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宋朝的水力机械技术有多发达

历史大观园 古代文化 2020-05-27 23:19:53 0

水力机械应用最盛的时代

在电力发明出来之前,古人很早就使用水力来驱动机械,用于手工业生产,比如用水排给熔炉鼓风,用水轮带动纺车,用水碓舂米,用水砻给谷物脱壳,以水磨为中心建造磨坊。研究中国水力机械历史的学者发现,从传世的宋元画作中,可以很容易地找到驱动水磨的卧式水轮或竖式水轮。

目前已经发现绘有水轮的宋元画至少有十幅,分别是宋代郭熙《关山春雪图》、高克明《溪山积雪图》、李唐《清溪渔隐图》、宋人佚名《雪栈牛车图》(均收藏于台北故宫博物院)、王希孟《千里江山图》、宋人佚名《雪麓早行图》(上海博物馆藏)、《闸口盘车图》(上海博物馆藏)、山西繁峙县岩山寺金代壁画,以及元人佚名《山溪水磨图》(辽宁省博物馆藏)、元代无款《仿巨然山水》(未知收藏者)。

宋朝的水力机械技术有多发达

郭熙《关山春雪图》局部;中

宋朝的水力机械技术有多发达

高克明《溪山积雪图》局部;

宋朝的水力机械技术有多发达

李唐《清溪渔隐图》局部

宋朝的水力机械技术有多发达

宋人佚名《雪栈牛车图》局部

宋朝的水力机械技术有多发达

王希孟《千里江山图》局部

宋朝的水力机械技术有多发达

宋人佚名《雪麓早行图》局部

宋朝的水力机械技术有多发达

元人佚名《山溪水磨图》

宋朝的水力机械技术有多发达

元代无款《仿巨然山水》

请注意,这些水轮的附近都建造有房屋,显示这是一个水磨作坊,换言之,我们从宋画看到的水轮,都不是用来灌溉农田,而是应用于手工业加工。这么多宋人的画作都捕捉到水轮-水磨的影子,无疑说明了水力机械在宋代手工业生产中的应用之广,对于许多宋朝画家来说,水磨作坊是他们很熟悉的风景。

清华大学的高瑄教授曾经做过一个很有趣的统计:利用《文渊阁四库全书》电子版的全文检索功能,对二十四史所涉及的水力机械名词进行检索比较。结果发现,“水磨”(早期称为“水硙”)一词在《晋书》上只出现1次,在“南北朝史”与《隋书》上也是各出现1次,在《旧唐书》与《新唐书》共出现了5次,而在《宋史》上出现的频率最高,为58次。

高瑄教授还比较了水力机械名词在《全唐诗》与《全宋诗》中的出现频率——在“全唐诗全文检索数据库”和“全宋诗全文检索数据库”中分别输入“水车”一词,从《全唐诗》只检索到4个匹配,而从《全宋诗》中则检索出41个匹配。“这间接地说明,水力机械的普及程度在宋代大大超过了唐代,因为经常见到,许多诗人才会在诗中很自然地提到水车” 。

宋诗不但从统计学意义上显示了水力机械在宋代的普及程度,一些宋诗还让我们得以了解到宋朝水磨在手工业中的应用细节。北宋文同有一首《水硙》诗写道:“激水为硙嘉陵民,构高穴深良苦辛。十里之间凡共此,麦入面出无虚人。彼氓居险所产薄,世世食此江之滨。朝廷遣使兴水利,嗟尔平轮与侧轮。”此诗描述的是嘉陵江边的一间大型水力磨面作坊,使用了卧式水轮加竖式水轮的装置,“嗟尔平轮与侧轮”;生意很热闹,“十里之间凡共此,麦入面出无虚人”;而“朝廷遣使兴水利”一句则透露,这间水磨作坊应该是官府出面兴建的。

另一首宋诗——邹浩的《冰韵端夫闻江北水磨》写道:“白沙湖边更湍急,五磨因缘资养生。城中鞭驴喘欲死,亦或人劳僵自横。借令麦破面浮玉,青蝇遽集争营营。乃知此策最长利,朱墨岂复嗤南荣。天轮地轴骇昼夜,仿佛飓扇吹苍瀛。”诗中描述的水力磨坊,位于长江北岸的白沙湖畔,是一座应用了“五转连磨”技术(一具水轮可以驱动五扇磨盘)的粮食加工厂,“五磨因缘资养生”;工作效率非常高,与之相比,“城中鞭驴喘欲死”。

