Текст книги "Энергия и цивилизация"

Современное земледелие характеризуется доминированием монокультур, ежегодной посадкой одних и тех же злаков, и это отражает региональную специализацию включенного в коммерческую систему сельского хозяйства. Но повторяющееся культивирование одного вида имеет высокие энергетические и экологические издержки. Требуются удобрения для возмещения израсходованных питательных веществ, химикалии для истребления паразитов, которые процветают благодаря изобилию одинаковой пищи. Пропашные культуры, такие как кукуруза, оставляют большую часть почвы под дождем, пока не разрастутся, что ведет к значительной эрозии, когда их сажают на склонах. Постоянная культивация риса на затапливаемых почвах, в которых не так много кислорода, постепенно снижает их качество.

Долгий опыт научил многих земледельцев древности, какие угрозы несет выращивание монокультуры. И по контрасту, ротация злаковых и бобовых или возобновляет азот в почве или по меньшей мере облегчает использование ресурсов этой самой почвы. Культивация разнообразных зерновых, клубней, масличных и волокнистых растений снижает риск общего неурожая, уменьшает вероятность появления неистребимых паразитов, предотвращает эрозию и поддерживает лучшее качество почвы (Lowrance et al. 1984; USDA 2014). Схему севооборота можно выбрать так, чтобы она соответствовала климату и почве, а также удовлетворяла особым пищевым предпочтениям; севооборот крайне желателен с агрономической точки зрения, но там, где в течение одного года выращивается более одного вида растений, такая практика, очевидно, требует большего труда. В регионах с сухими сезонами необходимо орошение, а при интенсивном возделывании нескольких культур, когда три или даже четыре разных вида выращиваются каждый год на одном и том же поле, не обойтись без значительного объема удобрений. Там, где два или более растения занимают одно и то же поле в одно и то же время (уплотнение культур), трудовые затраты могут быть еще выше. Но главное преимущество такого вида земледелия – возможность кормить большее количество людей с того же участка земли.

Разнообразие традиционных культур и вариантов севооборота неисчислимо. Например, исследование китайского сельского хозяйства (Buck 1937) дало нам изумительную цифру в 547 систем земледелия в 168 локациях. Но очевидны несколько ключевых общих моментов. Ничто не может быть более заметным, чем уже упомянутая почти глобальная практика связывания бобовых со злаковыми. Помимо вклада в плодородие почвы и высокого содержания белка, некоторые бобовые, в первую очередь соя и арахис, также дают пригодное в пищу масло, игравшее важную роль в традиционном питании. Жмых, компактные блоки из семян, остающиеся после того, как масло выжато, становился либо высокопротеиновым кормом для домашних животных, либо отличным органическим удобрением.

Второй общий момент мы уже отмечали: ротация «зеленого навоза» и пищевых культур занимает важное место в любом интенсивном традиционном земледелии. Третий признак – севооборот отражает желание получать и волокна наряду с углеводами (зерна, клубни) и масличными культурами. Вследствие этого традиционное китайское сельское хозяйство включало многочисленные схемы ротации пшеницы, риса и ячменя с соевыми бобами и арахисом и кунжута с хлопком и джутом. Помимо основных злаков (пшеница, рожь, ячмень, овес) и бобовых (горох, чечевица, бобы), европейские крестьяне культивировали лен и коноплю, чтобы получать волокна. В число культурных растений майя входили три основы земледелия Нового Света – кукуруза, бобы и тыква, – но также клубни (сладкий картофель, маниок, мексиканская репа), агава и хлопок для волокон (Atwood 2009).

Постоянство и инновации

Инерция традиционного земледелия была во многих отношениях очевидной в течение нескольких тысячелетий: посев на сухих равнинах путем ручного разбрасывания семян и ломающий спину труд по пересадке проростков риса на сырое поле; медленно двигающиеся волы в упряжке, которые тащат простой деревянный плуг; ручная жатва серпами или косами, обмолот с помощью цепов или домашних животных. Но это очевидное постоянство повторяющихся процессов скрывало многочисленные, хотя почти всегда постепенные изменения. Они варьировались от распространения лучших агрономических техник до введения новых растений.

