Текст книги "Энергия и цивилизация"

История постреволюционного сельского хозяйства Северной Америки примечательна быстро растущей скоростью появления инноваций. Эти изменения привели к возникновению самой эффективной с точки зрения труда системы возделывания растений в конце XIX века (Adrey 1894; Rogin 1931; Schlebecker 1975; Cochrane 1993; Hart 2004; Mundlak 2005). На протяжении последних десятилетий XVIII века земледелие в северо-восточных штатах, и уж тем более в южных, отставало от европейского. Низкокачественные деревянные плуги с лемехами из мягкого железа и деревянными отвалами двигались с сильным трением, оставляли после себя большие комья земли и изнуряли запряженных в ярмо волов. Сеяли по-прежнему вручную, жали серпами, обмолачивали цепами, хотя на Юге использовали шагающих животных.

Все это быстро поменялось в новом веке, и первым делом – техника вспашки (Ardey 1894; Rogin 1931). Чарльз Ньюболд ввел плуг из чугуна в 1797 году; Джетро Вуд в 1814 и 1819 годах запатентовал более практичный вариант такого плуга с заменяемыми частями; к началу 1830-х улучшенные чугунные плуги начали заменять стальными. Первый был сделан из ножовочной стали Джоном Лейном в 1833-м, а производство на коммерческой основе начал Джон Дир, в 1843 году его оригинальная реклама отвала из железа обещала, что отшлифованный металл будет «чисто разрезать любую почву и не застрянет в самом отвратительном грунте» (Magee 2005).

Рисунок 3.14. Трехколесный стальной плуг (изготовлен Deere&Co в Молине, Иллинойс, в 1880-х) и двойная зерновая жатка (изготовлена в последнее десятилетие XIX века в Обрне, Нью-Йорк). Эти две инновации открыли американские равнины для крупномасштабного зернового земледелия. Воспроизведены по рисункам из Агбеу (1894)

В то время уже производили недорогую сталь в печах Бессемера, и благодаря этому отвальные плуги сделались широко доступными: Лейн предложил свой плуг из многослойной стали в 1868 году Двух– и трехколесные плуги широко распространились в течение 1860-х годов (рис. 3.14). Многолемешные плуги (до десяти лемехов), в которые впрягали до дюжины лошадей, использовались до конца столетия при освоении новых земель на севере равнинных штатов и канадских провинций прерий – Манитоба, Саскачеван и Альберта. Тяжелыми отвальными плугами из стали можно было вспахивать плотный дерн прерий, и таким образом для зернового растениеводства открылись громадные равнины Северной Америки.

От прогресса в области вспашки мало отставали и инновации в других областях. Сеялки и приводимые в движения лошадьми молотилки широко распространились к 1850 году. Первые механические жатки были запатентованы в Англии между 1799 и 1822 годами, и два американских изобретателя, Сайрус Маккормик и Обед Хасси, взяли их за основу для создания практичных машин, которые и разработали в 1830-х годах (Greeno 1912; Alderich 2002). Массовое производство началось в 1850-х, и 250 тысяч таких устройств использовались в хозяйстве на конец Гражданской войны. Первая жатка была запатентована в 1858 году братьями Марш, для работы с ней требовалось два человека, а первую удачную модель двойного узловязателя представил Джон Аплби в 1878 году.

Это изобретение было последним компонентом, необходимым для полностью механической жатки, которая выбрасывала увязанные снопы, готовые к перевозке (рис. 3.14). Быстрое распространение таких машин перед концом XIX века наряду с многолемешной вспашкой позволило освоить громадные пространства травянистых равнин не только в Северной Америке, но также в Аргентине и Австралии. Но производительность лучшей жатки вскоре превзошел первый комбайн, приводимый в движение лошадьми, который выпустила на рынок фирма Stockton Works в Калифорнии в 1880-х годах. Стандартная модель этой компании, выпускаемая после 1886 года, помогала убирать две трети пшеницы штата к 1900-му, и в это время на полях Калифорнии работало более 500 таких машин (Cornways 2015).