这种“水转连磨”的机械也记载在元代王祯《农书》中。《农书》还有水排、水磨、水碓、水砻等水力机械的介绍。但是显然,《农书》记载的水力机械不可能由元人一夜之间发明出来,只能来自长年累月的技术积累,即从宋代一路传下来,比如用来加捻麻纱的“水转大纺车”,据《农书》记述,元代时应用已非常广泛,“或众家绩多,乃集于车下,秤绩分纑,不劳可毕。中原麻布之乡,皆用之”。四川都江堰一带,水转大纺车的应用也很普遍,《蜀堰记》载,“缘渠(指都江堰)所置碓硙纺绩之处以千万数,四时流转而无穷”。但我们相信,至迟在南宋后期,水转大纺车已经应用于纺织手工业中。

从宋诗与宋画大量出现关于水力机械的名词与图像来看,宋代的水力机械应用很可能出现了一场爆发式的发展,宋人广泛利用水力驱动舂碓、研磨、戽水、捻纱、鼓风等,在许多磨茶作坊、磨面作坊、纺织作坊,甚至一些冶炼作坊中,都采用了水力驱动的技术。

水力机械技术的高峰期

写《中国科学技术史》的李约瑟说道:“对于科技史家来说,唐代不如宋代那样有意义,这两个朝代的气氛是不同的。唐代是人文主义的,而宋代较着重科学技术方面。……每当人们在中国的文献中查找一种具体的科技史料时,往往会发现它的焦点在宋代,不管在应用科学方面,或纯粹科学方面,都是如此。”

水力机械技术也一样。研究者认为:“10—14世纪对于中国古代水力机械来说更是一个特殊的时期,在这一时期里,中国古代水力机械在前代发展的基础上,取得了前所未有的更为辉煌的成就。这一时期诞生了许多卓越的水力机械,这些水力机械的发明,与其他方面的成就一道,使这一时期成为中国古代科技发展的高峰。”

来看几个例子:王祯《农书》记载的水转大纺车,装有三十二枚绽子,在水力带动下,“弦随轮转,众机皆动,上下相应,缓急相宜,遂使绩条成紧,缠于軠上,昼夜纺绩百斤”。而人力操作的手摇纱车与脚踏纺车,一天劳作,最多也只可纺纱三二斤。

《农书》还记录了一种叫作“水轮三事”的技术,“谓水转轮轴可兼三事,磨、砻、碾也。初则置立水磨,变麦作面,一如常法。复于磨之外周造碾圆槽。如欲毇米,惟就水轮轴首易磨置砻。既得粝米,则去砻置碾,碢干循槽碾之,乃成熟米。夫一机三事,始终俱备,变而能通,兼而不乏,省而有要,诚便民之活法、造物之潜机”。王祯自谓“水轮三事”乃是他首创,“今创此制,幸识者述焉”。

不过,中国社会科学院历史研究所的郭正忠教授却考证出,“水轮三事”早在宋代已得到应用。郭正忠教授的依据来自北宋张舜臣的《水磨赋》,赋中写道:“徒观夫老稚咸集,麦禾山积;碓臼相直,齿牙相切;碾磨更易,昼夜不息。”从《水磨赋》“不难看出,这‘昼夜不息’地运转着的,是一种多功能的水磨。它的特殊装置,可以将磨换成碾,水轮的轮轴上,还连接着一副或几副碓臼” 。

《水磨赋》又说:“彼华山三峰之飞瀑,吕梁百步之喷沫,独有赏心之玩,曾无利物之实。未若斯磨也,不逾寻丈之间,不匮一夫之力,曾无崇朝之久,而可给千人之食。如是则驴马不用,麦城任坚,农夫力穑,知者图焉。故君子役其智,小人享其利,真为一乡之赖,岂止一家之事!”这样一间水力磨坊,一个早晨的工夫就可以加工出“给千人之食”的粮食。这是不是文学体例的夸饰之词呢?不是,因为《农书》的记载可相印证:“水转连磨……此一水轮可供数事,其利甚博。尝到江西等处见此制度,俱系茶磨,所兼碓具,用捣茶叶,然后上磨。若他处地分,间有溪港大水,仿此轮磨,或作碓碾,日得谷食,可给千家。”

宋朝的水力机械技术有多发达

王祯《农书》上的水转大纺车

宋朝的水力机械技术有多发达

王祯《农书》上的“水轮三事”

《农书》所记录的“水转连磨”,究竟是什么样子的呢?山西繁峙县岩山寺金代壁画中有一幅《水碓磨坊图》,可以让我们一窥宋代“水转连磨”的构造。需要说明的是,绘制岩山寺壁画的王逵,原是生活在北宋东京的画师,他描绘的图景全是宋朝社会风貌,这一幅《水碓磨坊图》也应该是北宋东京汴河水磨坊的写照。

