對波拉德和劉睿良“金”“錫”新解的商榷

馬 越 李 根

(1.清華大學材料學院,北京100084; 2.故宮博物院文保科技部,北京100009)

1 引言

2022 年8 月,來自牛津大學的A.M.Pollard(馬克·波拉德)和大英博物館的Ruiliang Liu(劉睿良,以下簡稱“波和劉”)在世界知名考古學期刊《古代》(Antiquity)發(fā)表論文《周代“六齊”：一種對“金”和“錫”的新解讀》[1],引發(fā)國內(nèi)外媒體廣泛報道。

成書于戰(zhàn)國時期的《考工記》在我國科技史上占有重要地位。 對于鑄造青銅器所用的合金,《考工記》記載了著名的“六齊”,即六種合金配方(“齊”)：“金有六齊：六分其金,而錫居一,謂之鐘鼎之齊;五分其金,而錫居一,謂之斧斤之齊;四分其金,而錫居一,謂之戈戟之齊;三分其金,而錫居一,謂之大刃之齊;五分其金,而錫居二,謂之削殺矢之齊;金錫半,謂之鑒燧之齊?！眰鹘y(tǒng)上將“金”解讀為青銅或者純銅,而將“錫”解讀為純錫或錫鉛合金,但這無法完全解釋中國古代銅-錫-鉛三元青銅合金中鉛的配比問題。 對此,波和劉創(chuàng)造性地提出“六齊”所涉及的原料是兩種預制合金,即成分質(zhì)量比為80%銅-15%錫-5%鉛的銅-錫-鉛三元合金和50%銅-50%鉛的銅-鉛二元合金(被稱為“錫”)[1]。 在該論文中,波和劉承認此觀點受到國內(nèi)學者的激烈爭辯,但相關的學術爭鳴未能體現(xiàn)在論文中。 基于對中國古代冶金史和材料科學原理的有限認識,筆者嘗試對該篇論文提出幾點商榷,如有不當之處還望專家斧正。

2 對“六齊”的傳統(tǒng)解讀

《考工記》針對不同用途的青銅器提出了六種合金配方,解讀的關鍵在于辨析“金”字是指青銅還是純銅[2]。 明末以來的解讀將“金”視作青銅器之“青銅”,“六分其金,而錫居一”就很自然地解釋為把青銅分成六份,其中錫占一份,即錫占17%,其他合金配方以此類推,而“金錫半”解讀為青銅中錫占一半(表1 的“解讀①”所列),此種解讀在早期被諸多學者所采納。 二十世紀二三十年代,日本學者近重真澄提出“金”應作純銅解,從而將“六分其金,而錫居一”解釋為六份純銅與一份錫混合,即錫含量14%,其他合金配方以此類推(表1 的“解讀②”前五齊),“金錫半”則解讀為“銅錫各半”,即錫含量50%[3],陳夢家[4]、楊寬[5]等國內(nèi)學者亦持此觀點。 考慮到大量青銅鏡的銅含量實測平均值為67—69%,張子高先生進一步提出“金錫半”應被理解為“銅一錫半”,即一份純銅與半份錫混合,錫含量33%,列入表1 解讀②的“鑒燧”之齊[3]。 相較而言,解讀②更符合青銅器的實測成分,如春秋戰(zhàn)國青銅鐘的錫含量趨近14%[6],而解讀①的錫含量(尤其是后幾齊)比青銅器實測值明顯偏高[7]。 因此,解讀②被更多地采納。 上述解讀都基于金屬的質(zhì)量比,近年來亦有學者提出“六齊”配比可能是銅與錫的體積比[8]。

