丁 宏,李 龍

(1.太原理工大學(xué) 馬克思主義學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國(guó)科學(xué)院 自然科學(xué)史研究所， 北京 100190；3.太原理工大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院，山西 太原 030024)

漢代是我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)明史上一個(gè)承上啟下的時(shí)代,這一時(shí)期為了滿足社會(huì)生產(chǎn)的需要,人們開(kāi)始使用水輪等裝置將水能等自然能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。李約瑟(Needham J. T. M., 1900-1995)、劉仙洲、王振鐸、楊寬、李崇州、華覺(jué)明、張柏春等國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)我國(guó)的水力機(jī)械做過(guò)較為詳細(xì)的調(diào)查和復(fù)原工作。楊寬指出“兩漢之際,同時(shí)發(fā)明了水碓和水排,出現(xiàn)了水力工作機(jī),這是手工業(yè)技術(shù)發(fā)展史上一個(gè)重大的變革”[1]。學(xué)界曾圍繞水力機(jī)械發(fā)明的來(lái)源地進(jìn)行過(guò)爭(zhēng)論。李約瑟認(rèn)為水輪發(fā)明于印度,是戽水車的主要構(gòu)件,在公元前1世紀(jì)傳到古希臘文化地區(qū),公元2世紀(jì)傳入中國(guó),自此中國(guó)開(kāi)始使用立式水輪。陸敬嚴(yán)指出中國(guó)人獨(dú)立發(fā)明了立式和臥式水輪[2]。張柏春探討了中國(guó)傳統(tǒng)水輪構(gòu)造原理的演變及其驅(qū)動(dòng)的碓、磨、碾、水排、筒車、天文儀器等機(jī)械,指出水輪是水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵構(gòu)件[3]。但是水輪何以會(huì)在兩漢之際被發(fā)明?為何兩漢之際同時(shí)發(fā)明了水力機(jī)械——水碓和水排?對(duì)此問(wèn)題學(xué)界尚無(wú)專文論述。錢學(xué)森認(rèn)為極其復(fù)雜的“系統(tǒng)”是由相互作用和相互依賴的若干組成要素構(gòu)成的,系統(tǒng)是具有特定功能的有機(jī)整體,小系統(tǒng)可以構(gòu)成大系統(tǒng)[4]。本文力圖從科學(xué)技術(shù)和社會(huì)(Science technology and society,簡(jiǎn)稱STS)兩個(gè)視角,從社會(huì)大系統(tǒng)的角度對(duì)水力機(jī)械興起的社會(huì)和自然原因進(jìn)行探討。

一、漢代水力機(jī)械的簡(jiǎn)單介紹

大不列顛百科全書(shū)將水能定義為:“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“水能是通過(guò)輪子或類似裝置在水中轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量”。我國(guó)最早使用水能的水力機(jī)械是水碓和水排,它們?cè)谥袊?guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究“發(fā)明創(chuàng)造”研究組統(tǒng)計(jì)的“中國(guó)古代重要科技發(fā)明創(chuàng)造”清單中，分別位列第52和58位[5]。“水碓”的記載見(jiàn)于服虔的《通俗文》、孔融的《肉刑論》和桓譚的《新論》?！缎抡摗分杏涊d道:“杵舂又復(fù)設(shè)機(jī)關(guān),用驢、騾、牛、馬及役水而舂,其利乃且百倍?！盵6]水排的記載見(jiàn)于《東觀漢記》和《后漢書(shū)》等文獻(xiàn)?！逗鬂h書(shū)·杜詩(shī)傳》記載道:“(建武)七年(公元31年)……造作水排,鑄為農(nóng)器,用力少,見(jiàn)功多,百姓便之。”[7]水碓和水排的關(guān)鍵部件是水輪,結(jié)合水碓和水排的發(fā)明時(shí)間,可以推測(cè)水輪的發(fā)明,以及其在水碓和水排上的應(yīng)用是在西漢末年到東漢初年的兩漢之際[8],發(fā)明者為東漢初年南陽(yáng)太守杜詩(shī)。

此后,我國(guó)水力機(jī)械的發(fā)明逐漸增多,例如，東漢安帝時(shí)期(公元107—125年)張衡創(chuàng)造了以水力為動(dòng)力的渾天儀,靈帝時(shí)期(公元168—169年)畢嵐創(chuàng)造了農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)械——翻車等。

