研究

季节性作物生产的空间模式表明夏威夷ʻi岛旱地农业系统内部和整个系统之间的协调

• 摘要
• 简介
  • 旱地系统生产的限制
  • ʻUala作为探索季节性种植的镜头
• 方法
  • 一般方法
  • 夏威夷的位置和性质ʻi岛屿旱地野外系统
  • 气候数据集
  • 气候阈值模型作物建立和生长季节
• 结果
  • 夏威夷的气候ʻi岛旱地田系统
  • 基于气候的季节性设施和种植信封
• 讨论
  • 基础设施的变化
  • 系统集成
  • 支持粮食系统恢复和文化实践
  • 模拟旱地作物生产的研究局限性和未来的机会
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

夏威夷传统农业通常被分为湿地(洪水灌溉)和旱地(雨养)生产系统。由于这两种系统的强化机会在群岛上并不平均分布(Ladefoged et al. 2009)，有人提出，这两种主要农业模式在产量、劳动力需求和稳定性方面的强烈差异驱动了不同政治经济结构的出现。湿地农业系统提供了高而稳定的作物产量，支持相对稳定的经济和政治系统(Kirch 1994)。相比之下，旱地系统的生产更容易变化，因为它们依赖于季节性或间歇性降雨(Malo 1951, Kamakau 1976, Lee等人2006,DiNapoli和Morrison 2017)。尽管如此，旱地农业在较年轻的夏威夷ʻi和毛伊岛占主导地位;Ladefoged等人(2009)估计，在夏威夷ʻi岛上，97%的耕地是雨养的。

在18世纪和19世纪的夏威夷ʻi，在欧洲人到达之前和之后的几十年里，夏威夷ʻi岛和毛伊岛的下风地区的政治扩张，统一了各个岛屿，最终统一了整个群岛。几十年来，人们一直认为这些掠夺性政治是在地质上年轻的雨养地区发展起来的，而不是在Oʻahu或Kauaʻi更多产的灌溉山谷中发展起来的，这也是考古研究的重点(例如，Rosendahl 1972, Schilt 1984, Ladefoged et al. 1996, Allen 2001, Ladefoged et al. 2003)。一些研究人员关注的是，与灌溉系统相比，人工雨养系统固有的波动性增加，他们认为，这些系统的年产量变化可能导致了低于平均收成时期的攻击性(Kirch 2010, Hommon 2013)。另一些人则认为，缺乏糟糕年份的证据，野外系统的大规模可能是为了积累财富资产，如猪，以支持政治野心(Dye 2014)，尽管收益率的可变性仍可能影响收购更多财富资产的积极性。无论如何，大多数研究人员都同意，而且模型也表明，岛屿潮湿地区和干燥地区之间以及各个农田系统内部的产量变化是增强协调的关键因素，无论是通过强制还是合作，这在公元1600年之后的群岛中很明显(Allen 2004, Ladefoged和Graves 2008, Ladefoged等人2008,DiNapoli和Morrison 2017)。

虽然对降雨和产量的年-年变化的影响进行了研究，但年内变化的作用在很大程度上被忽略了。因此，本研究的目的是考虑在这些较短的时间尺度上，季节性水分限制和由此产生的农业生产变异性如何影响内部和插值协调。我们认为，这对收获后储存量相对较差的热带根茎作物尤其重要，因为协调将提高资源可用性，以支持生存和盈余目标。此外，考虑到夏威夷ʻi著名的环境异质性，我们对这种季节性如何在不同的雨养农田系统中表现很感兴趣。为了实现我们的目标，我们将注意力集中在夏威夷ʻi岛上Kohala、Kona和Kaʻū地区的三个雨养农田系统上，提出了一系列问题:(1)这三个农田系统在平均气候方面是如何比较的?(2)与植物生长最相关的气候变量的平均年周期(季节性)有何相似或不同?(3)这种气候季节性叠加在陡峭的气候梯度上如何决定季节性耕作的空间格局?我们讨论了观察到的生产模式对政体间和政体内互动和整合的影响。最后，我们评估了三个田间系统中相似类型的农业基础设施可能如何应对每个系统独特的气候环境。

