伊 宝 江文逸

山西大学科学技术史研究所

恩格斯认为，野蛮高级阶段是“从铁矿冶炼时开始的”。［1］铁一旦从矿石中提炼出来，为人类服务，生产劳作工具便得到跨越式发展，社会生产效率也得到大幅度提高。虽然我国矿石炼铁以及后面的炼钢技术起步晚于其他国家，但自从进入春秋时期以来，冶铁铸造技术飞速发展，在以往的基础上深耕，之后陆陆续续出现独特的创造，常领先于世界其他各国。现今，从史书典籍相关文献记载中查阅以及实地勘探考察，借助“三重证法”，对它们窥探以及深究，不仅可以展现古代人民的冶铁铸造技术，而且其背后的科技内涵有着重要意义。

历来许多专家学者研究冶铁铸造发展史多从以下角度切入。其一是冶铁技术。杨宽［2］、华觉明［3］［4］、李约瑟［5］、陈虹利［6］等人在追溯冶铁技术的过程中，发现了不同冶铁技术呈现不同的特点，且我国的冶铁技术不同于其他国家，一定程度上可自成体系。我国自古以农立国，铁质农具的产量及质量对农业的发展在某种程度上起到决定性作用，因此流传了较多与冶铁技术相关的古籍文献以及各种实物。其二是冶铁鼓风器。鼓风器中的活塞式风箱是我国鼓风器史上最为重要的改进，同时近代所用的冶铁鼓风器与其相比，大体上相同，易于实物考证。戴念祖［7］、黄兴［8］、王文芝［9］等学者对活塞式风箱的扇门、拉杆数量和运行方式、参与人数及其站位方式都做了深入研究，挖掘其背后的科学原理。专家学者对冶铁铸造发展大都以史书典籍为参考进行技术的某种复原，但是随着朝代的更迭，陆陆续续的学者对相关的史书典籍不断地进行修改，因此即使复原成功，也可能与最初的全貌存在偏差。而现存的“百工图”多半出自民间高超画匠之手，对相关技术及其相关器物尤为了解，运用特殊材料，凭借高超的绘画技艺和精湛的雕刻技艺复刻至墙壁上，某种程度上可以作为史书典籍的补充，进行检验与深究。［10］下文针对史书典籍《天工开物》与“百工图”中所共有的冶铁铸造技术进行窥探，希望对古代冶铸技术的相关记载起到补充作用，为研究提供新的思路。

一、“百工图”壁画及其内容介绍

广灵水神堂坐落于山西省大同市广灵县壶泉镇壶山岛上，别名丰水神祠，据清代乾隆年间《广灵县志》中记载：“内有石井，其水从座下狮口内溢。以果物投之，即由山脚下流出……且环山皆泉，如沸如喷，犹万斛珠玑，随地而涌……游人登眺颇裕奇观，书有豊水神祠。”据传，该建筑为朱棣征战元朝残留部队获胜后所建，因为战争对当地百姓造成极大的伤害，加之广灵地区常年降雨稀少，遂建水神堂，赋予祈求风调雨顺之意，希望百姓五谷丰登、四季安康，但目前尚无足够证据佐证其真实性，因此有待进一步考察研究。整个水神堂既有自然景观，如山水、森林、湖泊、草甸，也有后来陆续建立的人文景观建筑，如灵应宝塔、圣母殿、文昌阁、百工社等，借助自然环境与建筑语言交相映衬，既展现了空间的立体感，又使物体之间联系紧密，通过借助象征意义的物体传达其相应的意境，体现了我国古代庞大哲学思想体系中丰富而独特的“物象境意”价值观，诠释了其中蕴含的天人合一、尊崇自然的哲学与自然的交叉观，以及其地域承载的独特的与自然高度融合的人文景观。［11］

