伊 寶 江文逸

山西大學科學技術史研究所

恩格斯認為，野蠻高級階段是“從鐵礦冶煉時開始的”。［1］鐵一旦從礦石中提煉出來，為人類服務，生產勞作工具便得到跨越式發(fā)展，社會生產效率也得到大幅度提高。雖然我國礦石煉鐵以及后面的煉鋼技術起步晚于其他國家，但自從進入春秋時期以來，冶鐵鑄造技術飛速發(fā)展，在以往的基礎上深耕，之后陸陸續(xù)續(xù)出現獨特的創(chuàng)造，常領先于世界其他各國?，F今，從史書典籍相關文獻記載中查閱以及實地勘探考察，借助“三重證法”，對它們窺探以及深究，不僅可以展現古代人民的冶鐵鑄造技術，而且其背后的科技內涵有著重要意義。

歷來許多專家學者研究冶鐵鑄造發(fā)展史多從以下角度切入。其一是冶鐵技術。楊寬［2］、華覺明［3］［4］、李約瑟［5］、陳虹利［6］等人在追溯冶鐵技術的過程中，發(fā)現了不同冶鐵技術呈現不同的特點，且我國的冶鐵技術不同于其他國家，一定程度上可自成體系。我國自古以農立國，鐵質農具的產量及質量對農業(yè)的發(fā)展在某種程度上起到決定性作用，因此流傳了較多與冶鐵技術相關的古籍文獻以及各種實物。其二是冶鐵鼓風器。鼓風器中的活塞式風箱是我國鼓風器史上最為重要的改進，同時近代所用的冶鐵鼓風器與其相比，大體上相同，易于實物考證。戴念祖［7］、黃興［8］、王文芝［9］等學者對活塞式風箱的扇門、拉桿數量和運行方式、參與人數及其站位方式都做了深入研究，挖掘其背后的科學原理。專家學者對冶鐵鑄造發(fā)展大都以史書典籍為參考進行技術的某種復原，但是隨著朝代的更迭，陸陸續(xù)續(xù)的學者對相關的史書典籍不斷地進行修改，因此即使復原成功，也可能與最初的全貌存在偏差。而現存的“百工圖”多半出自民間高超畫匠之手，對相關技術及其相關器物尤為了解，運用特殊材料，憑借高超的繪畫技藝和精湛的雕刻技藝復刻至墻壁上，某種程度上可以作為史書典籍的補充，進行檢驗與深究。［10］下文針對史書典籍《天工開物》與“百工圖”中所共有的冶鐵鑄造技術進行窺探，希望對古代冶鑄技術的相關記載起到補充作用，為研究提供新的思路。

一、“百工圖”壁畫及其內容介紹

廣靈水神堂坐落于山西省大同市廣靈縣壺泉鎮(zhèn)壺山島上，別名豐水神祠，據清代乾隆年間《廣靈縣志》中記載：“內有石井，其水從座下獅口內溢。以果物投之，即由山腳下流出……且環(huán)山皆泉，如沸如噴，猶萬斛珠璣，隨地而涌……游人登眺頗裕奇觀，書有豊水神祠?！睋?，該建筑為朱棣征戰(zhàn)元朝殘留部隊獲勝后所建，因為戰(zhàn)爭對當地百姓造成極大的傷害，加之廣靈地區(qū)常年降雨稀少，遂建水神堂，賦予祈求風調雨順之意，希望百姓五谷豐登、四季安康，但目前尚無足夠證據佐證其真實性，因此有待進一步考察研究。整個水神堂既有自然景觀，如山水、森林、湖泊、草甸，也有后來陸續(xù)建立的人文景觀建筑，如靈應寶塔、圣母殿、文昌閣、百工社等，借助自然環(huán)境與建筑語言交相映襯，既展現了空間的立體感，又使物體之間聯系緊密，通過借助象征意義的物體傳達其相應的意境，體現了我國古代龐大哲學思想體系中豐富而獨特的“物象境意”價值觀，詮釋了其中蘊含的天人合一、尊崇自然的哲學與自然的交叉觀，以及其地域承載的獨特的與自然高度融合的人文景觀。［11］