Последнее оказывает серьезное влияние благодаря появлению новых базовых источников углеводов (кукуруза, картофель) и богатых микронутриентами овощей и фруктов. Некоторые культуры распространялись сравнительно медленно и более чем по одному маршруту. Например, огурец (Cucumis sativus) попал в Европу двумя независимыми путями, сначала (до появления ислама) по земле из Персии (в восточную и северную части Европы), а затем морем в Андалусию (Paris, Daunay and Janick 2012). Несомненно, что самое масштабное распространение новых культур последовало за появлением европейцев в Америке: всемирное признание картофеля, кукурузы, томатов, разных видов перца, пантропическая культивация ананасов, папайи, ванили и деревьев какао (Foster and Cordell 1992; Reader 2008). Возможно, лучший способ оценить сельскохозяйственную эволюцию – взглянуть на четыре наиболее постоянных разновидности земледелия, а затем на быстрый прогресс в сельском хозяйстве Северной Америки доиндустриальной эпохи.

Исторически первым было земледелие Ближнего Востока, например египетское. Существовавшие там природные ограничения (малое количество плодородной земли и почти полное отсутствие осадков) и экстраординарные экологические условия (ежегодные разливы Нила, приносившие гарантированное количество воды и питательных веществ) в комбинации создали высокопродуктивное земледелие уже в раннединастическое время. К началу XX века, после долгого периода стагнации египетские крестьяне все еще производили наибольшее количество съедобной энергии, возможное при использовании только солнца (никакого ископаемого топлива).

Традиционное китайское земледелие является образцом восхитительно продуктивного растениеводства Восточной Азии. Оно поддерживало самое большое в мире население, находящееся в культурном единстве, и дожило практически в нетронутом виде до 1950-х. Такое постоянство дало возможность изучить традиционное земледелие современными научными методами и вынести надежные количественные оценки продуктивности. Развитые общества Мезоамерики зависели от уникального и высокопродуктивного растениеводства, которое обходилось без плуга и тягловых животных. Европейское сельское хозяйство эволюционировало от простого начала в Средиземноморье до быстрого прогресса в XVIII и XIX веках. Перенос его практик в Северную Америку и не имеющая прецедентов скорость сельскохозяйственных инноваций в США в XIX веке создали наиболее эффективное традиционное земледелие.

Сельское хозяйство Египта додинастической эпохи, следы которого прослеживаются до 5000 лет до н. э., сосуществовало с охотой на зверей (антилоп и свиней, крокодилов и слонов), на птиц (гусей, уток), рыбной ловлей (особенно легкой на затопленном мелководье) и собиранием растений (трав, корней). Двурядные пшеница и ячмень были первыми злаками, а овца (Ovis aries) – первым животным, которое одомашнили. Посадки в октябре и ноябре следовали за отступлением вод Нила, прополка не требовала больших усилий, а время жатвы наступало через пять или шесть месяцев. Расчеты, базирующиеся на археологических данных, показывают, что земледелие додинастического Египта могло кормить, возможно, до 2,6 человека с гектара обработанной земли, но более вероятно, что долгосрочный средний показатель был в два раза меньше.

Египетское сельское хозяйство всегда процветало благодаря орошению, но как в эпоху Древнего царства (2705–2205 годы до н. э.), так и в эпоху Нового царства (1550–1070 годы до н. э.), ирригация заключалась в сравнительно простых манипуляциях с ежегодным паводком. Они сводились к постройке высоких и прочных насыпей, перегораживанию дренажных каналов и разделению между собой водосборных площадей (Butzer 1984; Mays 2010). В отличие от Месопотамии или долины Инда, здесь не было постоянных оросительных каналов из-за очень низкого градиента Нила (1 к 12 000). И первое ограниченное использование этой технологии отмечено в Фаюмской впадине при Птолемеях (после 330 года до н. э.).

Еще одним ограничивающим ирригацию фактором в династическом Египте было отсутствие эффективных водоподъемников. «Журавли», которые использовали с периода Амарны (XIV век до н. э.), годились только для полива маленьких участков земли. Приводимая в действие животными saqiya, которая требовалась для постоянного подъема больших количеств воды, появилась только при тех же Птолемеях. Поэтому в династические времена не культивировались летние злаки, имело место лишь чуть более экстенсивное выращивание зимних. Пшеница и ячмень являлись базовыми зерновыми культурами, жали их с помощью деревянных серпов с коротким зазубренным лезвием из кремня, солому срезали высоко над землей, иногда прямо под колосом. Эта практика, также широко распространенная в средневековой Европе, делала жатву более легкой, упрощала транспортировку и обмолот. В сухом климате Египта стоящие стебли можно было срезать позже, когда они понадобятся для прядения, изготовления кирпичей или в качестве топлива, ну а жнивье подъедали домашние животные.

