魯山望城崗冶鐵遺址出土燃料鑑定與研究_風聞

摘要：魯山縣望城崗冶鐵遺址出土的12塊木炭都是櫟屬，其中槲櫟組佔比較高，麻櫟組次之。表明當時的人們有意選擇燃燒熱值高、火力強大、燃燒持久的優質櫟木作為冶鐵燃料。通過對木炭樣品的觀察，發現58%有明顯的材表，木炭樣品的年輪數大於或等於10輪，直徑在5.2釐米或以上，認為古人對採集冶鐵燃料可能有規定。

　　2018年，河南省文物考古研究院對魯山望城崗冶鐵遺址進行了考古發掘，發現了豐富的冶鑄遺存，在爐渣內發現了大量的木炭。我們從爐渣中採集了一些木炭樣品，目的有兩個：一是通過鑑定木炭種屬，確定燃料種屬；二是通過對木炭表面形態觀察和年輪數統計，探討古人對木炭薪柴的採集策略。

　1 研究材料和研究方法

　　樣品均採集自G5⑥層，屬漢代堆積。我們從本層出土的爐渣內隨機採集了12塊木炭。觀察這些木炭的年輪數和木炭的大小，然後用雙面刀將木炭切成橫、徑、弦三個面，在具有反射光源、明暗場、物鏡放大倍數為5倍、10倍、20倍、50倍的NikonLV150金相顯微鏡下觀察並記載木材特徵，根據《中國木材志》《中國主要木材構造》等對其進行樹種的鑑定。然後將木炭樣品粘在鋁質樣品台上，樣品表面鍍金，在Quanta650掃描電子顯微鏡下進行拍照。

2 研究結果

　　12塊木炭均呈塊狀，黏結在爐渣內。對有髓心和材表的樣品進行分析，其中58%有明顯的材表，木炭樣品的年輪數大於或等於10輪，直徑在5.2釐米或以上。（圖1）

　　經鑑定，木炭均為櫟屬（Quercus sp.）木材，統稱櫟木，其中槲櫟組（sect. Prinus Loud）佔比較高，為66.7%，麻櫟組（sect. Cerris Loud）次之，為33.3%。

　　2.1麻櫟組的木炭構造

　　從橫切面上看，生長輪甚明顯，環孔材，部分具侵填體。早材至晚材急變，晚材管孔通常略小，單管孔，徑列通常寬1～2（稀3）管孔。軸向薄壁組織量多，離管帶狀。（圖2）

　　從徑切面上看，單穿孔，管間紋孔式互列，圓形及卵圓形，射線組織同形。（圖3）

　　從弦切面上看，分寬窄兩類：一類窄木射線通常單列（稀2列或成對），高1-25細胞或以上，多數5-15細胞。一類寬木射線（一部分似半複合射線）最寬處寬至許多細胞，高至許多細胞。（圖4）

　　2.2槲櫟組的木炭構造

　　從橫切面上看，生長輪甚明顯，環孔材，部分具侵填體。早材至晚材急變；晚材管孔甚小至略小，火焰狀徑列，寬多列管孔。單管孔，稀呈短徑列復管孔（通常2個）。軸向薄壁組織量多。（圖5）

　　從徑切面上看，單穿孔，射線組織同形，射線細胞菱形晶體可見。（圖6）

　　從弦切面上看，分寬窄兩類：一類窄木射線通常單列（稀2列或成對），高2-31細胞或以上，多數5-20細胞。一類寬木射線（全為複合射線）最寬處寬至許多細胞，高至許多細胞。（圖7）

　3 討論

　　手工業考古並不僅僅是為了考察和研究古代的手工業工藝技術，還應該從原材料、生產工具和設施、工藝技術及其生產流程到產品、產品流通和應用等方面進行研究，從生產者、經營管理方式、產業結構和產業佈局到社會經濟和社會文化等方面進行系統研究。下面我們從燃料的選擇和利用，以及相關的社會管理等方面做一討論。

　　3.1木炭在古代冶金中的利用

　　木炭是木材在缺氧條件下沒完全燃燒，或者木材在隔絕空氣的條件下熱解，所殘留的深褐色或黑色多孔固體燃料。木炭具有柔軟、易碎、重量輕、多孔的特點，它的化學性質也相對穩定，耐腐蝕。《説文解字》記載：“炭，燒木餘也。從火，岸省聲。”形象地説明了炭的燒製工藝。在英國，木炭的燒製多采用堆燒法，在我國，仰韶時期的銅器數量甚少，採用堆燒法。隨着商周青銅器的大量鑄造以及春秋戰國時期冶鐵業的興起，對木炭數量與質量兩方面的需求隨之增加，燒炭技術發生變革，採用了窖燒炭法。