其中百工社是極小的一殿廟宇，與圣母殿毗鄰，建筑為單檐硬山式清代樣式，寬度為8.33 米，深度為7.57 米，殿內原本有塑像，后被毀壞，據老一輩口述，此殿中央曾塑有三尊大像，分別是魯班、老子與孔子，象征工、道、儒三家，每逢農歷二月十五日和五月初七，周圍工匠來此祭祀魯班祖師。同時，作為民間祭祀習俗，祭祀魯班也有祈求五谷豐登、百業(yè)興旺的象征寓意。殿內北壁壁畫已毀，目前只有東西兩壁完整地保留了40 幅“百工圖”，涉及了40 多種行業(yè)和手藝（有的一幅圖中包含多種工藝）。百工之說并無確鑿來源，據《周禮》記載，自西周開始，就設有專門性的百工管理機構，最高官員為司空，具體管理者為匠師。［12］百工一詞只是一種籠統(tǒng)的概念，泛指民間三教九流之中的一眾手藝與各類行業(yè)，而且在不同朝代當中亦有變數。例如，明代宋應星《天工開物》中用了上、中、下三篇共18 卷，附圖121 幅，描繪了130 多項工藝技術，這應該是民間“百工圖”的集大成者。在廣靈水神廟百工社的圖像中，與《天工開物》中符合的工藝為10 余類之多，而相鄰的河北省蔚縣（舊屬于山西大同府）夏源關帝廟東西配殿的墻上繪制了64 幅百工圖像，16 幅為一組列于四墻之上，同樣將《天工開物》中的多種工藝進行了細致描繪，而且不僅有栩栩如生的畫面，畫師還為每幅圖做了文字標注，林林總總，不一而足，總共64 行，行行生動形象。［13］與廣靈百工社的不同之處是蔚縣的“百工圖”被安排在關帝廟的配殿兩側，并不像廣靈水神堂建設了專門的場所，除此之外，這兩組“百工圖”大量描繪的則是三教九流中的各行各業(yè)，這些行業(yè)涉及人們的衣、食、住、行諸多方面，完全是民間生活的真實再現。同時由于百工圖像是藝術圖像和科技圖像的結合產物，看似單純的表現手法和樣式中，既有很強的客觀力量，又有較高的美學價值；既重視視覺的表達，又強調文化屬性，這對我們研究壁畫中的藝術非常重要。［14］

水神堂中的“百工圖”壁畫是整個建筑群中的精華所在，采用中國傳統(tǒng)的重彩工筆畫技法，壁畫題材融合了三教九流多樣化生活，呈現了諸多清代技藝，內容具體而傳神，制作精美，畫技精湛，色彩搭配豐富、艷麗，構圖繁雜有序、點線面分明，體現了融洽、柔和、均勻的美，整個壁畫給人展現了清代中期盛世繁華、氣勢恢宏的世俗生活。雖歷經多年戰(zhàn)亂襲擾、風雨侵蝕的破壞，部分壁畫脫落，略顯暗淡陰沉，但仍見其清代大同廣靈地區(qū)的社會百態(tài)。現存古代廟宇可謂不計其數，但是廟宇中繪制如此大型的“百工圖”的壁畫極為罕見，壁畫中展現了大量匠人的高超技藝，使得這座廟宇顯得更加神秘與寶貴，對研究清代社會經濟具有重要參考意義，尤其是傳統(tǒng)技藝蘊含極高的歷史與藝術價值，所以“百工圖”壁畫在中國乃至世界繪畫史上都具有獨特地位。

“百工圖”中的壁畫雖然展現了三教九流的各種生活風貌，但某種程度上是宗教題材的繪畫藝術作品，若深入窺測其壁畫中的內容，明顯可見其生活風貌中蘊含豐富的科技內涵。其中東西二壁中皆有的《冶鐵鼓風圖》就是科學技術發(fā)展水平最好的代表之一，它反映了山西自古以來在冶鐵鑄造技術上所具有的獨特技藝，不僅再現了當時有關冶鐵生產的社會現實，而且較為完善地記錄了冶鐵鑄造中科學技術的最新發(fā)明，填補了清代大同廣靈地區(qū)民間冶鐵技術文化交流許多重要的空白，是我國冶鐵鑄造史上極為珍貴的圖像資料，在我國古代科技史料中占據獨特的地位，值得后人不遺余力地挖掘。