旱地系统生产的限制

我们对夏威夷旱地农田系统的农业生产潜力的理解很大程度上是由背风科哈拉的研究形成的，那里的农田系统是由相对静态的生物地球化学特征划分的(Vitousek et al. 2004, 2014)。降水和基质年龄相互作用，形成肥沃的土壤“域”，其界限为上限(较湿润)限值，在此范围内，土壤特性，如磷、土壤pH值、可交换钙和碱饱和度在几乎没有气候强迫的情况下迅速下降(Vitousek和Chadwick 2013, Vitousek等2014)。然而，在科纳农田系统中，农业集约化远远超出了土壤域和肥力指标，可能代表了一种不同的养分限制途径(Lincoln等，2014)。随着时间的推移，年降雨量的变化会限制作物生产(Lee等人2006年，Ladefoged等人2011年，DiNapoli和Morrison 2017年)，而Kohala的干燥风需要防风设施(Ladefoged等人2003年)。Lee等人(2006)的建模工作提出了降雨、温度和生物地球化学过程的变化决定气候的时空模式的机制ʻ通海小河(地瓜,Ipomea甘薯)作物的生长和长期发展，在科哈拉农田系统，它是一个关键的主食。在地面上，农田系统恢复的努力表明，气候梯度和特定的耕作措施，如覆盖强烈影响产量ʻ通海小河(Kagawa和Vitousek 2012, Lincoln等人2017,Marshall等人2017)。

ʻ通海小河作为探索季节性耕作的镜头

ʻ通海小河在夏威夷ʻi的雨养农田系统中，它是一种关键的主粮作物，使人口扩张到其他主粮作物无法种植的干旱地区(Yen 1974, Coil and Kirch 2005)。民族志证据显示ʻ通海小河夏威夷旱地的种植与降雨的到来密切相关;种植者对天空非常关注(Pukui 1983，匿名者1922，引用Trapp 2003)，有记录的农业祈祷呼吁雨和云的神(Solis 1999)。在夏威夷ʻ我,ʻ通海小河种植时都是植物性插枝(例如，Malo 1951, Kamakau 1976, Handy 1940)，这表明种植者在雨季来临时可以随时获得插枝来建立新的田地。ʻ通海小河它是夏威夷种植者主要作物中成熟最快的一种，早在三个月就能结出块茎(Handy 1940)，耐寒且生长迅速，因此被称为“结束饥荒的食物”(Pukui 1983:946)。鉴于这种作物在旱地农业中的重要性，它与季节性降雨和种植的关联，以及它的迅速成熟，ʻ通海小河为我们模拟旱地系统的季节性栽培提供了一个理想的透镜。

方法

一般方法

为了实现我们的目标，我们分析了夏威夷ʻi (Giambelluca等人2013年，2014年)的网格气候数据，重点是Ladefoged等人(2009年)定义的属于Kohala、Kona和Kaʻū野外系统的区域。我们比较了三个野外系统的气候平均值和季节指数的聚合值和地图，以可视化空间模式。然后，我们确定并应用每月的气候阈值来分类适合种植的时期和地点ʻ通海小河．我们利用这些数据以地图和图表的形式比较了三个田间系统的月栽培潜力，说明了整个田间系统不同位置生长季节的开始和长度的差异。

夏威夷的位置和性质ʻi岛屿旱地野外系统

科哈拉位于岛北部的背风坡上，科纳位于岛的西部，Kaʻū位于岛的南部(图1)。第四个旱地系统，位于科哈拉和科纳之间的Waimea农田系统，其独特之处在于它比其他旱地系统更靠近内陆，并包括灌溉功能(参见Clark 1986, McIvor和Ladefoged 2018)。这种独特性使得威美亚与其他三个农田系统之间的直接比较变得困难，在这里，我们主要关注科纳、科哈拉和卡的纯雨养农田系统ʻū。

Kohala野外系统位于夏威夷北部Kohala半岛的背风(西部)斜坡上，面积约60平方公里。ʻi。农田系统从北部的海岸附近一直延伸到南部的900米左右，今天大部分仍在牧牛场。科纳农田系统的集约化农业面积近150平方公里，另外150平方公里为稀疏开发。和科哈拉一样，科纳的农田系统在一些地方延伸到海岸，而集约化种植延伸到650米。在此之上，农林复合区延伸到约900米;科纳农田系统的一个独特之处在于种植区域的空间划分(Kelly 1983, Lincoln and ladeffog 2014)。Kaʻū农田系统位于岛屿的南部，尽管它的确切规模不清楚，因为种植农业的大规模改变和很少的考古调查。预测模型表明，该系统大致横跨300平方公里的区域，从海岸延伸到至少800米(Ladefoged et al. 2009)。

