Чтение онлайн

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)

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).