，接骨木的冠层有助于调节微气候，减少热应激，降低蒸腾需求，并减弱风的影响。类似的促进效果已在温带农林系统中得到报道，其中部分遮荫可以提高水分利用效率并减轻一年生作物的生理压力（Rathore等人，2022）。与其他研究结果一致，发现在辣椒栽培中，约25%-50%的适度遮荫可以显著增加叶绿素含量、气孔导度和果实产量，从而缓解热应激（Ahmed等人，2023）。虽然遮荫强度可能随着与接骨木行距的接近程度而变化，但随机化处理确保了这些差异不会系统性地偏倚品种间的比较。这使得我们能够在功能性林下种植系统的背景下解释品种间的差异。在接骨木存在的情况下，植株高度倾向于增加，而茎直径的变化较小，这表明植物表现出避阴反应，在光照减少的情况下优先进行垂直生长而不是增粗茎干。Kabir等人（2019）报告称，在遮荫程度增加至30%时，甜椒的植株高度更高，茎直径减小。在本研究中，年度间的天气条件变化可能与遮荫效应相互作用，导致2025年橙色阳光品种在不同生长期（DAT）的LAI响应不一致。此外，测量参数之间的差异可能反映了资源分配的权衡，而不是均匀的竞争效应。在林下种植系统中，甜椒植株经历了适度的地上竞争，这改变了同化物在各个特征之间的分配。在部分遮荫条件下，植物倾向于优先发展增强光捕获的特征（如植株高度），而不是与结构强化或侧向冠层扩展相关的特征（如茎直径和LAI），从而导致参数间的响应不均匀。由于地上和地下竞争，最初假设林下作物的产量会因接骨木的加入而减少。然而，我们发现2024年在接骨木存在区域甜椒产量显著增加，而2025年的产量相当。2024年在接骨木存在下观察到的更高产量可能反映了果实成熟期更有利的气候条件。如图2所示，2024年7月和8月降雨量较高，与开花和果实发育时期一致，同时平均温度相对稳定在20°C–25°C之间。相比之下，2025年的大部分降水发生在季节初期（5月至6月），随后在主要生殖阶段降雨量减少，温度也较为适中，导致林下地块内的水分优势减弱。此外，接骨木植物在第二年表现出更大的冠层生长和遮荫作用，这可能增加了对光、水和养分的竞争。先前的研究表明，甜椒对部分遮荫条件具有显著的适应性，有研究显示30%的遮荫可以使市场产量翻倍，同时将作物损失从50%降低到10%（Cooper 2012；Ernest 2022；Kabir等人2019）。接骨木植物创造的微气候提供了有益的生长条件，包括减少热应激、改善水分保持和抵御极端天气事件（Ernest 2022；Kabir等人2019）。相反，由于遮荫和竞争，甜椒在树木或树篱下的产量通常会减少。例如，在印度北部的一项研究中，与开阔田地（无树）相比，饲料树（Grewia optiva）下的辣椒产量降低了约33%（Sharma和Thakur 2020）。同样，在密集种植的Melia composita树下的辣椒每株果实产量大约只有单一种植（露天）地块的一半（Pant等人2020）。这些例子表明，当辣椒与树木间作时，尤其是在树木间距较近或冠层覆盖密集的情况下，产量会显著下降。因此，适当的接骨木冠层管理对于充分利用遮荫效应至关重要。与传统种植方式相比，接骨木的存在为农场带来了重要的生态系统服务。作为一种多年生灌木，它改善了土壤结构，通过落叶增加了有机质，并形成了更深的根系通道，提高了土壤的孔隙度和渗透性。其花朵吸引了多种传粉蜜蜂，如蜜蜂和大黄蜂，这些传粉者在野外考察和监测期间在接骨木花朵上非常显眼（Frillman 2021）。Frillman指出，接骨木的花在晚春开花，形成显眼的伞形白色花序，对多种传粉者具有很高的吸引力。这些生态价值可以惠及一年生林下作物。传粉活动的增加可能间接支持甜椒的果实形成，尽管在我们的研究中没有直接测量这一关系，但需要进一步研究。由于接骨木树篱或边界作物的结构多样性，可以容纳害虫的天敌。这些调节和支持服务与广泛的证据一致，表明农林系统能够增强生态韧性、养分循环和微气候调节（Jose 2009；Maitra等人2025；Paudel等人2025）。此外，美国的保护计划（如自然资源保护计划（NRCS）、环境质量激励计划（EQIP）和保护管理计划（CSP）也越来越重视这些生态协同效益，这些计划激励生产者采用多样化的多年生系统，以改善生物多样性、土壤健康和气候调节等（Lenhardt和Egoh 2023）。总体而言，这些生态系统功能通过维持或提高产量同时减少对外部投入的依赖性，支持可持续集约化。从经济角度来看，接骨木的整合提供了收入多样化和风险缓解的机会。在我们的研究中，2024年每公顷获得了646公斤（576磅/英亩）的接骨木果实，2025年为1625公斤（1450磅/英亩）。随着灌木成熟并通过定期休眠期修剪进行管理，预计产量还会增加（Byers等人2022）。单独种植接骨木的初始成本约为每公顷4500美元，而在生长和生产高峰期，年度变动成本介于1000美元至3000美元之间，主要受劳动密集型收割工作的影响。在高峰生产年份，年总收入估计为每公顷约12,500美元，表明一旦接骨木成熟，将有显著的净收入潜力。较低的初始投资和长期的生产性使得接骨木成为适合集成到林下种植中的多年生作物。接骨木的花朵和果实可以加工成增值产品，如葡萄酒、糖浆、果酱和膳食补充剂（Byers等人2022），并且接骨木的营养和药用特性已有充分记录（Senica等人2016）。