气候数据集

我们使用来自夏威夷降雨和蒸散发地图集ʻi (Giambelluca等人2013、2014)的年平均和月平均格网数据分析了Kohala、Kona和Kaʻū旱地农田系统的气候。为了方便提取气候数据，我们根据Ladefoged等人(2009)的模型为每个野外系统创建了一个单独的连续多边形。气候数据集(250 m空间分辨率栅格文件)被裁剪到这些修改的野外系统边界上。相邻单元包含潜在可耕土地，基质被认为太嫩(< 4ky)，不适于耕作和聚氨酯ʻu(丘陵)，在Ladefoged等人(2009)用来定义野外系统的900米标高临界值之外，稍微增加了最大标高。总之，与Ladefoged et al.(2009)建立的边界相比，所得到的场系统边界更具包容性。我们还注意到，最近公布的降雨数据(Giambelluca et al. 2013)比Ladefoged et al.(2009)使用的不再公开的降雨数据(Giambelluca et al. 1986)有更低的值和略微不同的等高线。将气候资料汇总比较为图、核密度图和时间图(箱形图)。我们的分析集中在每个系统中可能影响作物的气候变量，特别是每年和季节的降雨模式(P)、太阳辐射、云量、空气温度、湿度、风速，以及模拟的Penman-Monteith潜在蒸散(PET, Monteith 1973)。我们从PET和P的年和月网格中计算出年平均和月平均生态系统干旱指数PET/P。降雨和干旱的季节指数都是按照Feng等人(2013)的方法从月平均网格中计算出来的，作为变异系数(CV)和作为雨季中心和扩散。这些网格化的季节性指数使我们能够描述水分可靠性的空间模式。数据的详细说明请参见附录1。

气候阈值模型作物建立和生长季节

为了进一步探索气候变化的形状如何意味着农业生产的季节模式，我们使用修剪过的月度网格对三个田间系统进行了阈值设定练习。我们最初以月为单位定义了“可耕种区域”，根据红薯在整个生长期内500-1300毫米的商业降雨量和21 - 28摄氏度的土壤温度要求，设定了100毫米的月最低降雨量和21°C的最低温度标准(Valenzuela等，1994年)。这些标准过于严格，排除了已知存在耕作的大片农田系统，特别是在科纳。随后，我们选择放松标准以集中精力ʻ通海小河建立潜力，因为在种植后的第一个月建立是营养繁殖热带根茎作物的关键时期(Wilson 1977)。不耐旱ʻ通海小河插条种植后的40天内(Valenzuela等人1994年)，以及根据我们的经验(如Kagawa和Vitousek 2012, Marshall等人2017年)，对土壤水分干旱非常敏感，尤其是前两周。

为了确定适当的阈值标准，定义足够温暖和潮湿的月条件，我们计算了每个农田系统的平均气温和平均降雨量或干旱标准的不同组合产生的总可耕种面积。更精确地说，我们设置了不同的月平均降雨量和气温的最小值(图A2.1)，以及类似的月平均干旱(PET/P，最大值)和气温的阈值(最小值;图A2.2)，以确定每个250m像素在给定的一个月里是否足够湿润和温暖。这使我们能够识别出每个字段系统至少有85%支持的阈值对ʻ通海小河每年至少建立一个月。三个野外系统应用的最终标准是(1)月温度> 18°C，月降雨量> 90 mm;(2)月温度> 18°C，月干旱(PET/P) < 2.5。我们发现这些值与已发布的值相当一致ʻ通海小河和其他热带根茎作物(Hahn 1977, Wilson 1977, Valenzuela et al. 1994)，这些使我们能够在农田系统边界内可视化耕作潜力的平均季节性模式。然后，这些标准被用来生成代表每年每个月可耕种面积的地图和统计数据。所有的分析都是在R版本3.4.1中进行的，脚本和高分辨率的数字版本可以在网上找到https://github.com/akkagawa/DrylandAg．

