STS视域下水力机械兴起的原因探析

丁 宏,李 龙

(1.太原理工大学 马克思主义学院，山西 太原 030024；2.中国科学院 自然科学史研究所， 北京 100190；3.太原理工大学 大数据学院，山西 太原 030024)

汉代是我国科学技术发明史上一个承上启下的时代,这一时期为了满足社会生产的需要,人们开始使用水轮等装置将水能等自然能量转化为机械能。李约瑟(Needham J. T. M., 1900-1995)、刘仙洲、王振铎、杨宽、李崇州、华觉明、张柏春等国内外学者曾对我国的水力机械做过较为详细的调查和复原工作。杨宽指出“两汉之际,同时发明了水碓和水排,出现了水力工作机,这是手工业技术发展史上一个重大的变革”[1]。学界曾围绕水力机械发明的来源地进行过争论。李约瑟认为水轮发明于印度,是戽水车的主要构件,在公元前1世纪传到古希腊文化地区,公元2世纪传入中国,自此中国开始使用立式水轮。陆敬严指出中国人独立发明了立式和卧式水轮[2]。张柏春探讨了中国传统水轮构造原理的演变及其驱动的碓、磨、碾、水排、筒车、天文仪器等机械,指出水轮是水能转化为机械能的关键构件[3]。但是水轮何以会在两汉之际被发明?为何两汉之际同时发明了水力机械——水碓和水排?对此问题学界尚无专文论述。钱学森认为极其复杂的“系统”是由相互作用和相互依赖的若干组成要素构成的,系统是具有特定功能的有机整体,小系统可以构成大系统[4]。本文力图从科学技术和社会(Science technology and society,简称STS)两个视角,从社会大系统的角度对水力机械兴起的社会和自然原因进行探讨。

一、汉代水力机械的简单介绍

大不列颠百科全书将水能定义为:“Waterpower, power produced by a stream of water as it turns a wheel or similar device”*http://www.britannica.com/EBchecked/topic/637505/waterpower.,即“水能是通过轮子或类似装置在水中转动所产生的能量”。我国最早使用水能的水力机械是水碓和水排,它们在中国科学院自然科学史研究“发明创造”研究组统计的“中国古代重要科技发明创造”清单中，分别位列第52和58位[5]。“水碓”的记载见于服虔的《通俗文》、孔融的《肉刑论》和桓谭的《新论》。《新论》中记载道:“杵舂又复设机关,用驴、骡、牛、马及役水而舂,其利乃且百倍。”[6]水排的记载见于《东观汉记》和《后汉书》等文献。《后汉书·杜诗传》记载道:“(建武)七年(公元31年)……造作水排,铸为农器,用力少,见功多,百姓便之。”[7]水碓和水排的关键部件是水轮,结合水碓和水排的发明时间,可以推测水轮的发明,以及其在水碓和水排上的应用是在西汉末年到东汉初年的两汉之际[8],发明者为东汉初年南阳太守杜诗。

此后,我国水力机械的发明逐渐增多,例如，东汉安帝时期(公元107—125年)张衡创造了以水力为动力的浑天仪,灵帝时期(公元168—169年)毕岚创造了农业灌溉机械——翻车等。

二、水力机械发明的自然基础

汉代自然灾害频发致使劳动力大幅减少。据邓云特统计,秦汉时期我国共发生各类灾害375次[9];张文华指出包括王莽政权在内两汉425年间共发生灾害524次[10]。频繁的自然灾害加上战争等因素致使人口在一些年份大幅减少。例如,顺帝建康元年(公元144年)和质帝本初元年(公元146年)分别出现-22.6‰和-39.5‰的年均人口增长率[11]。在人口减少的情况下,寻找新能量维持社会正常运转,提高劳动生产率成为当时社会现实问题。

根据竺可桢[12]、张丕远[13]、任振球[14]等先生的研究,两汉处于大理冰期后的第三个温暖期,年平均温度比现在高1℃～2℃,由于频繁的降水,水灾成为汉代主要的自然灾害之一。这一时期,黄河决口泛溢达14次,其中西汉10次,东汉4次,5次大的黄河泛滥致使黄河改道。这一时期,不仅水灾频发,而且水患延续时间长、灾情严重[10]。武帝建元三年(公元前138年),“河水溢于平原”引发“人相食”[15]的惨剧。水灾给古人的生活、生产造成诸多不便,但却为水力机械的发明及应用创造了有利条件。