近年来，市场对接骨木产品的需求迅速增长（Crothers 2020；FMI 2025）。专门的农作物市场的增长和美国农业部对特殊作物的支持增加了农村经济发展和地方企业增长的机会（USDA 2024）。基于接骨木的林下种植在社会维度上进一步支持了其可持续农业的相关性。食物安全仍然是美国的一个主要公共卫生挑战，有13.5%的家庭面临食物安全问题（USDA ERS 2025）。结合多年生和一年生作物可以为短期食物供应和收入提供支持，同时从多年生组分中获得长期的营养和经济效益。基于接骨木的系统还可以支持与文化相关的食品实践和增值企业，特别是在小规模、部落和城郊农业环境中。本研究的实际发现之一是确定了60天生长期是使用随机森林模型进行产量评估的有效阶段。确定这个单一的高价值测量点可以大幅降低农民的劳动和监测成本，实现有针对性的侦查、更好的灌溉计划和更高效的肥料或害虫管理决策。这个阶段与作物从营养生长到早期开花/结果期的过渡相符。随机森林模型非常适合这一应用，因为它们能够捕捉变量之间的非线性关系和相互作用，并已被公认为农业产量预测领域的佼佼者（Jeong等人2016；Van Klompenburg等人2020）。在60天生长期，叶数（LN）和LAI是一致最强的产量预测因子，而茎直径（SD）和叶绿素（SPAD）的影响适中，其他特征的影响较小（图7）。这些发现突显了中期冠层发展特征在产量预测中的核心作用，并与之前的研究结果一致，即LAI是提高作物产量预测准确性的关键变量（Bregaglio等人2023）。在关键生长阶段进行现场评估可以提高监测效率，并有助于在生长季节及时制定管理决策。然而，相对较低的R2值强调，仅依靠特征预测不足以实现精确预测。未来的研究应整合更大的样本量、多地点和多年数据以及环境协变量（土壤、天气和地形），以提高模型的稳健性。通过遥感工具（如无人机或基于卫星的冠层指数）可以快速测量大面积的LAI和冠层特征，从而扩大这种方法的应用范围。结果清楚地显示了将接骨木整合到林下种植系统中的益处，但仍有一些需要考虑的因素。我们的设计中灌木和一年生作物的紧密间距限制了机械收割机的使用，这使得该系统更适用于希望优化土地利用和进行可持续集约化的中小规模农民。大型农场可以采用更宽的间距和修改后的布局来适应机械收割。此外，本研究仅在单一地点进行，并且只包含了一种作物。需要在不同地点进行试验，以扩大结果在不同土壤、气候和管理实践下的普遍性。这样的研究可以指导推广建议，并为支持温带农林系统的采纳提供信息。包含豆科植物或其他互补作物可以进一步增强系统的长期韧性，通过提高土壤肥力、改善氮循环或吸引更多传粉者。进一步的研究应在不同的环境条件和国家组合下进行，以评估不同种植系统的经济效益。这种沟渠种植系统的生产力通过接骨木果的额外产量得到了进一步提升。这清楚地表明，基于接骨木果的沟渠种植系统能够促进甜椒的生长和产量，这是一种可持续的农业实践，有助于提高作物生产力并促进生态系统服务。在测试的甜椒品种中，California Wonder和QDAR在生长和产量方面表现优于Orange Sun。此外，在种植后60天（60 DAT）测量的中期生长参数能够更准确地预测产量，这是通过随机森林（RF）模型实现的。与冠层相关的特征，如叶片数量和叶面积指数（LAI），是预测产量的重要指标，突显了中期产量预测的价值。这为管理决策提供了一个实用的工具。然而，该研究也存在一些局限性：结果基于沟渠种植系统的短期建立阶段，随着多年生组成部分的成熟，长期内的作物-树木/灌木之间的相互作用可能会有所不同。此外，微气候调节和竞争过程是根据作物反应推断出来的，而非直接测量得到的，这限制了对其机制的深入解释。机器学习分析也受到相对较小数据集的限制，可能会影响模型的稳健性和泛化能力。纳入额外的解释变量，如土壤特性、微气候条件和天气动态，可以提高预测准确性，并在更早期的生长阶段（例如种植后30-45天）实现更可靠的产量预测。尽管存在这些局限性，但这些发现对可持续农业具有重要意义。基于接骨木果的沟渠种植为小型和中型生产者提供了一种提高生产力、多样化收入以及支持生态系统服务（如授粉活动和土壤健康）的有效策略。此外，中期产量预测为作物管理、收获计划和市场推广提供了实用的决策支持工具。总体而言，这项研究为采用基于接骨木果的沟渠种植系统提供了实证支持，并指明了推进多样化种植系统研究与农场决策制定的明确方向。

作者贡献：
Santosh Paudel负责进行田间实验、整理数据、执行所有统计和模型分析、撰写原始手稿、进行数据可视化，并领导了修订工作。
Suraj Upadhaya提供了总体监督和指导，审阅和编辑了手稿，并确保了研究资金的落实。
Sudha Bhandari负责数据收集、审阅和手稿编辑。
Anuj Chiluwal、Theoneste Nzaramyimana和Srijana Thapa Magar对手稿提供了指导、审阅和编辑服务。

致谢：
本研究的财务支持来自USDA-Evans Allen基金（项目编号#7007252）和能力建设基金（项目编号#1025632）。

利益冲突：
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明：
本研究发现所依据的数据可应请求向通讯作者索取。