Рисунок 3.10. Земледельческие сцены Древнего Египта времени 18-й династии (Новое царство). Гробница Унсу в Восточных Фивах (Corbis)

Рисунки из египетских гробниц оживляют для нас сцены из того периода. Например, в гробнице Унсу мы видим, как крестьяне мотыжат, разбрасывают семена, жнут серпами и несут зерно в корзинах, чтобы смолоть его с помощью волов (рис. 3.10). Надписи из гробницы Пахери красноречиво выражают энергетические ограничения и условия того времени (James 1984). Надзиратель бьет работников палкой, заявляя: «А ну шевелитесь, вода поднимается и вот-вот доберется до тюка». Их ответ: «Солнце жжет! Может быть солнце возьмет цену ячменя в рыбе!» – точно отражает и их утомление и знание о том, что зерно, уничтоженное наводнением, можно компенсировать рыбой.

И мальчик, подгоняющий волов, пытается ободрить их: «Молотите для себя, молотите для себя… Мякина, чтобы съесть вам самим, а ячмень для ваших хозяев. Не позволяйте усталости овладеть вашими сердцами! Усталость остужает». Помимо мякины, волам давали солому от пшеницы и ячменя и позволяли пастись на траве заливных равнин и на посадках вики. По мере того как культивация становилась все более интенсивной, скот сезонами водили пастись в болота дельты. Для пахоты волов запрягали в двойное головное ярмо, комья земли разбивали деревянными мотыгами и колотушками, а разбросанное зерно втаптывали в землю овцы. Записи времен Древнего царства говорят не только о большом количестве волов, но и о значительных стадах коров, ослов, овец и коз.

Реконструкция демографической истории Египта (Butzer 1976) показывает плотность населения в долине Нила от 1,3 чел./га пахотной земли около 2500 лет до н. э. до 1,8 чел./га в 1250 году до н. э., и 2,4 чел./га во время уничтожения римлянами Карфагена (149–146 годы до н. э.). Под управлением Рима объем обрабатываемой земли составлял около 2,7 Мга, и 60 % находилось в дельте Нила. Эта территория могла произвести в 1,5 раза больше продуктов, чем требовалось для ее населения в 5 миллионов. Излишки имели большое значение для процветания расширяющейся Римской империи: Египет был ее крупнейшей житницей (Rickman 1980; Erdkamp 2005). Позже египетское сельское хозяйство пришло в упадок, начался период стагнации.

Даже совсем недавно, во втором десятилетии XIX века, в стране обрабатывали в два раза меньше земли, чем при римлянах. Но из-за более высоких урожаев эта земля поддерживала в два раза больше людей, чем та, что в древности кормила и собственных жителей, и обитателей других земель. Продуктивность резко выросла только с распространением постоянной ирригации после 1843 года, когда первые плотины на Ниле обеспечили достаточный приток воды, чтобы наполнить каналы. Показатель одновременного выращивания разных культур вырос с 1,1 в 1830-х годах до 1,4 в 1900-м, а в 1920-х превысил 1,5 (Waterbury 1979). Земледелие все еще существовало благодаря силе животных, но с помощью неорганических удобрений феллахи кормили шесть человек с каждого гектара обработанной земли.

Императорский Китай видел долгие периоды хаоса и стагнации, но его традиционное земледелие было значительно более инновационным, чем египетское (Но 1975; Bray 1984; Lardy 1983; Li 2007). Как и везде, на ранних стадиях сельское хозяйство не было полностью интенсивным. До III столетия до н. э. не существовало масштабного орошения, практически не применялись севооборот и совместное выращивание культур. Сухолюбивое просо на севере и влаголюбивый рис в бассейне Янцзы были доминирующими злаками. Свиньи стали первыми одомашненными животными, самые ранние свидетельства о них датируются 8 тыс. лет назад (Jing and Flad 2002). Причем свиньи всегда были самыми многочисленными домашними животными, но упоминания о навозе появляются только после 400 года до н. э.