三、社会需要是水力机械兴起的原动力

恩格斯指出，社会需求的推动力远比大学更能将科学向前推进,汉代水力机械的兴起就体现了这一特点。

(一)水力机械兴起的技术基础

两汉之际发明的立轮式水碓和立轮式水排由发动机、传动机和工作机三个部分组成,是简单的水利机械。水碓以水轮为发动机,利用杠杆原理将水能转化为机械能,是谷物脱壳去皮的加工工具。水排以水轮为发动机,通过连杆机构将旋转运动转变为往复运动的冶铁鼓风机械。水轮充当了水碾和水排的发动机,是它们的关键部件。唐代陈廷章的《水轮赋》记载道:“观夫斫木而为,凭河而引,箭驰可得而滴沥,辐凑必循乎规准。”最初立式水轮的形状类似于车轮的形状,其制作技术与车轮的制作技术相当。碓和囊充当工作机部分,其他部件充当传动机部分。图一、图二为立轮式水排及其结构图。

图一 立轮式水排

图二 立轮式水排结构图

《考工记》记载了先秦工匠高超的“车轮”制作技术，先秦工匠认为“轮”是制作“车”的关键,“轮人为轮”被置于三十工之首,书中详细记载了从毂到辐再到牙的制作方法。不仅如此,先秦工匠还“量材为用”,根据不同时节，选用不同材质的木材制作“毂、辐、牙”。书中记载道:“凡为轮,行泽者欲杼,行山者欲侔。”更为重要的是先秦工匠还对“轮”进行定量检测。“凡察车之道……人长八尺,登下以为节。”[16]“凡揉牙,外部廉而内不挫……谓之国公。”[16]

先秦时期精湛的车轮制作技术被汉代的工匠所继承。山东嘉祥洪山出土的画像石还原了一种汉代组合轮的构造,说明汉代的“轮人”能制造比较复杂的“轮”。水轮同车轮的制作技术非常相似,西汉的工匠自然会将先进的“车轮”制作技术应用于水轮的制作。

水碓的工作机为碓,恒谭的《新论》中记载了碓的演变历史。《新论》中记道:“伏牺制杵臼,万民以济,乃后世加巧,因延力借身以践碓,而利十倍。杵舂又复设机关,用驴、骡、牛、马及役水而舂,其利乃且百倍。”[6]可以看出碓的发展经历了杵臼、践碓和水碓三个阶段,工作效率提高到原来的“百倍”。四川双流县出土了汉代的陶房,屋底层放有二足碓,彭县出土的《舂米》画像石上也有二足碓。可以肯定两汉之际水碓的工作机部分“碓”的制作技术也已经成熟。

水排的工作机部分为“橐”。根据王振铎对山东滕县宏道院汉画像冶铁图的研究,汉代的橐由三个木环、两块圆板及外面的皮囊组成,设有进风口、排风口和风管,用四根悬挂在屋梁上的吊杆拉持皮囊,并用构架使囊只能沿悬杆摆动方向运动,通过对橐的拉伸和压缩达到对冶铁炉鼓风的目的[17]。可见两汉之际水排的工作机“橐”的制作技术也已经成熟。

立轮式水碓和水排传动机部件的使用，以该部分关键构件制作技术、凸轮机构和设计原理的使用和成熟为基础。(1)从复原的水碓和水排看,其传动机部分主要为直杆,制作技术并不复杂,汉代对各个部件的制作都不存在技术上的困难。(2)水碓和水排应用了凸轮机构。凸轮是一种可以将机械中某部分连续运动转换为另一部分等速或不等速、连续或不连续的机件[2]。(3)简单的机械原理。水碓利用了杠杆原理,水排利用了旋转运动和连杆运动转化的原理。东汉以前的桔槔、藉车、天平、滑车、辘轳、石磨等工具,在不同程度上应用了凸轮技术及杠杆原理和转化原理。