二、《天工開物》中的“冶鐵技藝”與鼓風風箱工藝剖解

冶鐵鑄造技藝隸屬于《天工開物》“五金”章，據書中記載：“凡鐵為生、熟，出爐未炒則生，既炒則熟。生熟相合，煉成則鋼?！保?5］除此之外，明代方以智也在其著作《物理小識》中將鐵分為生鐵、熟鐵和鋼，可見明代人們對冶鐵工藝認知非常全面。這些鐵實質上是“鐵碳合金”，最主要的區(qū)別在于含碳量的多少，生鐵含碳量高，熟鐵含碳量低，而鋼一般情況下介于二者之間。［16］

作為最早冶煉生鐵的國家，柯俊將生鐵冶煉技術稱為第四大發(fā)明。隨著世人的不斷研究，學者瑞德曾提出生鐵起源于山西，之后天馬—曲村鑄鐵殘片的發(fā)現，更加證明了瑞德的觀點［17］，可見山西在我國冶鐵史上具有重要地位，在某種程度上可以將山西地區(qū)作為切入點，加大此地區(qū)史料與實物的挖掘。生鐵的熔點低于熟鐵，因此冶煉起來較為便利，據《天工開物》有關生鐵冶煉的相關記載，其冶煉流程一般是將浮泥土上面的鐵礦石撿起來，如果遇到下雨的天氣，還可以將深藏泥土里幾寸深的鐵礦石撿起來，然后將其淘洗，放入爐中冶煉，經過高溫加熱化為鐵水，若要將其鑄造為所用生鐵，則應該將其注入條形或圓形的鑄模里。

熟鐵的冶煉較生鐵更為復雜，熟鐵與生鐵相比偏軟化，具有良好的延展性，熔點一般在1500℃，對溫度要求比生鐵苛刻許多。［18］早期由于冶煉設備存在不足，直接將鐵礦冶煉成熟鐵存在輸送的風力太小以及冶煉所需溫度不足的問題，導致原料未能充分利用，產量也沒有達到預期。直到生鐵冶煉技術掌握之后，通過高溫加熱等相關操作冶煉成熟鐵，這與后來《天工開物》中有關記載存在不謀而合之處。書中有關冶煉熟鐵的記載，如：“若造熟鐵，則生鐵流出時，相連數尺內，低于數寸，筑一方塘，短墻抵之。其鐵流入塘內，數人執(zhí)柳木排立墻上，先以污潮泥曬干，舂篩細羅如面，一人疾手撒滟，眾人柳棍疾攪，即時炒成熟鐵?！焙唵卫斫饩褪菍⑸F水流入低于熔爐幾寸的方形塘，然后多人并排站立于一側的低墻，將之前篩選好的泥面撒入鐵水中，借助手中柳棍迅速攪拌，即刻便成熟鐵。［19］縱觀整個流程，有幾個地方值得我們注意。首先，冶煉熟鐵分為兩步走，先冶煉生鐵，然后再冶煉成熟鐵，其間還經歷過“墮子鋼”的過程，其優(yōu)點便是提高了生產效率，歸結于煉鐵爐的改進。據史書記載，正德四年開大鑒爐10 座，嘉靖八年以后，每年開大鑒爐3 座，可見高大規(guī)格的冶鐵熔爐已經開始普及。［20］此熔爐可以大量輸送所需空氣，達到冶煉需要的溫度，而且也能加大爐中鐵礦石與空氣接觸面積充分提煉礦物質，燃料也在某種程度上得到節(jié)省，冶煉成本降低。其次，“墮子鋼”在《天工開物》中并未作出任何解釋，只知其是圓塘下部小孔流出的。而在之后的“灌鋼”冶煉中記載：“廣南生鐵名墮子生鋼者”，只知其是廣南生產的，而后楊寬先生在《中國古代冶鐵技術開發(fā)史》中指出，“墮子鋼”并非鋼，因為在鐵水流出冷卻凝固過程中，無法提煉出鋼，但卻是冶煉出熟鐵最佳的生鐵原料，某種程度上也可以稱之為“生鋼”，特征是含碳量較高，雜質少。［21］可見，宋應星將其歸入《五金》“灌鋼”冶煉法中有一定的科學合理性，雖然不能從含碳的角度去分辨鐵與鋼，但足見宋應星對鋼與鐵之間本質屬性的了解。最后，手持柳棍攪動的過程，也是整個冶煉出熟鐵最為關鍵的一步，工匠憑借多年的經驗，對爐中鐵礦石的聲音和成色分析。攪動的過程主要是擴大鐵水與空氣的接觸面積，使碳與空氣發(fā)生化學反應，祛除其中的碳，以求得到含碳量低的“熟鐵”，而《天工開物》所記載的“熟鐵”與現在通常意義上的熟鐵是否一樣，目前尚無統(tǒng)一的結論，但是基本都認為攪動的過程是將煉鐵爐和炒鋼爐串聯使用，明代以前都是獨立的，這樣可以在某種程度上節(jié)省原料，提高生產效率?？偠灾?，這也是明代冶鐵史上一項重要的成就。［22］