表1 對“六齊”的兩種傳統(tǒng)解讀方式

從青銅成分和性能關系的角度,也可以辨析兩種解讀的合理性。 錫在銅中的固溶能力有限,且實際鑄造過程偏離平衡凝固狀態(tài),一般在含錫量大于5—6%時就會析出硬而脆的δ 相(Cu41Sn11)。 對于“六齊”中的前五齊,隨著錫含量遞增,δ 相增多,使青銅的強度、硬度升高而塑性下降,但錫含量升高到20%以上后,過多的脆性δ 相反而導致青銅的抗拉強度下降,因此青銅兵器的錫含量以12—20%為宜[9—11]。 解讀②給出的配方更接近于理想的合金成分,而解讀①的青銅配方由于錫含量過高,脆性偏大,缺乏實用性。 至于青銅鏡,雖然對力學性能的要求不高,但必須具有明亮的光澤,而解讀①中50%錫含量的青銅呈灰色且難以打磨。

然而,亦有相當數(shù)量的青銅器成分與“六齊”不符。 除了因年代、地域、金屬資源來源、錫氧化燒損等因素造成的調(diào)整和偏差外,更重要的問題是,上述對“六齊”的解讀僅涉及銅-錫二元組分,并未考慮如何用兩種組元配置出銅-錫-鉛三元青銅合金的問題。

根據(jù)對青銅器成分的實測,結(jié)合材料學原理可知,在熔鑄青銅時,加入鉛可以提高合金液的流動性,從而鑄造出更加精美的青銅器,如部分青銅容器的含鉛量超過10%;鉛的密度大于銅和錫,在箭鏃中使用高鉛含量的青銅可提升箭的射程和殺傷力;另外,鉛比銅和錫價格更低廉而易得,可降低青銅器的成本。 但是鉛幾乎不能固溶于銅,而是彌散分布在銅-錫固溶體之間,造成青銅的強度下降,因此戈、劍等青銅兵器中的鉛含量較低,但也有一些兵器添加了一定量的鉛以改善脆性[11—13]。 鉛含量過高的青銅器因力學性能太差,無法作為實用器,可能是儀仗用器或明器。

針對“六齊”未記載鉛含量的問題,一般認為鉛只是青銅中相對次要的成分,因而略去不表,如李仲達等人認為“六齊”記載的可能是齊國上層貴族用器的成分,在制造時不惜工本,因而有高錫低鉛的成分特點[6];或者把“錫”視作錫與鉛的混合物,即“錫”是對添加到銅中的改性成分的統(tǒng)稱(但這并不意味著古人不能區(qū)分錫和鉛,下述),如路迪民先生分別按照純錫(錫含量以90%計)和鉛錫合金(錫含量以60%計)作為“六齊”中的“錫”,根據(jù)解讀②的方法計算錫含量范圍,與銅-錫-鉛三元青銅合金的實測錫含量吻合得較好[14]。

3 波和劉提出的“金”“錫”新解

在2021 年的一篇論文中[15],波和劉發(fā)現(xiàn),大部分戰(zhàn)國時期錢幣(橋足布除外)的銅、錫、鉛含量都大致符合一種特定的關系：銅含量與鉛含量成反比,暗示著在合金配方中銅與鉛是相互取代的關系;錫含量與銅含量呈現(xiàn)較弱的正相關,而與鉛含量呈現(xiàn)較弱的負相關,即錫和鉛可能也存在相互取代關系。 在刀幣中這種關系體現(xiàn)得尤為明顯,且與國別無關(圖1a)。 鑒于部分高錫、低鉛的錢幣與青銅禮器有相似的成分,他們提出鑄造錢幣和禮器所用的起始原料是相似的,即錫含量較高、鉛含量較低的銅-錫-鉛三元合金,但在鑄幣時額外加入了更多的鉛。 以80%銅-15%錫-5%鉛合金為起始原料,他們發(fā)現(xiàn)使用50%銅-50%鉛的銅鉛合金作為鉛添加劑,比使用純鉛能夠更好地吻合錢幣的實測錫-鉛含量關系(圖1b),即鑄幣所用的合金并不是由銅、錫、鉛三種純金屬熔煉得到,而是由兩種預制合金混合而成。 他們推測,在長江下游古吳國地區(qū)大量出土的西周至春秋時期高鉛青銅碎塊(鉛含量30—50%,幾乎不含錫[16])可能不僅僅是某種稱量貨幣,而是熔煉青銅所用的預制銅鉛合金。