由此可见,两汉之际立轮式水碓和水排的发动机、传动机和工作机部分的制作技术都已经成熟,缺少的是将水用作原动力的思想和完成转化的契机。

(二)水力机械兴起的哲学理念

汉代道家的无为、水德、五行等思想，以及儒家的民本思想对汉代水力机械的发明具有引导作用。

西汉初年,在黄老“无为思想”的指导下,汉代政府实行“休养生息”的政策,提倡农桑、鼓励人口生育、开垦荒地、减徭薄赋，使社会经济从汉初“天下既定,民亡盖藏,自天子不能具钧驷,而将相或乘牛车”[18]发展到“京师之钱累巨万,贯朽而不可校。太仓之粟,陈陈相因,充溢露积于外,至腐败不可食”[19]的兴盛景象。“无为思想”教导人们顺应自然,促使人们向自然寻求力量,使人们努力将水能转变为机械能。

“水德思想”是道家的重要思想之一。在《老子》中，就曾提出“上善若水,水善利万物而不争”[20]的水德思想。汉代《淮南子》继承了老子崇尚水德的思想,与老子的思想相比,《淮南子》更强调水对万物生成的重要作用，“万物弗得不生，百事不得不成”“与天地鸿洞”“与万物始终”[21]。作者似乎想从水中找到生命体的本原。现在看来《淮南子》中的“水德思想”不够科学,但作为当时影响较大的思想,汉代的工匠可能受到这一思想的影响,从崇拜“水”到利用“水”,进而发明了水轮,并将其成功应用在水碓和水排上,促进了水力机械的发明和推广。

“五行思想”是汉代人的“思想骨干”[22]。水排鼓风冶铁的过程体现了“五行相生相胜”的思想,同时体现了“五行相制和相化”原理[23]。《淮南子》称:“为治之本,务在于安民；安民之本，在于足用”[21],“民者，国之本也”[21]，冶铁业和粮食加工业都是极费民力的行业,比较而言冶铁业更费民力。《汉书贡禹传》记载:“今汉家铸钱及诸铁官,皆置吏卒徙,攻山取铜铁,一岁功十万人已上。”水排和水碓的优点就在于“省民力”。《三国志·韩暨传》记载道:“旧时冶作马排,每一熟石用马百匹;更作人排,又费功力;暨乃因长流为水排,计其利益,三倍于前。在职七年,器用充实。”[24]孔融《肉刑论》指出:“贤者所制,或踰圣人,水碓之巧,胜于断木掘地。”[6]

水排和水碓的发明与推广能够解放大量的劳动力。《后汉书》记载杜诗“省爱民役,造作水排”,出于爱惜民力的考虑,杜诗发明了水排。在“民本思想”的指导下,统治者充分利用了水能,将水轮运用于粮食加工业和冶铁业,发明了水碓和水排,极大地节省了民力,促进农业和冶铁业的发展,保障了社会的正常运行。

(三)水力机械兴起的实践基础

有了成熟的制作技术和相应的思想基础,车轮是如何转变为“水轮”的呢?汉代南阳先进的冶铁技术和水利工程为水排的发明和推广提供了实践基础,汉代的农业政策为水碓的发明提供了制度保证。

战国时期南阳就是楚国著名的冶铁手工业之地。《荀子·议兵篇》记载:“宛钜铁釶,惨如蜂虿。”[25]在秦昭王二十六年(公元前281年)和秦昭王二十七年(公元前280年),颁布“赦罪人迁之穰”和“赦罪人迁之南阳”的法令,分两次从魏国等地迁民进入南阳。这些移民中有著名的手工业者和手工业经营者，例如,汉代南阳的大铁商孔氏就是这一时期从魏国古安邑迁入南阳的,孔氏将魏地先进的冶铁技术和管理经验带入南阳,使得南阳的冶铁业得到进一步的发展。“宛孔氏之先,梁人也,用铁冶为业。……大鼓铸,规陂池……故南阳行贾尽法孔氏之雍容。”[26]汉代南阳人对孔氏的效仿使得南阳成为西汉著名的冶铁中心和商业名城。武帝元狩四年(公元前119年)实行盐铁官营,次年便以东郭咸阳、孔仅为大农丞,依靠孔氏先进的冶铁管理经验对国家的冶铁业进行管理。南阳作为西汉冶铁中心之一,其先进的冶铁技术为水排的发明提供了实践基础。

