制肥技術(shù)中的“農(nóng)業(yè)煉丹術(shù)”
——以徐光啟著述中記載的“糞丹”為中心
王龍陽傳糞丹法，每畝用成丹一升
——（明）徐光啟《農(nóng)書草稿》
筆者在第三章中已深入探討過肥料搜集對農(nóng)業(yè)施肥的重要性，但即使對于糞多力勤的“上農(nóng)”而言，有時(shí)仍難免會遇到“然勤矣，茍無制糞之法，亦徒勞也”的尷尬情形，肥料制作技術(shù)是肥料技術(shù)史研究中一個重要的問題，傳統(tǒng)肥料在經(jīng)過制作之后能從數(shù)量和質(zhì)量兩方面轉(zhuǎn)變?yōu)楦铣傻膬?yōu)質(zhì)肥料，既避免了其本身的缺點(diǎn)又能增強(qiáng)肥力。宋代以降特別是明清時(shí)期，農(nóng)民在制肥技術(shù)上有了明顯的突破，據(jù)記載當(dāng)時(shí)的制糞方法有諸多種，“有踏糞法、有窖糞法、有蒸糞法、有釀糞法、有煨糞法、有煮糞法”，農(nóng)民在制肥工藝上有很大進(jìn)展，前賢對宋至清代農(nóng)民在制肥技術(shù)上的改進(jìn)與進(jìn)步已有諸多論述，此處不贅，本章節(jié)擬重點(diǎn)討論士人知識階層在肥料制作過程中的努力。
珀金斯在其極具影響力的，關(guān)于明初直至新中國成立后600年間中國農(nóng)業(yè)研究的力作《中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展（1368-1968）》中認(rèn)為：在1957年之前，中國人口的增長與單位面積投入勞力的增加是農(nóng)業(yè)產(chǎn)量得以增長的主要原因，而農(nóng)業(yè)技術(shù)在這漫長的時(shí)間中卻基本沒發(fā)生變化，技術(shù)對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)甚微。但他意識到在肥料技術(shù)領(lǐng)域似乎出現(xiàn)了某種程度的進(jìn)步，并大加贊賞地認(rèn)為：“豆餅中潛藏的肥料的發(fā)現(xiàn)，確實(shí)是技術(shù)普遍停滯景象中的一個例外”。其實(shí)珀金斯并不知曉，早在明代就有一批士人在從事世界上最早對濃縮肥料——“糞丹”的嘗試性研究工作，其在肥料技術(shù)史上的地位要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過珀金斯所推崇的對豆餅中潛藏肥料的發(fā)現(xiàn)與餅肥的使用。但由于此項(xiàng)技術(shù)幾乎沒有被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，而沒有進(jìn)入到經(jīng)濟(jì)史家的研究視野；同時(shí)，受英雄史觀與只重視偉大技術(shù)發(fā)明的輝格史編史學(xué)的影響，一項(xiàng)沒被應(yīng)用的、“失敗”的技術(shù)發(fā)明也不會引起科技史家的興趣，所以致使糞丹這項(xiàng)技術(shù)上的創(chuàng)新被前輩學(xué)者有意或無意地遺忘，僅在文章不顯眼處抑或注腳中偶有提及，并無專門、系統(tǒng)論述這項(xiàng)技術(shù)的研究成果出現(xiàn)。本章節(jié)擬從技術(shù)社會史的角度對這項(xiàng)“失敗”的技術(shù)發(fā)明進(jìn)行審視與研究，厘清糞丹的制造技術(shù)與其思想理論來源，分析促使它出現(xiàn)的社會推動力，同時(shí)對其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中沒有得到應(yīng)用的原因進(jìn)行簡要分析，以期對以往只關(guān)注在實(shí)踐中成功應(yīng)用的技術(shù)發(fā)明的輝格技術(shù)史進(jìn)行某種程度的祛魅。
晚明文獻(xiàn)中的“糞丹”
徐光啟的《農(nóng)書草稿》（又稱《北耕錄》）是目前發(fā)現(xiàn)的唯一記載“糞丹”這項(xiàng)技術(shù)的文獻(xiàn)，此書記錄徐氏在天津墾種的心得，又兼及工藝之事，眾人皆以為其已佚失。清康熙年間，徐光啟的后嗣徐春芳發(fā)現(xiàn)此書草稿，并將其呈給他的表叔許纘曾，許氏“擇行楷數(shù)紙涂改無多、易于成誦者”裝橫成帙，稱為《農(nóng)書草稿》，其實(shí)此書便是徐氏的《北耕錄》。此書中有八篇記載肥料與施肥方法的文字，被胡道靜譽(yù)為“古典農(nóng)書論肥料學(xué)者，此稱第一矣”，其中有三篇即是對糞丹這種不見于它處所載的技術(shù)做了詳細(xì)的記載與說明。
