摘要
中國青銅技術本土起源，是長江中遊上古大文明的貢獻。從最早認識氧化銅礦和發明還原法，到了石家河文化常用氧化銅與硫化銅搭配著冶煉，並自行原創發明了錫銅以及錫鉛銅三元合金技術。少量發現的鑄造的小型銅器直接顯示，石家河人熔銅並用銅液鑄造，應歸類為青銅文明。
石家河文化考古遺址中已可見相對完整的冶銅操作鏈及相配套的工具和器物。包括用來打碎礦石、洗選礦、研磨礦料粉、鼓風、冶煉、熔銅液、鍛造、鑄造、加工銅器等等。大部分工具的性質與其它古文明冶銅工具頗為相似，但石家河冶銅技術最獨特具代表性的工具是胎很厚的陶質煉缸。厚重而夾粗砂的煉缸陶片經常見於石家河文化冶煉遺蹟，並伴出大量炭末、燒土和各種灰燼坑，裡邊偶爾還會發現煉渣。但是由於長江中遊的冶煉技術已足以從礦料全部提煉出銅，所以石家河文化煉渣富含矽、鐵、鋁而很少會檢測出銅。
在石家河文化社會中，已將冶煉上升到精神層面，在祭壇上進行與冶煉相關的禮儀，與之相關的還有祭壇設置與安排，如擺放套缸。在其精神文化中，煉缸內部被視為全新生命產生之處，因此煉缸內部空間充滿神秘意義。石家河人亦隨葬煉缸或用煉缸做甕棺，寓意轉化與永生。
從石家河文化中期以來，因冶銅需求和規模增加，發展出可以批量生產的固定式熔銅爐以及長條形龍窯式煉銅裝置。同時，因礦業、冶銅業走向專業化，冶鑄技術深入礦區，在礦山邊安排專業化遺址。在礦區定居的工匠社會為冶銅技術進一步創新和突破做出了重大貢獻；同時，專業工匠們在尋求和實驗不同爐壁材料的基礎上，從爐壁瓷化現象觀察到硬陶製作方法，從而在無意中開啟了另一場新的材料技術革命。
石家河時期東亞其它地區都沒有同等程度的技術，正是石家河青銅文明奠定了其後高度發達的商青銅文明的基礎。因此，「中國青銅文明外來」的理論恐要被商榷。
關鍵詞：長江中遊、石家河文化、冶金考古、操作鏈、青銅文明 煉缸
作 者：郭靜雲、邱詩螢、郭立新
出 處：《南方文物》2019年第4期，第67-82頁。
一、前言
石家河文化因在今湖北省天門市石河鎮發現的最大遺址而得名。石家河文化的中心地帶是古雲夢澤周邊諸城，該文化整個分布範圍包括今湖北大部、湖南洞庭平原以及河南南部。在石家河文化遺址中，經常會發現銅料、小銅塊，還有和冶煉活動相關的遺蹟、遺物。目前所知已明顯有冶煉活動的石家河文化遺址，包括漢北地區石家河、殷戴家灣、屈家嶺、一百三十畝；隨棗走廊金雞嶺；幕阜山區大路鋪、觀音堖、香爐山、蟹子地、堯家嶺、童家；洞庭平原七星墩、車軲山等等。令人遺憾的是，長江中遊氣候、土質、水網密集等自然條件，都不利於在土中保存小銅器，尤其是因為小件銅器的抗鏽蝕能力很差。除此以外，幾千年以來人們生產生活活動頻繁，包括稻作水田、房屋、村落、城市等大規模的建設，都嚴重影響甚至破壞冶銅相關遺存，使得在田野發掘中辨別、認識冶銅遺存並非易事。而且長期以來由於潛意識中以黃河流域為中心的成見，導致對長江中遊早期文明的系統性忽視和遮蔽；所以，甚至在考古發掘中已然發現了的銅塊也經常不被記錄，留下來的少量記錄也模糊不清，沒有得到仔細深入研究。
饒是如此，隨著石家河文化遺址發掘增多，仍不斷地有新的冶銅遺存發現。這些發現使考古界對石家河青銅文化性質的認識，正逐漸從完全否認到半信半疑；目前大體上已能接受在石家河文化遺址中會出土銅料這樣一種事實。不過對出土銅料的遺存的性質，學界還遠未有共識，經常只是將其當作用途和目的不明的孔雀石原料；在講到中國青銅文明歷史時，總還是習慣性地從西北地區河西走廊講起。
筆者的研究表明，中國青銅技術「西來說」至少從兩方面不能成立。第一是時空及文化交流方面存在矛盾，第二是冶鑄技術、礦料、煉法及合金髮展的規律頗不相同。
就空間、路線及文化交流層面來說，雖然河西走廊通過黑水河和居延海綠洲可以通到南草原和阿爾泰地區，但實際上，殷周之前在此路線上沒有發現任何交流的足跡。從陶器、工具、聚落、農作物、墓葬結構等方面來看，無法看出黑水地區的文化有源自中亞文化的因素。而且，若為西來，則越西邊出現銅應越早。但實際上，無論是河西走廊的西城驛，或者黃河中遊的陶寺，其冶煉活動的年代卻早於其西鄰的南草原煉銅遺址。[1]而如果在這方面將河西地區早期冶煉遺存與長江中遊早期冶煉遺存進行比較，則不難發現，長江中遊年代早得多：河西地區西城驛文化早期冶煉遺存的年代上限為公元前2200年左右，[2]那時候在長江中遊早就有專業化的錫銅冶鑄技術（後石家河文化），而最早的冶煉遺存不晚於公元前3800年（大溪三期文化和油子嶺文化）。