К тому времени, когда Египет обеспечивал зерном Римскую империю (династия Хань, 206 год до н. э. – 220 год н. э.), китайцы придумали несколько инструментов и практик, которые в Европе и на Ближнем Востоке появились только столетия, если не тысячелетия спустя. В их число входили в первую очередь железный отвальный плуг, хомут для лошадей, сеялки и вращающиеся веялки для зерна. Все эти вещи стали широко использоваться уже при ранней династии Хань (207 год до н. э. – 9 год н. э.). Возможно, наиболее важным было всеобщее применение отвального плуга из чугуна.

Массово изготавливаемые плуги из нехрупкого металла (литье было отработано к III столетию до н. э.), расширили возможности культивации, облегчив самую тяжелую работу. Пусть такой плуг получался тяжелее, чем деревянный, зато он создавал меньше трения и тащить его могло одно животное даже в сырой глинистой почве. Многотрубочные сеялки снизили потери зерна, неизбежные при ручном посеве, а приводимые в движение ручкой веялки сильно сократили время, необходимое для очищения обмолоченного зерна. Эффективный хомут для лошади не внес больших изменений в полевые работы, поскольку на бедном Севере менее требовательные волы остались самым распространенным тягловым животным (лошадям требовался корм гораздо лучшего качества), и только азиатский буйвол, запряженный в шейное ярмо, мог использоваться на сырых полях юга.

Другие династии не могут сравниться с Хань в отношении фундаментальных изменений в земледелии (Xu and Dull 1980). Последующий прогресс был медленным, а после XIV века сельское хозяйство вошло в долгий период стагнации. Повышение урожая зерна между династиями Мин (1368–1644) и Цин (1644–1911) наполовину обеспечивалось увеличением обрабатываемой территории (Perkins 1969), а наполовину возросшими трудозатратами – в первую очередь на орошение и удобрение. Более качественные семена и новые злаки вроде кукурузы принесли небольшой прогресс в отдельные регионы.

Без сомнения, наиболее важное и долговременное влияние на интенсификацию сельского хозяйства в Китае оказало создание и поддержание обширных и эффективных ирригационных систем (рис. 3.11). Древность этих систем лучше всего показывает тот факт, что почти половина из них, работавшая к 1900 году, была построена до 1500-го (Perkins 1969). Самая известная, ирригационная система Дуцзянъянь в Сычуане, чьи тихие воды обеспечивают выращивание пищи для десятков миллионов людей, существует с III столетия до н. э. (UNESCO 2015b). Русло реки Миньцзянь было рассечено в том месте, где она входит на равнину, и впоследствии потоки не раз делились снова с помощью насыпей из камня.

Рисунок 3.11. Малый участок обширных рисовых террас longji (спина дракона) к северу от Гуйлиня в провинции Гуанси, созданных во времена династии Юань (1271–1368).

Источник: https://en.wikipedia.Org/wiki/Longsheng_Rice_Terrace#/media

Дальше воду направили в боковые каналы, где ее поток регулировался дамбами и плотинами. Корзины из плетеного бамбука, наполненные камнями, стали главным строительным материалом. Углубление и ремонтные работы на протяжении периодов низкой воды продержали оросительную систему в рабочем состоянии более 2000 лет. Создание и непрестанная поддержка таких масштабных ирригационных систем (точно так же как создание и углубление длины каналов для прохода судов) требовало долгосрочного планирования, масштабной мобилизации труда и громадных инвестиций. Ничто из этого невозможно без эффективной и сильной центральной власти на обширных территориях. Существовала очевидная синергетическая связь между впечатляющими крупномасштабными проектами водопользования в Китае и ростом, совершенствованием и долгим существованием сложной иерархической бюрократии в стране.

Подъем воды с помощью мускульной силы человека был утомителен и занимал много времени, энергозатраты при нем выглядели немалыми, но зато он приносил вознаграждение в виде более высоких урожаев. Когда орошение дает дополнительную воду растениям в жизненно важный период роста, то возврат полезной энергии, сосредоточенной в пище (исключая затраты на создание и поддержание ирригационных каналов), с легкостью достигает величины в 30 (примечание 3.9). Создание дефицита воды во время менее важных отрезков времени может все же вернуть в 20 раз больше энергии в виде дополнительного урожая по сравнению с пищей, нужной крестьянам, приводящим в движение водяные лестницы.