徐光啟記載了先前或同時(shí)代的曾做過龍陽知縣的王淦秌（即王龍陽）與徽州一帶的士人吳云將所煉制的糞丹，闡明他們煉制糞丹所使用的原材料及煉制方法，并對其功效及使用方法做了簡單的敘述，原文茲抄錄于下
王淦秌傳糞丹：干大糞三斗 麻糝三斗或麻餅如無，用麻子、黑豆三斗，炒一、煮一、生一 鴿糞三斗。如無，用雞鵝鴨糞亦可 黑 礬六升 槐子二升 砒信五觔 用牛羊之類皆可，魚亦可。 豬臟二副，或一副，挫碎，將退豬水或牲畜血，不拘多寡，和勻一處入坑中，或缸內(nèi)，泥封口。夏月日曬漚發(fā)三七日，余月用頂口火養(yǎng)三七日，晾干打碎為末，隨子種同下。一全料可上地一頃，極發(fā)苗稼。
吳云將傳糞丹：于黃山頂上作過。麻餅二百斤，豬臟一兩副，信十斤，干大糞一擔(dān)，或濃糞二石，退豬水一擔(dān)，大缸埋土中，入前料斟酌下糞，與水令浥之，得所蓋定。又用土蓋過四十九日，開看上生毛即成矣。挹取黑水用帚灑田中，畝不過半升，不得多用。
同時(shí)，徐光啟還記載了他本人在王、吳二人的基礎(chǔ)上所研制的改良型糞丹，詳述其具體原料與制作之方法：
自擬糞丹：砒一斤，黑料豆三斗。炒一斗，煮一斗，生一斗。
鳥糞、雞鴨糞、鳥獸腸胃等，或麻籸豆餅等約三五石拌和，置磚池中。曬二十一日，須封密不走氣，下要不漏，用缸亦好。若冬春月，用火煨七日，各取出入種中耩上，每一斗可當(dāng)大糞十石。但著此糞后，就須三日后澆灌，不然恐大熱燒壞種也。用人糞牛馬糞造之，皆可。造成之糞就可做丹頭，后力薄再加藥豆末。用硫黃亦似可，須試之。
從以上三則文獻(xiàn)資料中可以看出，所謂糞丹即是利用植物、動物、礦物和糞便等按照一定比例混合所制成的復(fù)合肥料，配置所需要的原料大多是人畜糞便，麻子和黑豆等糧食作物，以及動物尸體、內(nèi)臟、血水、退毛水等，有時(shí)還加以砒霜、黑礬、硫磺之類的無機(jī)物。將這些原料經(jīng)過密封、加熱腐熟等處理，施用在田地中。古文獻(xiàn)中與糞丹相類似的肥料之記載還有耿蔭樓在《國脈民天》中記載的“料糞”，其制作方式記載于下：
每配一料，大黑豆一斗，大麻子一斗，炒半熟碾碎，加石砒細(xì)末五兩，上好人、羊、犬糞一石，鴿糞五升，拌勻。遇和暖時(shí)，放瓷缸內(nèi)封嚴(yán)固，埋地下四十日，取出,噴水令到曬至極熟，加上好好土一石拌勻，共成兩石兩斗五升五兩之?dāng)?shù)，是全一料也。每地一小畝止用五斗，與種子拌勻齊下，耐旱殺蟲，其收自倍。如無大麻子，多加黑豆、麻餅或小麻子或棉子餅俱可，如無鴿糞，雞鴨糞亦可，其各色糠皮、豆渣俱可入糞，每畝止用五斗，一料可糞田四畝五分。第一年如此，第二年每畝用四斗，第三年止用三斗，以后俱三斗矣。如地厚再減，地薄再加，加減隨地厚薄，在人活法為之。如無力之家，難辨前糞，止將上好土團(tuán)成塊，砌成窖，內(nèi)用柴草將土燒極紅，待冷，碾碎與柴草灰拌勻，用水濕遍，放一兩日，出過火毒，每燒過土一石，加細(xì)糞五斗拌勻。
耿蔭樓與徐光啟大致是同時(shí)代的人，徐光啟的《北耕錄》應(yīng)是徐氏在天津屯墾之時(shí)所撰，時(shí)間大約在1617-1621年，而耿氏的《國脈民天》寫成于1630年，兩書成稿的時(shí)間相差并不是很久，但由于徐氏的《北耕錄》在清康熙年間之前只作為一沓被埋沒的草稿而沒有刊印出來，所以二人的新型復(fù)合肥料都應(yīng)是獨(dú)立研制的，并不存在參考與承襲的問題，這也似乎暗示著，高效復(fù)合肥料的研制在當(dāng)時(shí)已是眾多農(nóng)學(xué)家與關(guān)心農(nóng)業(yè)的士人所共同關(guān)注的重要議題。
“糞藥說”、煉丹術(shù)與古農(nóng)法：“糞丹”思想的理論來源
“糞丹”一詞由“糞”和“丹”兩個漢字所組成，糞是中國古代對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上所用之肥料的統(tǒng)稱，而丹則是指古代道家與藥學(xué)家煉制的“丹藥”，從糞丹的詞源上即可看出它的出現(xiàn)與中國古代農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、煉丹術(shù)乃至道家學(xué)說甚至哲學(xué)思想都有著密切的關(guān)系。