圖1 刀幣的錫鉛含量[1](a)、戰(zhàn)國錢幣的錫鉛含量與波和劉兩種配方模型計算值的對比(b)

進一步地,他們在論文“The six recipes of Zhou： a new perspective on Jin(金)and Xi(錫)”中把錢幣合金配方的研究思路推廣到其他青銅器[1],發(fā)現(xiàn)雖然東周青銅器的錫、鉛含量之間(圖2)并未表現(xiàn)出如錢幣(圖1)那樣顯著的依賴關系,但仍然呈現(xiàn)出錫含量隨鉛含量增加而降低的總體趨勢。 如果只是向純銅中分別添加純錫、純鉛或添加錫鉛合金,則不會表現(xiàn)出這種規(guī)律性。 由此,他們認為《考工記》的“六齊”也是由80%銅-15%錫-5%鉛的預制青銅合金與50%銅-50%鉛的預制銅鉛合金混合而成。 所謂的“金”同樣可以有兩解,即參照傳統(tǒng)解讀①將“金”視為成品青銅,或參照傳統(tǒng)解讀②將“金”視為初始原料之一,而“錫”指青銅中的改性添加劑——50%銅-50%鉛的預制銅鉛合金。 如圖2 所示,他們給出的錫鉛含量計算值確實表現(xiàn)出與青銅器實測值相似的規(guī)律,而對于計算值存在的偏差,他們認為《考工記》只是古代官員為了方便管理工匠而總結(jié)的行政文件,并非直接指導生產(chǎn)的技術說明。 這項研究為解讀“六齊”、研究中國古代冶金史提供了新的思路。 當然,他們也承認這樣的觀點還存在大量疑問,需要更多考古證據(jù)予以支撐。

圖2 東周貴族墓葬出土青銅器的錫鉛含量與波和劉提出的“六齊”成分對比[1]

4 對波和劉“金”“錫”新解的商榷

4.1 “六齊”研究應基于成分實測,避免削足適履

如第2 章所述,《考工記》“六齊”是為了滿足不同青銅器的性能要求而提出的合金配方,與現(xiàn)代冶金知識有不謀而合之處,但也有所偏離,必須從青銅器實測成分出發(fā),考察其成分設計原則。 例如根據(jù)陳佩芬[17]、吳來明[11]、井中偉[18]報道和整理的大量數(shù)據(jù),東周青銅戈戟的銅含量在75—80%,青銅劍的銅含量大多在70—80%范圍內(nèi),銅含量大體吻合“六齊”傳統(tǒng)解讀②,但錫含量會因為鉛的引入而明顯偏低。 具體而言,東周青銅戈戟所用的合金可分為高錫(約17%)的錫青銅和中高錫含量(約14%)、含鉛(約6%)的鉛錫青銅兩大類;但同樣是鉛錫青銅,東周的青銅容器則具有高鉛(約13%)、低錫(約10%)的平均組成,表明東周匠人能夠根據(jù)實際情況合理調(diào)配三元青銅合金的錫、鉛含量。 另外,吳來明先生認為戈戟、大刃、削殺矢這三類合金的錫含量并不符合“六齊”的遞增規(guī)律,而是都接近“斧斤之齊”的配方,即在實際操作中“六齊”被整合為鐘鼎、兵器和工具、鑒燧三大類配方[11]。

相比之下,波和劉“六齊”新解給出的“戈戟”“大刃”兩齊的銅含量略低(70—74%),錫含量明顯偏低(10—12%),鉛含量嚴重偏高(16—20%),與大部分青銅兵器的實測結(jié)果不符,這種超高鉛含量的青銅無法制成實用兵器。 偏差最大的是“鑒燧之齊”,實測從戰(zhàn)國到隋唐的青銅鏡含錫量均保持在22—25%[11],是各類實用青銅器中錫含量最高的,但在波和劉論文中“鑒燧之齊”的錫含量反倒是最低的(僅為7.5—10%),與實際情況嚴重不符。 青銅器中鉛錫含量此消彼長的關系可能并不是來自銅-鉛合金對銅-錫-鉛合金的稀釋,而是有意調(diào)控的結(jié)果。 如果不參照鐘鼎、兵器和工具、鑒燧的實際成分,僅僅從數(shù)學上推導“六齊”配方模型,難免陷入削足適履的境地。

