鲁山望城岗冶铁遗址出土燃料鉴定与研究_风闻

摘要：鲁山县望城岗冶铁遗址出土的12块木炭都是栎属，其中槲栎组占比较高，麻栎组次之。表明当时的人们有意选择燃烧热值高、火力强大、燃烧持久的优质栎木作为冶铁燃料。通过对木炭样品的观察，发现58%有明显的材表，木炭样品的年轮数大于或等于10轮，直径在5.2厘米或以上，认为古人对采集冶铁燃料可能有规定。

　　2018年，河南省文物考古研究院对鲁山望城岗冶铁遗址进行了考古发掘，发现了丰富的冶铸遗存，在炉渣内发现了大量的木炭。我们从炉渣中采集了一些木炭样品，目的有两个：一是通过鉴定木炭种属，确定燃料种属；二是通过对木炭表面形态观察和年轮数统计，探讨古人对木炭薪柴的采集策略。

　1 研究材料和研究方法

　　样品均采集自G5⑥层，属汉代堆积。我们从本层出土的炉渣内随机采集了12块木炭。观察这些木炭的年轮数和木炭的大小，然后用双面刀将木炭切成横、径、弦三个面，在具有反射光源、明暗场、物镜放大倍数为5倍、10倍、20倍、50倍的NikonLV150金相显微镜下观察并记载木材特征，根据《中国木材志》《中国主要木材构造》等对其进行树种的鉴定。然后将木炭样品粘在铝质样品台上，样品表面镀金，在Quanta650扫描电子显微镜下进行拍照。

2 研究结果

　　12块木炭均呈块状，黏结在炉渣内。对有髓心和材表的样品进行分析，其中58%有明显的材表，木炭样品的年轮数大于或等于10轮，直径在5.2厘米或以上。（图1）

　　经鉴定，木炭均为栎属（Quercus sp.）木材，统称栎木，其中槲栎组（sect. Prinus Loud）占比较高，为66.7%，麻栎组（sect. Cerris Loud）次之，为33.3%。

　　2.1麻栎组的木炭构造

　　从横切面上看，生长轮甚明显，环孔材，部分具侵填体。早材至晚材急变，晚材管孔通常略小，单管孔，径列通常宽1～2（稀3）管孔。轴向薄壁组织量多，离管带状。（图2）

　　从径切面上看，单穿孔，管间纹孔式互列，圆形及卵圆形，射线组织同形。（图3）

　　从弦切面上看，分宽窄两类：一类窄木射线通常单列（稀2列或成对），高1-25细胞或以上，多数5-15细胞。一类宽木射线（一部分似半复合射线）最宽处宽至许多细胞，高至许多细胞。（图4）

　　2.2槲栎组的木炭构造

　　从横切面上看，生长轮甚明显，环孔材，部分具侵填体。早材至晚材急变；晚材管孔甚小至略小，火焰状径列，宽多列管孔。单管孔，稀呈短径列复管孔（通常2个）。轴向薄壁组织量多。（图5）

　　从径切面上看，单穿孔，射线组织同形，射线细胞菱形晶体可见。（图6）

　　从弦切面上看，分宽窄两类：一类窄木射线通常单列（稀2列或成对），高2-31细胞或以上，多数5-20细胞。一类宽木射线（全为复合射线）最宽处宽至许多细胞，高至许多细胞。（图7）

　3 讨论

　　手工业考古并不仅仅是为了考察和研究古代的手工业工艺技术，还应该从原材料、生产工具和设施、工艺技术及其生产流程到产品、产品流通和应用等方面进行研究，从生产者、经营管理方式、产业结构和产业布局到社会经济和社会文化等方面进行系统研究。下面我们从燃料的选择和利用，以及相关的社会管理等方面做一讨论。

　　3.1木炭在古代冶金中的利用

　　木炭是木材在缺氧条件下没完全燃烧，或者木材在隔绝空气的条件下热解，所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。木炭具有柔软、易碎、重量轻、多孔的特点，它的化学性质也相对稳定，耐腐蚀。《说文解字》记载：“炭，烧木余也。从火，岸省声。”形象地说明了炭的烧制工艺。在英国，木炭的烧制多采用堆烧法，在我国，仰韶时期的铜器数量甚少，采用堆烧法。随着商周青铜器的大量铸造以及春秋战国时期冶铁业的兴起，对木炭数量与质量两方面的需求随之增加，烧炭技术发生变革，采用了窖烧炭法。