中國古代的士人知識階層大多推崇“天人合一”的理念，類比方法是深受士人們所青睞的一種思維方式，如他們把人體比作小型宇宙，或比作井然有序的等級社會，把治病的藥材按照封建社會的等級分為君、臣、佐、使，同樣，在農(nóng)學(xué)領(lǐng)域，農(nóng)家者流也把土地比喻為個體的人，把種地稱作“治地”，豐饒的土壤被視作機(jī)體健康的人，而貧瘠 、生產(chǎn)力低下的土地便被視為“生病”了，從而需要使用肥料等“藥物”來進(jìn)行調(diào)攝與治療。宋代農(nóng)學(xué)家陳旉在此基礎(chǔ)上更明確地提出用糞如用藥的“糞藥說”，陳旉認(rèn)為：“土壤氣脈，其類不一，肥沃磽埆，美惡不同，治之各有宜也。……雖土壤異宜，皆可成就。”而治地的關(guān)鍵在于用糞這種藥物來調(diào)理，“皆相視其土之性類，以所宜糞而糞之，斯得其理矣。俚諺謂之糞藥，以言用糞猶藥也。”“糞藥說”主張使用糞肥像中醫(yī)治病使用藥材一樣：首先要對癥下藥，對不同類型土地需要用不同的糞肥，“地性有骍剛、墳壤、咸潟之異，故取用者亦有牛、羊、鹿、豕之不同，皆所以助其種之生氣，以變易地氣，則薄可使厚，過可使和，而稼之所獲必倍常”；其次，需要像對中藥藥材進(jìn)行炮制那樣來對糞肥進(jìn)行處理，因?yàn)槿说募S便在腐熟過程中會產(chǎn)生熱量，不但會灼傷農(nóng)作物，甚至?xí)霈F(xiàn)“損人腳手，成瘡痍難療”的嚴(yán)重后果，宋代以后的農(nóng)學(xué)家一般都建議施用前要先行在糞屋、土坑或窖中進(jìn)行發(fā)酵；另外，還需要對糞肥的用量進(jìn)行把握，不可多用，由于用糞過多而燒死作物或令作物徒莖葉繁茂而不結(jié)實(shí)的記載在史料中甚為常見。“糞藥說”明確主張把為人治病的醫(yī)藥學(xué)引入為土地治療的農(nóng)學(xué)中，是促使“糞丹”思想出現(xiàn)的一個理論來源之一。
煉丹術(shù)是“糞丹”思想出現(xiàn)的另一個理論來源，煉丹術(shù)是由很早的采礦和冶金所脫離出來的一門學(xué)科，雖然大多內(nèi)容僅在道教內(nèi)部流傳，但是它卻對世俗科技產(chǎn)生了重要的影響，同時(shí)也對中國古代士人的思想產(chǎn)生很大的影響，促使他們?nèi)ビ脽挼ばg(shù)的思想來探究外界事物，而糞丹的研制正是起源于“糞藥說”和中國古代煉丹思想的結(jié)合。古代外丹術(shù)有兩種含義：一是煉制長生不老或包治百病的丹藥，二是在賤金屬中加入某些發(fā)酵的貴金屬“酵母”，而使得賤金屬變?yōu)榘嘿F的真金白銀。傳統(tǒng)肥料有體積大而單位面積含有的肥效較少的缺點(diǎn)，這樣每塊田地在施肥時(shí)就要使用很多的肥料，不但運(yùn)輸傳統(tǒng)肥料會消耗農(nóng)民的很多體力，而且施肥過程也大大不便，這便促使古代農(nóng)學(xué)家思考是否可以像煉丹術(shù)那樣，通過特殊的配置過程來研制出極具肥效的“丹糞”，僅用一點(diǎn)便能起到很大的作用，于是他們便兢兢業(yè)業(yè)地投入到煉制高效肥料的實(shí)驗(yàn)中。糞丹煉制過程與煉丹術(shù)有很多相似之處，很顯然糞丹是仿照煉丹術(shù)的技術(shù)所制造的，它們都需使用一定的設(shè)備，煉丹術(shù)用丹爐、丹鼎，而糞丹煉制需要缸、窖或磚池；都需要一些促使事物性質(zhì)產(chǎn)生變化的“酵素”，如煉丹術(shù)中的丹砂、糞丹中的糞便由于熱量大也很適合作為酵母，而動物的骨頭因?yàn)榫哂小坝衷朴门ｑR豬羊骨屑之，每一斗當(dāng)糞百石，以壅水田”這般強(qiáng)的肥效，也適合當(dāng)做煉制糞丹的一種酵素或酵母；都需要對一定物質(zhì)進(jìn)行定量、配伍的融合，煉丹術(shù)也會用一些具體稱重重量的不同物質(zhì)來配合，如水銀、雄黃等，而糞丹也是用鴿糞、豆餅、動物尸體之類的按比例配合；都需要對物質(zhì)進(jìn)行密封，用火加熱等方式來進(jìn)行催化，如煉丹術(shù)中就有“養(yǎng)火七日”、“酢煮”、“曝干七遍”等處理方式，而糞丹煉制中也有“火養(yǎng)三七日”、“晾干”、“火煨七日”等工序,甚至煉制糞丹對火候的要求也如煉制丹藥一般，王淦秌傳糞丹中提及的“頂口火”、“丹頭”，原本就是煉丹術(shù)的專有詞匯。