Крупнейшие комбайны требовали до 40 лошадей и могли убрать гектар пшеницы за менее чем 40 минут, они уже находились на границе возможностей механизмов, приводимых в движение животными, ведь запрячь и направить сорок лошадей – невероятно сложная задача. Но появление комбайнов – лучшая иллюстрация трудового сдвига, который произошел в традиционном сельском хозяйстве Америки за XIX век. В его начале фермер (80 Вт), работающий в поле, мог положиться на примерно 800 Вт тягловой силы (пара волов); к его концу фермер в Калифорнии при возделывании пшеницы имел в распоряжении комбайн в 18 000 Вт (команду из 30 лошадей), человек стал контролером энергетических потоков и перестал быть незаменимым источником энергии для полевых работ.

В 1800 году фермеру Новой Англии (посев вручную, запряженные в деревянный плуг волы, примитивные бороны, серпы и цепы) требовалось 150–170 часов труда, чтобы собрать урожай пшеницы. В 1900 году фермер в Калифорнии (движимый лошадьми многолемешный плуг, борона с пружинными зубцами, жатва с помощью комбайна) мог добыть то же количество зерна менее чем за 9 часов (примечание 3.14). В 1800 году фермеры Новой Англии тратили более 7 минут на производство килограмма пшеницы, а их потомкам в калифорнийской Сентрал-Валли требовалось на это менее минуты в 1900-м, что означает, грубо, 20-кратное увеличение производительности труда за век.

Примечание 3.14. Трудовые потребности (человек/животные) в ч/га и энергетические затраты при выращивании пшеницы в Америке, 1800–1900 годы

Первый из представленных случаев (1800) – типичная культивация в Новой Англии, когда два вола и от одного до четырех мужчин выполняют все полевые работы. Второй (1850) отражает ситуацию на ферме в Огайо, где лошади являются главной движущей силой. Третий (1875) показывает дальнейший прогресс в Иллинойсе, а последние цифры отражают характеристики самого продуктивного земледелия в США, движимого лошадьми: выращивание пшеницы в Калифорнии. Цифры в таблице – общие часы (люди/животные), потраченные на выращивание гектара пшеницы. Поскольку урожаи этого злака на протяжении XIX века особо не увеличивались, я взял за основу постоянный урожай в 20 бушелей с акра, или 1350 кг/га (18,75 ГДж/га). Расчеты базируются на данных, собранных в Rogin (1935).

В терминах затрат полезной энергии различия были даже значительнее: большая часть рабочих часов в 1800-м уходила на много более тяжелый труд, с ручным плугом, косой, цепом. А кроме того, за рассматриваемый период упали потери зерна при перевозке и хранении. По сравнению с 1800-м каждая единица энергии пищи, необходимая для ее производства, в среднем приносила в 25 раз больше съедобной энергии в 1900-м. Естественно, такой значительный прогресс только частично обязан усовершенствованиям в области инвентаря. Другой важнейшей причиной быстро выросшей энергоотдачи человеческого труда стала замена человеческих мускулов лошадиными. Американские изобретатели предоставили широкий набор инструментов и машин, но они достигли только частичного успеха в замещении тягловых животных как первичных движителей земледелия.

Обмолот был единственной важной операцией, в которой паровые машины постепенно заменили лошадей. Быстро расширяющееся сельское хозяйство Америки вынужденно полагалось на растущее поголовье лошадей и мулов. Обычно это были мощные, крупные и хорошо накормленные животные, и энергетические затраты на их содержание оказывались удивительно высокими. К 1900 году они требовали на 50 % энергии в фураже больше, чем волы Новой Англии в 1800-м, причем в виде кукурузы или овса, а не сена или соломы. Выращивание фуражного зерна снижало производство злаков для людей, и эти затраты можно оценить количественно и точно (USDA 1959). В первые два десятилетия XX века число мулов и лошадей в США оценивается в 25 миллионов. На выращивание достаточного количества фуража для этих животных отводилось около четверти всей обрабатываемой земли (примечание 3.15). Такие огромные запросы удовлетворялись только благодаря тому, что в Америке было достаточно земли. В 1910 году в стране имелось 1,5 гектара на душу населения, почти в два раза больше, чем в 1990-м, и в десять раз больше, чем в Китае того времени.