從技術層面來說，長江中遊的技術成型早，長期發展，因此與同時期西北地區技術比較，更加穩定和發達，並了解如何配合不同礦料而建造不同結構的煉爐。比如說，根據筆者觀察，以西城驛文化的煉爐技術，沒辦法從氧化銅礦提煉出銅；也用肉眼可以看到煉渣內有尚未提煉出來的銅料顆粒；對爐內附渣做掃描電鏡觀測表明，其煉渣確實含有很多未提煉出來的銅料（爐渣裡含銅比例為3%─9%），其中包括標誌著氧化銅提煉失敗的赤銅（氧化亞銅cuprite, Cu2O）廢料（圖一）。此外，西城驛文化選礦並不嚴謹，雖然可能以次生硫化銅為多，但就煉渣的成分來看，經常將不同的礦石放在開放灶式的煉爐裡燒，導致廢棄料多[3]。而長江中遊選礦嚴謹，提煉很乾淨。以時代比西城驛還要早200－300年的湖北陽新大路鋪遺址東區第8層的爐渣為例，其銅含量或者只有萬分之幾（硫化銅的爐渣），或者為零（氧化銅的爐渣），只有少數煉渣含銅量比例會到達百分之一（圖二，表三）[4]。這是因為長江中遊地區自公元前第四千紀以來就已嘗試冶煉，先採集地表的孔雀石，地表採完後再開採，且自行原創冶煉氧化銅礦的技術，並從石家河文化中期以來（約公元前2700年起），還可以見到氧化銅及硫化銅搭配的冶煉法。從技術與文化發展的脈絡來看，商青銅文明也主要傳承石家河青銅文化，屬於長江中遊冶鑄技術脈絡。
圖一、1─2.西城驛文化爐渣；3.爐內附渣掃描電鏡觀測（摘《考古與文物》），紅圈為筆者標出的Cu2O廢料。
圖二、大路鋪遺址早期遺存的爐渣和礦渣：爐渣03ET2407⑧:13（含銅0.04%）；爐渣03ET2507⑧:3（含銅0.00%）；爐渣03ET2507⑦:24（含銅0.03%）；礦渣03ET2506⑦:20（含銅1.19%）。
筆者在研究長江中遊商代之前的冶煉問題時，遇到的最大困難是銅器和銅渣等作為直接證據的資料太少。原因在於：第一，石器製造或留下很多石片、石塊等廢料，而長江中遊人所用的礦料幾乎不會留下冶煉廢料；第二，在使用過程中用壞破碎的石器、陶器被有效再利用的比率很低，而用壞破碎的銅器被有效再利用的比率很高。石器用壞後，有時候會重新加工，以新的功能使用，但最後還是會形成廢器實體，甚至可以看到前後不同的使用痕跡。陶器不再使用後，均被棄置於土中，仍會以破碎形式存在，所以被考古者發掘到的可能性較高。但是，銅器若壞，則很少被丟棄而埋藏於土中，被重熔重製的比例非常高。因此田野考古發掘偶然發現的銅器件數遠不能代表曾經實際使用過的銅器數量，後者要遠多於前者。尤其是夏商時代之前，當時還沒有形成象後世那樣的製造永寶用禮器的傳統。青銅禮器是一次鑄造，極少會被重熔再鑄，所以留下來的器物很多；而銅質工具一般會被重熔重製，所以留下來的器物少。由於早期製作的主要是小型工具或裝飾品，所以重熔重製所造成的考古資料損失，是各地早期冶金考古研究中都會遇到的難題[5]。
除此之外，長江流域還有其自身特殊性：小件銅器在該地區肥沃的泥土中被埋藏數千年後，多會經過化學反應而完全失去原貌。比如說在溼暖的環境中，氧化銅吸收水與碳化物，以自然的方式重新回復到原來碳酸氧化銅的狀態，即孔雀石（malachite, Cu2CO3(OH)2）或石青（藍銅礦azurite, Cu3(CO3)2(OH)2）：
Cu2O+ H2O+CO3→Cu2CO3(OH)2
2CuO+ H2CO3→Cu2CO3(OH)2
2CuO+ H2O+CO2→Cu2CO3(OH)2
3CuO+ H2CO3+CO2→Cu3(CO3)2(OH)2
自然界實際發生的過程當然更複雜一些，但總體來說，銅鏽被碳酸化後，就變成為典型的孔雀石。
在富含有機物的土壤中氧化銅還會經過磷酸化的反應。測試表明，長江中遊肥沃泥土中富含磷酸鹽，若氧化銅埋在這種土裡，從自然環境會吸收磷酸和羥基而產生磷酸氫銅[6]，形成所謂「假孔雀石」（pseudomalachite，包括吸收水份最多的藍磷銅cornetite, Cu3PO4(OH)3；水分少一些的reichenbachite, Cu5(PO4)2(OH)4和libethenite Cu2PO4(OH) 等假孔雀石結構：
3CuO+H3PO4→Cu3PO4(OH)3
5CuO+H4P2O7→Cu5(PO4)2(OH)4
2CuO+HPO3→Cu2PO4(OH)
次生的鹼式碳酸銅與次生的鹼式磷酸銅這兩類氧化礦物一起出現在銅鏽上。
不過上述次生礦化現象，還算是最輕微的反應（在此情況下我們還有機會發現銅料），更多見的則是小型銅器完全粉末化，混在黏土中而無法辨別出來。在此情況下，田野發掘者會根本沒辦法發現有形狀的、可辨識的銅器。因此不能僅僅只根據發現銅質標本的數量少就低估當時冶銅和使用銅器的規模。
