甘肃临潭磨沟寺洼文化墓葬出土铁器与中国冶铁技术起源
甘肃临潭磨沟寺洼文化墓葬出土铁器与中国冶铁技术起源[1]
陈建立1 毛瑞林2 王辉2 陈洪海3 谢焱2 钱耀鹏3
（1．北京大学中国考古学研究中心；2．甘肃省文物考古研究所；3．西北大学文化遗产与考古学研究中心）
自20世纪20年代起，就已有学者对中国钢铁技术起源问题进行讨论。50年代以后，随着考古工作的进展和对出土铁器及冶铁遗址的研究，已初步掌握了中国古代钢铁技术的起源、发展与传播等一系列问题的基本面貌。由于对于冶铁技术起源的年代众说纷纭，有夏代及夏代以前起源、商代起源、西周和春秋起源等多种观点，另外对于冶铁技术究竟是从西方传入，还是本土起源，亦有不同看法；因此系统开展中国冶铁技术起源的年代等研究具有重要意义。
近年来，西北地区出土了相当数量的早期铁器，是研究冶铁技术起源的重要地区之一。特别是2008年以来甘肃省文物考古研究所和西北大学合作，对甘肃临潭陈旗磨沟遗址进行的考古发掘，发现有马家窑、齐家和寺洼文化的遗存，并分别在墓葬区的M444和M633出土铁条和铁锈块，为研究中国冶铁技术起源提供了新线索，本文为初步研究成果。
图1 M444
1 磨沟铁器的发现
磨沟遗址位于甘肃省临潭县陈旗乡磨村，地处洮河南岸的马蹄形山间台地。区域内发现有仰韶中晚期、马家窑、齐家和寺洼文化的遗存，出土数量众多的铜器、陶器以及不同材质的装饰品等。2009年6月，在M444头龛右侧A5、A6陶双耳罐（图1、2）中间土中发现铁条1件（M444：A7），此墓未经扰动，确为埋藏时的随葬器物之一（图1；图版：1）。铁条出土时已断为两段，稍长的一段长约3.9cm、直径为0.6cm；稍短的一段呈弯曲状，长约3cm（图版：2）。2009年8月在发掘M633时从靠近墓底的填土中发现铁锈块1件（M633），亦未有扰动痕迹，但锈蚀严重，本文未对其进行检测分析（图3；图版：3）。M633共出土4件陶器，均发现于头龛内，其中3件属齐家文化，分别为红陶双大耳罐、高领圆腹罐和豆；1件属寺洼文化，为灰陶罐（图4）。从陶器的组合和形制来看，此墓葬的年代应处于从齐家文化向寺洼文化的过渡阶段，早于M444的年代。
图2 M444出土陶器组合
图3 M633
2 磨沟铁器的材质及年代判定
经X光照相，铁锈块（M633）锈蚀严重，已没有金属质地。铁条（M444：A7）的长段样品端部有金属残留，在此端截取约3mm长的样品制成金相试样后观察其显微组织并拍摄金相组织照片。铁条（M444：A7）的金相组织观察结果为，样品大部分为铁素体+珠光体组织，含碳量不均匀，低处基本不含碳，高处碳的质量分数为0.1%～0.3%，存在有磷偏析引起的带状组织，浮氏体和硅酸盐复相夹杂物及部分铁素体晶粒沿加工方向变形拉长（图5～8）。
用清华大学摩擦学国家重点实验室FEI QVANTA400型扫描电子显微镜及牛津公司生产的能谱分析仪（SEM-EDX）对抛光后样品的夹杂物进行元素组成分析。分析条件为加速电压15kV，分析结果见表（表1），其中分析部位1为夹杂物的灰色基体，其余分析部位2～8为不同夹杂物的亮处。扫描电镜能谱分析结果表明，夹杂物由浮氏体和铁硅酸盐组成（图9、10）。成分中含有铜等杂质，并且成分分布不均，为块炼铁的夹杂物元素组成特征。另对金属基体进行分析，检测到镍等陨铁特有的元素，由此结合金相组织观察结果可以判定，该件样品由块炼渗碳钢锻打而成，系人工冶铁制品。
图4 M633头龛
表1 铁器样品的夹杂物的成分分析