從農(nóng)學(xué)方面來說，糞丹是在先前肥料制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其制造方法與濃縮肥料的思想顯然受到堆漚肥技術(shù)的影響。堆漚肥是一種由諸種物質(zhì)、堆積腐敗而成的肥料，只要是一切可以利用的植物、動物和礦物可以腐爛發(fā)酵以供當(dāng)做肥料的都可利用，二者的不同是堆肥靠諸物堆積發(fā)熱腐熟，而漚肥則是在淹水條件下由微生物進(jìn)行嫌氣分解而達(dá)到腐熟的目的。堆漚肥至遲在南宋就已開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，陳旉的《農(nóng)書》便記載這種肥料及其所用的物質(zhì)，稱“凡掃除之土，燒燃之灰，簸揚(yáng)之糠粃，斷稿落葉，積而焚之，沃以糞汁，積之既久，不覺其多。”堆漚肥通過對肥料進(jìn)行腐熟、發(fā)酵等處理，極大地提高了肥效。雖然此類造肥技術(shù)早已有之，但復(fù)雜配方濃縮肥料的煉制卻當(dāng)從明代袁黃開始，袁黃于萬歷年間在北直隸寶坻任縣令時(shí)期，撰寫《勸農(nóng)書》，書中提及熟糞法，自稱此法也是得自于古書，他建議用火煮糞，這樣可使作物耐旱，具體方法是：把各種動物的骨頭和糞便同煮，牛糞便加入牛骨煮，馬糞加入馬骨同煮，人糞便可以加入人的頭發(fā)代替骨頭來煮；第二步是把田內(nèi)的土壤曬干后，把用鵝腸草、黃蒿、蒼耳子草三種植物燒成灰，拌入到土中；然后在土上撒入煮的熟糞水，曬干后用些糞土蓋之。在這種田地里中的莊稼很是豐收，能達(dá)到“其利百倍”的效果，據(jù)說可以達(dá)到畝收三十石的高產(chǎn)。袁黃的熟糞法比堆漚肥制作有兩大進(jìn)步：首先，它引入了幾種具體的制作物質(zhì)，而堆漚肥的配方比較雜亂，任何有肥力的東西都可以利用；其次，袁氏用火來人為地對肥料進(jìn)行加熱，提高了溫度，縮短了成肥的時(shí)間，使得原本需要三五個月腐熟的肥料可以隨時(shí)煮隨時(shí)使用。在明代，還有一種液態(tài)濃縮肥料，稱之為“金汁”，其肥效與熟糞法制成的肥料大致相同，但這種肥料的制作過程比較繁瑣，須數(shù)年而成。毫無疑問，糞丹就是在堆漚肥、熟糞法與金汁的基礎(chǔ)上制成的更高效的肥料，只是糞丹在師承這些技術(shù)的同時(shí)又有了某些改進(jìn)，不但有了具體的配比材料，還對各種原料有了嚴(yán)格的定量。
從上面的敘述中可以看出，徐氏書中記載的“糞丹”在思想上顯然受到前人的許多影響，其中作為最典型的代表當(dāng)屬陳旉與袁黃，陳旉、袁黃二人不但皆為著名農(nóng)學(xué)家，而且都受到道家思想的深刻影響，陳旉在其《農(nóng)書》中自稱為“西山隱居全真子”，并在序言中多次提及精通煉丹術(shù)的葛洪與陶弘景；袁黃對術(shù)數(shù)極為精通，曾撰寫過關(guān)于道教內(nèi)丹術(shù)的著作《攝生三要》及《祈嗣真詮》，所以他們有了把農(nóng)學(xué)與煉丹術(shù)融合的條件，徐光啟正是在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步，融合“糞藥說”、煉丹術(shù)以及古代農(nóng)家者流的農(nóng)學(xué)思想，制造出“糞丹”這種新型肥料的。
以現(xiàn)代科學(xué)的視角來審視，糞丹煉制材料的選取是極具見地的，既有人、畜、禽類的糞肥與動物內(nèi)臟、尸體的雜肥，又有富含有機(jī)質(zhì)和氮素的黑豆、麻子等餅肥，同時(shí)還含有砒信等無機(jī)肥料，不但使得混合后養(yǎng)分含量極高，而且還兼有防治害蟲的效果。糞丹煉制過程中還通過人工加熱來促進(jìn)糞肥腐熟的速度，不但可以避免生糞下地對莊稼造成的危害，還可以促進(jìn)養(yǎng)分的快速分解以增加肥效。糞丹在煉制的過程中很注意對肥效的保存，提倡用窖或大缸來保留肥氣，防治肥效的丟失。在材料配比方面，糞丹也是很講究的，提倡使用鴿糞或鳥糞，是因?yàn)榧仪蓊惣S便的肥效遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于家畜，而且鴿糞還有殺蟲的功效。