本研究首先了解和掌握冶煉科學技術的一般規律和要求，嘗試匯整早期冶煉遺存的各種細節，仔細觀察其間的呼應、搭配耦合與差異，通盤思考隱藏在各種直接和間接證據之下的線索和脈絡，從而嘗試釐清石家河文化冶銅技術與文化發展的整體情況。由於已有足夠的直接資料證明，長江中遊地區自創發明了冶煉技術，併到石家河文化時（約公距今5000年起）已形成青銅文明；是故，本文擬從不同的角度討論石家河青銅文明的面貌，包括冶鑄技術的操作鏈和走向專業化的發展，以及冶鑄銅對社會和精神文化的影響等。
二、石家河文化使用礦料與礦業的萌生
（一）從純氧化銅礦的冶煉到氧化銅礦與硫化銅礦搭配的冶煉法
就銅礦性質來說，硫化銅礦脈均埋藏於地下，而在地表上銅料受到空氣的影響而形成氧化銅，主要是碳酸氧化銅。所以人們基本上是從氧化銅礦開始認識銅，尤其是氧化銅礦外表為藍綠色，絢麗醒目，容易引起人的注意。如果在原來沒有冶煉過氧化銅的地區，從一開始就看到冶煉硫化銅的遺存，這基本上可以說明，該地區的人們並不是獨立自行認識到銅料，而是從其他地方了解到，所以有目的性地挖礦，從礦脈中開採。譬如，黃河流域及河西地區未見逐漸認識從氧化銅到硫化銅的過程，而長江中遊早期的冶煉無疑是從在地表上看到並有意識採集氧化銅礦石開始的。
不過，氧化銅礦石因裸露於地表而易於發現的事實，並不說明它容易冶煉。以西城驛為例，河西走廊早期煉爐在氧化氣氛中冶煉銅礦而無法從氧化銅礦中提煉出銅。這是因為在氧化氣氛裡，既使增加溫度卻仍不足以獲得金屬，甚至如果能夠到達1232℃，也只是會熔化成氧化的銅液，需要到達1800℃，化學結構才會衰變。
碳酸氧化銅礦主要性質是孔雀石和石青，後者不穩定，在長江中遊溼潤環境下容易吸收水變成孔雀石：2Cu3(CO3)2(OH)2+H2O→3Cu2CO3(OH)2+CO2，因此，長江中遊礦山雖然有石青，其比例遠低於孔雀石。不過在冶煉中，石青的反應與孔雀石一樣，冶煉法亦相同。第一階段是從250℃開始，從孔雀石中產生水氣、二氧化碳以及氧化銅（黑銅tenorite, CuO）；第二階段則在550℃以上（在710℃以上較為穩定）發生氧化銅與一氧化碳的反應，產生二氧化碳和金屬銅。
I.（孔雀石） Cu2CO3(OH)2→2CuO+H2O↑+CO2↑
（石青）Cu3(CO3)2(OH)2→3CuO+H2O↑+2CO2↑
II. CuO+CO→Cu+CO2↑
除了鹼式碳酸銅之外，還有鹼式磷酸銅（即所謂「假孔雀石」）， 其結構的基礎依然是氧化銅（CuO）。不過這在自然界是極罕見的礦物，更多僅見於次生的銅鏽，因此對冶銅歷史不起作用。
冶煉氧化銅的關鍵之處在於使用溫度高但抽力低的煉爐，在缺氧還原氣氛中才能發生化學反應。在實際操作中，為了增加溫度就必須增加氧氣，這就使得在爐內同時獲得高溫和一氧化碳是一件並不容易的事，所以需要很精準的技術，才能達成氧化銅全部反應成金屬銅。長江中遊從大溪文化以來，已穩定掌握在保持還原氣氛的同時達到高溫的燒陶技術。由此可見，長江中遊早期冶煉起源符合兩個互不可少的條件：既有充足的機會在生活區附近地表發現氧化銅礦而開始認識銅料，又具備足夠從氧化銅礦提煉出金屬銅的技術。
不過，零星公布的煉渣資料表明，到了石家河文化中期，已開始採用氧化銅及硫化銅搭配的冶煉法。[7]這種情況一邊表明，人們已不僅是從地表採集礦石，而已經開始在地表之下的礦脈裡開採。考古資料也補證，石家河文化時，在礦山區大量出現定居遺址，這是石家河文化礦業發展的直接指標，專業工匠在礦區生活，開採、加工礦料，並進一步認識不同性質的礦物，這使他們有機會發現，如果地表的孔雀石與埋在其下的銅藍石（硫化銅covellite, CuS）、輝銅（硫化亞銅chalcocite, Cu2S）等硫化銅礦一起冶煉，其效果比單獨冶煉孔雀石好得多。
這是因為，一方面硫與氧發生反應時會釋放熱量，具有自熱效應，起到增加爐內溫度的效果；另一方面硫有還原劑作用，吸收氧氣產生二氧化硫，使爐內還原氣氛增加。所以，氧化銅礦與硫化銅礦放在一起冶煉，有利於在爐內形成穩定的高溫還原環境。
我們以搭配孔雀石與銅藍石為例觀察還原銅的過程。爐內的化學反應經過三個階段。第一階段，從250℃開始從孔雀石中飛出水氣和二氧化碳氣體並產生黑銅（CuO）。第二階段，爐內溫度在達到358℃時，開始發生從銅藍（CuS）出硫衰變為輝銅（Cu2S，又稱為「白冰銅」）的現象，而自由的硫發揮其還原劑作用，從氧化銅吸收部分氧，產生赤銅（Cu2O）和二氧化硫氣體（如果用輝銅礦就沒有這個第二階段）。第三階段是輝銅與赤銅（或與黑銅）產生化學反應，以還原金屬銅而飛出二氧化硫氣體。
