Текст книги "Энергия и цивилизация"

Потребность растений в воде зависит от многих генетических, агрономических и экологических переменных, но общая сезонная потребность в среднем в 1000 раз превосходит массу собранного зерна. До 1500 тонн воды нужно, чтобы вырастить 1 тонну пшеницы, и по меньшей мере 900 тонн необходимо для каждой тонны риса. Около 600 тонн хватит для тонны кукурузы как С₄-растения, злака, максимально эффективно использующего воду (Doorenbos et al. 1979; Bos 2009). Это значит, что для жатвы пшеницы между 1 и 2 т/га общая потребность на протяжении четырех месяцев сезона роста будет 15–30 см. По контрасту, годовые осадки в пустынных и полупустынных регионах Среднего Востока варьируются почти от нуля до менее 25 см.

В таких регионах требуется орошение, когда поля засеваются за пределами досягаемости сезонных паводков, насыщающих влагой почву долин и позволяющих вызреть одному урожаю; или когда из-за роста населения приходится выращивать вторую культуру во время сезона с низким уровнем воды. Ирригация также необходима для того, чтобы справляться с сезонной нехваткой воды. Подобное особенно значимо на большей части северных территорий муссонной Азии, в Пенджабе или на Северо-Китайской равнине. И конечно, выращивание риса предполагает собственный режим затопления и осушения полей.

Орошение с помощью гравитации – каналы, пруды, резервуары, дамбы – не требует подъема воды и поэтому характеризуется самыми низкими энергетическими затратами. Но в речных долинах с минимальным градиентом потока и на широких равнинах всегда было необходимо поднимать большие объемы поверхностной или подземной воды. Обычно приходилось одолевать низкие насыпи, но часто требовалось справиться с крутыми берегами или стенками глубокого колодца. Неизбежная неэффективность, отягченная грубым сочетанием движущихся частей и дефицитом смазочных материалов, усложняла задачу. Ирригация, движимая мускулами человека, была тяжелой ношей даже там, где утомительная работа считалась нормой. Много творческой энергии ушло на то, чтобы придумать механические устройства, использующие труд животных или силу водяного потока, чтобы облегчить эту задачу, и просто для того, чтобы хоть как-то поднять воду на нужную высоту.

Впечатляющее количество разных механических приспособлений было изобретено для поднятия оросительной воды (Ewbank 1870; Molenaar 1956; Oleson 1984, 2008; Mays 2010). Простейшие – черпаки, ведра или корзины из плотной ткани или плетеные – применялись для подъема воды менее чем на метр. Одно ведро, подвешенное на веревке к треноге, было немного более эффективным. Оба эти предмета использовались в Восточной Азии и на Ближнем Востоке, но старейшим методом подъема воды, который применяли повсеместно, был «журавль», называемый у арабов shaduf. Его очертания можно видеть на вавилонских цилиндрических печатях от 2000 года до н. э., его широко использовали в древнем Египте, он достиг Китая около 500 года до н. э. и в конечном итоге распространился по всему Старому Свету. «Журавль» в основе своей – длинный шест, опирающийся на перекладину как рычаг, его было легко изготовить и ремонтировать (рис. 3.7).

Ведро на веревке свисало с более длинного плеча «журавля», а к более короткому крепился либо камень, либо кусок сухой земли. Эффективная высота подъема составляла обычно 1–3 метра, но последовательное развертывание нескольких таких устройств (от 2 до 4 уровней) было обычным делом на Ближнем Востоке. Один человек мог поднять около 3 м³/ч на высоту 2–2,5 метра. Вытягивание веревки очень утомительно, но поворачивание архимедова винта (римская cochlea, арабский tanbur), чтобы вращалась деревянная спираль внутри цилиндра, было еще более трудным и обеспечивало только небольшой подъем (25–30 см). Колеса с лопатками обычно использовались в Азии. Китайские водяные лестницы («драконий хребет», long gu che) действовали как ленточные водоподъемники на деревянных квадратных платформах с маленькими дощечками, цеплявшими зубчатые колеса, и формировали бесконечную цепь, поднимая воду по деревянному желобу (рис. 3.8). В ведущее колесо был вставлен горизонтальный шест, приводимый в движение двумя или более работниками. Некоторые лестницы приводились в движение ручными рычагами или с помощью шагавших по кругу животных.