但是在西方近代科學(xué)傳來之前的古代中國，關(guān)于糞丹煉制過程中各類材料不同比例的選入與配比，是有某種自身特殊意義的。例如對于《周禮》中建議的“凡糞種骍剛用牛，赤緹用羊，墳壤用麋，渴澤用鹿，咸澙用貆，勃壤用狐，埴壚用豕，強(qiáng)壏用蕡，輕燢用犬 ”施肥法，現(xiàn)代人往往摸不著頭腦，認(rèn)為很荒唐，但古人的解釋卻顯示古代農(nóng)學(xué)自身對化土施肥的看法：古人認(rèn)為，骍剛者，色赤而行剛也，牛屬土，其糞和緩，故用化剛土；赤緹者，色赤而性如緹，謂薄也，羊?qū)俳穑浼S燥密，故治薄土。……犬屬火，其性輕佻，故以化黏土，氾勝之在《氾勝之書》中施肥的“溲種法”中也接受了此種方法，他建議在種子外面裹上一層根據(jù)土壤類型所選用的不同動物的骨頭所煮成的汁，袁黃也十分崇尚這種本骨用本發(fā)同煮的方法，在古代阿拉伯地區(qū)，也存在此類現(xiàn)象，阿拉伯古農(nóng)家認(rèn)為，把葡萄葉燒成灰拌在人的糞便中，這樣制成的肥料用在葡萄上很有效，其他的各種葉子的灰燼也是它所屬的那種植物最好的肥料，如棕櫚樹葉的灰燼是棕櫚樹最好的肥料，這種觀點(diǎn)或許是受到交感巫術(shù)思想的影響。煉制糞丹所使用的原料是古人根據(jù)自身所掌握的陰陽、五行等術(shù)數(shù)理論來選用、搭配的，絕對不僅僅是隨意的組合。
糞丹出現(xiàn)的社會背景
糞丹出現(xiàn)在明代后期是有特殊背景的，它不是由個別農(nóng)學(xué)家心血來潮而研制的新奇玩意，而是由當(dāng)時(shí)強(qiáng)烈的社會需求所推動的。面對明代后期社會生齒日繁而地不加廣的現(xiàn)象，如何從有限的土地上奪取更多的收獲就變得成社會各界所面臨的重要議題，為了增加糧食產(chǎn)量，農(nóng)民開始加大對肥料的投入，使得肥料成為一種稀缺的資源，而傳統(tǒng)肥料自身的缺點(diǎn)在此時(shí)也有了被修正的必要和契機(jī)，煉制糞丹正是知識分子層面對這些社會問題的一種嘗試性應(yīng)對措施。
宋代開始，江南地區(qū)就走上了一條集約化的農(nóng)業(yè)發(fā)展道路，其中肥料技術(shù)便扮演了重要的角色。從南宋《陳旉農(nóng)書》中就可以看出當(dāng)時(shí)江南人們對肥料收集、保存的重視，元代《王禎農(nóng)書》中記載了苗糞、泥糞、火糞等諸多種江南農(nóng)業(yè)上常使用的肥料，還提出了“惜糞如惜金”的概念。明清之時(shí)，江南的肥料技術(shù)在前代之基礎(chǔ)上又有了重大的突破，甚至有學(xué)人斷定在從明代中期到清代中前期這段時(shí)間內(nèi)，江南地區(qū)出現(xiàn)了一場農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的“肥料革命”，雖然這種提法有點(diǎn)夸大，但彼時(shí)江南的施肥技術(shù)確實(shí)出現(xiàn)了比較大的進(jìn)展。
隨著江南地區(qū)施肥的精細(xì)化與肥料技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)民有時(shí)不但會在種植大田作物之前在土地上先施用基肥，江南土著農(nóng)民稱之為“墊底”，而且有時(shí)還會在作物生長的過程中繼續(xù)施加追肥，土人稱之為“接力”。同時(shí)，明清時(shí)期，江南地區(qū)桑、棉等獲利甚大的商業(yè)作物排擠著傳統(tǒng)作物水稻的種植空間，紡織業(yè)的發(fā)達(dá)使得桑爭稻田、棉爭糧田的現(xiàn)象愈演愈烈，在有些地區(qū)甚至百分之九十的耕地都被用來種植棉花，而糧食卻只能依靠外地輸入，據(jù)李伯重估計(jì)，棉對肥料的需求量并不少于水稻，而桑樹對肥料的需求量則是水稻的好幾倍。加上明末時(shí)候還沒有大量的來自滿洲的大豆和豆餅被運(yùn)輸來以供應(yīng)江南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，豆餅價(jià)格又很昂貴，所以江南農(nóng)人特別是財(cái)力不足的“下農(nóng)”經(jīng)常陷入肥料缺乏中。