I. （孔雀石+銅藍）2Cu2CO3(OH)2+2CuS→4CuO+2CuS+2H2O↑+2CO2↑
（石青+銅藍）4Cu3(CO3)2(OH)2+6CuS→12CuO+6CuS +4H2O↑+8CO2↑
（孔雀石+輝銅）Cu2CO3(OH)2+Cu2S→2CuO+Cu2S+H2O↑+CO2↑
（石青+輝銅）2Cu3(CO3)2(OH)2+3Cu2S→6CuO+3Cu2S +2H2O↑+4CO2↑
II.（孔雀石+銅藍）4CuO+2CuS→2Cu2O+Cu2S+SO2↑
（石青+銅藍）12CuO+6CuS→6Cu2O +3Cu2S+3SO2↑
（孔雀石+輝銅）2CuO+Cu2S
（石青+輝銅）6CuO+3Cu2S
III. （孔雀石+銅藍）2Cu2O+Cu2S→6Cu+SO2↑
（石青+銅藍）6Cu2O+3Cu2S→18Cu+3SO2↑
（孔雀石+輝銅）2CuO+Cu2S→4Cu+SO2↑
（石青+輝銅）6CuO+3Cu2S→12Cu+3SO2↑
從以上公式可知，孔雀石、石青、銅藍、輝銅，都可以一起冶煉，相輔相成，所有的礦料都同時會還原成金屬銅。從上述公式另可見，在沒有一氧化碳的氣氛中，也會發生還原反應。不過在實際操作中，為了增加溫度需要鼓風，加壓輸入氧氣，為抵消爐火的氧氣，因此也需要一氧化炭參加反應。硫和碳互補吸收爐內的氧氣，以在保留高溫度的同時，增加還原氣氛，接著從氧化銅吸收氧，以全部還原金屬銅。由此可見，這是一種無廢料的化學生產方式。只是如果加斑銅礦或黃銅礦，煉渣中會含更多的金屬鐵。這也確實是石家河文化和後石家河文化的煉渣的共同特點。
總而言之，硫化銅與氧化銅互補搭配的煉法是效率最高，銅料損失最低的生產方式，古冶金專業試驗數次證明這一點。[8]而石家河文化中期以來的冶煉遺存表明，長江中遊地區先民此時開始從地下礦藏中開採氧化層之下的硫化銅礦，因此有機會發現這種搭配不同銅料的冶煉方法的優勢。
石家河人在礦山區開拓和定居，除了開採銅礦，也增加各方面的試驗，尋找更堅固、易鑄、耐用的材料，所以開始有意識地添加其他礦物，由此獨立自創發明了合金技術。
（二）自創錫銅合金技術的蛛絲馬跡
很多石家河文化遺址出土銅的碎塊，其實包括礦料、冶煉廢料、器物殘塊等。雖然是在問題意識不足，甚至有偏見而傾向於否定冶銅技術的情況下所做的發掘，卻仍然能夠在很多遺址發現銅塊、銅料，說明數量其實已經很多，銅已普遍進入當時人們的生活。不過，大部分銅塊的性質不清楚，早期發掘大部分沒有公布照片，最近出土的，雖然能看到，銅鏽很深，形狀不明，成份結構分析很少。但是從少量做過成份結構分析的標本可知，石家河銅器中已有含鉛和錫，證明石家河文化已從紅銅冶煉時代進入到青銅時代，並自行發明了錫銅技術。
最早的出土記錄源自石家河遺址羅家柏嶺的玉器製作坊，裡面發現青銅工具碎片，雖然沒有做過成份分析，但由於紅銅性質過於柔軟，不適合用於雕刻玉器，所以推測這種治玉工具應該屬於青銅。[9]
接著我們要提到的是石家河城內鄧家灣出土的銅刀（T42:11）。關於其成份結構，早晚不同時期的檢測結果不一致，銅之外或檢測到鋅和鉛，並無砷，或檢測到砷，並無鋅，迄今未見有更詳細的研究。[10]這件紅銅、青銅或黃銅（Cu-Zn合金）刀，在湖北省博物館展出時，展廳曾有說明：「這是目前長江中遊新石器文化所見唯一的金屬冶煉遺物。」這種說明有著兩個關鍵問題。第一，迄今已累積不少從油子嶺文化以來的與冶煉活動直接有關的資料和證據，所以這並不是「唯一的金屬冶煉遺物」；第二，既然早已有冶鑄技術，就不能再稱之為「新石器文化」，石家河文化已是頗為成熟的青銅文明。中國學界習慣以大型青銅禮器的出現作為青銅時代到來的標誌，這與世界上通行的考古學時代的定義有很大落差。比如，草原地帶被公認為青銅時代的「安德羅諾沃文化」，其銅器其實都不大，實際發現的數量也不多，很多遺址雖然有冶煉活動的遺蹟，但卻沒有發現銅器。如果採用這種標準，是不是安德羅諾沃文化也應該被稱為「新石器文化」？恐怕不妥，所以這是我們需要改變態度，採用國際標準定義文化性質。此外，鄧家灣標本AT203:35含鉛和鋅，且其銅的比例達到67.77%[11]，說明其原本有可能是某個青（黃）銅器的部件，因為未做進一步檢測，具體情況尚難以判斷。其他更多石家河遺址出土的銅塊只是被簡單提及，但沒有被檢測過，甚至免記錄。
有關鉛料來源，幕阜山區的湖北陽新縣銀山遺址處於鉛鋅礦區（圖二一：9），可惜，遺址被後期法雨寺建築破壞。此外湖南平江縣屬於石家河文化晚期、後石家河前段的童家遺址也位於鉛礦區（圖二一：11，表一）。該遺址的興起是否與開採鉛料有關？這個問題還需要進一步研究。