二、水力機(jī)械發(fā)明的自然基礎(chǔ)

漢代自然災(zāi)害頻發(fā)致使勞動(dòng)力大幅減少。據(jù)鄧云特統(tǒng)計(jì),秦漢時(shí)期我國(guó)共發(fā)生各類災(zāi)害375次[9];張文華指出包括王莽政權(quán)在內(nèi)兩漢425年間共發(fā)生災(zāi)害524次[10]。頻繁的自然災(zāi)害加上戰(zhàn)爭(zhēng)等因素致使人口在一些年份大幅減少。例如,順帝建康元年(公元144年)和質(zhì)帝本初元年(公元146年)分別出現(xiàn)-22.6‰和-39.5‰的年均人口增長(zhǎng)率[11]。在人口減少的情況下,尋找新能量維持社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率成為當(dāng)時(shí)社會(huì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

根據(jù)竺可楨[12]、張丕遠(yuǎn)[13]、任振球[14]等先生的研究,兩漢處于大理冰期后的第三個(gè)溫暖期,年平均溫度比現(xiàn)在高1℃～2℃,由于頻繁的降水,水災(zāi)成為漢代主要的自然災(zāi)害之一。這一時(shí)期,黃河決口泛溢達(dá)14次,其中西漢10次,東漢4次,5次大的黃河泛濫致使黃河改道。這一時(shí)期,不僅水災(zāi)頻發(fā),而且水患延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)情嚴(yán)重[10]。武帝建元三年(公元前138年),“河水溢于平原”引發(fā)“人相食”[15]的慘劇。水災(zāi)給古人的生活、生產(chǎn)造成諸多不便,但卻為水力機(jī)械的發(fā)明及應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

三、社會(huì)需要是水力機(jī)械興起的原動(dòng)力

恩格斯指出，社會(huì)需求的推動(dòng)力遠(yuǎn)比大學(xué)更能將科學(xué)向前推進(jìn),漢代水力機(jī)械的興起就體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。

(一)水力機(jī)械興起的技術(shù)基礎(chǔ)

兩漢之際發(fā)明的立輪式水碓和立輪式水排由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)和工作機(jī)三個(gè)部分組成,是簡(jiǎn)單的水利機(jī)械。水碓以水輪為發(fā)動(dòng)機(jī),利用杠桿原理將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,是谷物脫殼去皮的加工工具。水排以水輪為發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的冶鐵鼓風(fēng)機(jī)械。水輪充當(dāng)了水碾和水排的發(fā)動(dòng)機(jī),是它們的關(guān)鍵部件。唐代陳廷章的《水輪賦》記載道:“觀夫斫木而為,憑河而引,箭馳可得而滴瀝,輻湊必循乎規(guī)準(zhǔn)。”最初立式水輪的形狀類似于車輪的形狀,其制作技術(shù)與車輪的制作技術(shù)相當(dāng)。碓和囊充當(dāng)工作機(jī)部分,其他部件充當(dāng)傳動(dòng)機(jī)部分。圖一、圖二為立輪式水排及其結(jié)構(gòu)圖。

圖一 立輪式水排

圖二 立輪式水排結(jié)構(gòu)圖

《考工記》記載了先秦工匠高超的“車輪”制作技術(shù)，先秦工匠認(rèn)為“輪”是制作“車”的關(guān)鍵,“輪人為輪”被置于三十工之首,書(shū)中詳細(xì)記載了從轂到輻再到牙的制作方法。不僅如此,先秦工匠還“量材為用”,根據(jù)不同時(shí)節(jié)，選用不同材質(zhì)的木材制作“轂、輻、牙”。書(shū)中記載道:“凡為輪,行澤者欲杼,行山者欲侔?！备鼮橹匾氖窍惹毓そ尺€對(duì)“輪”進(jìn)行定量檢測(cè)?！胺膊燔囍馈碎L(zhǎng)八尺,登下以為節(jié)?！盵16]“凡揉牙,外部廉而內(nèi)不挫……謂之國(guó)公?！盵16]

先秦時(shí)期精湛的車輪制作技術(shù)被漢代的工匠所繼承。山東嘉祥洪山出土的畫(huà)像石還原了一種漢代組合輪的構(gòu)造,說(shuō)明漢代的“輪人”能制造比較復(fù)雜的“輪”。水輪同車輪的制作技術(shù)非常相似,西漢的工匠自然會(huì)將先進(jìn)的“車輪”制作技術(shù)應(yīng)用于水輪的制作。