多方搜集肥料一直是明末江南農(nóng)民在日常生活中所重要的活動，明末清初的《沈氏農(nóng)書》在按照月份所進(jìn)行的農(nóng)事中，就充滿“罱泥”、“罱田泥”、“窖垃圾”、“窖磨路”、“買糞”、“窖花草”、“買糞謝桑”、“買牛壅磨路平望”、“挑河泥”、“租窖各鎮(zhèn)”、“換灰糞”等涉及肥料的農(nóng)事安排，可見其對肥料搜集的艱辛。即使在這種強(qiáng)度積肥的情況下，肥料的需求依然得不到滿足，而導(dǎo)致有些地區(qū)地力在逐漸下降，嘉慶時(shí)，松江人欽善的《松問》中記載：“八十以上老農(nóng)之言曰：‘往昔胠苗，畝三石粟；近日胠苗，畝三斗谷。澤革內(nèi)猶是，昔厚今薄，地氣使然’”，其實(shí)這就是因?yàn)榉柿喜蛔闼碌牡亓ο陆担布词乔迦私匏缘摹鞍祷摹薄?/p>
同時(shí)，華北地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在明代亦有了一定程度的進(jìn)步。特別是明代中葉以后，隨著社會的穩(wěn)定與人口的增長，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平逐漸提高，人地矛盾開始凸顯，兩年三熟制開始在華北逐漸形成。兩年三熟制比起一年一熟制對土地所造成的壓力要大，顯然需要補(bǔ)充更多的肥料來恢復(fù)地力。當(dāng)時(shí)華北有些地區(qū)施肥量也頗大，如“北京城外，每畝用糞一車”、“京東人云,不論大田稻田，每頃用糞七車”、“京東永年等處，大田用雜雞馬等糞，或漚草，每畝二十石”、“山東東昌用雜糞，每畝一大車，約四十石”、“濟(jì)南每畝用雜糞三小車，約十五六石”、“真定人云：每畝壅二三大車”。在華北的某些地區(qū)，還形成了超級高超的用肥技術(shù)，如徐光啟筆下記載的山西，“山西人種植勤用糞，其柴草灰謂之火灰。大糞不可多得，則用麥秸及諸康穗之屬，掘一大坑實(shí)之，引雨水或河水灌滿漚之，令恒濕。至春初翻倒一遍，侯發(fā)熱過，取起壅田”。新經(jīng)濟(jì)作物棉花也在明代被引入到華北地區(qū)并得到迅速的擴(kuò)展，在明末山東，棉花“六府皆有之，東昌尤多，商人貿(mào)于四方，其利甚博”，而河北等地也在明末廣泛種植棉花，甚至于在比較落后的地區(qū)，如冀州和灤州，也都于嘉靖和萬歷年間開始植棉。棉花比起其他旱地作物需要投入更多數(shù)量的肥料，尤其是在漫長的開花與吐絮時(shí)期對肥料的需求更大。華北的棉花施肥技術(shù)亦十分先進(jìn)，多用熟糞壅棉田，這樣能使得“勢緩而力厚，雖多無害”，而甚至比同時(shí)代的松江地區(qū)更為先進(jìn)，因?yàn)椤澳贤翢o之（熟糞），大都用水糞、豆餅、草穢、生泥四物”。作物輪作制度的變化與新經(jīng)濟(jì)作物的廣泛種植，大大加劇了華北對肥料的需求，由于肥料不足，陳年炕土、多年墻壁甚至熏土肥料等含養(yǎng)分少得可憐的東西都被拿來用做肥料，比如舊墻土中的有效氮素含量僅有0.1%，可見華北地區(qū)對肥料的缺乏程度。
南北方同時(shí)對肥料的缺乏是導(dǎo)致以徐光啟為代表的士人試圖發(fā)明高效肥料的原因之一，另一個重要的原因則是傳統(tǒng)肥料的弊端也越來越凸顯出來。傳統(tǒng)肥料體積大，肥料所含的肥效不高，導(dǎo)致每畝地需要很多的肥料，運(yùn)輸起來極為麻煩。如“南土壅稻，每畝約用水糞十石”，按明清一石等于今120市斤，那么明清一畝稻地就需要1200市斤的水糞，即使按照對明清江南普通農(nóng)戶經(jīng)營規(guī)模最模糊的估計(jì)“人耕十畝”的標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算，即便采用“三年一壅”的最落后的施肥原則，每個勞動力每年也得把4000市斤的肥料運(yùn)送到農(nóng)田中，這需要極大的勞動消耗。所以歷代耕織圖里都把“淤蔭”視作農(nóng)作的重要一環(huán)，歷代《淤蔭圖》所附的詩詞或竹枝詞中作者都感慨運(yùn)、施肥這項(xiàng)農(nóng)活的勞累，如南宋皇帝為淤蔭圖題詩曰：“敢望稼如云，工夫蓋如許”，清代康熙帝也在《御制耕織圖》的淤蔭圖上題曰：“從來土沃籍農(nóng)勤，豐歉皆由用力分。剃草撒灰滋地利，心期千畝稼如云。”