Примечание 3.15. Прокорм тягловых лошадей Америки

В 1910 году в США было 24,2 миллиона фермерских лошадей и мулов (и только тысяча маленьких тракторов); в 1918-м году поголовье тягловых животных достигло пика в 16,7 миллиона, а число тракторов увеличилось до 85 тысяч (USBC 1975). При средней дневной потребности в 4 кг зерна для работающих животных и 2 кг концентрированного корма для остальных (Bailey 1908) годовые потребности в фураже составляли, грубо, 30 МДж овса и кукурузы. При урожаях зерна примерно 1,5 т/га это требовало примерно 20 Мга земли для выращивания фуражного зерна. Кроме того, нужны были грубые корма: для рабочей лошади по меньшей мере 4 кг/сут. сена, для неработающих животных – около 2,5 кг/сут., что в целом составляет около 30 Мт сена в год. При среднем накосе сена около 3 т/га требовалось по меньшей мере 10 Мга сена каждый год. Таким образом, площадь, отведенная на выращивание корма, должна была занимать не меньше чем 30 Мга, при общем количестве ежегодно засеваемой земли в 125 Мга. Вывод – на выращивание фуража для американских сельскохозяйственных животных (работающих и неработающих) требовалось почти 25 % всех возделываемых в стране территорий. Расчеты других исследователей (USDA 1959) дают почти идентичную цифру в 29,1 Мга.

В последние десятилетия XIX века не только комбинация лучшего оборудования и изобилия лошадиной силы сделала американское земледелие столь продуктивным. В 1880-х потребление угля в США превзошло потребление древесины и начала приобретать значение сырая нефть. Производство и распространение инструментов, оборудования и машин, а также доставка сельскохозяйственных продуктов стали зависеть от поставок угля и нефти. Американские фермеры перестали быть только мастерами управления потоками солнечной энергии, им в руки попала энергия ископаемого топлива.

Пределы традиционного земледелия

Громадные социоэкономические контрасты между жизнью в период династии Цин, впервые объединившей страну (221–207 годы до н. э.) и последними десятилетиями империи Цинь (1644–1911 годы), или между римской Галлией и предреволюционной Францией, заставляют нас забыть о неизменности первичных движителей и постоянстве практик базовой обработки земли на протяжении тысячелетий доиндустриальной истории. Население кормилось трудом людей и животных, применяло органические удобрения, сажало бобовые, и его численность росла только благодаря увеличению эффективности использования одушевленной энергии и интенсификации растениеводческих практик.

В таких продуктивных регионах, как северо-западная Европа, центральная Япония и прибрежные провинции Китая, урожаи достигли пределов, наложенных максимальным уровнем доступной энергии и потоками питательных веществ, к концу XIX века. При доиндустриальном сельском хозяйстве средний урожай увеличивался очень умеренно. Кроме того, оно могло обеспечить лишь базовый рацион для большинства людей даже в удачные годы, и не могло предотвратить недоедание и повторяющиеся вспышки голода. Повышение продуктивности с помощью различных средств, на первый взгляд эффективных, надежных и легко применимых, было неустойчивым и недостаточным для удовлетворения растущих потребностей.