水碓的工作機(jī)為碓,恒譚的《新論》中記載了碓的演變歷史?！缎抡摗分杏浀?“伏犧制杵臼,萬(wàn)民以濟(jì),乃后世加巧,因延力借身以踐碓,而利十倍。杵舂又復(fù)設(shè)機(jī)關(guān),用驢、騾、牛、馬及役水而舂,其利乃且百倍?！盵6]可以看出碓的發(fā)展經(jīng)歷了杵臼、踐碓和水碓三個(gè)階段,工作效率提高到原來(lái)的“百倍”。四川雙流縣出土了漢代的陶房,屋底層放有二足碓,彭縣出土的《舂米》畫(huà)像石上也有二足碓。可以肯定兩漢之際水碓的工作機(jī)部分“碓”的制作技術(shù)也已經(jīng)成熟。

水排的工作機(jī)部分為“橐”。根據(jù)王振鐸對(duì)山東滕縣宏道院漢畫(huà)像冶鐵圖的研究,漢代的橐由三個(gè)木環(huán)、兩塊圓板及外面的皮囊組成,設(shè)有進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口和風(fēng)管,用四根懸掛在屋梁上的吊桿拉持皮囊,并用構(gòu)架使囊只能沿懸桿擺動(dòng)方向運(yùn)動(dòng),通過(guò)對(duì)橐的拉伸和壓縮達(dá)到對(duì)冶鐵爐鼓風(fēng)的目的[17]。可見(jiàn)兩漢之際水排的工作機(jī)“橐”的制作技術(shù)也已經(jīng)成熟。

立輪式水碓和水排傳動(dòng)機(jī)部件的使用，以該部分關(guān)鍵構(gòu)件制作技術(shù)、凸輪機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理的使用和成熟為基礎(chǔ)。(1)從復(fù)原的水碓和水排看,其傳動(dòng)機(jī)部分主要為直桿,制作技術(shù)并不復(fù)雜,漢代對(duì)各個(gè)部件的制作都不存在技術(shù)上的困難。(2)水碓和水排應(yīng)用了凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪是一種可以將機(jī)械中某部分連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為另一部分等速或不等速、連續(xù)或不連續(xù)的機(jī)件[2]。(3)簡(jiǎn)單的機(jī)械原理。水碓利用了杠桿原理,水排利用了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和連桿運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的原理。東漢以前的桔槔、藉車、天平、滑車、轆轤、石磨等工具,在不同程度上應(yīng)用了凸輪技術(shù)及杠桿原理和轉(zhuǎn)化原理。

由此可見(jiàn),兩漢之際立輪式水碓和水排的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)和工作機(jī)部分的制作技術(shù)都已經(jīng)成熟,缺少的是將水用作原動(dòng)力的思想和完成轉(zhuǎn)化的契機(jī)。

(二)水力機(jī)械興起的哲學(xué)理念

漢代道家的無(wú)為、水德、五行等思想，以及儒家的民本思想對(duì)漢代水力機(jī)械的發(fā)明具有引導(dǎo)作用。

西漢初年,在黃老“無(wú)為思想”的指導(dǎo)下,漢代政府實(shí)行“休養(yǎng)生息”的政策,提倡農(nóng)桑、鼓勵(lì)人口生育、開(kāi)墾荒地、減徭薄賦，使社會(huì)經(jīng)濟(jì)從漢初“天下既定,民亡蓋藏,自天子不能具鈞駟,而將相或乘牛車”[18]發(fā)展到“京師之錢累巨萬(wàn),貫朽而不可校。太倉(cāng)之粟,陳陳相因,充溢露積于外,至腐敗不可食”[19]的興盛景象?！盁o(wú)為思想”教導(dǎo)人們順應(yīng)自然,促使人們向自然尋求力量,使人們努力將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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,水善利萬(wàn)物而不爭(zhēng)”[20]的水德思想。漢代《淮南子》繼承了老子崇尚水德的思想,與老子的思想相比,《淮南子》更強(qiáng)調(diào)水對(duì)萬(wàn)物生成的重要作用，“萬(wàn)物弗得不生，百事不得不成”“與天地鴻洞”“與萬(wàn)物始終”[21]。作者似乎想從水中找到生命體的本原?，F(xiàn)在看來(lái)《淮南子》中的“水德思想”不夠科學(xué),但作為當(dāng)時(shí)影響較大的思想,漢代的工匠可能受到這一思想的影響,從崇拜“水”到利用“水”,進(jìn)而發(fā)明了水輪,并將其成功應(yīng)用在水碓和水排上,促進(jìn)了水力機(jī)械的發(fā)明和推廣。