从《水碓磨坊图》及其“机械原理示意图”可以看出来,这个磨坊建造在水流湍急的河岸(通常是闸口的下方),由一具立式水轮提供动力,穿过水轮的传动轴非常长,一端装了横木,“水激轮转,则轴间横木间打所排梢,一起一落舂之” ,拨动碓杆,用于舂米脱壳;另一端装有齿轮,通过齿轮传动系统带动磨盘,用来磨面。

这样的水力磨坊在北宋东京的河岸边是非常常见的。上海博物馆藏的《闸口盘车图》,画的就是汴河边的一间大型水力磨坊。画卷作者原认定为五代的卫贤,但一些学者根据绘画的笔墨风格与人物服饰细节,相信此图的创作时间应该是北宋后期,而不是五代,作者很可能就是绘制《清明上河图》的张择端。

现在我们先来看看《闸口盘车图》透露出来的水磨技术。利用水力驱动磨盘转动并无多少技术上的难度,不过《闸口盘车图》出现了一个很高明的装置,位于大磨盘右侧的机房内,是磨坊用来筛面粉或茶末的工具,叫“水击面罗”。王祯《农书》也提到水击面罗:“罗因水力,互击桩柱,筛面神速,倍于人力。”水击面罗的技术难点是如何使水轮的旋转运动转化为周而复始的直线往复运动。《闸口盘车图》的水击面罗被机房建筑物遮掩,未能展现出完整的构造。好在20世纪60年代,郑为先生已经将这个水击面罗的结构用示意图复原出来。

宋朝的水力机械技术有多发达

岩山寺壁画《水碓磨坊图》;

宋朝的水力机械技术有多发达

《水碓磨坊图》机械原理示意图。转引自高策、徐岩红《繁峙岩山寺壁画〈水碓磨坊图〉及其机械原理初探》

郑为先生复原的水击面罗结构示意图显示:宋人是利用曲柄连杆机构将水轮的旋转运动转化为面罗的往复运动的,又通过设立撞柱让面罗撞击,使面罗有力地抖动,从而产生筛面的动能。

曲柄连杆机构是旋转运动与直线往复运动得以相互转化的核心装置,不管是古人用来拉动风箱的水排,还是今天汽车的汽缸活塞,都必须运用曲柄连杆机构。而《闸口盘车图》无可辩驳地告诉我们,至迟在宋代,人们已掌握了曲柄连杆机构的基本原理,并应用到水力机械装置中。

宋政府对兴建水磨坊的热切

最后,我们还要展开这幅纵53.3 厘米、横119.2 厘米的《闸口盘车图》,真切地感受宋朝大磨坊的繁忙景象。

展示在我们眼前的,是北宋后期汴河边的一家大型官营水力面粉加工厂。也有人认为,这其实是一座加工“末茶”的水磨茶作坊——宋人饮茶,并非用炒青炮制的茶叶,而是将茶叶研成茶末(这叫作“末茶”),再冲点成茶汤。水磨茶作坊就是制造、供应“末茶”的工厂。

宋朝的水力机械技术有多发达

《闸口盘车图》中的水磨与水击面罗;

宋朝的水力机械技术有多发达

《闸口盘车图》中的水磨结构与水击面罗结构示意图。1.下轮,2.立轴,3.上轮,4.弦索,5.旋鼓,6.掉枝(即曲柄),7.行桄(即连杆),8.鼓木,9.撞柱,10.面罗,11.旋鼓与掉枝另一种结构的可能。转引自郑为《结撰精严,闸口盘车图卷》

宋朝的水力机械技术有多发达

宋代《闸口盘车图》

整座磨坊临河而建,修有两处上船亭(码头),两艘运载麦面或茶叶的篷船正准备靠岸卸货。河对岸是坡道与木桥,坡道上有六辆独轮车与太平车,或停车歇息,或行车运货。磨坊的主体建筑是一个横跨闸口激流的木结构磨房,下装两具大水轮,一具带动水磨,一具带动水击面罗。如果你能亲临其境,一定会看到一幅壮观的景象:“长槽泻波,钜轮激涛,雷轰电射,雪迸雨飞,若并谷帘,若临洪崖,使人毛发森然,语言不能相接。” 磨房内外,数十名工人正在磨面(或茶)、筛面(或茶)、扛粮(或茶)、扬簸、净淘、挑水、引渡、赶车。磨房左侧,建有一间茅顶凉亭,亭内坐着几名官员模样的人(其硬脚幞头、圆领袍衫正是宋朝的官服装饰),那是朝廷派来管理官营坊场的“监当官”。右侧水岸边则建造了一间酒楼,门口彩楼欢门高耸,门首挂出一面迎风招展的酒旗,楼上小阁(包厢)隐约可看见饮酒的客人,显示了一座大型手工业坊场对于周边工商业、服务业的辐射力。