为判定墓葬和铁器的绝对年代，本文选择两墓的墓主人骨和M444墓内出土铜斧銎内木柄等3件样品进行AMS-14C测年，该项工作在北京大学完成。在利用14C浓度计算年代时，采用14C的半衰期为5568a，1950a为纪年起点，误差为1个标准差，本底采用43000a，树轮校正采用牛津大学Oxcalv3.10软件进行。测年结果（表2）表明，M444的2件样品的14C年代分别为3090a B. P.±30a B. P. 和3075a B. P.±35a B. P. ，两者在误差范围内一致，树轮校正年代为公元前1430至前1260年（2σ）；M633墓主人骨的14C年代为3145a B. P.±45a B. P. ，树轮校正年代为公元前1510至前1310年。14C测定的结果与两墓陶器所反映的年代相符，M633年代较M444早，均为寺洼文化早期。因此，可将这两座出土铁器的墓葬的年代定为公元前14世纪左右。
表2 AMS-14C测定结果
总之，根据铁条的金相组织、夹杂物元素组成特征以及墓葬年代的综合分析，可以判定铁条（M444：A7）为块炼渗碳钢锻打而成，系人工冶铁制品，年代为公元前14世纪左右。这2件铁器也是目前中国境内出土最早的人工冶铁证据，对于研究中国冶铁技术的起源具有重要意义。
图5 铁条（M444 : A7）的金相组织，显示组织不均匀，含碳量有高有低，复相夹杂物变形拉长，有微 量磷元素偏析形成的带状组织
图6 铁条（M444 : A7）的中心高碳部位，铁素体+珠光体组织，碳的质量分数为0.2%～0.3%，边部含碳量较低
图7 铁条（M444 : A7）边部的金相组织，铁素体及晶粒间界少量珠光体组织，碳的质量分数为0.1%
图8 铁条（M444 : A7）的金相组织，浮氏体和硅酸盐复相夹杂物和部分铁素体晶粒沿加工方向变形拉长
图9 铁条（M444 : A7）夹杂物的背散电子像
图10 铁条（M444 : A7）夹杂物的背散电子像
3 中国冶铁技术起源新探
距今6至4千纪时期，西亚两河流域、地中海沿岸和古埃及就使用了陨铁，一部分为铜铁复合器。[1]中国已在河北藁城台西村、[2]平谷刘家河、[3]河南三门峡虢国墓地[4]和浚县辛村[5]出土了7件商周时期（前14至前9世纪）铜和陨铁的复合器。从开始使用陨铁的时间和数量来看，中国使用陨铁的时间较晚，数量较少。根据目前的研究，尚不能揭示从使用陨铁转变到人工冶铁的技术细节，但磨沟铁器的发现将中国出现人工冶铁的时间提前到与开始使用陨铁的使用时间相当，这将为研究冶铁技术的起源提供一个非常好的线索。
西亚地区的冶铁技术起源研究较多。[6]在公元前2500年左右的赫梯人墓葬中出土铜柄铁刃匕首，经检测为人工冶炼制品，说明当时在安纳托利亚地区已经开始人工冶铁，但这仅仅是偶然性的产物。公元前1500年以后，美索不达米亚、安纳托利亚和埃及出土的人工冶铁制品逐渐增多，说明人们对冶铁工艺已得到较深入的认识。著名的埃及图坦卡蒙墓中出土1件金柄铁剑，其年代为公元前1323年。此外，在乌加里特（Ugarit）发掘时，出土1件有莫尼普塔（Merneptah）法老名字的剑和1件黄金装饰的铁刃铜矛。文献中也有关于赫梯人与亚述人进行铁制品贸易的记载。在公元前1500至前1000年的500a间，冶铁技术通过欧洲、亚洲和北非的部分地区向外传播，由此西方学者也绘制出铁器和冶铁技术传播的路线图。就冶铁技术向东方的传播问题，R. F. Tylecote指出，冶铁技术自公元前800至前500年或更晚时由伊朗传播到印度和中国。