《天工開物》中記載的皆是活塞式木風箱，書中陸陸續(xù)續(xù)出現了20 余幅活塞式木風箱，有長方形的，也有圓筒形的，有單人拉杠，也有雙人拉桿，所呈現的熔爐形狀大小也不同，這主要取決于輸送風力的大小。縱觀全書，卻沒有任何有關這種風箱的文字表述，這無疑為后世學者提供了豐富的思考空間，曾有學者指出：“活塞風箱最早見于明代《天工開物》中。”［23］但是據目前研究分析，各家學者眾說紛紜，是一個仍未解決的問題，唯一可以確定的是當時已經普遍使用，人們對其構造了然于心，而這可以作為宋應星對其不做文字表述的原因。

從《天工開物》中的圖像分析，活塞式風箱一般由箱體、堵風板、推拉桿、出風嘴組成，箱體一般是木質結構，采用榫卯結構連接而成。做功部件是推拉桿，也可以稱之為活塞。運行方式為平動型，這樣可以節(jié)省推拉來回時間，提高做功效率。作用類型一般有單作用和雙作用兩種，區(qū)分標志為通風口兩端是否設有活門。［24］箱體外部木板上則有兩根豎排的拉桿，把柄將其連接，一前一后將把柄往里外伸縮，調節(jié)里面的氣壓來控制通風口的活門和通風管的活門輸送風力。如果是單作用型，則只能控制吹風口旁的通風口。

明清時期出現的活塞木風箱是我國鼓風器史上一次重要的改進，也間接促進了冶鐵技術的發(fā)展，在我國冶鐵史上具有里程碑式的意義。

三、“百工圖”壁畫中“冶鐵圖像”相關工藝探析

“百工圖”是一種獨特的藝術作品，可以稱之為“活的壁畫”。因受到當時社會經濟、政治、科技、藝術的影響，故帶有明顯的經世致用的目的。山西因地處呂梁、太行山山脈之間，蘊藏大量的鐵礦，很早就得到了開發(fā)，關于人工冶鐵的歷史最早可追溯到戰(zhàn)國時期，目前出土了中國最早的人工冶鐵制品以及世界上最早的鑄鐵器殘片。［25］漢代全國49 個地方設立鐵官，而山西占其中5 個，明清全國設13 個冶鐵所，其中5 個在山西，清代一直保留下來，可見山西在冶鐵史上的重要地位得到延續(xù)，其經營范圍輻射北方，滿足了人們生產、生活所需鐵器，［26］這些都在“百工圖”中有明顯的體現，這也讓我們從側面了解到了清代的冶鐵鑄造技術狀況。

“百工圖”壁畫中有一幅關于鐵器的鑄鐵鋪，位于東壁左邊第三幅（如圖1）。整個畫面共出現6 人，1 人手持鐵夾正在夾取熔鐵的橢圓形陶罐坩堝，3 人正在鼓風冶鐵，另外兩人從圖中無法清晰其工作，旁邊有一臺小型規(guī)模的鼓風箱，但根據其畫面整體工藝流程推斷圖中的冶鑄技術應是坩堝煉鐵。但此圖中坩堝煉鐵與當時的坩堝存在明顯差別，有待分析。坩堝煉鐵是由我國古代人民獨創(chuàng)的冶鑄技術，有關坩堝煉鐵最早的文獻是康熙年間的《咸州青州府志》，其講述了山西人如何使用坩堝煉鐵。［27］而“百工圖”所在地正好是山西，但是河南南陽市北關外瓦房莊西漢冶鐵遺址［28］和河北清河鎮(zhèn)西漢初年故城冶鐵遺址［29］的挖掘，證明西漢時代就已經出現此法，至于清代才出現有關山西坩堝文獻記載，有待進一步研究。