结果

夏威夷的气候ʻi岛旱地田系统

在Kohala、Kona和Kaʻū野外系统中，海拔范围从海平面到~1000米，尽管Kaʻū野外系统更倾向于低海拔(图2a)。年平均气温(图2b)与海拔呈负相关，因此所有系统的温度范围都在17-24°C之间，但Kaʻū的偏差往往高于Kohala或Kona。三个系统的年平均降雨量相似，每个系统都表现出强烈的空间梯度(图3a)，其值范围从580毫米到2100毫米(图2c)。我们注意到，由于我们使用了不同的年平均降雨量网格化数据集(参见方法:气候数据集)，580-600毫米的年降水量现在大致定义了种植的下界，而不是Ladefoged等人(2009)使用的750毫米等雨量值。整个野外系统的平均相对湿度范围为70-90%，但科纳野外系统的相对湿度略高于Kohala或Kaʻū(图2d)。

尽管三种系统的海拔、温度、降雨和湿度的范围和剖面相似，但与蒸散发有关的气候变量却存在显著差异。科哈拉野外系统的云频率大大低于Kaʻū或Kona(图2e)。在云频率较高的两个野外系统中，科纳云量更均匀，而Kaʻū似乎被分为两个区域。云量的这些差异转化为对太阳辐射的影响:科哈拉的直接短波(太阳)辐射远高于Kaʻū或科纳(图2f)，而科纳的漫射短波辐射最高(未显示)。Kohala的年平均风速也大大高于科纳，Kaʻū的数值介于中间和较大范围(图2g)。三个田间系统的年平均Penman-Monteith潜在蒸散发(PET)分布重叠，但Kohala部分地区的PET值非常高，Kona的PET值最低(偏左、右尾)，Kaʻū处于中间位置(图2h)。

虽然Kohala、Kona和Kaʻū农田系统的年平均降雨量相似，但它们各自的降雨季节模式在时间上有很强的差异(图4a-c)。对于Kohala和Kaʻū来说，雨水最多的月份是11月到4月，而对于Kona来说是6月到9月。根据月平均降雨量绘制的地图CV表明，Kaʻū的降雨季节在空间上比Kohala或Kona更多变(图3b)，主要是由年平均降雨量较低、月间变化较大的沿海地区驱动的(图3a)。三个系统的雨季中心(图3c)在时间上都不同，Kaʻū的雨季高峰在1月，Kohala的雨季高峰在3月，Kona的雨季高峰在7月至8月中旬。即使在科纳农田系统内，雨季的时间也似乎变化很大。

三个系统的潜在蒸散发(PET)在夏季月份都有所上升，但在任何给定月份，相对于每个系统内PET的空间变化，年度周期的量级较小(图4 - f)。虽然小，但在夏季，当高PET与低降雨同时发生时，PET的年周期在Kohala和Kaʻū放大了干旱(PET/P)，而在科纳，它减弱了干旱的季节性，因为PET和P是相一致的(图4g-i)。与降雨一样，在Kohala和Kona农田系统中，干旱季节的空间格局相对均匀，而Kaʻū农田系统包括干旱月变率较大的沿海地区(图3e)。Kaʻū的旱季在5月至7月左右达到高峰，Kohala的旱季在5月至10月之间延长，而Kona的旱季主要在2月至3月达到高峰(图3f)。

大气温度、相对湿度和水汽压差沿海拔梯度的变化在各野外系统内大于在各系统间的变化。在所有系统中，这些变量遵循一致的季节性(附录3)。当施加温度标准时，温度的这种空间和季节变化导致季节变化包络线。当给出强的空间梯度(图3a, 3d)和季节性(图4a-c, 4g-i)，对降雨和干旱施加阈值时，也会产生类似的季节性变化包线。由这些可调整的标准所确定的区域的交叉可以用来确定具有适宜耕种条件的区域。

基于气候的季节性设施和种植信封

在探索可能的温度、降雨和干旱栽培阈值(见附录2)时，我们评估了是否应该分别为每个系统定义气候阈值，或者是否可以对其施加一组单一的条件ʻ通海小河培养要同时适用于所有三个系统。我们发现在重现Ladefoged等人(2009)野外系统边界所需的阈值方面，系统之间存在显著差异。例如，与Kohala或Kaʻū相比，需要一个更低、更宽松的月最低降雨量阈值来重现科纳农田系统的圈定(图A2.1)。另一方面，当我们对干旱(PET/P)进行同样的分析时，需要一个更高、更允许的最大干旱度来重现Kohala田间系统的圈定，而最低(最严格)的干旱阈值在Kona是可能的(图A2.2)。当只考虑降雨量时，科纳似乎是边际的，但当它较低的蒸发需求被用于干旱指标时，科哈拉在水平衡方面成为最边际的。尽管阈值不同，但这些不同的田间系统仍有耕作，这可能反映了不同田间系统在与土壤蓄水有关的土壤特性方面的差异;科哈拉拥有最深的土壤，可以缓解大气的干旱。我们也承认这些推论对我们如何描述场系统是敏感的。由于这些原因，我们最终选择为以下分析在所有三个系统中定义一组标准。