Примечание 3.9. Энергоотдача китайского орошения

Полевые исследования показали, что урожай озимой пшеницы уменьшится наполовину при нехватке воды в 20 % за год, если эта нехватка придется на ключевой период цветения (Doorenbos et al. 1979). Хорошая жатва поздней Цинь в 1,5 т/га таким образом упала бы на 150 кг с типичного поля в 0,2 га. Чтобы ликвидировать дефицит в 10 см дождя с помощью орошения, необходимо 200 тонн воды, но реальное поступление из канала должно вдвое превышать эту массу. Причина в том, что эффективность орошения, доля подведенной воды, на самом деле использованной растениями, составляет обычно 50 % в случае простого полива по бороздам. Вторая половина воды теряется из-за просачивания в почву и испарения. Подъем 400 тонн воды с помощью лестницы с двумя крестьянами потребует, если высота менее 1 метра, около 80 часов. Подобная работа обойдется в около 65 МДж дополнительной энергии пищи, а увеличенный урожай пшеницы будет содержать (после того как мы уберем 10 % на посевные семена и на потери хранения) около 2 ГДж перевариваемой энергии. Следовательно, водяная лестница позволяет вернуть примерно в 30 раз больше энергии, чем было потрачено на нее.

В рисоводческих регионах Китая внесение навоза животных и отходов человека составляло в среднем 10 т/га в конце XIX и начале XX века. Огромные количества органических отбросов собирались в малых и больших городах и перевозились в сельскую местность, создавая развитую транспортную сеть. Высокая интенсивность использования навоза в Китае вызывала восхищение у путешественников из Европы, которые (что очень любопытно) не осознавали, насколько это похоже на то, что происходило у них дома несколько раньше (King 1927). Но никакая другая культура не превзошла высочайшие известные показатели применения органических отходов для поддержания интенсивного земледелия в районе дамб и прудов провинции Гуандун в Южном Китае, где использовали от 50 до 270 тонн свиных и человеческих экскрементов на гектар (Ruddle and Zhong 1988). Внесение навоза и других материалов, от куколок шелкопряда до ила из каналов и прудов, от травы до жмыха, еще больше увеличивало затраты труда на собирание, ферментирование и распределение этих материалов. Ничего удивительного, что по меньшей мере 10 % всего труда в традиционном китайском земледелии уходило на возню с удобрениями и на Северо-Китайской равнине интенсивное внесение удобрения под пшеницу и ячмень было самой затратной по времени работой как для человека (приближаясь к одной пятой), так и для животных (около одной третьей). Но подобное вложение приносило хорошую отдачу: возврат полезной энергии составлял обычно более 50 (примечание 3.10).

Общая отдача энергии пищи в традиционном земледелии Китая не была столь высокой даже во время его пиковой продуктивности в первые десятилетия XX века. Главной причиной являлась минимальная механизация сельского хозяйства, что означало постоянное использование труда человека. Обилие количественной информации практически обо всех аспектах традиционного сельского хозяйства страны в 20-30-х годах (Buck 1930,1937) позволяет описать систему в деталях и сделать точные энергетические расчеты. Поля большей частью были очень маленькими (около 0,4 га) и находились в пяти или десяти минутах ходьбы от крестьянского дома. Почти половина земли орошалась, четверть занимали террасированные поля.

Примечание 3.10. Полезная энергоотдача от внесения удобрений

Хороший урожай озимой пшеницы при династии Цинь в 1,5 т/га требовал около 300 часов труда человека и около 250 часов труда животных. Внесение удобрений составляло соответственно 17 % и 40 % от этих величин. Я предполагаю, что 10 тонн удобрений, внесенных на гектар, содержали только 0,5 % азота (Smil 2001). Неизбежные потери при вымывании и испарении приводили к тому, что лишь половина добиралась до злаков. Каждый килограмм азота обеспечивал получение дополнительно 10 кг зерна. По сравнению с неудобренным полем, прирост урожая составлял по минимуму 250 кг зерна. Не более чем 3–4% добытого зерна уходило на корм животным. После молотьбы из зерна получали как минимум 200 кг муки, или около 2,8 ГДж энергии пищи, при около 40 МДж вложений в виде энергии пищи при труде человека. Возврат полезной энергии от удобрений таким образом составлял порядка 70, впечатляющее соотношение выгода/издержки.