其中百工社是极小的一殿庙宇，与圣母殿毗邻，建筑为单檐硬山式清代样式，宽度为8.33 米，深度为7.57 米，殿内原本有塑像，后被毁坏，据老一辈口述，此殿中央曾塑有三尊大像，分别是鲁班、老子与孔子，象征工、道、儒三家，每逢农历二月十五日和五月初七，周围工匠来此祭祀鲁班祖师。同时，作为民间祭祀习俗，祭祀鲁班也有祈求五谷丰登、百业兴旺的象征寓意。殿内北壁壁画已毁，目前只有东西两壁完整地保留了40 幅“百工图”，涉及了40 多种行业和手艺（有的一幅图中包含多种工艺）。百工之说并无确凿来源，据《周礼》记载，自西周开始，就设有专门性的百工管理机构，最高官员为司空，具体管理者为匠师。［12］百工一词只是一种笼统的概念，泛指民间三教九流之中的一众手艺与各类行业，而且在不同朝代当中亦有变数。例如，明代宋应星《天工开物》中用了上、中、下三篇共18 卷，附图121 幅，描绘了130 多项工艺技术，这应该是民间“百工图”的集大成者。在广灵水神庙百工社的图像中，与《天工开物》中符合的工艺为10 余类之多，而相邻的河北省蔚县（旧属于山西大同府）夏源关帝庙东西配殿的墙上绘制了64 幅百工图像，16 幅为一组列于四墙之上，同样将《天工开物》中的多种工艺进行了细致描绘，而且不仅有栩栩如生的画面，画师还为每幅图做了文字标注，林林总总，不一而足，总共64 行，行行生动形象。［13］与广灵百工社的不同之处是蔚县的“百工图”被安排在关帝庙的配殿两侧，并不像广灵水神堂建设了专门的场所，除此之外，这两组“百工图”大量描绘的则是三教九流中的各行各业，这些行业涉及人们的衣、食、住、行诸多方面，完全是民间生活的真实再现。同时由于百工图像是艺术图像和科技图像的结合产物，看似单纯的表现手法和样式中，既有很强的客观力量，又有较高的美学价值；既重视视觉的表达，又强调文化属性，这对我们研究壁画中的艺术非常重要。［14］

水神堂中的“百工图”壁画是整个建筑群中的精华所在，采用中国传统的重彩工笔画技法，壁画题材融合了三教九流多样化生活，呈现了诸多清代技艺，内容具体而传神，制作精美，画技精湛，色彩搭配丰富、艳丽，构图繁杂有序、点线面分明，体现了融洽、柔和、均匀的美，整个壁画给人展现了清代中期盛世繁华、气势恢宏的世俗生活。虽历经多年战乱袭扰、风雨侵蚀的破坏，部分壁画脱落，略显暗淡阴沉，但仍见其清代大同广灵地区的社会百态。现存古代庙宇可谓不计其数，但是庙宇中绘制如此大型的“百工图”的壁画极为罕见，壁画中展现了大量匠人的高超技艺，使得这座庙宇显得更加神秘与宝贵，对研究清代社会经济具有重要参考意义，尤其是传统技艺蕴含极高的历史与艺术价值，所以“百工图”壁画在中国乃至世界绘画史上都具有独特地位。

“百工图”中的壁画虽然展现了三教九流的各种生活风貌，但某种程度上是宗教题材的绘画艺术作品，若深入窥测其壁画中的内容，明显可见其生活风貌中蕴含丰富的科技内涵。其中东西二壁中皆有的《冶铁鼓风图》就是科学技术发展水平最好的代表之一，它反映了山西自古以来在冶铁铸造技术上所具有的独特技艺，不仅再现了当时有关冶铁生产的社会现实，而且较为完善地记录了冶铁铸造中科学技术的最新发明，填补了清代大同广灵地区民间冶铁技术文化交流许多重要的空白，是我国冶铁铸造史上极为珍贵的图像资料，在我国古代科技史料中占据独特的地位，值得后人不遗余力地挖掘。