屈家嶺遺址石家河中期地層出土了一件外形似斧的銅錠（2016HQQTN26W4110:5），絕對年代為公元前2600－2500左右[12]。該銅錠是提煉出的銅顆粒一起熔化、備於鑄造的半成品；或許也可能是把用壞的銅器放在一起重新熔化而做成銅錠，用於重新製造銅器。（銅器若壞，很少會被丟棄或埋藏於土中，其被重熔重製的比例非常高。）屈家嶺遺址出土的銅錠標本還保留有熔銅坩鍋或煉缸底部的弧形底部形狀，是目前所知東亞最早的銅錠（圖三：3）。對其成份的分析表明，其以純銅為主，不過同時也含一點錫料（表二）。該銅錠裡錫的含量明顯超過自然雜質的成分，但又未達到人工合金的比例。參照其他地區古代青銅器的研究經驗可知，與這種含錫比例最相符合的情況是銅器重製。這是因為，在重製的時候，將原本為紅銅或青銅質的廢器放在一起重新熔化鑄造。通過這種方式混合，使得錫的比例變得很少，但卻超過一般礦物中含有的天然雜質量。當然，亦可能存在其他情況，所以該問題迄今並無確定的答案。我們只能從前述事實做出初步假設，即石家河文化應該已經認識到錫，且慢慢開始用錫料做合金。當然，將來有待於發掘更多資料和證據，並進行深入研究，才能釐清長江中遊社會發明Cu-Sn合金的具體年代。
有關石家河文化的錫料來源，在鄂湘贛三省交界的幕阜山區有易開採的錫礦，礦區邊上有石家河文化和後石家河文化遺址，如通城堯家嶺遺址等（圖二一：13、表一），這可以直接證明錫銅合金是本土起源的。此外，大冶香爐山遺址調查時發現了錫鉛銅的煉渣，在其旁邊發現典型的屈家嶺文化陶片及以降的遺物，故雖然香爐山煉渣標本的年代尚不能確定，但也有可能屬於石家河文化。[13]除了幕阜山區，我們在贛西北的九嶺山脈調查時，也發現有容易開採的錫礦砂，且其周圍有古人活動留下的遺存，根據從其中一處遺址的文化層下部採集的碳樣所測得年代，其年代上限為公元前3600左右（表一）。該地區較多的遺物具有石家河時代的風格。具體礦藏和採礦情況、年代和文化關係等，還需要詳細調查和研究。
到了石家河文化晚期至後石家河文化時期（初步評估其絕對年代約為公元前2400~公元前2000年間），在陽新大路鋪遺址第七層冶煉區中出土了一件特別有意思的三元合金銅片（03ET23077:13，圖三：1），這可能不僅是中國，甚至是世界歷史中最早的錫鉛銅三元青銅合金之一。該銅片呈綠色扁平狀，檢測其成份有Cu 19.84%、Pb 25.02%、Sn 41.34%、Fe 7.07%[14]。這塊銅片的成份，銅、鉛、錫比例均高於自然生成礦物的比例，顯然是人為添加而成。只不過，其合金比例極不合理，錫的含量過高，而銅的含量過少（這或許應該考慮銅鏽流失的因素）。這種比例在鑄造時就足以使器物破碎（含30%以上錫料的合金特別易碎。或許為了減少易碎的後果，該銅片又加入過多的鉛，但仍無法解決問題）。「從成份構成來看，這應該不是器物的殘片，而是反映古人的試驗，說明其時尚處於努力提升冶煉技術，鑄造大型堅固青銅器的摸索和試驗階段。」[15]所以這可能是4000多年前長江中遊某位冶煉專家的試驗品，也是一件具有世界性意義的重大發現。
合金技術的起源與發展，首先涉及到礦源問題。由於西亞地區早期合金以砷青銅（Cu-As銅和砷的合金）為主，錫青銅相對晚出。學界以西亞為榜樣而普遍認為，冶煉發展從純銅經砷銅到錫銅。就銅礦結構來說，氧化帶下部的膠結帶常有黝銅礦脈，包括以Cu12As4S13為基楚的砷黝銅礦，如Cu6[Cu4(Fe,Zn)2]As4S13等。學界一般認為，因為含砷的銅硬度高，經過多年的經驗，古人開始故意選擇這種天然含砷的銅料，之後認識並能提煉出砷而開始做砷銅合金。這種理解相當合理，但是忽略了砷黝銅並非主礦，而是以脈性的形式零散地出現。砷黝銅脈有時候會包含在斑銅礦（bornite, Cu5FeS4）或黃銅礦（chalcopyrite, CuFeS2）等主礦內，但有時候只是在其它基巖中作細小的礦脈。其次，砷黝銅脈在西亞、歐洲有較密集的堆積；而在東亞較稀薄、並非普遍，雖然中國境內黃河中遊的中條山、長江中下遊的安徽地區、內蒙古的林西銅礦大井均有此類銅料，但礦脈小、含量也相對低；至於長江中遊地區，砷黝銅脈更少。由於這種自然情況，東亞地區尤其是長江中遊並沒有發現所謂「砷銅階段」[16]。同理，學界以西亞為榜樣而普遍認為，對銅料的認識是從用孔雀石做裝飾品開始，然後進一步了解從孔雀石還原銅。但是這種模式卻不符合長江中遊冶煉發展的歷程。此地孔雀石很純而缺鈣，因此易磨碎而不能用來雕刻，所以本地對銅礦的認識不可能是從做裝飾品開始。
