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?？萍疾?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)發表論文《周代“六齊”：一種對“金”和“錫”的新解讀》[1],引發國內外媒體廣泛報道。

成書于戰國時期的《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,波和劉創造性地提出“六齊”所涉及的原料是兩種預制合金,即成分質量比為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學者的激烈爭辯,但相關的學術爭鳴未能體現在論文中。 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,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。

根據對青銅器成分的實測,結合材料學原理可知,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稱(但這并不意味著古人不能區分錫和鉛,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],波和劉發現,大部分戰國時期錢幣(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較弱的正相關,而與鉛含量呈現較弱的負相關,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,他們發現使用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],發現雖然東周青銅器的錫、鉛含量之間(圖2)并未表現出如錢幣(圖1)那樣顯著的依賴關系,但仍然呈現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,則不會表現出這種規律性。 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,即參照傳統解讀①將“金”視為成品青銅,或參照傳統解讀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出與青銅器實測值相似的規律,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的行政文件,并非直接指導生產的技術說明。 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,考察其成分設計原則。 例如根據陳佩芬[17]、吳來明[11]、井中偉[18]報道和整理的大量數據,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,銅含量大體吻合“六齊”傳統解讀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實際情況合理調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,而是有意調控的結果。 如果不參照鐘鼎、兵器和工具、鑒燧的實際成分,僅僅從數學上推導“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濟狀況、貨幣政策、金屬資源來源等因素的影響更大。 例如戰國時期秦、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,根據對山東臨淄齊國故城多處冶金遺址的調查,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];大城內的石佛堂遺址則生產低鉛含量的青銅,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分。 在殷墟不同等級墓葬中出現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控青銅中的鉛、錫成分[12]。 更明確的證據來自出土的純鉛、純錫制品。 根據聶振閣于2019 年所做的統計[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,但尚未發現這一時期的錫器;考古發現的西周鉛器有90 余件、錫器120 余件。 除了作為鉛冶煉產品的鉛塊、鉛條等,鉛、錫制品主要用作明器,且呈現出隨時代、地域、族屬而變化的規律,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。 到了戰國時代,鉛器的生產和使用達到高峰,多種鉛制飾物和玩具廣泛出現在古人生活中[24]。 成書于戰國時期的《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現使用預制合金的證據

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。 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;在作為銅礦主要產地之一的皖南地區也有周代冰銅錠、粗銅錠(含鐵量較高)等初級銅冶煉產品出土[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,尚未發現以高鉛的銅鉛合金作為鉛料的明確證據。 至于波和劉提到的吳國高鉛青銅碎塊,戴志強和周衛榮[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查也表明長江中下游地區普遍采用冶煉紅銅-添加合金元素的兩步法[30]。 在中原和北方地區,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或單獨冶煉之后以單金屬形態加入銅水中的,并未發現制造和使用銅鉛預制合金的證據。

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夯土遺址(戰國時期)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,但并未發現這種高鉛青銅作為預制合金用于其他青銅器的證據。 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現了具有相同鉛同位素比值的鉛塊(成分接近純鉛,只在內部含有少量青銅)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現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,液態的銅與鉛不能互溶,而是分解成富銅和富鉛兩個液相,發生分層;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,凝固過程中也會發生比重偏析。 在鑄錢時,由于尺寸小、凝固速度快,偏析現象不嚴重,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,現代生產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認知,創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,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。 希望未來的考古發現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。