　　中国的冶铸业与木炭的利用密切相关。木炭不仅是金属冶炼的燃料，用于提高炉温，同时还起还原剂的作用，有助于炼制出理想的炼铁。比如，竖炉从炉顶加料，炉腹鼓风，鼓风燃烧形成空间，使炉料下降，燃烧产生的煤气，从炉料空隙中上升，并将热量传送给炉料，炉料在下降过程中被加热，其中矿石被逐渐还原和融化，变成金属和炉渣的液体。从竖炉高度上来看，到了融化带以下，料柱中唯一保持固体状态的只有燃料形成的骨架，因此对燃料要求严格。在化学成分及粒度、孔隙、强度等物理性能方面都要满足竖炉需要，即燃料在炉内下降过程中，不因挤压磨损和高温作用而粉碎。木炭能满足上述要求，故早期冶金燃料都为木炭。其次，木炭中含固定碳在80%以上，灰分约1%，最多也不超过3%～4%，硫、磷等杂质含量均在万分之几以下。炭在燃烧时，烟灰较少，与木柴相比有较大的发热量，每吨木炭约产1500千瓦的热能，而且能与氧气有较多的接触面，容易燃烧，温度上升速度快，容易达到金属熔化的温度，是冶炼的优质燃料。商周时期也正是靠木炭燃烧产生的高温，保证了青铜器铸造时对温度的需求。由于冶铜与冶铁技术上的连续性和原理上的共性，所以早期冶铁中使用的燃料依然是木炭。

　　3.2汉代冶铁业中常用的燃料种属

　　研究表明，在汉代冶铁遗址中发现的燃料多为优质的壳斗科木炭。如确山朗陵古城冶铁遗址发现铁渣、炉渣、炉壁碎块及木炭，木炭由麻栎木烧成。河南南阳瓦房庄冶铁遗址发掘者凭借经验认为该遗址出土木炭是由栗木烧制而成，“炭的特点是裂缝宽而深，辐射纹理粗厚，坚而脆，断面发亮。充分燃烧后呈白色灰烬。这些特点与今天伏牛山区的栗木炭相同。栗木是南阳以北山区主要林木之一”。我们认为瓦房庄冶铁遗址所用燃料不是栗木，而是栎木。因为他所描述的炭的辐射纹理粗厚，是栎木的宽木射线特征，而栗木的木射线是极细的单列木射线，肉眼是看不到的。鹤壁汉代冶铁遗址采集的木炭灰渣，经化验，证明系一种发热量大、强度高，适合于高温冶炼的燃料。郑州古荥汉代冶铁遗址发现的冶铁燃料也是一种活力很大而且质地坚硬的栎木炭。陕西杨凌汉代铸铁遗址冶铁燃料也以栎木为主，其次是桦木科的鹅耳枥属。四川蒲江铁牛村冶铁遗址出土的木炭，经鉴定包括黄桐、乌桕和苦槠，苦槠与栎属同属壳斗科。在本研究中，望城岗冶铁遗址冶铁用的燃料也是壳斗科的栎木，其中槲栎组占比较高，麻栎组次之。

　　3.3薪柴的选择

　　望城岗冶铁遗址所在的鲁山县位于伏牛山东麓，伏牛山是河南境内最大的、植物种类最多的山区。山区特殊的地理位置决定其植被群落由亚热带、暖温带树种组成。在海拔1000米以下，南坡以枫杨、柳树、水杨梅等为主要群落；北坡以春榆、黑榆等榆科植物及山梅花等为主要群落。海拔1000～1300米的植被群落是锐齿槲栎、栓皮栎，该群落是伏牛山的优势群落。海拔1300～1500米的植被是槭树、漆树、椴树等树种。海拔1500米以上的植被群落是华山松、太白冷杉等树种。由此说明，这里的树种具有多样性。而汉、唐两代是比较温暖的时代，因此，推测伏牛山汉代的树种多样性比现今更高。但是古人没有选择用海拔1000米以下的枫杨、柳树、水杨梅、山梅花、春榆、黑榆等榆科植物去烧制燃料，而是选择用海拔较高的、取材和运输费力的槲栎类和麻栎类的栎木烧制燃料，说明古人是有意为之。最主要的原因可能是当时人们已经认识到了栎木坚韧耐腐，具有很高的燃烧热值。如麻栎燃烧热值为4750千卡/千克，较榆树、柽柳和臭椿等的燃烧热值高，并且火力强大，燃烧持久，为优良的薪柴及烧炭用材。诗经中有栎木做薪柴的记载，如《诗经·小雅·车舝》：“陟彼高冈，析其柞薪。”柞，即柞木，即栎属槲栎类的蒙古栎。