　　中國的冶鑄業與木炭的利用密切相關。木炭不僅是金屬冶煉的燃料，用於提高爐温，同時還起還原劑的作用，有助於煉製出理想的鍊鐵。比如，豎爐從爐頂加料，爐腹鼓風，鼓風燃燒形成空間，使爐料下降，燃燒產生的煤氣，從爐料空隙中上升，並將熱量傳送給爐料，爐料在下降過程中被加熱，其中礦石被逐漸還原和融化，變成金屬和爐渣的液體。從豎爐高度上來看，到了融化帶以下，料柱中唯一保持固體狀態的只有燃料形成的骨架，因此對燃料要求嚴格。在化學成分及粒度、孔隙、強度等物理性能方面都要滿足豎爐需要，即燃料在爐內下降過程中，不因擠壓磨損和高温作用而粉碎。木炭能滿足上述要求，故早期冶金燃料都為木炭。其次，木炭中含固定碳在80%以上，灰分約1%，最多也不超過3%～4%，硫、磷等雜質含量均在萬分之幾以下。炭在燃燒時，煙灰較少，與木柴相比有較大的發熱量，每噸木炭約產1500千瓦的熱能，而且能與氧氣有較多的接觸面，容易燃燒，温度上升速度快，容易達到金屬熔化的温度，是冶煉的優質燃料。商周時期也正是靠木炭燃燒產生的高温，保證了青銅器鑄造時對温度的需求。由於冶銅與冶鐵技術上的連續性和原理上的共性，所以早期冶鐵中使用的燃料依然是木炭。

　　3.2漢代冶鐵業中常用的燃料種屬

　　研究表明，在漢代冶鐵遺址中發現的燃料多為優質的殼鬥科木炭。如確山朗陵古城冶鐵遺址發現鐵渣、爐渣、爐壁碎塊及木炭，木炭由麻櫟木燒成。河南南陽瓦房莊冶鐵遺址發掘者憑藉經驗認為該遺址出土木炭是由慄木燒製而成，“炭的特點是裂縫寬而深，輻射紋理粗厚，堅而脆，斷面發亮。充分燃燒後呈白色灰燼。這些特點與今天伏牛山區的慄木炭相同。慄木是南陽以北山區主要林木之一”。我們認為瓦房莊冶鐵遺址所用燃料不是慄木，而是櫟木。因為他所描述的炭的輻射紋理粗厚，是櫟木的寬木射線特徵，而慄木的木射線是極細的單列木射線，肉眼是看不到的。鶴壁漢代冶鐵遺址採集的木炭灰渣，經化驗，證明係一種發熱量大、強度高，適合於高温冶煉的燃料。鄭州古滎漢代冶鐵遺址發現的冶鐵燃料也是一種活力很大而且質地堅硬的櫟木炭。陝西楊凌漢代鑄鐵遺址冶鐵燃料也以櫟木為主，其次是樺木科的鵝耳櫪屬。四川蒲江鐵牛村冶鐵遺址出土的木炭，經鑑定包括黃桐、烏桕和苦櫧，苦櫧與櫟屬同屬殼鬥科。在本研究中，望城崗冶鐵遺址冶鐵用的燃料也是殼鬥科的櫟木，其中槲櫟組佔比較高，麻櫟組次之。

　　3.3薪柴的選擇

　　望城崗冶鐵遺址所在的魯山縣位於伏牛山東麓，伏牛山是河南境內最大的、植物種類最多的山區。山區特殊的地理位置決定其植被羣落由亞熱帶、暖温帶樹種組成。在海拔1000米以下，南坡以楓楊、柳樹、水楊梅等為主要羣落；北坡以春榆、黑榆等榆科植物及山梅花等為主要羣落。海拔1000～1300米的植被羣落是鋭齒槲櫟、栓皮櫟，該羣落是伏牛山的優勢羣落。海拔1300～1500米的植被是槭樹、漆樹、椴樹等樹種。海拔1500米以上的植被羣落是華山松、太白冷杉等樹種。由此説明，這裏的樹種具有多樣性。而漢、唐兩代是比較温暖的時代，因此，推測伏牛山漢代的樹種多樣性比現今更高。但是古人沒有選擇用海拔1000米以下的楓楊、柳樹、水楊梅、山梅花、春榆、黑榆等榆科植物去燒製燃料，而是選擇用海拔較高的、取材和運輸費力的槲櫟類和麻櫟類的櫟木燒製燃料，説明古人是有意為之。最主要的原因可能是當時人們已經認識到了櫟木堅韌耐腐，具有很高的燃燒熱值。如麻櫟燃燒熱值為4750千卡/千克，較榆樹、檉柳和臭椿等的燃燒熱值高，並且火力強大，燃燒持久，為優良的薪柴及燒炭用材。詩經中有櫟木做薪柴的記載，如《詩經·小雅·車舝》：“陟彼高岡，析其柞薪。”柞，即柞木，即櫟屬槲櫟類的蒙古櫟。