设置月平均气温(T_的意思是> 18°C)和降雨量(P > 90 mm)，耕作围护结构在田间系统内逐月变化，突出每个系统中适合种植和栽培的区域(图5、地图)。这导致了最佳种植条件的时间和每个田间系统不同区域的假设生长季节长度的强烈变化。当使用干旱阈值(PET/P < 2.5)代替降雨时，模式略有改变(图6)。

种植季节的变化

每个农田系统都有不同的季节性耕作周期。Kaʻū和Kohala基于降雨的设施封套分析表明，夏季种植的机会很少，但在深秋迅速增加，并持续到冬季(图5，折线图)。在科纳，冬季的种植潜力较低，但在春季增加，整个夏季稳步增加，秋季迅速下降。无论种植包膜是由降雨(图5)还是由干旱(图6)定义，这些时间模式都是相似的，但由变异系数(CV;见表1)差异较大;采用干旱标准可减少近60%。大田系统中，可耕面积cv较大，但变化较大，反映了各大田系统内季节性对种植的制约。然而，在种植季节的互补性是这样的，当这些系统综合考虑时，CV会减少一半以上(表1)。

在每个农田系统中，种植和种植的季节性模式在更细的尺度上也很明显。Ahupuaʻ一，政治单位通常跨越海拔梯度，经常被描述自给自足，是考虑当地粮食资源的有用单位。Kona和Kaʻū的季节性种植围护结构一般随着海拔的升高而扩张或收缩ahupuaʻ一，表明沿海和高地地区全年都有互补的种植机会(图5，地图)。与此相反，Kohala的种植包膜斜向ahupuaʻ一因此，北部单元在冬季提供更好的种植潜力，而南部单元在夏季更适合种植。

生长季节长度的变化

在每个系统中，种植和生产的机会从边缘到高度一致。一些地区似乎足够种植作物，但生长季节太短，甚至只有三个月ʻ通海小河生产。与此同时，其他地区足够湿润和温暖，一年有9个月以上(图7,a-f)。生长季节较长的地区可能不太容易发生季节性干旱，每年可以种植多种作物，或使干旱作物获得成功，如干旱作物kalo(芋头,芋耐)．无论如何，它们都是重要的、更令人向往的土地。在Kona和Kaʻū油田系统中，这些更可靠的区域分布在多个区域ahupuaʻ一相当均匀，而在科哈拉星系中，它们聚集在中央ahupuaʻ一(图7,a - f)，结果与之前的研究一致(Ladefoged et al. 2008)。

与降雨阈值相比，干旱阈值产生的空间格局不同，对每个田间系统的影响也不同(图7,g-i)。在科哈拉，高太阳辐射和风速驱动高潜在蒸散发(PET)，施加干旱阈值会降低低海拔地区的潜在种植ahupuaʻ一在较冷的高地会稍微增加。在Kaʻū，风速和太阳辐射较低，施加干旱阈值增加了西部(背风)地区的潜在种植，同时抑制了东南部的种植。最后，在科纳，风速低，云量大，与雨季同步，用干旱与降雨的标准来定义耕作，大大增加了整个系统的潜在耕作能力。

讨论

我们证明了夏威夷ʻi岛的旱地农田系统虽然在海拔和平均年降雨量表面上有相似之处，但却有本质上的不同。(1)风速、云量和太阳辐射的蒸散驱动因子和(2)雨季时间的差异导致了(3)Kohala和Kaʻū农田系统相对于Kona的夏季强烈干旱。通过施加温度和湿度标准ʻ通海小河结果表明:(4)种植潜力的时空格局;(5)生长季长度在田间系统内部和系统之间的空间格局变化;在岛屿层面上，三种系统种植和生产的季节性在时间上有很大的互补性(表1，图5)。我们观察到种植和生产的明显季节性在内部也有变化ahupuaʻ一，种植窗沿着海拔梯度上下移动。对于Kona和Kaʻū系统，这导致了所有ahupuaʻ一沿海地区经历着类似的模式，其特征是生长季节比高地或中海拔地区短。对于Kohala来说，最佳生长条件的包络线在多个种群之间横向移动ahupuaʻ一这样越往南，海拔越高ahupuaʻ一可能是后来才种下的(图6)。因此，一个ahupuaʻ一在科纳和卡ʻū可能维持了整个年度周期的生产，而在科哈拉，更多的是交叉生产ahupuaʻ一协调可能是维持作物生产稳定的必要条件。