整個畫面未能詳細具體地得到熔鐵工藝細節(jié)，并且與我們所認識的坩堝冶鑄技術存在一定差異，但根據畫面大概全貌，并結合相關史書典籍，我們可以推測出以下有關認識。第一，坩堝爐中放置所需的鐵礦，除此之外是否還有其他輔助材料，無法從圖中得出，爐外的燃料與爐中的鐵礦分離，這與歐洲采用的豎爐有著諸多不同之處，其中最大的不同是加熱方法的不同。第二，設備簡單，圖中爐子屬于小型規(guī)模，這根據其所需冶鑄規(guī)模及技術要求所決定。爐子后面是三人并排而站的鼓風箱，坩堝后底部有通風口與風箱出風口相連。三人同時操作風箱推拉桿在我國古代并不常見，而出現在這里，并不是其工藝規(guī)模大，對風力有足夠的高要求，而是因整個過程處在一個開放的環(huán)境中，三人同時鼓風可以短時間提供充足的氧氣，集中促使燃料充分燃燒，其熱量主要是通過輻射和傳導，這樣減少外部空氣及坩堝爐對熱量的揮發(fā)，同時某種程度上也可以避免熱度不均，提高工作效率。然后通過兩端風口相連，以此使坩堝中的鐵礦石迅速熔化。坩堝爐中的燃料是否充分燃燒，可以根據其焰火的顏色和燃料燃燒的聲音判斷，同時結合鼓風，三部分共同協調，追求最佳的工藝流程。第三，坩堝煉鐵與以往煉鐵法最大不同之處就是真正利用煤煉鐵的技術。清代，山西煤炭仍屬大同、陽泉一帶生產最多。據史料記載，乾隆六年和七年（公元1741 年和1742 年），山西巡撫喀而吉善曾兩次奏請開采大同、朔平（今右玉）一帶煤炭。廣靈的“煨煤”，精膩細碎，埋爐中日夜不滅，這為當地坩堝煉鐵提供了基本條件，因此有理由相信其所用燃料是煤炭。由于此法提高了冶煉效果，從燃料方面實現了創(chuàng)新性，經濟又簡便，清初其坩堝煉鐵技術迅速由山西傳入山東、東北和河南地區(qū)［30］，而國外從中得到靈感，創(chuàng)造出了著名的赫格納斯非高爐煉鐵技術。［31］總而言之，僅對“百工圖”中關于鑄鐵鋪的分析略顯粗糙，至于其真實面貌，有待日后進一步深入研究。

整個“百工圖”中出現有關冶鐵的壁畫數量為二，分別是東壁左邊第一層第三幅鑄鐵鋪（如圖1）和西壁左邊第二層第三幅鐵匠行（如圖2），若要窺探其冶鐵技術，僅能選取東壁出現的坩堝煉鐵。若要窺探其風箱，這兩幅均出現過，但是卻存在一定的差異，除此之外，“百工圖”中其他壁畫中的錫匠行和銀匠行也出現過風箱，可見風箱使用范圍較廣。圖中出現的活塞式風箱是明代風箱的一大進步，若將其風箱根據操作人數進行分類，鐵匠行、錫匠行、銀匠行單人操作的為第一類，扇門上面的拉桿數量為一。鑄鐵鋪三人操作的為第二類，扇門上面的拉桿數量為三。