二、《天工开物》中的“冶铁技艺”与鼓风风箱工艺剖解

冶铁铸造技艺隶属于《天工开物》“五金”章，据书中记载：“凡铁为生、熟，出炉未炒则生，既炒则熟。生熟相合，炼成则钢。”［15］除此之外，明代方以智也在其著作《物理小识》中将铁分为生铁、熟铁和钢，可见明代人们对冶铁工艺认知非常全面。这些铁实质上是“铁碳合金”，最主要的区别在于含碳量的多少，生铁含碳量高，熟铁含碳量低，而钢一般情况下介于二者之间。［16］

作为最早冶炼生铁的国家，柯俊将生铁冶炼技术称为第四大发明。随着世人的不断研究，学者瑞德曾提出生铁起源于山西，之后天马—曲村铸铁残片的发现，更加证明了瑞德的观点［17］，可见山西在我国冶铁史上具有重要地位，在某种程度上可以将山西地区作为切入点，加大此地区史料与实物的挖掘。生铁的熔点低于熟铁，因此冶炼起来较为便利，据《天工开物》有关生铁冶炼的相关记载，其冶炼流程一般是将浮泥土上面的铁矿石捡起来，如果遇到下雨的天气，还可以将深藏泥土里几寸深的铁矿石捡起来，然后将其淘洗，放入炉中冶炼，经过高温加热化为铁水，若要将其铸造为所用生铁，则应该将其注入条形或圆形的铸模里。

熟铁的冶炼较生铁更为复杂，熟铁与生铁相比偏软化，具有良好的延展性，熔点一般在1500℃，对温度要求比生铁苛刻许多。［18］早期由于冶炼设备存在不足，直接将铁矿冶炼成熟铁存在输送的风力太小以及冶炼所需温度不足的问题，导致原料未能充分利用，产量也没有达到预期。直到生铁冶炼技术掌握之后，通过高温加热等相关操作冶炼成熟铁，这与后来《天工开物》中有关记载存在不谋而合之处。书中有关冶炼熟铁的记载，如：“若造熟铁，则生铁流出时，相连数尺内，低于数寸，筑一方塘，短墙抵之。其铁流入塘内，数人执柳木排立墙上，先以污潮泥晒干，舂筛细罗如面，一人疾手撒滟，众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁。”简单理解就是将生铁水流入低于熔炉几寸的方形塘，然后多人并排站立于一侧的低墙，将之前筛选好的泥面撒入铁水中，借助手中柳棍迅速搅拌，即刻便成熟铁。［19］纵观整个流程，有几个地方值得我们注意。首先，冶炼熟铁分为两步走，先冶炼生铁，然后再冶炼成熟铁，其间还经历过“堕子钢”的过程，其优点便是提高了生产效率，归结于炼铁炉的改进。据史书记载，正德四年开大鉴炉10 座，嘉靖八年以后，每年开大鉴炉3 座，可见高大规格的冶铁熔炉已经开始普及。［20］此熔炉可以大量输送所需空气，达到冶炼需要的温度，而且也能加大炉中铁矿石与空气接触面积充分提炼矿物质，燃料也在某种程度上得到节省，冶炼成本降低。其次，“堕子钢”在《天工开物》中并未作出任何解释，只知其是圆塘下部小孔流出的。而在之后的“灌钢”冶炼中记载：“广南生铁名堕子生钢者”，只知其是广南生产的，而后杨宽先生在《中国古代冶铁技术开发史》中指出，“堕子钢”并非钢，因为在铁水流出冷却凝固过程中，无法提炼出钢，但却是冶炼出熟铁最佳的生铁原料，某种程度上也可以称之为“生钢”，特征是含碳量较高，杂质少。［21］可见，宋应星将其归入《五金》“灌钢”冶炼法中有一定的科学合理性，虽然不能从含碳的角度去分辨铁与钢，但足见宋应星对钢与铁之间本质属性的了解。最后，手持柳棍搅动的过程，也是整个冶炼出熟铁最为关键的一步，工匠凭借多年的经验，对炉中铁矿石的声音和成色分析。搅动的过程主要是扩大铁水与空气的接触面积，使碳与空气发生化学反应，祛除其中的碳，以求得到含碳量低的“熟铁”，而《天工开物》所记载的“熟铁”与现在通常意义上的熟铁是否一样，目前尚无统一的结论，但是基本都认为搅动的过程是将炼铁炉和炒钢炉串联使用，明代以前都是独立的，这样可以在某种程度上节省原料，提高生产效率。总而言之，这也是明代冶铁史上一项重要的成就。［22］