　　鍊鐵消耗木炭的數量是驚人的。如《漢書·貢禹傳》載：“攻山取銅鐵……斬伐林木，亡有時禁，水旱之災未必不由此也。”又《鹽鐵論·禁耕篇》載：“鹽冶之處，大校皆依山川，近鐵炭。”説明在漢代需要大量伐木燒炭用於冶鐵。根據漢代冶鐵的高爐物料平衡推算，每煉1噸鐵需要7850千克木炭，1995千克礦石，130千克石灰石，北京鋼鐵學院中國古代冶金編寫組認為古代每煉1噸生鐵，耗用木炭可能要4～5噸或更多些。冶鐵燃料之所以採用櫟木，另一原因是櫟屬鋭齒槲櫟、栓皮櫟是伏牛山的優勢羣落和優勢種，它們個體數量多、投影蓋度大、生物量高、體積較大、生存能力較強，是很容易獲得的資源。魯山縣常見的樹種有栓皮櫟、槲櫟、茅慄、黃連木、山合歡、化香等，能夠滿足漢代冶鐵大量伐木燒炭的需求。當然，還要綜合考慮該地區同時期其他冶鐵遺址的相關情況，以後要注意採集更多的樣品。

　　3.4有關薪柴利用方面的規定的推測

　　根據文獻記載，在周代燒炭已成為專門的生產部門，有專人從事燒炭職業，並專設掌管燒炭的官職。《禮記·月令》：“季秋之月，草木黃落，乃伐薪為炭。”《周禮·天官·宮人》：“凡寢中之事，掃除、執燭、共爐炭，凡勞事。”《周禮·地官·掌炭》記載：“掌炭掌灰物炭物之徵令。以時入之，以權量受之，以共邦之用，凡炭灰之事。”

　　從文獻記載可以看到國家對木材資源的保護措施，商代已經設置“司木”管理山林資源，並且對山林砍伐的時間、樹種都做了相關規定。《管子》一書提出了“時禁”觀點，如“以春日至使……毋聚大眾，毋行大火，毋斷大木，毋誅大臣，毋斬大山，毋戮大衍。天子之夏禁也”。《管子·禁藏》載：“當春三月……毋伐木，毋夭英（草木之初生），毋折竿（筍之初生），所以息百長也。”睡虎地秦簡《秦律十八種》中的《田律》：“春二月，毋敢伐材木山林及雍（壅）堤水。不夏月，毋敢夜草為灰，取生荔，到七月而縱之。”漢代《淮南子·時則》：“是月（季秋），伐薪而為炭。”敦煌懸泉置出土的抄寫本詔書《四時月令詔條》：“禁止伐木，謂大小之木皆不得伐也，盡八月，草木零落，乃得伐其當伐者。”文獻記載反映了秦漢時期國家對森林資源保護和永續利用的行為和思想。

　　從我們對木炭樣品的觀察來看，12塊木炭均呈塊狀，黏結在爐渣內。有髓心和材表的樣品年輪數在10輪以上，沒有比此年齡更小的枝幹，也沒發現年齡更大的枝幹。説明當時對燃料的選擇採用了一些策略。先秦時期，“薪”和“柴”各有所指，“大者可析謂之薪，小者合束謂之柴”。漢代的先民沒有用口徑大的樹幹，即所謂的“薪”，也沒用口徑小的小枝，即所謂的“柴”，這既可保證燒出優質的炭，又能保護樹木資源，能源源不斷地獲取冶鐵的燃料。

　　魯山望城崗冶鐵遺址的冶鐵業已有較完整的管理，2000~2001年，在遺址東部發現了帶有“陽一”“河□”“六年”等字樣的陶範。由此看來，當時不僅有機構對冶鐵進行管理，而且對燒炭部門用於燒炭的薪柴可能也有一定的規定。