尽管在对科哈拉旱地农田系统的深入研究中获得的经验教训已经改变了我们对夏威夷农业的认识，但要真正理解土著种植系统操作和发展的复杂性，还有重要的工作要做。我们自己的分析是通过比较方法、网格化气候数据的可用性(Giambelluca等人2013,2014)、总结热带气候季节性的新指标(Feng等人2013)以及应用的透镜ʻ通海小河是一种周期短的热带根茎作物，主要种植于这些系统。除了降雨之外，考虑年内尺度上的蒸散、干旱和农业生产揭示的模式，否则很难梳理清楚。由此，我们推断，相对于其他夏威夷ʻi岛旱地系统，科哈拉背风区是最难以耕作的区域。然而，我们并没有明确地考虑不同土壤蓄水能力的基质和土壤性质的强烈差异。考虑到系统的基质年龄，科纳是最年轻的，排水良好的土壤年龄在0到2万年之间。Kaʻū与大约1000年到20000年的流相似，但来自逆风火山活动的火山碎屑沉积物比在科纳发现的更细的土壤物质。Kohala拥有15万至40万年前的最古老基质，土壤剖面较深，这意味着更大的持水能力可以改善气候条件。土壤性质和农田系统基础设施对当地水分平衡和产量的影响需要进一步调查，并可以建立在现有的民族志记录和考古观察的基础上。例如，对毛伊岛Kahikinui“水文考古”的一项调查揭示了一些农民如何利用地形和基质的异质性来集中流动和间歇性地表流动，并确定了雾滴流入较低海拔渗漏的可能性(Stock et al. 2003, Kirch 2014)。我们对夏威夷ʻi岛上的旱地系统中类似特征的性质以及它们会在多大程度上增加产量所知较少。

基础设施的变化

尽管年际降雨变化影响着这些旱地系统的生产(Ladefoged和Graves 2000, Ladefoged等人2008、2009、2011,DiNapoli和Morrison 2017)，蒸发损失也限制着干旱生态系统的生产力。当比较旱地农田系统时，这一点尤其明显:科纳并不更适合种植，因为它雨量更大，而是因为风速和太阳辐射导致ET损失最低。Kohala和Kaʻū农田系统，甚至是科纳农田系统的部分地区的干旱特性表明，通过减少et投资不仅可以实现显著的收益，而且随着时间的推移，它们甚至可能是必要的。这些地区的种植潜力很低。增加土壤水分的捕获和储存、最大限度地减少水分损失并延长水分充足的时间的就地田间管理将延长生长季节并增加主要根系作物的产量。在所有系统中，覆盖有机材料对于保持水分和养分输入都是一个重要的实践(例如，Lee等人2006,Lincoln和Vitousek 2016)。岩石覆盖物也可能有所改善ʻ通海小河通过减少土壤水分蒸发(Allen 2004, Graf et al. 2008)和提高土壤养分有效性(Vitousek et al. 2014)来提高产量(参见Marshall et al. 2017)，这是拉帕努伊的研究提出的建议(参见Vitousek et al. 2014)。此外，季节性休耕和快速成熟的作物，如ʻ通海小河将有利于这些系统的生产能力和稳定性。

在这些旱地系统中，最明显的农业基础设施遗迹是一系列低矮的土石线性堤防，也被称为kuaiwi,农业墙，或田埂。这些在每个现场系统中都有，但排列不同。在Kohala，主要堤防位于垂直于盛行风向和沿海拔等高线。Kohala的强风和高太阳辐射表明，与这些线性堤坝相关的防风林基础设施，如果不是简单的必要，至少是一个非常好的投资回报，以减少物理损害和蒸发，并提供覆盖(见Kagawa和Vitousek 2012, Ladefoged等人2003,Marshall等人2017，林肯等人2017)。在风更温和的Kaʻū，主要堤防同样运行垂直于盛行风与上斜坡-下斜坡方向，尽管次要堤防是正交的。与科哈拉相比，科纳的路堤的特点是风少得多，与主要的日间风和斜坡平行(见林肯和维图塞克2017年)。在这种情况下，在科纳多云的环境中，西-西南方向的科纳农田路况与蒸散量减少的关系可能小于与减少主要作物遮荫的关系(图2f)。