Рисунок 3.7. Гравюра XIX века, изображающая египетского крестьянина, который использует shaduf

Все приведенные ниже устройства всегда получали энергию либо от животных, либо от текущей воды. Подъемник из веревки и ведра, широко распространенный в Индии (monte или charsa), работал с помощью одной или двух пар волов, шагавших вниз по уклону, одновременно поднимая кожаный мех, прикрепленный к длинной веревке. Бесконечная цепь из глиняных горшков на двух петлях веревки, движущаяся сверху вниз через деревянный барабан, чтобы зачерпнуть воду снизу и вылить в желоб сверху, использовалась уже древними греками. Это устройство было известно под арабским названием saqiya и широко распространено в Средиземноморье. Когда энергию ему давало единственное животное с завязанными глазами, ходящее по кругу, оно обеспечивало подъем воды из колодцев глубиной менее 10 метров со скоростью ниже 8 м³/ч. Улучшенная египетская версия, zawafa, доставляла воду с большей производительностью (до 12 м³/ч из колодца в 6 метров глубиной).

Рисунок 3.8. Древняя китайская машина «драконий хребет» действовала благодаря крестьянам, которые держались за шест и переступали по ступицам, прикрепленным к оси. Взято из иллюстрации поздней династии Мин

Noria, другое устройство, широко использовавшееся как в мусульманских странах, так и в Китае (hung che), включало глиняные сосуды, бамбуковые трубки или металлические ведра, прикрепленные к ободу единственного колеса. Через шестерни колесо приводилось в движение ходящими по кругу животными, а колесо с лопаточками – водным потоком. Необходимость поднимать ведра еще на один радиус колеса выше уровня приемного желоба оборачивалась значительным снижением эффективности. Этот недостаток был устранен в египетской tabliya. Улучшенное устройство, приводимое в движение волами, представляло собой двустороннее цельнометаллическое колесо, которое зачерпывало воду на внешнем краю и выливало ее в центре в уходящий вбок желоб. Сравнение типичных потребностей в мощности, параметров подъема и часовой производительности традиционных водоподъемников четко показывает пределы производительности человека (примечание 3.7, рис. 3.9).

Примечание 3.7. Потребности в мощности, параметры подъема и часовая производительность традиционных водоподъемников

Примечание: энергетические затраты рассчитаны, исходя из средней потребляемой мощности в 60 Вт для человека и 350 Вт для тягловых животных.

Источники: скомпилировано и рассчитано по данным из Molenaar (1956), Forbes (1965), Needham and co-workers (1965) и Mays (2010).

Энергетические затраты в случае ирригации с помощью человека были запредельно высокими. Работник мог сжать гектар пшеницы косой за восемь часов, но ему бы потребовалось три месяца (8 ч/сут.), чтобы поднять половину воды, нужной для этого гектара, всего на один метр из прилегающего канала или ручья. Из-за больших вариаций реакции разных злаков на полив нельзя делать обобщения по поводу энергоотдачи традиционного орошения. Большая разница существует не только между видами растений, она зависит от времени, когда доступна вода (арахис, например, мало чувствителен к временной нехватке воды, а кукуруза сильно уязвима). Реалистичные примеры показывают, что энергоотдача может быть десятикратной или даже выше (примечание 3.8).

Рисунок 3.9. Сравнение подъема, объемов и требований к мощности доиндустриальных водоподъемных устройств и машин. Основано на данных из Molenaar (1956), Forbes (1965) и Needham and co-workers (1965)