“五行思想”是漢代人的“思想骨干”[22]。水排鼓風(fēng)冶鐵的過(guò)程體現(xiàn)了“五行相生相勝”的思想,同時(shí)體現(xiàn)了“五行相制和相化”原理[23]?！痘茨献印贩Q:“為治之本,務(wù)在于安民；安民之本，在于足用”[21],“民者，國(guó)之本也”[21]，冶鐵業(yè)和糧食加工業(yè)都是極費(fèi)民力的行業(yè),比較而言冶鐵業(yè)更費(fèi)民力?！稘h書(shū)貢禹傳》記載:“今漢家鑄錢及諸鐵官,皆置吏卒徙,攻山取銅鐵,一歲功十萬(wàn)人已上?！彼藕退缘膬?yōu)點(diǎn)就在于“省民力”?！度龂?guó)志·韓暨傳》記載道:“舊時(shí)冶作馬排,每一熟石用馬百匹;更作人排,又費(fèi)功力;暨乃因長(zhǎng)流為水排,計(jì)其利益,三倍于前。在職七年,器用充實(shí)。”[24]孔融《肉刑論》指出:“賢者所制,或踰圣人,水碓之巧,勝于斷木掘地?！盵6]

水排和水碓的發(fā)明與推廣能夠解放大量的勞動(dòng)力?！逗鬂h書(shū)》記載杜詩(shī)“省愛(ài)民役,造作水排”,出于愛(ài)惜民力的考慮,杜詩(shī)發(fā)明了水排。在“民本思想”的指導(dǎo)下,統(tǒng)治者充分利用了水能,將水輪運(yùn)用于糧食加工業(yè)和冶鐵業(yè),發(fā)明了水碓和水排,極大地節(jié)省了民力,促進(jìn)農(nóng)業(yè)和冶鐵業(yè)的發(fā)展,保障了社會(huì)的正常運(yùn)行。

(三)水力機(jī)械興起的實(shí)踐基礎(chǔ)

有了成熟的制作技術(shù)和相應(yīng)的思想基礎(chǔ),車輪是如何轉(zhuǎn)變?yōu)椤八啞钡哪?漢代南陽(yáng)先進(jìn)的冶鐵技術(shù)和水利工程為水排的發(fā)明和推廣提供了實(shí)踐基礎(chǔ),漢代的農(nóng)業(yè)政策為水碓的發(fā)明提供了制度保證。

戰(zhàn)國(guó)時(shí)期南陽(yáng)就是楚國(guó)著名的冶鐵手工業(yè)之地?！盾髯印ぷh兵篇》記載:“宛鉅鐵釶,慘如蜂蠆?！盵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),頒布“赦罪人遷之穰”和“赦罪人遷之南陽(yáng)”的法令,分兩次從魏國(guó)等地遷民進(jìn)入南陽(yáng)。這些移民中有著名的手工業(yè)者和手工業(yè)經(jīng)營(yíng)者，例如,漢代南陽(yáng)的大鐵商孔氏就是這一時(shí)期從魏國(guó)古安邑遷入南陽(yáng)的,孔氏將魏地先進(jìn)的冶鐵技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)帶入南陽(yáng),使得南陽(yáng)的冶鐵業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展。“宛孔氏之先,梁人也,用鐵冶為業(yè)。……大鼓鑄,規(guī)陂池……故南陽(yáng)行賈盡法孔氏之雍容。”[26]漢代南陽(yáng)人對(duì)孔氏的效仿使得南陽(yáng)成為西漢著名的冶鐵中心和商業(yè)名城。武帝元狩四年(公元前119年)實(shí)行鹽鐵官營(yíng),次年便以東郭咸陽(yáng)、孔僅為大農(nóng)丞,依靠孔氏先進(jìn)的冶鐵管理經(jīng)驗(yàn)對(duì)國(guó)家的冶鐵業(yè)進(jìn)行管理。南陽(yáng)作為西漢冶鐵中心之一,其先進(jìn)的冶鐵技術(shù)為水排的發(fā)明提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