Более 90 % засаженной территории занимали зерновые, менее 5 % – сладкий картофель, 2 % – волокнистые культуры, 1 % – овощи. Только в одной трети из всех хозяйств севера был вол, и менее трети хозяев на юге могли похвастаться буйволом. Выращивание растений требовало тягловой работы (90 % для риса, 70 % для пшеницы), но за исключением вспашки и боронения, сельское хозяйство Китая полагалось почти исключительно на человеческий труд. И волы, и буйволы получали очень мало зерна, поэтому энергоотдачу можно рассчитывать с учетом затрат только человеческого труда. Неорошенные пшеничные поля на севере давали не более 1 т/га, производство этого зерна требовало более 600 часов труда, и урожай возвращал от 25 до 30 единиц пищевой энергии немолотого зерна на каждую единицу энергии пищи, потраченной на полевые работы.

Локальные и региональные урожаи риса были весьма велики уже при династии Мин, средняя величина по стране определяется около 2,5 т/га в первые десятилетия XX века, что уступает только Японии. Около 2000 часов труда уходило, чтобы произвести такой урожай, что дает нам валовую энергоотдачу в 20–25 раз. Валовая энергоотдача для кукурузы достигала 40, но кукурузная мука никогда не относилась к любимым продуктам империи. Для бобовых (соя, горох, бобы) энергоотдача редко превышала 15, а обычно была в районе 10, и на таком же уровне она сохранялась для растительного масла из рапса, арахиса или кунжута. Зерновые обеспечивали около 90 % всей энергии пищи, потребление мяса было пренебрежимо малым (обычно только в праздники). Но такое однообразное вегетарианское питание в конечном итоге поддерживало высокую плотность населения.

Плотность населения в древнем Китае не могла сильно отличаться от значений для Египта, варьируясь от 1 чел./га в беднейших северных регионах до более чем 2 чел./га в южных рисоводческих областях. Существовали также значительные внутрирегиональные различия, например северо-восток был очень плотно заселен благодаря активной иммиграции двух первых столетий маньчжурской династии Цин, а гористые районы юга отличались малым населением. Постепенная интенсификация земледелия в комбинации со скудным питанием со временем привела к тому, что плотность населения повысилась. Реконструкции для Мин (1368–1644) и Цин (1644–1911) начинаются от 2,8 чел./га обработанной земли в 1400-м и поднимаются до 4,8 чел./га в 1600 году (Perkins 1969). Небольшое падение во время долгого процветания при императоре Цяньлуне (1736–1796) вызвано тем, что китайцы начали активно осваивать новые территории. Рост плотности населения возобновился в XIX веке, и к его концу значение достигло около 5 чел./га, выше, чем на современной Яве, и минимум на 40 % выше среднего по Индии (рис. 3.12).

Обзоры для тридцатых годов (Buck 1937) приводят среднее значение для государства 5,5 чел/га обработанной земли. Это близко к показателям Египта того же времени, но в Египте орошали всю землю и уже использовали неорганические удобрения. По контрасту, средние показатели для Китая резко снижались из-за данных для земледелия на севере, где не знали орошения. Южные рисоводческие регионы превзошли 5 чел./га уже к 1800 году, и на большей части этой территории величина превышала 7 чел./га к концу 1920-х. По сравнению с возделыванием пшеницы без орошения, возврат полезной энергии был неизменно ниже при ирригационном выращивании риса, но это компенсировалось куда большими урожаями на гектар: совместное выращивание риса и пшеницы в наиболее плодородных регионах могло кормить 12–15 чел./га.

Рисунок 3.12. Плотность населения Китая в долгосрочной перспективе. Преимущества значительного расширения обрабатываемых земель при династии Цин вскоре были нивелированы непрерывным ростом населения в стране. Отрезки плотности отражают неопределенность оценок историков. Базируется на данных из Perkins (1969) и Smil (2004)