考古发现南阳地区的汉代冶铁铸造遗址主要有:桐柏毛集铁山庙汉代铁矿遗址、桐柏固县乡铁石档古铁矿遗址、南阳市瓦房庄冶铁遗址、桐柏毛集乡铁山庙冶铁遗址、桐柏张畈冶铁遗址、桐柏毛集乡后铁炉村冶铁遗址、镇平安国城遗址。这些遗址可以分为冶炼遗址、铸造遗址、冶炼和铸造相结合的遗址。桐柏毛集乡铁山庙冶铁遗址滨邻固县河边;桐柏张畈冶铁遗址位于张滨村东西两河交汇处,南部附近小河边有炼炉址;南阳市瓦房庄冶铁遗址中的西汉时期的遗物有熔炉基9座,勺形鼓风机械基址1个、水井9眼、水池3个[27]。从这些遗址的选址和遗址内的遗物看,汉代南阳冶铁遗址多位于靠近水流之处。据此,水排有可能已经开始在冶铁业上使用。

汉代南阳人利用南阳的水利条件修筑坡渠,打井灌溉形成南阳独特的长藤结瓜式水利灌溉系统。张衡在《南都赋》中描述:“於显乐都,既丽且康。……推淮引湍,三方是通。”[28]由此说明汉代的南阳不仅是当时南北交通要塞,而且水利资源丰富，它跨越鄂、陕两地,分鄂、豫之疆界,武阙山是西面的关隘,桐柏山是东面的屏障,方城山是牢固的围城墙；南阳境内的白河、淮河及丹阳三大水系是联系关中和江淮流域的纽带。

张衡在《南都赋》中生动地描绘了南阳水利工程的盛况:“尔其川渎……于其陂泽,则有钳卢玉池、赭阳东陂。贮水停洿,亘望无涯……其水则开窦洒流,浸彼稻田,沟浍脉连,堤塍相輑。朝云不兴,而演潢潦独臻。决渫则旱,为溉为陆。冬稌夏穱,随时代熟。”[28]张衡指出，南阳通过水利工程的建设,将河水开沟分流,田间小渠相互贯通,堤坝田埂连绵不断,这样的水利工程便于灌溉农田。

在众多的水利工程中,以召信臣和杜诗任南阳太守期间修建的水利工程最为著名,他俩被时人称为“召父杜母”。《汉书·召信臣传》记载道:“兴利信臣为人勤力有方略,好为民兴利,务在富之……行视郡中水泉,开通沟渎,起水门提阏凡数十处,以广溉灌,岁岁增加,多至三万顷……荆州刺史奏信臣为百姓兴利,郡以殷富,赐黄金四十斤。迁河南太守,治行常为第一,复数增秩赐金。”[29]召信臣修建的水利工程中最著名的为六门堰和钳卢陂,他重视水利工程的修建,更重视水利工程的管理,使南阳的水利工程建设和维护形成传统。杜诗在任南阳太守期间,也积极修建水利工程，可以说正是当时南阳先进的水利工程建设活动为“车轮”转变为“水轮”提供了实践基础。

(四)水力机械兴起的现实需求

汉代战争频繁，农业发达，大规模修建水利工程需要大量高质量的铁制武器、农具和水利工具,面对现实需要,单纯依靠人力、畜力已无法满足需求,水力机械的兴起成为当时的必然。这是水碓和水排发明和推广的现实需求。

我国在春秋战国时期就逐渐使用铁制兵器,西汉中期铁制兵器逐渐替代了铜制兵器。南阳汉代冶铁遗址中发现的剑、刀、矛、戟、弩机、镞、斧钺、钩镶、铁甲、马衔、马镳、马镫等兵器和车马器是汉代冶铁业的主要产品[27]。从西汉初年到东汉初期战争频繁,其中著名的战争有楚汉战争、英布之乱、陈郗之乱、南越之乱,汉景帝时期平定七国之乱;汉武帝时期三征匈奴，平定大宛、乌孙、朝鲜、安南;西汉末年的绿林、赤眉之乱等。频繁的战争需要大量的铁制兵器、铁甲等，这些需求需要增大铁器的数量、提高铁器的质量。