考古發(fā)現(xiàn)南陽(yáng)地區(qū)的漢代冶鐵鑄造遺址主要有:桐柏毛集鐵山廟漢代鐵礦遺址、桐柏固縣鄉(xiāng)鐵石檔古鐵礦遺址、南陽(yáng)市瓦房莊冶鐵遺址、桐柏毛集鄉(xiāng)鐵山廟冶鐵遺址、桐柏張畈冶鐵遺址、桐柏毛集鄉(xiāng)后鐵爐村冶鐵遺址、鎮(zhèn)平安國(guó)城遺址。這些遺址可以分為冶煉遺址、鑄造遺址、冶煉和鑄造相結(jié)合的遺址。桐柏毛集鄉(xiāng)鐵山廟冶鐵遺址濱鄰固縣河邊;桐柏張畈冶鐵遺址位于張濱村東西兩河交匯處,南部附近小河邊有煉爐址;南陽(yáng)市瓦房莊冶鐵遺址中的西漢時(shí)期的遺物有熔爐基9座,勺形鼓風(fēng)機(jī)械基址1個(gè)、水井9眼、水池3個(gè)[27]。從這些遺址的選址和遺址內(nèi)的遺物看,漢代南陽(yáng)冶鐵遺址多位于靠近水流之處。據(jù)此,水排有可能已經(jīng)開(kāi)始在冶鐵業(yè)上使用。

漢代南陽(yáng)人利用南陽(yáng)的水利條件修筑坡渠,打井灌溉形成南陽(yáng)獨(dú)特的長(zhǎng)藤結(jié)瓜式水利灌溉系統(tǒng)。張衡在《南都賦》中描述:“於顯樂(lè)都,既麗且康?！苹匆?三方是通?！盵28]由此說(shuō)明漢代的南陽(yáng)不僅是當(dāng)時(shí)南北交通要塞,而且水利資源豐富，它跨越鄂、陜兩地,分鄂、豫之疆界,武闕山是西面的關(guān)隘,桐柏山是東面的屏障,方城山是牢固的圍城墻；南陽(yáng)境內(nèi)的白河、淮河及丹陽(yáng)三大水系是聯(lián)系關(guān)中和江淮流域的紐帶。

張衡在《南都賦》中生動(dòng)地描繪了南陽(yáng)水利工程的盛況:“爾其川瀆……于其陂澤,則有鉗盧玉池、赭陽(yáng)東陂。貯水停洿,亙望無(wú)涯……其水則開(kāi)竇灑流,浸彼稻田,溝澮脈連,堤塍相輑。朝云不興,而演潢潦獨(dú)臻。決渫則旱,為溉為陸。冬稌夏穱,隨時(shí)代熟?！盵28]張衡指出，南陽(yáng)通過(guò)水利工程的建設(shè),將河水開(kāi)溝分流,田間小渠相互貫通,堤壩田埂連綿不斷,這樣的水利工程便于灌溉農(nóng)田。

在眾多的水利工程中,以召信臣和杜詩(shī)任南陽(yáng)太守期間修建的水利工程最為著名,他倆被時(shí)人稱為“召父杜母”?！稘h書(shū)·召信臣傳》記載道:“興利信臣為人勤力有方略,好為民興利,務(wù)在富之……行視郡中水泉,開(kāi)通溝瀆,起水門提閼凡數(shù)十處,以廣溉灌,歲歲增加,多至三萬(wàn)頃……荊州刺史奏信臣為百姓興利,郡以殷富,賜黃金四十斤。遷河南太守,治行常為第一,復(fù)數(shù)增秩賜金?！盵29]召信臣修建的水利工程中最著名的為六門堰和鉗盧陂,他重視水利工程的修建,更重視水利工程的管理,使南陽(yáng)的水利工程建設(shè)和維護(hù)形成傳統(tǒng)。杜詩(shī)在任南陽(yáng)太守期間,也積極修建水利工程，可以說(shuō)正是當(dāng)時(shí)南陽(yáng)先進(jìn)的水利工程建設(shè)活動(dòng)為“車輪”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八啞碧峁┝藢?shí)踐基礎(chǔ)。