近年来，印度铁器的使用和冶铁技术的起源研究取得较大进展。在20世纪50年代，有学者认为印度在公元前700至前600年开始使用铁器，并可能是由西方传来的。[7]随着考古学、14C测年和考古冶金的深入研究，近来已把这一年代大大提前，即至迟自公元前第2千纪早期，东Vindhyas人已掌握铁的冶炼、制作和使用技术，在恒河平原中部地区已经开始使用铁；同时，新的证据也否定了冶铁技术起源与吠陀人的东进有关这一传统认识，并由此印证印度冶铁技术可能是独立起源的。[8]但这一新认识是否正确仍需深入研究。
那么，中国冶铁技术是传入还是本土起源的呢？从考古资料上看，中国早期铁器主要出土于新疆、甘肃、青海、宁夏和陕西西部等西北地区，河南、陕西和山西交界地带的中原地区以及长江中下游的吴楚地区（即今天的湖南、湖北、江苏等地）。而根据出土铁器的年代和数量，又以西北和中原地区为早为多，本文根据这一现象，对西北和中原地区进行重点考察。
新疆早期铁器值得重视。陈戈指出新疆地区自公元前1000年左右进入早期铁器时代。[9]唐际根认为中国境内人工冶铁最初始于新疆地区，时间约在公元前1000年以前（即中原地区的商末周初时期）；而公元前8至前6世纪（即中原地区春秋时期），新疆地区铁器的使用已经较为普遍了。[10]刘学堂认为新疆在公元前2千纪与前1千纪之交进入了早期铁器时代，并很快普及。[11]韩建业在对新疆青铜时代和早期铁器时代文化遗址进行分期和文化谱系研究的基础上，提出公元前2千纪末期新疆进入早期铁器时代偏早阶段，公元前1千纪中期为早期铁器时代偏晚阶段。[12]郭物在分析新疆古代墓葬和随葬品共存的铁器之后，指出新疆出土最早的铁器的年代约为公元前9世纪，并认为这些早期铁器可能来自伊朗的西北部，其时间在公元前10至前9世纪。[13]然而新疆地区出土铁器小件器物较多，且锈蚀严重，仅有很少一部分进行了金相学研究。到目前为止，仅对伊犁地区、巴里坤东黑山遗址、焉不拉克墓地和克里雅河流域等地出土的部分铁器进行过检测。年代较早者以块炼铁和块炼渗碳钢为主，年代为中原地区战国以后的少量样品为铸铁和铸铁脱碳钢制品，如在克里雅河流域的圆沙遗址发现的公元前2世纪铸铁锅，在巴里坤发现铸铁脱碳钢制品（图11），说明至迟在公元前2世纪中原地区的铸铁技术已传入了新疆。[14]通过对新疆早期铁器有关的14C年代测定数据进行系统梳理和选择新的样品进行测定，我们认为新疆最早使用铁器的年代定在公元前9世纪是比较合适的。但令人遗憾的是，与考古学文化的研究相比，冶金考古研究工作相对更少，因此尽早对新疆地区出土铁器的制作技术、年代序列、传播和交流等问题进行系统研究是十分必要的。[15]
经统计，在甘肃、青海、宁夏和陕西西部等地出土早于公元前5世纪的早期铁器已有50多件，其中属于春秋时期的有青海湟源莫布拉出土铁刀1件，甘肃永昌三角城与蛤蟆墩出土铁器4件、[16]灵台景家庄出土铜柄铁剑1件、[17]礼县秦公墓地赵坪墓区2号贵族墓出土鎏金镂空铜柄铁剑1件及此墓南侧的1号车马坑中发现“锈蚀严重的铁制品”，[18]陕西陇县边家庄出土的1件铜柄铁剑[19]和长武出土1件铁短剑[20]等共10件，其余40余件样品的年代为春秋战国之际。赵化成根据这一地区出土铜器的研究，认为这批铁器的年代需重新讨论，可能铁器的年代要比原先认识的偏晚。这批铁器中的一部分经过金相实验研究，结果表明，宁夏4件铜柄铁剑[21]和陕西宝鸡益门村2号墓出土金柄铁剑，[22]材质为块炼渗碳钢；甘肃灵台、天水、礼县等地出土春秋至汉代11件铁器样品，包括刀、剑、鼎、犁铧等，发现有生铁、铸铁脱碳钢制品等材质（图12）；[23]甘肃河西走廊的沙井文化有块炼铁和铸铁并存的现象，[24]但关于沙井文化的年代尚有较多问题。