此外，考虑水分输入(降雨)、损失(蒸散发、渗透或径流)和太阳能的明确的水文方法可能会加强我们对基础设施如何影响田间系统中的作物生产的理解。例如，在Kohala，堤防上的风载雾的拦截导致墙迎风一侧的土壤湿度增加，并减少背风一侧的土壤湿度(N. Lincoln，未发表的数据)．迎风面和背风面都受到来自风和太阳辐射的ET损失的影响，但这些影响要么在两个面都相似，要么在西侧背风面更大，因此差异雾沉积产生的水汽模式得以维持/加强。在Kaʻū农田系统的西北部分，初步数据提示这种模式是相反的，堤岸的背风面(Menzies, Robins, Quintus等人，2017年，未出版的手稿)．在这里，我们认为温和的风速导致了两个面相似的降雨输入，而不同的ET损失(迎风较高，背风较低)解释了湿度模式。这种微妙的异质性暗示了更高的植物防风林和其他墙结构在为种植创造小气候方面的作用(Handy 1940, Handy et al. 1972)。目前旱地系统的恢复工作(参见Kurashima等人2017,Marshall等人2017)提供了机会来测试这些实地基础设施的工作假设:小气候相互作用。

系统集成

三种野外系统同时存在高密度的ahupuaʻ一，或更小的土地分割，表明在这些生产系统内更大的领土化。Ahupuaʻ一在夏威夷ʻi岛较为平缓的斜坡上划定了围绕自然资源和劳动力的社会政治单位(Gonschor和Beamer 2014)。在Kohala内部，Ladefoged等人(2008)认为这样做ahupuaʻ一描述代表了剩余生产的最有效的资源配置，并为Kona提出了增加管理监督和系统集成的一般策略(Allen 2004)。

Kohala最佳种植条件空间变化的程度和性质，以及此前记录的年际变化(Ladefoged等人2008年，DiNapoli和Morrison 2017年)可能促进了跨区域协调的增加ahupuaʻ一界限，不管是不是被迫的，就像某些部门的需求时刻与另一些部门的富足时刻重合一样。根据可耕种土地的季节性模式，这种情况似乎不太可能出现在Kona或Kaʻū。相比之下,国际米兰-ahupuaʻ一这些地区的协调可能只受两国间年际产量变化的影响ahupuaʻ一，但这两个地区缺乏对这种情况的了解。

即使有明显的气候差异，这些系统的时间发展也明显相似，尽管Kohala和Kona的数据比Kaʻū的更多。Kohala的最初土地利用可能早在13世纪就出现了(Ladefoged和Graves 2008年)，但在这三个城市中，对建筑景观的最初农业投资似乎直到15世纪及以后才出现(Allen 2004, Tomonari-Tuggle 2006, Ladefoged和Graves 2008, McCoy等人2017)。从这一点，特别是16世纪以后，持续的农业投资时期是可见的，但在空间上是可变的。Kohala、Ladefoged和Graves(2008)注意到，基础设施建设可能在公元1650年之后最为密集，这一情况得到了最近贝叶斯分析(Dye 2011)的支持a、b)．在科纳，基础设施的最初投资可能是在15世纪进行的(Allen 2004)，并一直持续到欧洲的联系(McCoy et al. 2017)， Tomonari-Tuggle(2006)提出在公元1750年左右有一个特别密集的时期。来自Kaʻū的少数日期与Kohala和Kona一致，其最初的基础设施建于16世纪，并继续与欧洲联系(Bennicas, Hicks, Quintus和monizs - nakamura 2017年，未出版的手稿)．

在科纳和科哈拉，早期投资被认为与国内生产有关(Allen 2004, Field et al. 2011)a、b)，可能与介绍ʻ通海小河在美国，自上而下的生产管理是有限的。在某种程度上，这可以从基础设施改善的局部性质中看出，这些改善没有跨越各个政治单位。随着时间的推移，特别是在公元1650年以后，有增加的建设heiau(精英寺庙建筑群)，被一些人认为是监管加强的证据(McCoy et al. 2011, McCoy 2014，也见Phillips et al. 2015)。与此同时，还需要进行更大规模的基础设施建设，通过区域协调可以更有效地完成(Allen 2004, Lincoln and ladeffog 2014)。考虑到这些相关的发展，17世纪及其后见证了夏威夷古老国家ʻi的崛起和维护，以及伴随这种规模的政治的剩余提取机制(见Kirch 2010, Hommon 2013)。