4.2 錢幣的合金配方原則不同,不能簡單外推

相較于青銅禮器、兵器和工具,錢幣對力學性能的要求不高,合金成分受國家的經(jīng)濟狀況、貨幣政策、金屬資源來源等因素的影響更大。 例如戰(zhàn)國時期秦、魏等國錢幣的平均銅含量在70%左右乃至更高,鉛含量10—15%;而趙、齊、燕國錢幣的銅含量較低,僅有40—60%,鉛含量則為30—60%,燕國甚至有大量鉛含量超過銅含量的“鉛幣”[19]。 由于波和劉建立錢幣配方模型所用的樣本中,超高鉛含量的燕國刀幣占比最大(達45%,圖1a)[15],使得他們的“六齊”新解的銅、錫含量比青銅器實測值略有偏低、鉛含量則明顯偏高(圖2)。

另外,根據(jù)對山東臨淄齊國故城多處冶金遺址的調(diào)查,鑄幣和其他青銅器鑄造是在不同的作坊分開進行的,鑄幣遺址分布在小城附近[20];大城內(nèi)的石佛堂遺址則生產(chǎn)低鉛含量的青銅,可以排除鑄幣用途[21]。 考慮到《考工記》被認為成書于齊地,不同鑄銅遺址的分工也能在一定程度上說明,鑄幣的配方原則與鑄造其他青銅器的“六齊”是不同的,不能按照鑄幣合金的成分簡單外推。

4.3 古人能夠區(qū)分錫鉛,不應稱銅鉛合金為“錫”

作為熔煉青銅的重要合金元素,錫和鉛在我國很早就得到了認識和區(qū)分。 在殷墟不同等級墓葬中出現(xiàn)因錫貴鉛賤而分等級使用的情況,說明至遲到晚商時期古人已有意識地調(diào)控青銅中的鉛、錫成分[12]。 更明確的證據(jù)來自出土的純鉛、純錫制品。 根據(jù)聶振閣于2019 年所做的統(tǒng)計[22],夏代至早商時期出土鉛器11 件、錫器1 件;商代晚期鉛器已出土500 余件,但尚未發(fā)現(xiàn)這一時期的錫器;考古發(fā)現(xiàn)的西周鉛器有90 余件、錫器120 余件。 除了作為鉛冶煉產(chǎn)品的鉛塊、鉛條等,鉛、錫制品主要用作明器,且呈現(xiàn)出隨時代、地域、族屬而變化的規(guī)律,商人及西周的殷商遺民偏好鉛器,而姬姓周人和媿姓赤狄偏好錫器[22,23],鉛、錫純度可達90%乃至98%以上。 這說明,早在夏商到西周時期,古人就已熟練掌握了鉛和錫的冶煉加工技術。 到了戰(zhàn)國時代,鉛器的生產(chǎn)和使用達到高峰,多種鉛制飾物和玩具廣泛出現(xiàn)在古人生活中[24]。 成書于戰(zhàn)國時期的《考工記》雖然有可能出于行文凝練性的考慮而把鉛和錫等合金添加劑統(tǒng)稱為“錫”,但似乎不應把銅鉛合金稱為“錫”。

4.4 商周冶金史研究尚未發(fā)現(xiàn)使用預制合金的證據(jù)