《天工开物》中记载的皆是活塞式木风箱，书中陆陆续续出现了20 余幅活塞式木风箱，有长方形的，也有圆筒形的，有单人拉杠，也有双人拉杆，所呈现的熔炉形状大小也不同，这主要取决于输送风力的大小。纵观全书，却没有任何有关这种风箱的文字表述，这无疑为后世学者提供了丰富的思考空间，曾有学者指出：“活塞风箱最早见于明代《天工开物》中。”［23］但是据目前研究分析，各家学者众说纷纭，是一个仍未解决的问题，唯一可以确定的是当时已经普遍使用，人们对其构造了然于心，而这可以作为宋应星对其不做文字表述的原因。

从《天工开物》中的图像分析，活塞式风箱一般由箱体、堵风板、推拉杆、出风嘴组成，箱体一般是木质结构，采用榫卯结构连接而成。做功部件是推拉杆，也可以称之为活塞。运行方式为平动型，这样可以节省推拉来回时间，提高做功效率。作用类型一般有单作用和双作用两种，区分标志为通风口两端是否设有活门。［24］箱体外部木板上则有两根竖排的拉杆，把柄将其连接，一前一后将把柄往里外伸缩，调节里面的气压来控制通风口的活门和通风管的活门输送风力。如果是单作用型，则只能控制吹风口旁的通风口。

明清时期出现的活塞木风箱是我国鼓风器史上一次重要的改进，也间接促进了冶铁技术的发展，在我国冶铁史上具有里程碑式的意义。

三、“百工图”壁画中“冶铁图像”相关工艺探析

“百工图”是一种独特的艺术作品，可以称之为“活的壁画”。因受到当时社会经济、政治、科技、艺术的影响，故带有明显的经世致用的目的。山西因地处吕梁、太行山山脉之间，蕴藏大量的铁矿，很早就得到了开发，关于人工冶铁的历史最早可追溯到战国时期，目前出土了中国最早的人工冶铁制品以及世界上最早的铸铁器残片。［25］汉代全国49 个地方设立铁官，而山西占其中5 个，明清全国设13 个冶铁所，其中5 个在山西，清代一直保留下来，可见山西在冶铁史上的重要地位得到延续，其经营范围辐射北方，满足了人们生产、生活所需铁器，［26］这些都在“百工图”中有明显的体现，这也让我们从侧面了解到了清代的冶铁铸造技术状况。

“百工图”壁画中有一幅关于铁器的铸铁铺，位于东壁左边第三幅（如图1）。整个画面共出现6 人，1 人手持铁夹正在夹取熔铁的椭圆形陶罐坩埚，3 人正在鼓风冶铁，另外两人从图中无法清晰其工作，旁边有一台小型规模的鼓风箱，但根据其画面整体工艺流程推断图中的冶铸技术应是坩埚炼铁。但此图中坩埚炼铁与当时的坩埚存在明显差别，有待分析。坩埚炼铁是由我国古代人民独创的冶铸技术，有关坩埚炼铁最早的文献是康熙年间的《咸州青州府志》，其讲述了山西人如何使用坩埚炼铁。［27］而“百工图”所在地正好是山西，但是河南南阳市北关外瓦房庄西汉冶铁遗址［28］和河北清河镇西汉初年故城冶铁遗址［29］的挖掘，证明西汉时代就已经出现此法，至于清代才出现有关山西坩埚文献记载，有待进一步研究。