Примечание 3.8. Энергоотдача при орошении пшеницы

Единственный конкретный расчет демонстрирует значительную энергоотдачу традиционной ирригации. Полевые исследования показали, что урожай озимой пшеницы падает вдвое, если нехватка годовых осадков в 20 % концентрируется в критическом периоде цветения (Doorenbos et al. 1979). Хорошая жатва времен поздней династии Цин в 1,5 т/га могла таким образом снизиться на 150 кг на типичном маленьком поле в 0,2 га. Предположив, что нехватка 10 см дождя требует при орошении 200 т воды, и учитывая, что орошение обычного поля с помощью гребней и борозд имело эффективность в 50 % (из-за испарения и утечки), реальный объем воды из канала должен быть в два раза больше. Подъем 400 тонн воды менее чем на один метр с помощью водяной лестницы, движимой двумя крестьянами, потребовал бы около 80 часов и около 65 МДж дополнительной энергии пищи, в то время как увеличенный урожай пшеницы мог содержать (после вычитания примерно 10 % семян для посева и потерь при хранении) около 2 ГДж пригодной к употреблению энергии. Поэтому водяная лестница могла обеспечить в 30 раз больше энергии пищи, чем ушло на работу с ней.

По контрасту, для некоторых проектов инков возврат энергии мог быть низким. При орошении с помощью ирригации не нужно поднимать воду, но выкапывание длинных и широких каналов (главные русла до 10–20 метров шириной) простыми инструментами в каменистой породе требовало большого объема труда. Главный оросительный канал между Парку и Пикуй тянулся на 700 км, чтобы поливать пастбища и поля (Murra 1980), и испанцы-конкистадоры были поражены, увидев тщательно прорытые каналы, ведущие к отдельным полям кукурузы. Все главные ирригационные проекты требовали тщательного планирования и контроля работ, чтобы сохранить нужный уклон, а также большого количества работников. Вознаграждение – то есть дополнительная энергия от политых злаков, превосходящая огромные вложения труда, – было очевидным образом отложено на много лет, даже десятилетий. Только мощная центральная власть имела возможность перемещать ресурсы между разными частями страны, чтобы предпринимать такие программы общественного строительства. Во многих случаях рациональное водопользование, ведущее к более высоким урожаям, включало орошение полей, но некоторые сельскохозяйственные общества были вынуждены осуществлять и противоположный процесс.

Во многих регионах постоянное земледелие было бы немыслимым без отведения лишней воды. Император Ю (2205–2198 гг. до н. э.), один из семи великих мудрецов доконфуцианской эпохи, занял место в китайской истории в первую очередь благодаря умелому плану и героической деятельности по длительному отводу паводковых вод (Wu 1982). Майя и сменявшие друг друга обитатели Мексиканского нагорья практиковали продвинутые формы земледелия, включавшие водопользование от простого террасирования и весеннего полива до сложных дренажных систем и расположенных на возвышенности полей (Sanders, Parsons and Santley 1979; Flannery 1982; Mays and Gorochovich 2010). Уникальная разновидность культуры дренирования эволюционировала за много столетий в китайской провинции Гуандун (Ruddle and Zhong 1988). Интенсивно возделываемые дамбы здесь перемежались прудами, населенными несколькими разновидностями карпа. Использование органических отходов в качестве удобрений – человеческих и свиных экскрементов, травы, водорослей, ила из прудов – обеспечивало высокие урожаи сахарного тростника, риса, многочисленных овощей и фруктов, рост шелковицы для шелкового червя и размножение рыбы в больших количествах.

Атмосферный CO₂, а также содержащиеся в воде углерод и водород формируют основу растительной ткани в виде углеводов. Но и другие элементы абсолютно необходимы для фотосинтеза, и в зависимости от того, в каком количестве они нужны, они делятся на макроэлементы и микроэлементы. Последние более разнообразны, в их число входят в первую очередь железо, медь, сера, кремний и кальций. Макроэлементов всего три: азот, фосфор и калий (N, Р и К), при этом азот – наиболее важный, он содержится во всех энзимах и белках, и именно его скорее всего будет не хватать в постоянно возделываемой почве (Smil 2001; Barker and Pilbeam 2007). Урожай пшеницы в 1 т/га (типичен для Франции или США около 1800 г) забирает из почвы по 1 кг кальция и магния (Са и Mg), 2,5 кг серы (S), 4 кг калия, 4,8 кг фосфора и 20 кг азота (Laloux et al. 1980).