長江中遊零星資料表明：第一、在遺址中開始出現孔雀石，這是冶煉技術起源的指標；第二、冶煉技術似乎是經過長期的純銅階段後，在此基礎上直接發展到錫銅（中間可能還有鋅銅）[17]；第三，較很早開始用鉛，以改善金屬的屈服度。
圖三：1.大路鋪錫鉛銅片03ET2307⑦:13（1.3*0.7*0.2~0.3 cm，Cu 19.84%, Pb 25.02%, Sn 41.34%）；2. 香爐山含銻合金煉渣; 3.屈家嶺遺址出土的銅錠2016HQQTN25W41⑩:5:長9.1cm; 寬6.3cm; 厚2.5cm; 重247g。
零星的考古發現表明，從公元前第四千紀以來（從大溪、屈家嶺文化起），人們就經常來到幕阜山多種金屬礦藏區，嘗試採集銅礦料，摸索和發展採冶技術。他們應該是嘗試了解各種不同的礦石的功能，而最後自行發明了銅液流動性好而易鑄造且堅固耐用的鉛錫銅三元合金。在這些探索、試驗的基礎上，接續石家河及後石家河文化的盤龍城文化[18]，以武漢盤龍城遺址為代表，所出青銅器亦屬於銅鉛錫合金，其三元合金比例與同時代二里頭、二裡崗等黃河流域遺址所出銅器相比較，更為穩定，且按其比例製造出的青銅器耐鏽蝕，硬度和抗拉度宜於製造鋒刃器[19]。盤龍城時期除了通城錫山的錫礦之外，也開拓其它錫礦區。如江西九江蕎麥嶺遺址，被認為很可能與本地錫礦開採有關係，其年代依發掘者判斷，相當於盤龍城三至六期（圖二一）。徐長青和饒華松認為，蕎麥嶺遺址具有水路交通便利的特點，易於受控制，且其發展與盤龍城遺址鑄造大型青銅器的時間一致，所以，該遺址應與盤龍城文化開拓礦源，向贛北推進有關。[20]
我們認為盤龍城青銅器之所以比例穩定，是因為長江中遊地區經過長期摸索而確定最理想的配方，但未必把自己艱辛摸索到的「專利權」全部傳授給其他地方，以盤龍城為中心的商王國儘量對技術細節保密，國家勢力強的時候，很容易壟斷自己的技術，工匠也不會輕易溜走，因此盤龍城國外產品質量不如國內所造。
儘管迄今盤龍城遺址的發掘面積遠少於鄭洛地區二里頭和鄭偃，但盤龍城出土的銅器，無論在種類、數量和質量上，都遠超二里頭和鄭偃。河南境內所謂早商銅器也只有150餘件，其中不少是小型器物，而盤龍城出土的青銅器，總數已達400餘件[21]，這還不算早年出土或被盜挖的青銅禮器。據當地老人回憶，二十世紀四十年代，大雨過後人們提籃子到李家嘴湖濱撿取青銅箭鏃之類，有時一撿就是半個籃子[22]。此外，各個博物館收藏的部分所謂夏代和早中商青銅器，很可能源於盤龍城[23]。盤龍城青銅器的耐鏽性很高，其他地區時代更晚的青銅器常有藍綠相雜的深層銅鏽，而盤龍城青銅器全身變黑，銅病狀態較少；據此推測，那些流散到各地博物館的全身黑色的早商青銅器，有可能源自盤龍城。盤龍城之外，江西、湖南原屬於虎國文明的青銅器也耐鏽蝕[24]。長江中遊生活在最不利於保存銅器的自然環境中，早期的銅器易全鏽而變成氧化銅粉。或許因為如此，人們經過長年試驗，創造屈服度、硬度和抗拉度都很合適的最穩定的耐鏽合金技術。
從比盤龍城晚的殷墟所出土的青銅器和冶煉遺蹟，可以發現一種兩方面互補相成的規律，使我們更加理解長江中遊地區發現與掌握錫礦的重要性。一方面，學界均認同，殷墟一、二期前段的青銅器大部分是從外地輸入，而不在殷墟本地鑄造，只有到了殷墟二期後段和三期才開始在本地冶煉和鑄造，並帶有殷墟本地冶煉鑄造的某些特徵；殷墟發現的冶鑄遺蹟均屬於三、四期，如殷墟孝民屯。[25]另一方面，對殷墟青銅器合金成份的研究表明，從殷墟一、二期墓葬裡出土的青銅器，是以銅錫鉛三元合金為主，而殷墟三、四期青銅器經常表現出錫料缺乏的情況[26]。孝民屯鑄銅遺址的煉渣，雖然有銅錫鉛三元合金的痕跡，但卻以銅鉛和銅鉛砷合金為多，這種情況表明殷墟作坊存在錫料不足的情況。[27]從鑄造技術來說，殷墟三期及之後鑄造的器物也明顯不如當時南方所鑄之器。[28]
依我們淺見，這種情況所折射的歷史背景是，殷商王國在武丁時期（殷墟二期）勢力最為強大，此時很多青銅器是直接從南方獲得，尤其是高等級墓葬的禮器，有明顯是在長江流域鑄造的特徵[29]。在武丁之後，殷商勢力下降，有時候因能力不足，使其不能從長江中遊輸進足夠錫料以供本地鑄造青銅器之用。雖然東北遼西蒙東的林西縣也有可能自夏家店下層以來即已開採的銅礦及錫礦[30]，但從甲骨卜辭可知，當時此地是與殷商敵對的族團活動的舞臺[31]，導致殷商無論從哪裡獲得錫料都有一定的難度。與此形成對比的是，長江中遊自鄂北到湘贛地區所出青銅器，在商周時代的合金配比一直很穩定，一直能夠鑄造精緻的銅錫鉛三元合金青銅器。此乃因長江中遊地區銅錫鉛金屬資源豐富而全面，無短缺之虞，冶鑄技術亦經由本地文化發展脈絡得到穩定地傳承。