(四)水力機(jī)械興起的現(xiàn)實(shí)需求

漢代戰(zhàn)爭(zhēng)頻繁，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，大規(guī)模修建水利工程需要大量高質(zhì)量的鐵制武器、農(nóng)具和水利工具,面對(duì)現(xiàn)實(shí)需要,單純依靠人力、畜力已無(wú)法滿足需求,水力機(jī)械的興起成為當(dāng)時(shí)的必然。這是水碓和水排發(fā)明和推廣的現(xiàn)實(shí)需求。

我國(guó)在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就逐漸使用鐵制兵器,西漢中期鐵制兵器逐漸替代了銅制兵器。南陽(yáng)漢代冶鐵遺址中發(fā)現(xiàn)的劍、刀、矛、戟、弩機(jī)、鏃、斧鉞、鉤鑲、鐵甲、馬銜、馬鑣、馬鐙等兵器和車馬器是漢代冶鐵業(yè)的主要產(chǎn)品[27]。從西漢初年到東漢初期戰(zhàn)爭(zhēng)頻繁,其中著名的戰(zhàn)爭(zhēng)有楚漢戰(zhàn)爭(zhēng)、英布之亂、陳?ài)畞y、南越之亂,漢景帝時(shí)期平定七國(guó)之亂;漢武帝時(shí)期三征匈奴，平定大宛、烏孫、朝鮮、安南;西漢末年的綠林、赤眉之亂等。頻繁的戰(zhàn)爭(zhēng)需要大量的鐵制兵器、鐵甲等，這些需求需要增大鐵器的數(shù)量、提高鐵器的質(zhì)量。

鐵器是我國(guó)古代農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。南陽(yáng)漢代冶鐵遺址發(fā)現(xiàn)的農(nóng)具主要有镢、“凹”字形的鐵刃口、“一”字形的鐵器、直銎斧、橫銎斧、鏟、犁、鏵、鋤、耙、鐮、犁鏡等鐵制農(nóng)具[27]。公元前89年,時(shí)任搜粟都尉的趙過(guò)在全國(guó)推廣大型畜力播種工具耦犁和耬車，并組織“令長(zhǎng)、三老、力田”等學(xué)習(xí)推廣新的農(nóng)具及“代田法”等新的耕種方法。新式農(nóng)具和農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣必然使人們對(duì)農(nóng)具的需求大幅增加,進(jìn)而要求冶鐵業(yè)在質(zhì)量和產(chǎn)量上滿足維護(hù)正常生產(chǎn)所需要的鐵制農(nóng)具。

水利是我國(guó)古代農(nóng)業(yè)的命脈。秦漢時(shí)期是我國(guó)水利建設(shè)的第一次高峰期，尤其是西漢,分別在新疆和南陽(yáng)形成了有地域特色的“坎兒井”和“陂塘”兩種水利工程方式,王莽時(shí)代的大司馬張戎提出了“水力刷沙說(shuō)”,公元前32年,清河都尉馮逡提出分疏治黃論，王莽時(shí)期的御史韓牧也提出類似主張,公元前6年賈讓提出治理黃河的“賈讓三策”,司馬遷在《史記·河渠書(shū)》賦予“水利”一詞以治河防洪、灌溉排水、城鎮(zhèn)供水、運(yùn)河開(kāi)鑿等專業(yè)內(nèi)容[30]。這些都說(shuō)明漢代的水利技術(shù)和水利理論都已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)完備。

武帝時(shí)期修建了許多大型水利工程,這些水利工程集中于整飭浩大的黃河水利工程，維修舊的堤渠及開(kāi)鑿新的引水灌渠。從地域分布看,集中在關(guān)中、關(guān)東黃河中下游地區(qū)及北方、西北邊地屯區(qū)。通過(guò)修建大量的水利工程,漢代整個(gè)黃河流域的大型灌溉工程也已初具規(guī)模。班固在《西都賦》中記載:“右界褒斜隴首之險(xiǎn),帶以洪河涇渭之川。眾流之隈,汧涌其西?！薄敖ń鸪嵌f(wàn)雉,呀周池而成淵?！薄跋掠朽嵃字?衣食之源。提封五萬(wàn),疆場(chǎng)綺分?！鹘紕t有上囿禁苑,林麓藪澤,陂池連乎蜀漢?？澮灾軌?四百余里?！盵28]這些描寫(xiě)說(shuō)明當(dāng)時(shí)長(zhǎng)安所在的關(guān)中地區(qū)的水利網(wǎng)已建立起來(lái)。