基于上述，我们可以设想这样一种情况，即在三个田间系统中，根据当地的环境特征，分别制定了几种与水分管理相关的实践。这些创新集中在国内领域，自下而上发展(见Erickson 2006)。随着时间的推移，随着个别政治力量在下风地区和整个夏威夷岛ʻi的扩散，这些系统通过再分配或协调得到整合，随着人口的增长，提高了粮食安全和剩余产量。下风区最初的皇家中心位于科纳(Kirch 2010)，这可能与该地区的高产和稳定有关，如这里所示，相对于科哈拉和卡ʻū。虽然皇家中心的建立与ʻUmi在该岛统一后(科迪2000)，整个岛屿在理论上是在一个单一的政体的控制下，邻近确保更有效的控制。接近科纳田间系统的生产可能最初有助于收集剩余的粮食或管理依赖科纳田间系统生产力的更大种群。这里讨论的三种系统生产的互补季节性表明，巩固和增加的协调(通过强制再分配或合作交换)可以创造更稳定的政治等级。这些系统的特点可能有助于提高安全性，增加财富资产投资，发展主要的财富金融和政治经济，支撑岛上的政治。然而，当整个岛屿的政治体制崩溃时，这种发展轨迹将使人口更加脆弱。

支持粮食系统恢复和文化实践

这一分析受到了恢复夏威夷农业系统和文化实践的社区驱动努力的启发和启发。夏威夷日历等传统日历的复兴kaulana mahina(Tsuha 2007)已经增加了实践公斤ʻā艾娜这是一种关注特定地区物候学以及物理和生物周期联系的公民科学。它植根于夏威夷社区的成员，并在很大程度上拥有和控制从事振兴传统习俗的成员。这也是建设社区适应气候变化能力的关键手段(Nuʻuhiwa, Lilly, Nobrega-Olivera和Huihui 2016，beplay竞技未出版的手稿)．我们建议，随着公民科学家的网络化观察的增加，像这里介绍的这种时空建模方法不仅可以提供回顾性的见解，还可以补充基层恢复工作和物候观察。诸如此类的分析可以作为综合历史生态学方法的一部分，如Kurashima等人(2017)所描述的Kūāhewa在科纳野外系统中。这种方法利用现代数据集，同时关注对社区从业者有价值的问题，可能同时支持对考古学家感兴趣的社会过程的研究，以及社区恢复传统粮食生产系统、传统做法和社区福祉的努力。

模拟旱地作物生产的研究局限性和未来的机会

在这一分析中，我们假设当代气候方法充分代表了积极耕作时期的条件(直到19世纪系统衰退)。然而，在过去的五个世纪里，夏威夷ʻi的降雨量一直在波动(Diaz等人2016年)，而在过去的几十年里，夏威夷下风ʻi的旱季降雨量出现了强烈的下降(Frazier和Giambelluca 2017年)。未来的工作应该考虑空间降雨模式如何受到El Niño和长期气候周期的影响(Frazier, Giambelluca和Diaz 2012，未出版的手稿)影响旱地生产和全岛区域社会政治发展。我们还认识到，气候本身并不能决定作物产量，许多其他变量也会影响产量。作者目前正在研究一个甘薯作物模型(Setiyono et al. 2011)，以更严格的方式量化作物生产潜力和模式。尽管本地种植系统通常是品种和物种的多样化组合，但甘薯的种植是重要的第一步。

结论

我们对三个夏威夷ʻi岛旱地农田系统的研究表明，系统内和系统外的气候变化如何影响季节性耕作潜力，这可能会推动跨多个尺度的协调，以保持稳定的食物供应。两种系统之间的干旱程度差异很大，这表明在较为干燥的科哈拉和卡ʻū地区，基础设施的创新更倾向于减少水分流失，而在多云的科纳地区，这似乎并不是优先考虑的问题。对于这些农田系统，降雨、干旱和温度的季节性决定了生长季节的开始和长度，并对不同地区的作物种植、产量和交换产生影响。我们希望这一研究能够促进对旱地农田系统如何作为农业生产的综合单元的进一步观察、试验、恢复和讨论。

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