除了銅錫鉛三元合金之外，大冶香爐山發現了石家河文化的含銻的青銅煉渣，且檢定報告認為，銻不是所含的雜物，而是人為加入的合金成份（圖三：2）。此發現給我們一種啟發：銻料加入到青銅合金中，可增加硬度，可以鑄造薄胎青銅器。如果對香爐山銅渣的檢測準確，我們或許還可以考慮長江中遊古人對銻料早已有認識。世界最大的銻礦位於湘中地區冷水江市的錫礦山，從此地到幕阜山區的路線中間，恰好有後石家河時期的湘鄉岱子坪遺址、寧鄉羅家衝遺址以及商時期的寧鄉炭河裡遺址。從冷水江到寧鄉的交通相當便利。周圍地區曾出土很多精緻的薄胎青銅器。筆者認為，該區域從岱子坪以來，定居生活一脈相承發展到商時期，周圍的礦源對該區域經濟的發展作用，還需要進一步調查和研究。其中，銻礦料與錫礦料表面上相似，活動於湘中地區的人們也許曾經將銻料當成錫料來採集，後來才認識到銻料的質地。為印證此假設，將來需要對寧鄉青銅器成份、含銻合金及礦源等問題專門作研究，以進一步了解長江中遊的青銅合金技術。
從上述資料可知，石家河文化人已有初步的合金技術，並能夠鑄造小型青銅器（工具或小型禮器和裝飾品）。考慮到這樣的時代與文化背景，當時必然配合有整套的冶鑄操作鏈和相關工具，包括加工礦料的工具，冶金及熔銅液的設備，鑄造模具和鍛修的工具等。因此，下文擬從成套操作鏈的角度觀察石家河文化的考古遺物，以試圖復原當時冶銅技術的要點。這樣做的目的，也是期待將來在田野工作時，工作人員能夠特別注意和辨識出相關工具的殘片和工作坊的殘跡，並加以仔細記錄。
三、初探石家河文化冶鑄操作鏈
（一）礦業工具
冶金考古研究及試驗表明，冶煉之前需要做很多預備礦料的事情，包括碎礦、洗礦、分選、粉磨等。所以，在有冶煉活動的遺址中必定會有成套工具。採集或開採出來的大塊礦石首先需要砸碎，相應就會有用來碎礦的較粗重的石錘（hammerstone）和石砧（stone anvil）或石臼（mortar）；然後通過淘洗，選出銅精礦粒，就需要有洗礦鬥（scoop），礦冶遺址一般都會有這兩種功能的工具。在入爐冶煉前，還需要把礦粒進一步搗碎並磨成粉，所以需要用到較小的石臼或磨板石（abrasive plate），並搭配棒形石杵（pestle）或其它形狀的研磨石（tamper）。[32]
1、淘金鬥木器
在石家河城的內城譚家嶺出土了一件殘船形木器（圖四：1）[33]，其形狀和後世淘金鬥十分類似，這使我們能夠評估其可能的用途。
在大冶銅綠山遺址的礦井中發現幾件船形木器，被認為是淘金鬥，大約30－40釐米長，如第VII採礦井出土的淘金鬥（VII(2):03，圖四：2）。第VII礦井測年數據較多，都落在公元前1600年至公元前900年之間，這表明該採礦井的使用年代是從盤龍城三期即湯商早期至西周早期，VII(2):03標本屬於年代偏早時期[34]。這種木器也多有發現於長江流域商周時期的採礦遺址，經實驗後證明，這是一種淘洗銅礦的工具，通過淘洗使礦物光澤清晰可見，有經驗的礦工可以憑礦物質量光澤來判斷銅礦質量和種類[35]。淘金鬥之所以發現於礦井中，是因為在地下開採礦時，需要不斷辨別並明確礦脈走向，順著礦脈開採。在黑暗的地下礦井中，礦工用不同的淘金鬥分別從不同方向採集礦物，破碎和清洗後即可判斷哪個方向的礦脈含銅量高，需要向哪個方向繼續開採。
圖四1. 譚家嶺出土石家河時期淘金鬥IIIT0619⑨:15（殘長32.2，寬15.8，內深3.5，底厚約3-4.5釐米）; 2. 銅綠山出土商代淘金鬥VII(2):03（長37.2、寬8.8、內深3、底厚8釐米）。
不過，淘金鬥也有發現在礦井之外，這是因為冶煉前得藉助淘金鬥來判斷那些礦石的成色質量，剔除部分雜質，選出金屬含量高的精礦。
觀察譚家嶺出土的船形木器，與後世的淘金鬥造型非常相似，大小弧度幾乎一致。由此推論其用途也相同。可是，這一件沒有出自礦業區，而出現於石家河城中。這種現象使我們思考幾個問題。首先，淘金鬥的出現表明當時已有專門的採礦業；可是，人們仍然將採選出來的礦石運回城，或許表明這時的礦業仍處於走向專業化的早期階段。當時主要還是在城內，即在國家中心區做礦物的淘選和冶煉，也間接說明這時的冶煉還沒有成長為一般性的工業。其次，在當時將碎石轉化成金屬銅是相當重要的事情，石家河文化早期的冶煉活動經常被安排在祭祀區，可能與社會特殊祭禮活動相配。只有到了石家河文化中晚期，在冶煉專業化分工得到很大發展以後，才在礦區附近建立專業化的礦冶聚落或據點，就近冶煉。