Прогресс в традиционном земледелии был медленным, и принятие новых методов не означало полного отказа от старых практик. Поля под паром, косы и неэффективно запряженные волы по-прежнему применялись в Европе второй половины XIX века, когда севооборот, жатки и хорошие лошади использовались почти всюду. Единственный способ уменьшить количество человеческого труда в системе, полевые работы в которой выполнялись только с помощью одушевленной силы, – это все более широкое использование тягловых животных. А такой сдвиг требовал не только лучшей упряжи, кормов и селекции, но также инноваций для создания оборудования и машин, способных облегчить или целиком заменить человеческий труд.

Прогресс в сельском хозяйстве ускорился только в XVIII столетии. Выращивание пшеницы может наглядно проиллюстрировать этот процесс. В первые десятилетия XVIII века выращивание гектара пшеницы в Европе и Северной Америке требовало почти 200 часов, почти столько же, как в Средневековье. К 1880-му году средний показатель в США снизился до 150 часов, к 1850-му – до 100 часов. К 1900-му он был меньше 40 часов, и наиболее продуктивные варианты (многолемешные плуги и комбайны в Калифорнии) позволяли выполнить эту задачу за 9 часов (рис. 3.15).

Рисунок 3.15. Увеличение эффективности культивации пшеницы в США на протяжении XIX века можно изобразить на основе данных, собранных в Rogin (1931) и USDA (1959)

Постепенная интенсификация традиционного земледелия достигалась заменой человеческого труда трудом животных со все более возрастающей продуктивностью, но несмотря на это средние урожаи почти не менялись. Нам доступна лишь скудная и неточная информация, поэтому сложно сделать долговременные оценки, но очевидно, что стагнация и предельные показатели были нормой и в Европе, и в Азии. Только по первым десятилетиям XX века имеются надежные сведения по странам и регионам. Большая часть цифр по ранним периодам в Европе относится к сравнительному возврату посаженных семян, и обычно в показателях объема, а не массы. Поскольку эти семена были мельче, чем у сегодняшних, подвергшихся селекции сортов, перевод в массу не будет точным. Более того, даже в лучших монастырских или государственных записях много пробелов, и практически все источники показывают значительные колебания год от года. В Средние века из-за экстремальных погодных условий урожая могло не хватать даже для посадок на следующий сезон.

Лучшие оценки показывают, что в раннем Средневековье для пшеницы возврат был всего лишь двукратным. Относительно достоверные долгосрочные реконструкции национальных тенденций для последних семи столетий имеются для Англии (Bennett 1935; Stanhill 1976; Clark 1991; Brunt 1999). В XIII веке посев пшеницы в Англии возвращался в размере от трех до четырех раз, с зафиксированным максимумом до 5,8. Это дает среднюю величину чуть выше 500 кг/га. Тщательный анализ всех имеющихся данных по стране показывает, что надежное удвоение этого очень низкого урожая было достигнуто только пятью столетиями позже. Урожаи пшеницы в Англии оставались на почти средневековом уровне до 1600 года, но потом они постоянно увеличивались.

Среднее значение по стране в 1500 году было удвоено перед 1800-м и утроено к 1900-му, большей частью в результате экстенсивного осушения почв и получивших широкое распространение методов севооборота и интенсивного удобрения навозом (рис. 3.16). К 1900-му британское сельское хозяйство уже извлекало значительную выгоду из улучшенного оборудования и еще большую из быстрого развития национальной экономики, опирающейся на потребление угля. Эффект от поступления энергии ископаемого топлива также хорошо виден в случае с голландскими урожаями; по контрасту, урожаи пшеницы во Франции показывают много более пологий рост даже в XIX веке; в эффективном, но экстенсивном американском сельском хозяйстве и вовсе наблюдался спад (рис. 3.16). Используя наиболее достоверные из доступных средние показатели урожая, мы можем определить, что час труда в Средние века позволял получить не больше чем 3–4 кг зерна. К 1800-му среднее значение было около 10 кг, столетием позже – около 40 кг, а лучшие показатели поднимались выше 100 кг.