4.4.1 出土錠料表明熔煉青銅的原料是單一金屬

各地出土的商周金屬錠料為探究青銅原料成分提供了直接證據(jù)。 近年來比較著名的銅錠出土案例有湖北隨州葉家山西周墓地M28 出土的兩塊銅錠(圖3a),成分為99%純銅(扣除氧之后)[25];此外,在殷墟和周原的多個鑄銅遺址中出土了成分為紅銅、低鉛青銅和低錫青銅(鉛、錫含量在2—3%)的銅錠和銅塊;在作為銅礦主要產(chǎn)地之一的皖南地區(qū)也有周代冰銅錠、粗銅錠(含鐵量較高)等初級銅冶煉產(chǎn)品出土[26]。 由此可知,商周時期主要以純銅為起始原料熔煉青銅。

考察商周鉛錠的出土情況,在殷墟劉家莊北地鉛錠貯藏坑(圖3b)共出土鉛錠293塊,總重達3404 千克,與殷墟大量生產(chǎn)和使用鉛青銅器和鉛器相符[27];其他鉛錠出土案例還有安徽銅陵師姑墩青銅冶鑄遺址(西周中期)[28]、山西侯馬鑄銅遺址(春秋)[22]、河南滎陽官莊鑄銅遺址(春秋中期)[29]等,說明商周時期以純鉛作為鉛料熔煉青銅是比較普遍的方式,尚未發(fā)現(xiàn)以高鉛的銅鉛合金作為鉛料的明確證據(jù)。 至于波和劉提到的吳國高鉛青銅碎塊,戴志強和周衛(wèi)榮[16]指出同一處窖藏出土的碎塊之間有很大的成分差異,是從不同的青銅餅上分別破碎下來后混合埋藏的,因而被認為是經(jīng)過流通的金屬稱量貨幣,但若要用于青銅器鑄造,這些成分不可控的銅鉛合金碎塊恐怕不是好的原料。 目前尚無商周錫錠出土,不明確錫是以金屬錫還是錫石的形態(tài)加入青銅中。

除了原生金屬原料外,廢棄的青銅器也會被回收作為再生原料[29],其平均組成接近波和劉所提出的預制銅-錫-鉛合金,但這不是青銅熔鑄的主要原料,也不能被視作有意制備的預制合金。

4.4.2 冶金遺物揭示了先煉紅銅,再加錫鉛的工藝

青銅的煉制可分為礦石冶煉和合金熔煉兩大工序,通過對周代冶金遺址所殘留的爐渣進行分析,能夠還原出當時的煉銅工藝。 例如安徽銅陵師姑墩遺址晚期I 段(西周早中期之際)出土的一塊爐渣中包裹著銅鐵氧化物、冰銅、紅銅和鉛青銅顆粒,據(jù)推測是先把冰銅(可能預先焙燒為氧化物)冶煉成紅銅,再加入金屬鉛配置成鉛青銅[28]。 對其他多個礦冶遺址的調(diào)查也表明長江中下游地區(qū)普遍采用冶煉紅銅-添加合金元素的兩步法[30]。 在中原和北方地區(qū),河南鄭州鄭韓故城梳妝臺遺址(春秋晚期)[31]、山東臨淄齊國故城石佛堂[21]和城圈地[32](戰(zhàn)國至漢代)均出土了分屬不同冶煉、熔煉過程的爐渣,包括冶煉氧化銅(可能由冰銅焙燒得到)制取紅銅、冶煉鉛礦制取金屬鉛以及熔煉青銅的爐渣等,也反映出冶煉純金屬-添加合金元素熔煉青銅的兩步過程,如圖4 所示。 在上述冶金遺址中,鉛、錫等合金元素均是直接以礦石形態(tài)或單獨冶煉之后以單金屬形態(tài)加入銅水中的,并未發(fā)現(xiàn)制造和使用銅鉛預制合金的證據(jù)。

圖4 石佛堂遺址煉銅流程推測圖[21]