由于挑糞、施肥工作的艱辛，所以經(jīng)常會出現(xiàn)靠近村落的農(nóng)田使用糞肥多，而有些離居處較遠(yuǎn)的田地由于人力成本的稀缺，而不得不少施肥甚至近于拋荒的現(xiàn)象，即俚語所謂的“近家無瘦田，遙田不富人”，對這種現(xiàn)象，徐光啟也有認(rèn)識，他認(rèn)為：“田附郭多肥饒，以糞多故。村落中居民稠密處亦然”。明清兩代傳統(tǒng)肥料價(jià)格的高昂，加之糞肥運(yùn)輸對人力要求過于苛刻，所以導(dǎo)致肥料的危機(jī)與地力下降，如明末經(jīng)營地主沈氏在其《農(nóng)書》中抱怨：“近來糞價(jià)貴，人工貴，載取費(fèi)力……”，正是這種情況 的一個體現(xiàn)。雖然大豆、麻、棉花等果實(shí)榨油后剩余的枯餅是一種重要的肥料，具有單位體積含養(yǎng)分多的特點(diǎn)，包含比其他肥料多很多的對作物生長重要的氮肥，而且可以快速地被施用到土壤中，堪稱現(xiàn)代化肥發(fā)明前最先進(jìn)的肥料。豆餅具有替代傳統(tǒng)肥料的技術(shù)優(yōu)勢，但是其價(jià)格不菲，一般只有雄厚資本的“上農(nóng)”和自耕農(nóng)才可以用得起，而貧農(nóng)只能賒欠來使用，或利用其他肥料代替，明代的《便民圖纂》中的下壅圖附的竹枝詞中就暗示了彼時(shí)豆餅價(jià)格的昂貴，詩曰：“稻禾全靠糞澆根，豆餅河泥下得勻。要利還須著本做，多收還是本多人”。而且豆餅可以作為家畜的飼料甚至在荒年可以當(dāng)做貧苦人的食物，這樣盡管豆餅具有比傳統(tǒng)肥料更好的肥效，但是由于經(jīng)濟(jì)原因而未能成為傳統(tǒng)肥料的代替品，肥料危機(jī)和傳統(tǒng)肥料的自身缺點(diǎn)，使得士人們思索如何能制取既肥效高又體積小，而且價(jià)格也可以接受的高效肥料。
同時(shí)，明代農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的一些制糞方法也給士人提供了一定的啟發(fā)，徐光啟在《糞壅規(guī)則》里記載了一種“浙東人用大糞煉成焦泥”的民間制糞技術(shù)，使用這種肥料來壅菜，“每畦菜止用一升”，這種濃縮的肥料引起了徐光啟的極大興趣，或許通過對當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的詢問或?qū)嵉卣{(diào)查，他得到了這種制糞法的更詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)，并將這種方法寫入此書的后面的章節(jié)中：
浙東人多用焦泥作壅，蓋于六七月中塍岸上鋤草，帶泥曬干，堆積煨成灰也。此能殺蟲除草作肥。浙西人法又稍異。如前煨既燼，加大糞煉成劑作堆。堆上開窩，候干又入糞窩中，數(shù)次候干。種菜每科用一撮即肥。明年無草田底，種稻尤佳。作此須于高地上，此堆下土基掘起一二尺，用之亦大能作肥也。
毫無疑問的是，這種用雜草、焦泥和大糞通過燃燒加熱制作成的既能壅田又能殺蟲的肥料是引起了人們的注意，它“每科用一撮”、“每畦菜止用一升”的濃縮性質(zhì)正好可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)肥料體積大肥效低的缺陷，引起了士人的強(qiáng)烈興趣，士大夫們試圖用它為原型融合煉金術(shù)等學(xué)說，研制出一種更為有效的肥料來緩解肥料缺乏的情況。
糞丹的失敗及其原因
以徐光啟為代表的士大夫們傾注了極大心血來研制糞丹這種新型的濃縮肥料，據(jù)稱它具有相當(dāng)高的肥效，徐光啟稱用王龍陽的方法煉制的糞丹來施肥，每畝僅需要用成丹一升即足夠，而吳云將的糞丹更是“畝不過半升”這似乎比同時(shí)期肥料技術(shù)先進(jìn)的江南地區(qū)的水稻施肥“每畝約用水糞十石”的龐大數(shù)量少得多。但是即便有這樣的顯著優(yōu)勢，糞丹在當(dāng)時(shí)似乎也并沒有被投入到實(shí)際使用中，更遑論取代傳統(tǒng)肥料。糞丹的制法和工藝僅僅在徐光啟的草稿中存有吉光片羽，后來的士人與農(nóng)學(xué)家甚至沒有人記錄或提及過糞丹。傳統(tǒng)肥料依舊處在供應(yīng)危機(jī)中，小農(nóng)依然“惜糞如金”，勤勤懇懇地收集著一切可以當(dāng)做肥料的東西。糞丹的方法雖然沒有被下層農(nóng)民所接受而用在大田作物的種植中，但是其主要方法與思想?yún)s在上層士人的層面流傳，在清代觀賞花卉的譜錄中，很多處都與糞丹類似的濃縮肥料思想的體現(xiàn)，如《藝菊新編》中的釀糞部分與《藝菊瑣言》中的肥料部分都記載了與糞丹制作方法類似的制肥法，同時(shí)從事園藝業(yè)的學(xué)者們還把糞便、淘米水、洗魚水等各類東西放在缸中密封發(fā)酵，“臭過變清”再用作肥料，取名為“金汁”，此法與吳云將制作糞丹的方法也極為類似。