Энергоотдача возрастала немного быстрее, поскольку средний час полевых работ во второй половине XIX века требовал меньшего физического напряжения, чем в Средневековье: ручная вспашка деревянным отвальным плугом с помощью пары волов забирала куда больше сил, чем управление стальным плугом, который тащат мощные лошади. Полная последовательность работ римской эпохи или раннего Средневековья в процессе выращивания пшеницы в результате давала в 40 раз больше полезной энергии в сжатом зерне. В начале XIX века хороший урожай в Западной Европе возвращал примерно в 200 раз больше энергии в пшенице, чем было затрачено на ее выращивание. К концу века значение повсеместно достигло 500, а наилучшая энергоотдача достигала 2500.

Рисунок 3.16 .Донные об урожаях пшеницы в Англии показывают долгий период стагнации, за которым последовал взлет после 1600 года. Рост был даже более впечатляющим в Нидерландах, но очень низким во Франции, в то время как в США экспансия сельского хозяйства на запад, на более сухие почвы привела к снижению урожаев. Основано на данных из USDА (1955), USBC (1975), Stanhill (1976), Clark (1991) и Palgrave Macmillan (2013)

Выигрыш полезной энергии (после того, как отложены семена на посев и вычтены потери при хранении) был по определению ниже, не более чем 25 для обычного средневекового урожая, 80-120 в начале XIX века, и обычно 400–500 к его концу. Но этот рост продуктивности труда просходил за счет более широкого использования тягловой силы и требовал значительных энергетических инвестиций в прокорм животных. В Риме на каждую единицу полезной мощности, произведенной людьми, приходилось примерно восемь единиц мощности, произведенной животными. Европа начала XIX века могла похвастаться соотношением 1 к 15, а на самых продуктивных американских фермах значение достигло 1 к 100 в 1890-х. Человеческий труд стал пренебрежимо малым источником механической энергии, и фокус труда крестьянина большей частью передвинулся в сторону управления и контроля, задач, не требующих вложений энергии, но обещающих хорошую выгоду.

Энергетические затраты на тягловую мощность росли с еще большей скоростью. Паре типичных римских волов, живших на грубом корме, не требовалось зерна для того, чтобы работать в поле, и поэтому их содержание обходилось крестьянину дешево с точки зрения урожая. Две лошади среднего размера в Европе XIX века потребляли почти 2 тонны фуражного зерна в год, примерно в девять раз больше пищевого зерна на душу населения. На протяжении 1890-х дюжине мощных американских лошадей требовалось 18 тонн овса и кукурузы в год, в 80 раз больше, чем их хозяин потреблял зерна. Только несколько богатых землей стран могли обеспечить такие объемы фуража. На прокорм 12 лошадей требовалось примерно 15 гектаров обрабатываемой земли. Средняя ферма в США имела около 60 гектаров в 1900-м, но только треть из этого количества распахивалась. Очевидно, что даже в США только крупные производители зерна могли себе позволить дюжину или больше рабочих лошадей; в 1900-м средняя величина составляла только 3 животных на ферму (USBC 1975).

Не каждое традиционное общество могло интенсифицировать сельское хозяйство, опираясь на все более высокую долю труда животных. Интенсификация земледелия, основанная на более тщательной культивации ограниченного количества пахотной земли, стала нормой для рисоводческих регионов Азии. Самые красноречивые примеры такого подхода – Япония, отдельные области Китая и Вьетнам, а также Ява, самый густонаселенный остров Индонезийского архипелага. Такой вариант получил название сельскохозяйственной инволюции (Geertz 1963), при этом использовался высокий урожайный потенциал орошенного риса и обширные энергетические инвестиции, вложенные за десятилетия и столетия труда по строительству и поддержанию в порядке ирригационных систем, заливных полей и террас.