不过我们现在看到的《闸口盘车图》很可能还不是全卷,因为据看过此画的清代学者李葆恂的记述,“(图卷)高一尺八寸,长六尺,界画古朴。人物舟车用笔沉着,生气远出,信非宋以后人所能到。水中作一水阁,下有水车,激水转轮,即今之水磨是也。运粮人约数百,皆赤膊作用力之状,棚中一官员中坐,乌纱帽红衣,旁列吏胥数人,并指顾如生” 。可知《闸口盘车图》全卷有6尺长,约210厘米,而现存画卷只有119.2厘米;画中人物多达数百人,而现存画卷只可找到四十多人。换言之,全本的《闸口盘车图》场面无疑更具视觉震撼力。

即使是残本的《闸口盘车图》,已足以让我们感受到宋代水力手工业的发达气象与繁荣气息。而从这座水磨作坊的官营性质,我们也不难想见宋朝政府对于开发水磨工厂、争夺水磨市场利润的热切。

历史上,也许没有一个王朝的政府会像宋政府那样热衷于修建水磨。宋真宗大中祥符八年(1015),因有人反映“定州地有暖泉,冬月不冰,可以常用”,朝廷即“命河北安抚副使贾宗相度定州北河,兴置水硙” ;宋仁宗天圣八年(1030),朝廷又命秦州官员在“州界侧近度地形安便处,增修水硙”,并批准原有的旧官硙“可量出租课,添助军需” 。皇祐年间,怀州知州晁仲衍在境内沁水河边建碾硙,“借水势岁破麦数千斛,以给榷酤” 。

熙宁变法后,京师开封与其他有丰富水资源的州县,更是出现修建水茶磨作坊的热潮。元丰六年(1083),管理汴河的“都提举汴河堤岸司”提议在汴河沿岸安装一百盘水磨,用来磨茶:“丁字河水磨近为浚蔡河开断水口,妨关茶磨。本司相度,通津门外汴河去自盟河咫尺,自盟河下流入淮,于公私无害。欲置水磨百盘,放退水入自盟河。” 得到宋神宗批准。实际上,汴河沿岸的水磨肯定不止一百盘,来看宋哲宗绍圣四年(1098)的一个数据:宋政府“于长葛、郑州等处、京索、潩水河增磨二百六十所,借用汴水,极为要便” 。《闸口盘车图》上的大型磨坊,很可能就是这二百六十所官营水磨茶作坊中的其中一所。

恰如宋诗所形容,“朝廷遣使兴水利,嗟尔平轮与侧轮”。宋政府为什么会这么热切地建造水磨,特别是用于磨茶的水磨?说白了,意在追求诱人的“末茶”市场利润。在宋代,茶已经成为“等于米盐,不可一日或无” 的日用必需品,为了垄断“末茶”批发的市场利润,宋政府不但大举兴建水磨茶作坊,甚至规定:“凡在京茶户擅磨末茶者有禁,并许赴官请买。” 京师茶商贩卖的“末茶”,只能向官营水磨茶作坊批发。东京的官营水磨作坊,每年给宋政府带来四十万贯的收入。根据官方的报告,商茶也从中获利,因为可以省掉磨茶的成本:“在京茶铺之家,请买水磨末茶货卖,别无头畜之费,坐获厚利。”

以今人的立场来看,宋政府的表现显然就如一名贪婪的商人,与民争利。一部分宋代士大夫也是这么批判朝廷兴建水磨的行为的。不过,如果以历史的眼光来看,近代西欧与日本的经验都显示,正是政府的逐利商人性格,触发了古典农业社会的转型、近代工商业社会的形成。事实上,北宋水磨的兴废,总是跟新旧党的轮替密切相关,但凡新党执政,就会兴建水磨;旧党上台,则废弃官营水磨。而我们知道,新党的新政虽然出现了无数问题,但其总的方向,却是试图以国家的力量发展矿冶业、制造业、运输业、商业、服务业与资本市场。如果往这个方向走下去,未必不能带领国家率先转型成为一个近代化的工商业社会。