代全龍等[20]分析了山東臨淄齊國故城小城西門西側(cè)夯土遺址(戰(zhàn)國時期)出土的爐渣和刀幣殘范,認為存在從銅鉛共生礦直接冶煉高鉛青銅用于鑄幣的工藝,但并未發(fā)現(xiàn)這種高鉛青銅作為預制合金用于其他青銅器的證據(jù)。 對于銅鉛共生礦的使用,特征性的鉛同位素比值是有效的追蹤手段,如在河南滎陽官莊遺址發(fā)現(xiàn)了具有相同鉛同位素比值的鉛塊(成分接近純鉛,只在內(nèi)部含有少量青銅)和含鉛1%以下的銅塊、銅片,表明鉛料和銅料來自鄂東南-贛北一帶的同一處銅鉛共生礦。 在安徽銅陵師姑墩遺址也發(fā)現(xiàn)了鉛同位素比值相同的純鉛樣品及含鉛量極低的煉銅渣[29]。 這說明在西周到春秋時期古人可能已經(jīng)掌握從銅鉛共生礦分離冶煉純銅和純鉛的技術,再按需求配置成低鉛含量的青銅。

4.5 以高鉛的銅鉛合金作為預制合金缺乏可操作性

圖5 為銅-鉛二元合金相圖,鉛在銅中的固溶度可忽略不計。 在銅-鉛合金液的冷卻過程中,鉛含量在37.4%至—86%之間、溫度在955—995℃之間時,液態(tài)的銅與鉛不能互溶,而是分解成富銅和富鉛兩個液相,發(fā)生分層;鉛含量小于37.4%時,則先析出幾乎不含鉛的銅枝晶;富銅液相在955℃發(fā)生偏晶反應：L(37.4%鉛)→Cu+L(約86%鉛);隨著溫度進一步降低,富鉛液相中的銅不斷析出,直到326℃時完全凝固(僅含少量銅)。 正是利用銅與鉛在液態(tài)的不相容性和顯著的密度差異,古人采用凝析法從銅鉛共生礦中分離出高純度的銅和鉛[33,34]。 但是反過來,要由銅鉛共生礦冶煉或由純銅和純鉛配制高鉛含量的銅鉛合金,即便在高溫下獲得了均一的合金液,凝固過程中也會發(fā)生比重偏析。 在鑄錢時,由于尺寸小、凝固速度快,偏析現(xiàn)象不嚴重,且成分不均勻,不會對錢幣的使用造成大的影響。 但是,若要鑄成大的金屬錠(如安徽貴池徽家沖青銅窖藏所出銅錠長78 厘米、寬19 厘米[26],湖北隨州葉家山西周墓地M28 出土的兩塊銅錠分別重2865 克和2960 克[25],殷墟劉家莊北地鉛錠貯藏坑的鉛錠平均重11.6 千克[27]),則偏析現(xiàn)象會非常嚴重,成分極不均勻,在定量切分錠料配制青銅時,難免遇到銅、鉛添加量不可控的問題,影響青銅的配比。 事實上,現(xiàn)代生產(chǎn)銅鉛軸承合金時需要采取離心鑄造、粉末冶金等特殊工藝才能獲得均勻的銅鉛合金,很難想象古代如何穩(wěn)定地鑄造出50%銅-50%鉛合金錠作為標準預制合金。 當然,在冶煉和鑄造相結(jié)合的制銅作坊,把銅鉛合金液作為鉛添加劑直接兌入銅水中仍是有可能的。

圖5 銅-鉛二元合金相圖[20]

5 結(jié)語

波和劉的《考工記》“金”“錫”新解突破了以純金屬熔煉青銅的傳統(tǒng)認知,創(chuàng)造性地提出了預制合金用于配制青銅的假說。 然而,基于對“六齊”現(xiàn)有解讀的回顧、青銅中銅錫鉛配方原則的認識、冶金史考古證據(jù)的梳理和銅鉛合金鑄造性能的分析,筆者認為波和劉的假說可能不符合商周青銅熔煉的實際情況。 商周時期并不使用預制合金來熔煉青銅,而是從紅銅冶煉出發(fā),向銅液中添加各個合金元素來熔煉青銅。 盡管如此,他們針對青銅器中鉛錫含量關系的研究為冶金史提供了新的思路。 希望未來的考古發(fā)現(xiàn)和研究工作能夠更加清晰地還原出我國古代青銅冶鑄技術的全貌。