(五)水力機(jī)械興起的制度保障

從科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的角度看,國(guó)家科技政策的制定對(duì)技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用,現(xiàn)在如此,古代亦如此。在漢代，冶鐵業(yè)和農(nóng)業(yè)是當(dāng)時(shí)主要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè),也是極費(fèi)勞力的產(chǎn)業(yè),因此,如何激勵(lì)勞動(dòng)者進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新成為國(guó)家政策的重點(diǎn)內(nèi)容。

冶鐵業(yè)是漢代重要的支柱產(chǎn)業(yè),對(duì)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。從西漢初年到東漢初年,國(guó)家對(duì)冶鐵業(yè)采取了多種經(jīng)營(yíng)方式。漢初在“無(wú)為而治”思想的倡導(dǎo)下,實(shí)行“漢興,海內(nèi)為一,開(kāi)關(guān)梁,弛山澤之禁,是以富商大賈周流天下,交易之物莫不通”[26]和“縱民得鑄錢、冶鐵、煮鹽”[18]的政策，允許郡國(guó)和民間經(jīng)營(yíng)冶鑄業(yè)。元狩四年(公元前119年),漢武帝實(shí)行鹽鐵官營(yíng)；武帝去世后,昭帝六年(公元前81年)召開(kāi)了著名的鹽鐵會(huì)議；元帝初元二年(公元前47年),在“毋與民爭(zhēng)利”的倡導(dǎo)下,曾一度廢除了鹽鐵專賣及常平倉(cāng),后來(lái)因“用度不足,獨(dú)復(fù)鹽鐵官”；東漢和帝年間,“罷鹽鐵之禁,縱民煮鑄”,旋又復(fù)涿郡等鹽鐵官。從冶鐵政策的變化可以看出漢代政府對(duì)冶鐵業(yè)極度重視。

漢代的冶鐵技術(shù)也在官營(yíng)和私營(yíng)的交替過(guò)程中得到了提升。一方面,鹽鐵私營(yíng)的政策提高了大鐵商的生產(chǎn)積極性,他們主動(dòng)改進(jìn)冶鐵技術(shù),提高生產(chǎn)效率。另一方面,鹽鐵官營(yíng)的政策使國(guó)家在人力、物力、財(cái)力上相對(duì)集中,完成私營(yíng)鐵商無(wú)法完成的重大技術(shù)改進(jìn)。水排正是在官營(yíng)與私營(yíng)的相互交替中被發(fā)明出來(lái)的。

農(nóng)業(yè)關(guān)系著漢王朝的國(guó)計(jì)民生。漢代政府關(guān)心農(nóng)業(yè)生產(chǎn),積極地“勸農(nóng)耕作”,并形成了上到皇帝下到平民的自上而下的農(nóng)業(yè)管理模式。西漢的漢高祖、漢景帝、漢武帝都有勸農(nóng)耕作的詔令,其中漢景帝在后元二年(公元前142年)下詔:“朕親耕,后親桑,以奉宗廟茨盛祭服,為天下先……”[15]。自皇帝以下,通過(guò)大司農(nóng)、搜粟都尉、郡國(guó)農(nóng)監(jiān)等官員監(jiān)督農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并推廣農(nóng)業(yè)技術(shù)。中央政府在政策中還通過(guò)考察“農(nóng)耕”的效果,來(lái)考核和獎(jiǎng)勵(lì)地方官員?！岸兄卫硇?輒以璽書(shū)勉厲,增秩賜金,或爵至關(guān)內(nèi)侯,公卿缺則選諸所表以次用之。是故漢世良吏,于是為盛。”[29]同時(shí),國(guó)家還通過(guò)“賜民爵”的方法鼓勵(lì)平民進(jìn)行農(nóng)耕。漢代最為著名的就是通過(guò)對(duì)“力田”的獎(jiǎng)勵(lì),達(dá)到“勸農(nóng)”的目的。漢代政府這種自上而下的農(nóng)業(yè)管理模式有效推廣了新式的農(nóng)具和先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù),促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn),提高了糧食產(chǎn)量,促進(jìn)了糧食加工業(yè)的發(fā)展,進(jìn)而促進(jìn)了水碓的發(fā)明。