图11 新疆巴里坤遗址出土战国晚期至汉代残铁块锈蚀中铁素体＋珠光体组织痕迹，为铸铁脱碳钢制品
豫西晋南和关中东部地区早期铁器的集中出土是一重要现象。河南三门峡虢国墓地出土西周晚期至春秋早期3件陨铁制品和3件块炼铁制品；[25]山西天马—曲村遗址出土春秋早期偏晚难辨外形的2件生铁残片及春秋中期的条形铁片；[26]自2005年开始，陕西省考古研究所勘探和发掘韩城梁带村两周时期墓葬，出土大量精美玉器、铜器和金器等，其中M27出土铁援铜戈和铁刃铜刀2件铁器，年代定为春秋早期偏晚，为研究中原地区冶铁技术起源提供了新资料。[27]这2件样品经过金相组织观察和电子探针分析，可判定为人工冶铁制品，即两件器物的铁刃部位均采用块炼渗碳钢锻打而成（图13）。对此墓中出土木炭和漆皮等进行AMS-14C年代测定，结果与考古学者推测的年代相符，为春秋早期。[28]这2件铁器较河南三门峡虢国墓地出土铁器略晚，比天马—曲村出土铁器稍早。在晋、陕、豫交界地带出土了数量较多的西周晚期至春秋早期中原地区最早的铁器，并且几乎同时出现陨铁、块炼铁和生铁制品这一现象，可能反映了当时文化变化以及技术交流情况，而探寻这种变化的动因可能为解决中原地区冶铁技术起源提供帮助。
这些已发现的中国早期铁器的年代可比较确切地追溯到公元前9世纪，从这点上看，中国铁器的使用时间确实比中亚或西亚要晚。有学者根据文化、技术等方面传播因素，认为中国铁器和冶铁技术源自西方是可以理解的。而陈旗磨沟公元前14世纪人工冶铁制品的出土，把中国人工冶铁制品的开始使用时间提前了约500a，与河北藁城铁刃铜钺这一陨铁制品的年代相当，亦与西亚地区有意进行冶铁活动的年代相当或略晚。因此，需要在更加广阔的考古背景下进行更加深入的研究，重新思考中国冶铁技术起源这一重大问题。
图12 甘肃礼县出土春秋时期铁鼎的金相组织照片
陈旗磨沟遗址出土数量众多的齐家和寺洼时期的铜器。而齐家文化是迄今为止集中出土早期铜器的考古学文化中年代最早的，是早期铜器数量与种类显著增加的时期，对研究中国冶金起源与早期发展意义重大。[29]安志敏、[30]胡柏（Louisa G. Fitzgerald-Huber）、[31]孙淑云、[32]梅建军[33]等学者已对齐家文化铜器、冶铜技术的起源及其外来影响进行过深入讨论。但就像齐家文化中是否存在“土生土长”的冶金技术或冶金技术创新难以判定一样，如何判断陈旗磨沟铁器的性质也是困难的。
如果陈旗磨沟铁器是自西方传来的话，也就意味着可能会有更多的早期铁器在这一地区、河西走廊和新疆出土，然而由于考古资料的不可预知性，这种研究工作只能寄希望于更多考古资料的发现与再发掘。如果陈旗磨沟铁器是本土制作的，那么应该具备相应的技术条件，而根据墓地出土铜器的检测分析来看，冶铁技术的出现亦有可能。所以铁器起源的研究不能仅仅看单件器物的出土，更应注意其文化背景及文化交流等情况。
图13 陕西韩城梁带村出土铁刃铜刀（上）、戈（下）之铁刃部分的金相组织