宋朝水磨的大举建造,当然无可避免地引发了手工业坊场与农业水利灌溉之间的冲突,双方展开了对水资源的争夺。 明道元年(1032),“舒州民多近塘置碓硙,以夺水利”,闹出了官司; 庆历三年(1043),华州渭南县政府“引敷水溉田甚广”,却因“妨私家水磨”,被“讼于官”,最后朝廷专门立法,确立了农业灌溉优先的原则:“如州县能以水利浇溉民田广阔者,应是妨滞公私碾硙池沼诸般课利,并须停废,不得争占。州县仍不得受理。” 元祐年间,苏辙看到“近岁京城外创置水磨,因此汴水浅涩,阻隔官私舟船。其东门外水磨,下流汗漫无归,浸损民田一二百里”,于是向皇帝上书,提议“废罢官磨,令民间任便磨茶” 。

然而,水磨工厂与农业灌溉之间的矛盾,并不是将官磨改为民磨就可以化解的,民磨同样会影响农田灌溉。毋宁说,这是结构性的冲突。这样的冲突,放在大历史中便显得意味深长,让我们想到英国工业革命初期的“羊吃人”冲突。

余话

宋代之后,政府对兴建营利性的水磨不再像宋王朝那样表现出热切的兴趣。我们知道,“水磨”(水硙)一词在《宋史》上出现的次数为58次,而在《元史》中只出现5次,《明史》更是降低到3次。 这当然不能说元明清时期的水力机械消失了,但是,水磨显然已经不会引起朝廷的关注。

如前所述,从宋画中我们可以很容易地找到水磨的图像,但是在明清时期的画作中,想找出一幅绘有水磨的图画,非常困难。有研究者遍寻古代绘画,总算从浩如烟海的明清画作中找到六幅绘有水磨的山水画,分别是明末王时敏的《仿大痴山水图轴》、王鉴的《仿宋元山水图》、清初王翚的《小中现大图》、黄鼎的《画群峰雪霁》、王云的《山水画册》、袁江的《写郭熙盘车图》。

宋朝的水力机械技术有多发达

王翚《小中现大图》。看得出水磨在哪里吗?

但是,请注意两个细节:其一,这些图画可以确定基本上都是临摹宋元画的仿作;其二,明清山水画上的水轮,都是以写意笔法草草而就,像《闸口盘车图》与《水碓磨坊图》那种以高度写实的精神绘出水磨构造的作品,在明清画作中绝对是找不出来的。这里的原因,可能是明清文人画的风格跟宋画大不一样,明清文人画家对水磨这类俗物不再感兴趣,对水磨的构造也缺乏了解;也可能是因为水磨的踪影在明清社会变得不那么常见了。

画风的转变并不是孤立的艺术现象,而应该是时代精神的折射。在界画十分繁荣的宋代,“宋人的格物精神很发达……他们开始对单一事物感到好奇,比如当时有大量的茶经,有笋谱,有各种植物的研究文章,这是当时的文化背景” 。研究中国美术史的美国汉学家高居翰认为,“中国的科技在十世纪至十四世纪之间达到高峰,其后随着中国人由客观地研究物质世界,转向以主观经验与直观知识的陶养,科技的进展至此便完全失去了动力,而此一重大转变,正好颇具深意地对应着发生于宋元之际的绘画上的改革” 。

可以确知的一件事是,宋元时期应用广泛的水转大纺车,在明清时已差不多销声匿迹。有人认为,因为水转大纺车没有牵伸机构,只能用来加捻长纤维的麻与丝,而无法应用于短纤维的棉。随着棉纺织业对麻纺织业的取代,水转大纺车也就退出了历史舞台。可是,为什么不能对水转大纺车的技术稍加改良,使之适用于棉纺织业呢?要知道,英国的阿克莱水力纺纱机正是在中国的水转大纺车技术的基础上改良而来的。

英国汉学家伊懋可说:“虽然这种机器(水转大纺车)还不是非常有效,但如沿其所代表的方向进一步发展的话,那么中古时代的中国很可能会比西方早四百多年就出现一场纺织品生产上的真正的工业革命。” 明清政府与士大夫明显没有动力去改良水转大纺车、开发更先进的水力机械,反正工商税收入在明清政府的岁入中微不足道。但我们相信宋朝的政府有热情这么做,因为发达的水磨工厂可以给他们创造更多的财政收入。

研究宋史的葛金芳教授提过一个观点:“这一切使我们相信,宋代手工业进入了一个新的发展时期,一个为近代工业的发生准备条件的时期,为资本主义生产方式的降临提供历史前提的时期,我们称之为前近代化时期。如果这个势头能够保持二三个世纪不被打断的话,必将为其后的工厂(机器)工业化奠定坚实基础。” 这无疑是一个让人不胜唏嘘的假设。

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