整个画面未能详细具体地得到熔铁工艺细节，并且与我们所认识的坩埚冶铸技术存在一定差异，但根据画面大概全貌，并结合相关史书典籍，我们可以推测出以下有关认识。第一，坩埚炉中放置所需的铁矿，除此之外是否还有其他辅助材料，无法从图中得出，炉外的燃料与炉中的铁矿分离，这与欧洲采用的竖炉有着诸多不同之处，其中最大的不同是加热方法的不同。第二，设备简单，图中炉子属于小型规模，这根据其所需冶铸规模及技术要求所决定。炉子后面是三人并排而站的鼓风箱，坩埚后底部有通风口与风箱出风口相连。三人同时操作风箱推拉杆在我国古代并不常见，而出现在这里，并不是其工艺规模大，对风力有足够的高要求，而是因整个过程处在一个开放的环境中，三人同时鼓风可以短时间提供充足的氧气，集中促使燃料充分燃烧，其热量主要是通过辐射和传导，这样减少外部空气及坩埚炉对热量的挥发，同时某种程度上也可以避免热度不均，提高工作效率。然后通过两端风口相连，以此使坩埚中的铁矿石迅速熔化。坩埚炉中的燃料是否充分燃烧，可以根据其焰火的颜色和燃料燃烧的声音判断，同时结合鼓风，三部分共同协调，追求最佳的工艺流程。第三，坩埚炼铁与以往炼铁法最大不同之处就是真正利用煤炼铁的技术。清代，山西煤炭仍属大同、阳泉一带生产最多。据史料记载，乾隆六年和七年（公元1741 年和1742 年），山西巡抚喀而吉善曾两次奏请开采大同、朔平（今右玉）一带煤炭。广灵的“煨煤”，精腻细碎，埋炉中日夜不灭，这为当地坩埚炼铁提供了基本条件，因此有理由相信其所用燃料是煤炭。由于此法提高了冶炼效果，从燃料方面实现了创新性，经济又简便，清初其坩埚炼铁技术迅速由山西传入山东、东北和河南地区［30］，而国外从中得到灵感，创造出了著名的赫格纳斯非高炉炼铁技术。［31］总而言之，仅对“百工图”中关于铸铁铺的分析略显粗糙，至于其真实面貌，有待日后进一步深入研究。

整个“百工图”中出现有关冶铁的壁画数量为二，分别是东壁左边第一层第三幅铸铁铺（如图1）和西壁左边第二层第三幅铁匠行（如图2），若要窥探其冶铁技术，仅能选取东壁出现的坩埚炼铁。若要窥探其风箱，这两幅均出现过，但是却存在一定的差异，除此之外，“百工图”中其他壁画中的锡匠行和银匠行也出现过风箱，可见风箱使用范围较广。图中出现的活塞式风箱是明代风箱的一大进步，若将其风箱根据操作人数进行分类，铁匠行、锡匠行、银匠行单人操作的为第一类，扇门上面的拉杆数量为一。铸铁铺三人操作的为第二类，扇门上面的拉杆数量为三。