此外,漢代政府通過(guò)“屯田”和“灌溉”等活動(dòng)在西北地區(qū)和南方江淮地區(qū)開(kāi)墾了大量土地。如元朔二年(公元前127年)衛(wèi)青收復(fù)河南地(今內(nèi)蒙古河套一帶)后,政府置朔方、五原郡,募民十萬(wàn)口開(kāi)發(fā)這里水草肥美的土地;元狩四年(公元前119年)衛(wèi)青、霍去病重?fù)粜倥髁?漠南空出的大量土地為漢政府徙民屯田創(chuàng)造了有利條件,“漢度河自朔方以西至令居,往往通渠置田官,吏卒五六萬(wàn)人”[29]。是年關(guān)東大水災(zāi),為安置流民“乃徙貧民于關(guān)以西,及充朔方以南新秦中”[19]。據(jù)《漢書(shū)·武帝紀(jì)》載此次徙往隴西、北地、西河、上郡等地的貧民達(dá)72萬(wàn)之多。元鼎六年(公元前111年),羌人勢(shì)力被逐出徨(湟)水流域后,漢置張掖、敦煌郡,又在“上郡、朔方、西河、河西開(kāi)田官,斥塞卒六十萬(wàn)戍田之”[18]。昭帝始元六年(公元前81年),從天水、隴西、張掖三郡置金城郡等。另外,兩漢通過(guò)在淮、漢及長(zhǎng)江下游等地興建陂塘農(nóng)田水利灌溉系統(tǒng),開(kāi)辟了新的農(nóng)田,使江南水鄉(xiāng)之地也開(kāi)始變得宜居起來(lái)。

新田的開(kāi)辟和種植需要大量的鐵器,鐵器的應(yīng)用又促進(jìn)了糧食加工業(yè)的發(fā)展,進(jìn)而促進(jìn)了“水碓”的發(fā)明?！逗鬂h書(shū)·西羌傳》記載順帝永建四年(公元129年)虞翊上奏章道:“《禹貢》雍州之域,……因渠以溉,水舂河槽,用功盛少,而軍糧饒足。故孝武皇帝及光武筑朔方,開(kāi)西河,置上郡,皆為此也?！盵31]這里的“水舂河槽”指的就是水碓,由于其便捷的應(yīng)用條件和極高的生產(chǎn)效率,水碓發(fā)明后被迅速推廣使用，三國(guó)時(shí)期水碓仍然起著安定民心的作用，“是時(shí),太祖徙民以充河北,隴西、天水、南安,民相恐動(dòng),擾擾不安,既假三郡人為將吏者休課,使治屋宅,作水碓,民心遂安”[24]。由此可見(jiàn)水碓對(duì)“屯田”所起的作用。

四、結(jié)語(yǔ)

竺可楨認(rèn)為:科學(xué)史工作者不僅要記錄某一時(shí)代的科學(xué)成就,還須指出這種成就的前因后果,以及為什么這種成就出現(xiàn)于某一時(shí)代某一社會(huì)[32]。水力機(jī)械的發(fā)明和推廣是我國(guó)科學(xué)技術(shù)史上一項(xiàng)重大的事情。特定時(shí)期,特定地點(diǎn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)明和推廣是偶然的,也是必然的,一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明與推廣必然與其賴以生存的社會(huì)有諸多關(guān)系,水碓和水排等水力機(jī)械正是當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐淖匀缓蜕鐣?huì)等綜合因素共同作用的必然產(chǎn)物。它們的發(fā)明和應(yīng)用又進(jìn)一步促進(jìn)了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化的發(fā)展。南陽(yáng)便利的水利條件使其成為水排的誕生之地,水排的發(fā)明又促進(jìn)了南陽(yáng)冶鐵業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,鞏固了南陽(yáng)在全國(guó)冶鐵業(yè)的地位,帶動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展。西漢末年在同赤眉、綠林及王莽政權(quán)的作戰(zhàn)中,崛起于南陽(yáng)地區(qū)的光武帝劉秀在南陽(yáng)士族的幫助下取得了國(guó)家政權(quán)。同時(shí),由于水排的發(fā)明和使用,東漢時(shí)期我國(guó)冶鐵業(yè)已經(jīng)開(kāi)始使用高5～6米、容積約40立方米的大型橢圓形豎型高爐,高爐和鼓風(fēng)設(shè)備的使用使我國(guó)塊煉鐵技術(shù)快速轉(zhuǎn)入液態(tài)冶鑄鐵器的階段。

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