第一類風箱一人手持拉桿一前一后推拉，另一人則配合其風箱冶煉或熔化其金屬，畫面生動協調，顯示出高超嫻熟的技藝。除此之外，風箱旁一側均有墻體，用墻擋住爐的高溫，鼓風人才能在其一旁。第二類風箱三人并排站立共同手持拉桿，另一人夾持坩堝熔鐵，據此推測其工藝要求之高，需三人分別同時手拉拉桿才能拉動風箱。同時，其風箱置于室外，可見其風箱爐受外部環(huán)境影響較小，側面也反映了鼓風冶鐵技術的完善。第一類風箱和第二類風箱雖存在一定的差別，但總體上其做功方式或構造原理一致。首先，手持拉桿一前一后推拉，身體的上半部和下半部都要發(fā)力，機械做功相互協調，某種程度上可以理解為做省力運動，便于輸送大量空氣，產生更高的排氣量。其次，圖中拉桿運行方式都是水平運動。歷史上除了水平運動方式外，還有擺動式的活塞式風箱，且出現時間早于水平運動式，其應用領域廣泛，但是水平運動相比擺動式，鼓風速度更高，有利于最大化排氣。最后，其風箱都是雙作用型，當手持拉桿往外拉時，空氣從較遠距離吸進去，推進時，空氣從風箱附近壓縮進去。一拉一推被壓縮的空氣擠壓到另一側，從其對面排氣口排出，一來一回完成兩次鼓風，提高了鼓風效率。傳統(tǒng)活塞式風箱其構造巧妙，體現了較高技術水平，對我國后期冶金技術的進步起到關鍵作用。

圖1 鑄鐵鋪

圖2 鐵匠行

四、“百工圖”與《天工開物》冶鑄圖像對比

乾隆《四庫》編修之后，《天工開物》被迫退出刊印流通并消失，直至民國之前一直是此書的斷檔期，雖后由日本回流并漸入熱門，然其中關于清代中后期的空白一直沒有填補，這一時期相關研究文獻幾乎沒有，而“百工圖”壁畫成為乾隆之后最佳的造物圖像載體，其呈現了冶鐵鑄造相關的圖景，對比《天工開物》有以下兩方面認識。

冶鐵技藝部分，“百工圖”采用的是坩堝煉鐵，而《天工開物》對此并沒有相關的任何介紹，有關坩堝煉鐵技術最早記載的文獻是康熙年間的《顏山雜記》［32］，目前對于坩堝煉鐵的源流存在多種看法，并沒有形成一致的意見，但是某種程度上可以理解為坩堝煉鐵技術為《天工開物》中冶鐵技術在清代的一種發(fā)展與補充。“百工圖”和《天工開物》關于冶鐵都采用煤作為原料，多人協作共同完成冶鐵流程，極大地促進了冶鐵技術的發(fā)展。

風箱部分都是采用活塞式木風箱，箱體構造都采用了長方形，運行方式都是平動型，作用方式都有雙作用型。風箱旁一側均有墻體，這與《天工開物》記載的“風箱安置墻背，合兩三人力，帶拽透管通風。用墻以抵炎熱，鼓鞲之人方克安身”原理一致。“百工圖”中第一類風箱出現在《天工開物》中較多，除了《五金》中“熔銀”法和“灌鋼”冶煉法中出現兩人共拉風箱外，《天工開物》中的風箱基本都是單人操作式。而第二類風箱在《天工開物》中未出現，可見三人拉桿的風箱為清代活塞式風箱的一大進步，這極大地促進了封建社會后期冶鐵技術的革新。

五、結語

廣靈水神堂“百工圖”作為獨立而又龐大的壁畫體系，真實地還原了廣靈地區(qū)的商業(yè)貿易、工藝技術，是當時百姓社會生活的真實寫照，不僅具有濃厚的世俗生活氣息和獨特的民間技藝價值，而且是我們研究廣靈地區(qū)社會生活、風土人情、冶鐵科學、機械科學的重要參考。這些方面的圖像取材于社會生活，反映了清代廣靈地區(qū)社會的科技進步，但是在某種程度上又超過社會生產力，是對社會生活進行了藝術化的加工。它翔實而具體地表現了冶鐵鑄造場景，具有高度的藝術觀賞性，表現出整個冶鐵鑄造自然與人的和諧氛圍。整個冶鐵鑄造場景對我們認識清代的社會風貌和冶鐵技術具有參考價值，也彌補了清代時期冶鐵鑄造技術文獻的不足，為中國古代冶鐵技術發(fā)展提供了珍貴的圖像資料。通過廣靈“百工圖”來解讀清代冶鐵鑄造技藝的繁榮，試圖進行多角度、多學科的試探性研究，以求全景式、多維度展示廣靈水神堂“百工圖”壁畫藝術，側面再現其逝去的傳統(tǒng)技藝，在傳承文明的演進過程中發(fā)揮重要作用。