第一类风箱一人手持拉杆一前一后推拉，另一人则配合其风箱冶炼或熔化其金属，画面生动协调，显示出高超娴熟的技艺。除此之外，风箱旁一侧均有墙体，用墙挡住炉的高温，鼓风人才能在其一旁。第二类风箱三人并排站立共同手持拉杆，另一人夹持坩埚熔铁，据此推测其工艺要求之高，需三人分别同时手拉拉杆才能拉动风箱。同时，其风箱置于室外，可见其风箱炉受外部环境影响较小，侧面也反映了鼓风冶铁技术的完善。第一类风箱和第二类风箱虽存在一定的差别，但总体上其做功方式或构造原理一致。首先，手持拉杆一前一后推拉，身体的上半部和下半部都要发力，机械做功相互协调，某种程度上可以理解为做省力运动，便于输送大量空气，产生更高的排气量。其次，图中拉杆运行方式都是水平运动。历史上除了水平运动方式外，还有摆动式的活塞式风箱，且出现时间早于水平运动式，其应用领域广泛，但是水平运动相比摆动式，鼓风速度更高，有利于最大化排气。最后，其风箱都是双作用型，当手持拉杆往外拉时，空气从较远距离吸进去，推进时，空气从风箱附近压缩进去。一拉一推被压缩的空气挤压到另一侧，从其对面排气口排出，一来一回完成两次鼓风，提高了鼓风效率。传统活塞式风箱其构造巧妙，体现了较高技术水平，对我国后期冶金技术的进步起到关键作用。

图1 铸铁铺

图2 铁匠行

四、“百工图”与《天工开物》冶铸图像对比

乾隆《四库》编修之后，《天工开物》被迫退出刊印流通并消失，直至民国之前一直是此书的断档期，虽后由日本回流并渐入热门，然其中关于清代中后期的空白一直没有填补，这一时期相关研究文献几乎没有，而“百工图”壁画成为乾隆之后最佳的造物图像载体，其呈现了冶铁铸造相关的图景，对比《天工开物》有以下两方面认识。

冶铁技艺部分，“百工图”采用的是坩埚炼铁，而《天工开物》对此并没有相关的任何介绍，有关坩埚炼铁技术最早记载的文献是康熙年间的《颜山杂记》［32］，目前对于坩埚炼铁的源流存在多种看法，并没有形成一致的意见，但是某种程度上可以理解为坩埚炼铁技术为《天工开物》中冶铁技术在清代的一种发展与补充。“百工图”和《天工开物》关于冶铁都采用煤作为原料，多人协作共同完成冶铁流程，极大地促进了冶铁技术的发展。

风箱部分都是采用活塞式木风箱，箱体构造都采用了长方形，运行方式都是平动型，作用方式都有双作用型。风箱旁一侧均有墙体，这与《天工开物》记载的“风箱安置墙背，合两三人力，带拽透管通风。用墙以抵炎热，鼓鞲之人方克安身”原理一致。“百工图”中第一类风箱出现在《天工开物》中较多，除了《五金》中“熔银”法和“灌钢”冶炼法中出现两人共拉风箱外，《天工开物》中的风箱基本都是单人操作式。而第二类风箱在《天工开物》中未出现，可见三人拉杆的风箱为清代活塞式风箱的一大进步，这极大地促进了封建社会后期冶铁技术的革新。

五、结语

广灵水神堂“百工图”作为独立而又庞大的壁画体系，真实地还原了广灵地区的商业贸易、工艺技术，是当时百姓社会生活的真实写照，不仅具有浓厚的世俗生活气息和独特的民间技艺价值，而且是我们研究广灵地区社会生活、风土人情、冶铁科学、机械科学的重要参考。这些方面的图像取材于社会生活，反映了清代广灵地区社会的科技进步，但是在某种程度上又超过社会生产力，是对社会生活进行了艺术化的加工。它翔实而具体地表现了冶铁铸造场景，具有高度的艺术观赏性，表现出整个冶铁铸造自然与人的和谐氛围。整个冶铁铸造场景对我们认识清代的社会风貌和冶铁技术具有参考价值，也弥补了清代时期冶铁铸造技术文献的不足，为中国古代冶铁技术发展提供了珍贵的图像资料。通过广灵“百工图”来解读清代冶铁铸造技艺的繁荣，试图进行多角度、多学科的试探性研究，以求全景式、多维度展示广灵水神堂“百工图”壁画艺术，侧面再现其逝去的传统技艺，在传承文明的演进过程中发挥重要作用。