　　炼铁消耗木炭的数量是惊人的。如《汉书·贡禹传》载：“攻山取铜铁……斩伐林木，亡有时禁，水旱之灾未必不由此也。”又《盐铁论·禁耕篇》载：“盐冶之处，大校皆依山川，近铁炭。”说明在汉代需要大量伐木烧炭用于冶铁。根据汉代冶铁的高炉物料平衡推算，每炼1吨铁需要7850千克木炭，1995千克矿石，130千克石灰石，北京钢铁学院中国古代冶金编写组认为古代每炼1吨生铁，耗用木炭可能要4～5吨或更多些。冶铁燃料之所以采用栎木，另一原因是栎属锐齿槲栎、栓皮栎是伏牛山的优势群落和优势种，它们个体数量多、投影盖度大、生物量高、体积较大、生存能力较强，是很容易获得的资源。鲁山县常见的树种有栓皮栎、槲栎、茅栗、黄连木、山合欢、化香等，能够满足汉代冶铁大量伐木烧炭的需求。当然，还要综合考虑该地区同时期其他冶铁遗址的相关情况，以后要注意采集更多的样品。

　　3.4有关薪柴利用方面的规定的推测

　　根据文献记载，在周代烧炭已成为专门的生产部门，有专人从事烧炭职业，并专设掌管烧炭的官职。《礼记·月令》：“季秋之月，草木黄落，乃伐薪为炭。”《周礼·天官·宫人》：“凡寝中之事，扫除、执烛、共炉炭，凡劳事。”《周礼·地官·掌炭》记载：“掌炭掌灰物炭物之征令。以时入之，以权量受之，以共邦之用，凡炭灰之事。”

　　从文献记载可以看到国家对木材资源的保护措施，商代已经设置“司木”管理山林资源，并且对山林砍伐的时间、树种都做了相关规定。《管子》一书提出了“时禁”观点，如“以春日至使……毋聚大众，毋行大火，毋断大木，毋诛大臣，毋斩大山，毋戮大衍。天子之夏禁也”。《管子·禁藏》载：“当春三月……毋伐木，毋夭英（草木之初生），毋折竿（笋之初生），所以息百长也。”睡虎地秦简《秦律十八种》中的《田律》：“春二月，毋敢伐材木山林及雍（壅）堤水。不夏月，毋敢夜草为灰，取生荔，到七月而纵之。”汉代《淮南子·时则》：“是月（季秋），伐薪而为炭。”敦煌悬泉置出土的抄写本诏书《四时月令诏条》：“禁止伐木，谓大小之木皆不得伐也，尽八月，草木零落，乃得伐其当伐者。”文献记载反映了秦汉时期国家对森林资源保护和永续利用的行为和思想。

　　从我们对木炭样品的观察来看，12块木炭均呈块状，黏结在炉渣内。有髓心和材表的样品年轮数在10轮以上，没有比此年龄更小的枝干，也没发现年龄更大的枝干。说明当时对燃料的选择采用了一些策略。先秦时期，“薪”和“柴”各有所指，“大者可析谓之薪，小者合束谓之柴”。汉代的先民没有用口径大的树干，即所谓的“薪”，也没用口径小的小枝，即所谓的“柴”，这既可保证烧出优质的炭，又能保护树木资源，能源源不断地获取冶铁的燃料。

　　鲁山望城岗冶铁遗址的冶铁业已有较完整的管理，2000~2001年，在遗址东部发现了带有“阳一”“河□”“六年”等字样的陶范。由此看来，当时不仅有机构对冶铁进行管理，而且对烧炭部门用于烧炭的薪柴可能也有一定的规定。