糞丹沒有流傳在文獻(xiàn)上可能歸咎于《北耕錄》存于徐光啟長房孫所，徐光啟的門生陳子龍等在整理《農(nóng)政全書》的刊印之時(shí)沒有將其收錄，直至清康熙年間才發(fā)現(xiàn)，這可能是糞丹沒有流傳的文本原因之一。但作為一種制作高效肥料的方法，糞丹沒有被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中應(yīng)該是受到多方面條件所制約的。阻礙糞丹在實(shí)踐中發(fā)揮作用的原因首先應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)問題，制造糞丹需要極多的原料，如豬臟，還需要極高的條件，如“火養(yǎng)三七日”、“用火煨七日”等，小農(nóng)沒有足夠的原料和燃料，這些要求都難以做到；其次，為了保存肥效，糞窖或大缸是制造糞丹的重要器具之一，但這種設(shè)備都是大型的，在當(dāng)時(shí)的條件下，小農(nóng)由于受經(jīng)濟(jì)條件所限，也難以置辦到；再次，小農(nóng)在技術(shù)上喜歡因陋就簡，而制造糞丹的程序及其繁瑣、復(fù)雜，從制作到使用需要花費(fèi)大量的精力與時(shí)間，這些原因都使得糞丹與實(shí)踐所脫節(jié)，而僅僅停留在學(xué)者士人思辨的層面上，其思想也僅在精細(xì)的名貴花卉的培壅上略有體現(xiàn)。同時(shí)，糞丹的失敗或許也可以從其技術(shù)的本身來尋找原因，首先糞丹是種濃縮肥料，根據(jù)“隨子種同下”、“入種中耩上”、“用帚灑田中”等施肥方法和“畝不過半升”、“每畝用成丹一升”的用量可知糞丹是一種種肥，明代后期，全國作物以水稻為大宗，時(shí)人宋應(yīng)星有言：“今天下育民人者，稻居什七”，水稻在育秧時(shí)壅秧田的肥料大都是比較溫和的，如“撒種，蓋以稻草灰”或“罱泥鋪面，而后撒種”，從糞丹煉制所使用的干大糞、濃糞、豆餅等原料可見它是一種烈性肥料，徐光啟在制造糞丹時(shí)就曾建議“著此糞后，就須三日后澆灌，不然恐大熱燒壞種也”，普通百姓更是無法預(yù)料使用后的是否會不甚燒壞秧苗，畢竟當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)施肥中因?yàn)槭┓蔬^多而燒殺苗的情況屢見不鮮，這或許也是糞丹沒得到應(yīng)用的最重要的技術(shù)原因之一：其次，在種子上或播種時(shí)直接施肥的農(nóng)法在《氾勝之書》與《齊民要術(shù)》等早期時(shí)代曾大受歡迎，主要目的是為了保證出苗，但此種方法在后世逐漸不受重視，因?yàn)楹蟠┓什恢皇菫榱顺雒纾饕菫榱吮３洲r(nóng)作物的后期生長，換言之，在明代的農(nóng)田施肥中起主要作用的是基肥和追肥，種肥所起的作用不大，即使使用了種肥后在作物生長的后期仍需要添加肥料來施肥（如當(dāng)時(shí)最重要的水稻，大田里使用的基肥和追肥才是最重要的，在秧田撒種時(shí)用不用種肥都不太重要），種肥自身所起的意義不大；再次，宋代以降，農(nóng)學(xué)家在施肥方法上一直堅(jiān)持的是還原論的原則，主張不同的作物對肥料有著不同的需求，陳旉就認(rèn)為：“土壤氣脈，其類不一，肥沃磽埆，美惡不同，治之各有宜也。”王禎也認(rèn)為擅于種莊稼的人在施肥時(shí)應(yīng)“相其各處地理所宜而用之”，而徐光啟基于自己反對風(fēng)土論的強(qiáng)烈立場，認(rèn)為各地區(qū)只有氣候寒暖的不同，而不同地方的土地則沒有不同，即“第其中亦有不宜者，則是寒暖相違，天氣所絕，無關(guān)于地”，在這種思想的影響下，他試圖用綜合論的方法來制作“糞丹”這種對一切土質(zhì)的田地都可用的“萬能肥料”，這在當(dāng)時(shí)也是不能被農(nóng)家者流與普通百姓所接受的。
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