韩建业指出，在新疆青铜时代考古学文化表现为西强东弱，影响和传播的大方向也是由西而东、由北而南；早期铁器时代偏早阶段文化格局显然转变为东强西弱，影响和传播的大方向变为从东到西、由北至南；至于早期铁器时代偏晚阶段，汉文化、匈奴文化的影响日益加强，并最终与新疆土著文化融为一体，[34]这一文化现象是否与铁器的传播与交流有一定联系值得探讨。赵化成发现公元前5世纪中叶以前中国人工铁器多出土于包括新疆在内的中原地区偏西地区，[35]这是一个值得注意的现象；但因资料的缺乏以及冶金考古研究的相对滞后，所以关于西亚冶铁技术向新疆的传播以及新疆、甘青和中原地区早期铁器的交流与互动问题，应是将来的研究重点。
关于中国冶铁技术的起源，首先需要说明的是中国古代其实有两种冶铁技术体系，一种是块炼铁和块炼渗碳钢体系，一种是生铁和生铁制钢体系，两者既有一定联系，又有一定区别。目前看来，中原地区出现铁器的时间晚于西北地区，中国出现铁器的时间晚于西亚地区，生铁冶炼和生铁制钢体系也晚于块炼铁体系。中国古代生铁技术体系的特色十分明显，不可否认的具有独立起源的技术与社会基础。陈旗磨沟公元前14世纪块炼铁（渗碳钢）制品的出土，为我们思考中国块炼铁技术的起源提出新的问题——是冶炼技术偶发性的产物，还是成熟阶段的产品？是本地独立生产的，还是自其他地区输入的？是使用工具，还是装饰性器具？种种迹象表明，中原地区的块炼铁技术源自中亚和西亚地区的可能性是存在的，新疆和甘青地区可能是这一通道，随着文化交流和汉文化的西进，生铁制品或生铁冶炼技术传播到甘肃、新疆的证据也是明显的。由此可见，中国关于冶铁技术起源和交流问题的研究任重而道远。
附记：北京科技大学韩汝玢、梅建军教授，北京大学李水城、吴小红教授和潘岩工程师给予大力支持与帮助，在此表示感谢。
2012年
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Abstract
In recent years, a number of early ironwares were unearthed in Northwest China, one of the important areas for the study on the origin of iron smelting. Especially since 2008, Gansu Institute of Cultural Relics and Archaeology and Northwestern University jointly excavated Mogou Site in Lintan County, Gansu Province, and found remains of Majiayao, Qijia and Siwa cultures, among which 2 pieces of ironware were unearthed from the tombs No. M444 and No. M633. This provides new clues for the study on the origin of China’s iron smelting technology. This paper offers the preliminary results of the studies.
图版
M444部分随葬品及出土位置
1．M444头龛及铁条出土时位置；2．铁条（M444 : A7）；3．铁锈块（M633）
【注释】
[1] 本项目得到中华文明探源工程、指南针计划、国家自然科学基金（批准号：51074010）和教育部人文社会科学重点研究基地重大项目（10JJD770014）的资助。