铁器是我国古代农业发展的基础。南阳汉代冶铁遗址发现的农具主要有镢、“凹”字形的铁刃口、“一”字形的铁器、直銎斧、横銎斧、铲、犁、铧、锄、耙、镰、犁镜等铁制农具[27]。公元前89年,时任搜粟都尉的赵过在全国推广大型畜力播种工具耦犁和耧车，并组织“令长、三老、力田”等学习推广新的农具及“代田法”等新的耕种方法。新式农具和农业技术的推广必然使人们对农具的需求大幅增加,进而要求冶铁业在质量和产量上满足维护正常生产所需要的铁制农具。

水利是我国古代农业的命脉。秦汉时期是我国水利建设的第一次高峰期，尤其是西汉,分别在新疆和南阳形成了有地域特色的“坎儿井”和“陂塘”两种水利工程方式,王莽时代的大司马张戎提出了“水力刷沙说”,公元前32年,清河都尉冯逡提出分疏治黄论，王莽时期的御史韩牧也提出类似主张,公元前6年贾让提出治理黄河的“贾让三策”,司马迁在《史记·河渠书》赋予“水利”一词以治河防洪、灌溉排水、城镇供水、运河开凿等专业内容[30]。这些都说明汉代的水利技术和水利理论都已经发展得相当完备。

武帝时期修建了许多大型水利工程,这些水利工程集中于整饬浩大的黄河水利工程，维修旧的堤渠及开凿新的引水灌渠。从地域分布看,集中在关中、关东黄河中下游地区及北方、西北边地屯区。通过修建大量的水利工程,汉代整个黄河流域的大型灌溉工程也已初具规模。班固在《西都赋》中记载:“右界褒斜陇首之险,带以洪河泾渭之川。众流之隈,汧涌其西。”“建金城而万雉,呀周池而成渊。”“下有郑白之沃,衣食之源。提封五万,疆场绮分。……西郊则有上囿禁苑,林麓薮泽,陂池连乎蜀汉。缭以周墙,四百余里。”[28]这些描写说明当时长安所在的关中地区的水利网已建立起来。

(五)水力机械兴起的制度保障

从科学技术与社会的角度看,国家科技政策的制定对技术的发展起到至关重要的作用,现在如此,古代亦如此。在汉代，冶铁业和农业是当时主要的经济支柱产业,也是极费劳力的产业,因此,如何激励劳动者进行技术创新成为国家政策的重点内容。

冶铁业是汉代重要的支柱产业,对当时的经济、社会的发展有着深远的影响。从西汉初年到东汉初年,国家对冶铁业采取了多种经营方式。汉初在“无为而治”思想的倡导下,实行“汉兴,海内为一,开关梁,弛山泽之禁,是以富商大贾周流天下,交易之物莫不通”[26]和“纵民得铸钱、冶铁、煮盐”[18]的政策，允许郡国和民间经营冶铸业。元狩四年(公元前119年),汉武帝实行盐铁官营；武帝去世后,昭帝六年(公元前81年)召开了著名的盐铁会议；元帝初元二年(公元前47年),在“毋与民争利”的倡导下,曾一度废除了盐铁专卖及常平仓,后来因“用度不足,独复盐铁官”；东汉和帝年间,“罢盐铁之禁,纵民煮铸”,旋又复涿郡等盐铁官。从冶铁政策的变化可以看出汉代政府对冶铁业极度重视。

汉代的冶铁技术也在官营和私营的交替过程中得到了提升。一方面,盐铁私营的政策提高了大铁商的生产积极性,他们主动改进冶铁技术,提高生产效率。另一方面,盐铁官营的政策使国家在人力、物力、财力上相对集中,完成私营铁商无法完成的重大技术改进。水排正是在官营与私营的相互交替中被发明出来的。

农业关系着汉王朝的国计民生。汉代政府关心农业生产,积极地“劝农耕作”,并形成了上到皇帝下到平民的自上而下的农业管理模式。西汉的汉高祖、汉景帝、汉武帝都有劝农耕作的诏令,其中汉景帝在后元二年(公元前142年)下诏:“朕亲耕,后亲桑,以奉宗庙茨盛祭服,为天下先……”[15]。自皇帝以下,通过大司农、搜粟都尉、郡国农监等官员监督农业生产并推广农业技术。中央政府在政策中还通过考察“农耕”的效果,来考核和奖励地方官员。“二千石有治理效,辄以玺书勉厉,增秩赐金,或爵至关内侯,公卿缺则选诸所表以次用之。是故汉世良吏,于是为盛。”[29]同时,国家还通过“赐民爵”的方法鼓励平民进行农耕。汉代最为著名的就是通过对“力田”的奖励,达到“劝农”的目的。汉代政府这种自上而下的农业管理模式有效推广了新式的农具和先进的农业生产技术,促进了农业的生产,提高了粮食产量,促进了粮食加工业的发展,进而促进了水碓的发明。