Интенсификация земледелия на неорошаемых землях могла с легкостью привести к деградации среды (в первую очередь к эрозии почвы и потере питательных веществ), но рисовые агросистемы были намного более устойчивы. Их усердное возделывание требует огромного количества человеческого труда. Процесс начинается с тщательного выравнивания полей и работы с ростками в питомниках, и включает трудоемкие технологии вроде распределения растений по участку земли, ручной прополки и сбора отдельных растений. Но однажды налаженная, эта замкнутая на себя система становится очень прочной. Процесс поддерживает все более растущую плотность населения, но и ведет к экстремальному обнищанию. Продуктивность труда сначала стагнирует, потом начинает падать по мере того, как все большая популяция полагается на все более ограниченный рацион питания. Многие регионы Китая демонстрировали очевидные признаки культурной инволюции при династиях Мин и Цинь.

После конфликтов первой половины XX века экономика маоистского государства, основанная на массовом труде селян в колхозах, продлила инволюцию до конца 1970-х. К этому времени 800 миллионов крестьян все еще представляли более 80 % населения страны и продолжали существовать на нищенском рационе. Только уничтожение колхозов Дэном Сяопином и фактическая приватизация сельского хозяйства в начале 1980-х радикально изменили ситуацию. Некоторое количество стран Азии продолжило двигаться по спирали рисовой инволюции и после 1950-го. По контрасту, Япония сломала тренд еще после революции Мейдзи в 1868 году. Население страны между началом 1870-х и 1940 годом выросло в 2,2 раза, и этому росту соответствовал подъем средних урожаев, в то время как доля сельского населения уменьшилась вдвое, до 40 % от общей численности (Taeuber 1958).

Несмотря на фундаментальные различия, два больших паттерна интенсификации земледелия – один базировался на замене человеческого труда трудом животных, второй на максимизации вложений крестьянского труда – повышали производство пищи и медленно увеличивали плотность населения. Этот процесс лежал в основе того, что всё большая доля труда освобождалась для работ, не связанных с сельским хозяйством, и возникала профессиональная специализация, а поселения увеличивались в размерах, пока не появилась и не начала усложняться городская цивилизация.

Все эти изменения можно реконструировать только в приблизительных терминах. Численность населения в прошлом не определяется точно даже в обществах с давней традицией сравнительно полных подсчетов (Whitmore et al. 1990). Но куда сложнее найти какие угодно надежные данные для возделываемой земли, и еще труднее – о долях земельных наделов, которые на самом деле засаживались постоянно или время от времени. Вследствие этого невозможно достоверно описать изменения плотности населения. С уверенностью можно лишь сравнить минимальные показатели ранних сельскохозяйственных обществ с типичными для более позднего сельского хозяйства (извлекаются из письменных источников), а затем с лучшими достижениями наиболее интенсивного земледелия пре-диндустриальной эпохи (хорошо документированными). Среднее значение для всех древних цивилизаций начинается примерно с 1 человека на гектар пахотной земли. Только после многих столетий медленного развития эта цифра удвоилась. В Египте на удвоение ушло около 2 тысяч лет, и все выглядит так, что схожее количество времени потребовалось и Европе, и Китаю (рис. 3.17). К 1900 году лучшие средние национальные показатели составляли около 5 чел./га возделанной земли, а лучшие пиковые по регионам более чем вдвое превышали этот уровень (и на протяжении XX века рост ускорился: к 2000-му в Египте было около 25 чел./га, в Китае – 12 чел./га, в Европе – 3 чел./га). Но при сравнении плотности населения нужно также учитывать адекватность питания и разнообразие рациона.

Рисунок 3.17. Приблизительные долговременные тенденции в плотности населения на гектар возделанной земли в Египте, Китае, Мексиканской котловине и Европе, 2500 год до н. э. – 1900 год н. э. Расчеты базируются на оценках и данных из Perkins (1969), Mitchell (1975), Butzer (1976), Watrebury (1979), Richards (1990) и Whitmore and co-workers (1990)