Дождь, пыль, выветривание и органические останки в большинстве случаев восполняют потерю фосфора, калия и микроэлементов. Но постоянное выращивание растений без внесения удобрений вызывает дефицит азота, а поскольку именно от азота во многом зависит размер зерна и содержание в нем белка, то эта нехватка приведет к задержке роста, малым и низкокачественным урожаям. В рамках традиционного земледелия проблему можно решить лишь тремя способами: прямо вносить в почву все части растений, которые не нужны, то есть вспахивать, оставив на поле солому и стебли, не пошедшие на фураж; вносить в почву различные органические материалы, чаще всего (обычно подвергшиеся гниению) мочу и фекалии человека и животных; культивируя бобовые, чтобы увеличить содержание азота в почве для дальнейшей посадки других растений (Smil 2001; Berklian 2008).

Солома злаковых являлась главным потенциальным источником азота, но ее прямое использование было ограничено. В отличие от современных растений с короткими стеблями, традиционно выращиваемые разновидности приносили больше соломы, с соотношением солома/зерно как 2 к 1. Вспашка через такую растительную массу вызвала бы сложности у большинства животных, но такая ситуация почти никогда не возникала. Только небольшая часть растительного материала возвращалась прямо в почву, поскольку он требовался в качестве корма для скота, для изготовления подстилок и крыш, а также как топливо. Но в богатых деревом регионах солому и стебли часто просто сжигали на полях, почти полностью теряя содержащийся в них азот.

Переработка урины и экскрементов за столетия была доведено до совершенства в Европе и Восточной Азии. В китайских городах использовалась большая часть (70–80 %) отходов человеческой жизнедеятельности. Схожим образом, почти все выделения в Эдо (современный Токио) в 1650-х шли в дело. Но полезность таких отходов ограничена их доступностью и низким содержанием питательных веществ, а практика их переработки влечет за собой много однообразного, тяжелого труда. Даже до потерь, неизбежных при хранении и разных операциях, биологические отходы человека дают в год всего 3,3 кг азота на душу населения. Сбор, хранение и доставка материала на окружающие город поля сформировали масштабную и довольно пахучую индустрию, которая существовала даже в Европе большую часть XIX века, до того, как появилась канализация. По оценкам исследователей (Barles 2007), в 1869 году Париж выдавал каждый год около 4,2 Мт азота, около 40 % из лошадиного навоза и 25 % из человеческих фекалий. В конце XIX века около половины городских отбросов собиралось и промышленным образом перерабатывалось, чтобы получать сульфат аммония (Barles and Lestel 2007).

Использование много более изобильных отходов от животных, для чего требовалась чистка конюшен и стойл, жидкая ферментация или компостирование смешанных отходов перед тем, как отправить их на поля, и сама доставка – все это отнимало еще больше времени. И поскольку в большинстве разновидностей навоза содержалось всего 0,5 % азота, а в процессе переработки некоторое количество еще и терялось, то требовались огромные объемы этого материала, чтобы повысить урожаи. Во Фландрии XVIII века в среднем вносили по Ют/га, иногда до 40 т/га навоза, человеческих отходов, жмыха и пепла, а типичное значение для предреволюционной Франции составляло 20 т/га (Slicher and Bath 1963; Chorley 1981). Детальные подсчеты для Китая 1920-х показывают среднюю величину по стране выше 10 т/га, а для маленьких ферм на юго-западе – почти 30 т/га (Buck 1937).

В качестве удобрения в традиционном земледелии использовались все подходящие органические материалы. De agri cultura Катона упоминает голубиный, козий, овечий, коровий «и все другие виды помета», а также компосты из соломы, мякины, стеблей бобов, шелухи, диких растений и дубовых листьев. Римляне знали, что ротация злаковых культур с бобовыми (они полагались на люпины, бобы и вику) помогает увеличить урожай. Азиатская практика применения органики была даже более эклектичной, использовались как материалы с высоким содержанием азота (жмых масличных, остатки рыбы), так и почти его лишенные (ил из каналов и прудов). По мере того как росли города, пищевые отходы, в первую очередь растительные, становились новым источником удобрений.