此外,汉代政府通过“屯田”和“灌溉”等活动在西北地区和南方江淮地区开垦了大量土地。如元朔二年(公元前127年)卫青收复河南地(今内蒙古河套一带)后,政府置朔方、五原郡,募民十万口开发这里水草肥美的土地;元狩四年(公元前119年)卫青、霍去病重击匈奴主力后,漠南空出的大量土地为汉政府徙民屯田创造了有利条件,“汉度河自朔方以西至令居,往往通渠置田官,吏卒五六万人”[29]。是年关东大水灾,为安置流民“乃徙贫民于关以西,及充朔方以南新秦中”[19]。据《汉书·武帝纪》载此次徙往陇西、北地、西河、上郡等地的贫民达72万之多。元鼎六年(公元前111年),羌人势力被逐出徨(湟)水流域后,汉置张掖、敦煌郡,又在“上郡、朔方、西河、河西开田官,斥塞卒六十万戍田之”[18]。昭帝始元六年(公元前81年),从天水、陇西、张掖三郡置金城郡等。另外,两汉通过在淮、汉及长江下游等地兴建陂塘农田水利灌溉系统,开辟了新的农田,使江南水乡之地也开始变得宜居起来。

新田的开辟和种植需要大量的铁器,铁器的应用又促进了粮食加工业的发展,进而促进了“水碓”的发明。《后汉书·西羌传》记载顺帝永建四年(公元129年)虞翊上奏章道:“《禹贡》雍州之域,……因渠以溉,水舂河槽,用功盛少,而军粮饶足。故孝武皇帝及光武筑朔方,开西河,置上郡,皆为此也。”[31]这里的“水舂河槽”指的就是水碓,由于其便捷的应用条件和极高的生产效率,水碓发明后被迅速推广使用，三国时期水碓仍然起着安定民心的作用，“是时,太祖徙民以充河北,陇西、天水、南安,民相恐动,扰扰不安,既假三郡人为将吏者休课,使治屋宅,作水碓,民心遂安”[24]。由此可见水碓对“屯田”所起的作用。

四、结语

竺可桢认为:科学史工作者不仅要记录某一时代的科学成就,还须指出这种成就的前因后果,以及为什么这种成就出现于某一时代某一社会[32]。水力机械的发明和推广是我国科学技术史上一项重大的事情。特定时期,特定地点科学技术的发明和推广是偶然的,也是必然的,一项技术的发明与推广必然与其赖以生存的社会有诸多关系,水碓和水排等水力机械正是当时当地的自然和社会等综合因素共同作用的必然产物。它们的发明和应用又进一步促进了社会、经济、文化的发展。南阳便利的水利条件使其成为水排的诞生之地,水排的发明又促进了南阳冶铁业的进一步发展,巩固了南阳在全国冶铁业的地位,带动了当地经济和文化的发展。西汉末年在同赤眉、绿林及王莽政权的作战中,崛起于南阳地区的光武帝刘秀在南阳士族的帮助下取得了国家政权。同时,由于水排的发明和使用,东汉时期我国冶铁业已经开始使用高5～6米、容积约40立方米的大型椭圆形竖型高炉,高炉和鼓风设备的使用使我国块炼铁技术快速转入液态冶铸铁器的阶段。

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[28] 陈宏天，赵福海，陈复兴．昭明文选译注：第一卷[M]．长春：吉林文史出版社，2007：180-182,181,17-18.

[29] (东汉)班固．汉书：第十一册[M]．颜师古，注. 北京：中华书局，1964:3642,3645,3800．

[30] 朱更翎.水利史研究溯源[J]．中国水利，1981(3)：48-50．

[31] (东汉)班固．汉书：第十册[M]．颜师古，注. 北京：中华书局，1964:2874．

[32] 竺可桢．发刊词[G]//科学史集刊编辑委员会.科学史集刊:第一期.北京：科学出版社，1958：1-2．