Природным материалом с максимальным содержанием азота (около 15 % в лучших залежах) является гуано, птичий помет, сохранившийся в сухом климате островов у побережья Перу. Испанцы-завоеватели были впечатлены тем, как этот материал использовали инки (Murra 1980). Импорт в США начался в 1824 году, в Англию в 1840-м, в 1850-е он быстро вырос, но к 1872 году экспорт из самых богатых месторождений, с островов Чинча, закончился (Smil 2001). После этого чилийские нитраты стали самым важным источником азота для всего мира, по мере того как сельское хозяйство проходящих стадию индустриализации стран начало получать топливо, металлические инструменты, машины и неорганические удобрения (процесс описан в деталях в главе 5).

Фактический состав удобрений сильно варьировался в зависимости от доли навоза (очень высокой с животными в загонах, пренебрежимо малой в случае со свободно пасущимися), отношения к использованию человеческих отходов (от запрета до рутинного применения) и интенсивности земледелия. Любые теоретические оценки содержания азота отстоят очень далеко от его конечного вклада в урожай. Причина в высоких потерях (большей частью через испарение аммиака и выщелачивание в грунтовые воды) в процессе выделения, собирания, компостирования, доставки и окончательного потребления азота растениями (Smil 2001). Эти потери, обычно в две трети от изначального содержания азота, только увеличивались при необходимости использовать громадное количество органических отходов. Вследствие этого во всех интенсивных традиционных сельскохозяйственных обществах много тяжелого труда неизбежно посвящалось собиранию, ферментированию, транспортировке и внесению органических отходов.

«Зеленый навоз» эффективно применялся в Европе со времен античных греков и римлян, и широко использовался в Восточной Азии. Практика эта в основном опиралась на азотфиксирующие бобовые растения, изначально на вику (Astragalus, Vicia) и клевер (Trifolium, Melilotus), позже на люцерну (Medicago sativa). Бобовые могут фиксировать до 100–300 кг азота на гектар в год, и когда они ротируются с другими культурами (обычно сажаются в качестве зимнего растения в более мягком климате), они добавляют за три-четыре месяца, после которых начинается вспашка, 30–60 кг азота в почву, достаточно, чтобы посаженные следом зерновые или масличные дали хороший урожай.

Более высокая плотность популяции обычно вынуждает сажать съедобные растения даже в зимние месяцы. Эта практика неизбежно уменьшает содержание азота в почве и снижает урожаи. В краткой перспективе она может обеспечить энергетическое преимущество, поскольку дает добавочное количество углеводов и жиров. Но в долгой перспективе внесение достаточного количества азота в почву – настолько важная задача, что интенсивное сельское хозяйство не может существовать без азотфиксирующих бобовых, и приходится сажать их вместо съедобных растений. Эта желаемая практика, повторяемая каждый год или при более долгой последовательности севооборота, представляет, возможно, лучший пример энергетической оптимизации в традиционном земледелии. Ничего удивительного, что она формирует ядро всех традиционных систем сельского хозяйства, опирающихся на сложный севооборот, но только между 1750-м и 1880-м годами стандартный севооборот, включающий бобовые несъедобные растения (например, норфолкская четырехлетняя последовательность пшеницы, репы, ячменя и клевера) широко распространился по Европе и по меньшей мере утроил скорость симбиотической фиксации азота, что обеспечило надежный рост урожая съедобных растений (Campbell and Overton 1993).

Исследователи (Chorley 1981, 92) признают этот поворот по-настоящему эпохальным и называют его сельскохозяйственной революцией:

«Хотя продвижение вперед совершалось на широком фронте и стало результатом многих небольших изменений, был один невероятно значимый прорыв: всеобщее признание важности бобовых и последующее увеличение поставок азота. Ничего фантастического не будет в предположении, что эта обычно не замечаемая инновация по важности была сравнима с паровой машиной в экономическом развитии Европы в период индустриализации».

Другие ученые (Wrigley 2002) показывают сравнительные данные в сельском хозяйстве Англии в 1300 и 1800 годах, или документируют (Muldrew 2011) то, как изменения, начавшиеся с 1650-х, обеспечивали все более разнообразный и питательный рацион и как эти улучшения в питании работника привели к лучшей продуктивности, постоянной занятости и росту благосостояния людей.