圖五大路鋪出土商時期的遺物： 03EH105:10石砧與球型石錘（砧徑長45─54、厚8.8─10.8釐米，錘直徑5.7─7釐米）；03EH93:52石砧與球型石錘（砧長40、寬38、厚10─15.2釐米，錘直徑5.2釐米）；03EH93:54煉渣（長5.1、寬4.8、厚1.8釐米）；03EH93:55煉渣（長5.5、寬3.3、高3.1釐米）。
圖六 1─5. 蟹子地出土的遺物：1. H5:4早商時期的石砧；2. T1830③:9早商時期的棒形石錘；3. T1931③:2早商時期帶柄的棒形石錘；4. T1830④:2後石家河時期的石砧（長15.8釐米，寬11.5釐米，厚9.4釐米）；5. T1830④:10銅料（長5.4、寬2.5、胎厚2.1釐米）；6. 陽新觀音堖遺址採集的石臼；7. AT1821④:1肖家屋脊出土石家河早期的石臼（殘長20釐米）；8. AT1206④:4肖家屋脊出土石家河早期的研磨石（長8釐米）。
譚家嶺的淘金鬥出土自2011年發掘區最下面第9層，根據簡報描述，該層位除了石家河文化遺物外，也還發現一些油子嶺文化遺物，而第9層之下還有可能建於油子嶺或屈家嶺文化時期的碼頭遺蹟（即所謂木構遺蹟1）。因此，我們或許可以考慮，這件淘金鬥與碼頭遺蹟相關。礦工可能用淘金鬥分類篩選從礦區帶來的礦石，裝載礦石的航船到達城內以後，就在碼頭邊上近水處再選、將品質低的礦石剔除，分類和定價，最後才被接受，在國家中心城市內派上用場。譚家嶺淘金鬥的年代，保守來看可能為石家河文化早期，希望將來能夠有這方面的測年數據。
2、礦料磨碎工具
位於幕阜山區北端的陽新縣大路鋪是一處礦冶遺址，在其商代地層中發現幾件大型石砧，正面中部有明顯的砸擊凹痕，均發現於堆積其它冶銅廢料的灰坑中。如開口於第6層下的H105，坑中土質疏鬆，夾雜燒土、炭渣，坑裡堆積物除了幾件陶器的碎片，還有石砧（03EH105:10-2）以及與之相搭配的上面有砸痕的球型石錘（03EH105:10-1，conglobate hammerstone / tamper），以及礦石碎塊。開口於第5層下的H93，坑中土質疏鬆，夾雜燒土、炭渣，坑裡堆積物混雜，除了各種陶片和石器之外，也出土了石砧（03EH93:52-1）和與之搭配的球型石錘（03EH93:52-2），錘上明顯有砸痕，且錘身黏有綠色銅礦料粉渣，坑裡還發現有煉渣（圖五）。上述資料充分說明這種工具是用來敲碎、磨碎礦料的。
同樣位於幕阜山區北端的大冶市蟹子地礦冶遺址，在商代地層中也發現有這種石砧以及尺寸可以互配的棒形石錘（圖六：1─3）；同樣的石砧也出自該遺址的後石家河文化地層中，素麵石臺中間有近圓形的淺臼窩，其尺寸大小正可用來敲碎一同共出的孔雀石（圖六：4、5）。所以這一件粉碎礦料的工具也並非是單獨出現，同時亦發現了礦料、煉爐、煉渣等成套的礦冶跡象[36]。筆者在調查陽新觀音堖早期專業化礦冶遺址時，也發現了同樣的工具（圖六：6）。陳樹祥在對比其他資料後，認為這種工具在石家河及商周礦冶遺址中，功能相當明確。[37]
古冶金考古研究和試驗也表明，古人用較大的石錘砸碎礦石後，再用較小的石杵或研磨石來磨粉[38]。根據長江中遊的考古資料，石錘有棒形和球形，有時也使用沒有加工過的礫石；研磨石同樣也有棒形杵或較小的石球。
粉碎礦料的工具除了多見於礦區遺址外，其他遺址亦有出土。石家河遺址肖家屋脊在石家河文化早中期地層中也出土了一件石臼，雖然出土背景資料不詳，但通過對照推論其用途或許一致。同一個地層也發現有似研磨石的工具，雖然這兩件石器不在同處出土，但尺寸相近（圖六：7、8）。肖家屋脊後石家河文化早期灰坑中也發現幾件球型石錘，與大路鋪出土的碎礦用球型石錘很像，表面上也有磨碎硬東西的砸痕和碎磨塊（圖七：3）。此外，在同一個H254灰坑中發現有27件棒形石杵，旁邊的H230另發現17件（圖七：2），並有發現破碎的石砧、礪石等[39]。棒形石杵僅只堆積在這兩個灰坑中，說明它們有特定作用，而非普通器物。這種工具大路鋪也有，出土在爐壁塊旁邊（圖二五：03ET2507⑧:14）。肖家屋脊在石家河文化和後石家河文化地層中都發現有銅料，亦發現有疑似冶煉工作坊的遺蹟。[40]所以，發現這些加工礦料的工具，其實一點也不奇怪。
隨州金雞嶺遺址石家河文化中晚期地層中，同樣的棒形石杵出土於燒土灰燼區邊緣，我們同意發掘者的看法，認為其與燒土灰燼遺蹟有直接關係，而且這裡也曾有冶煉活動（圖七：1）。
圖七 1. 金雞嶺7號燒土層遺蹟和棒形石杵堆積（石杵標本左：堆積2:5，10.7x2.6釐米，54克；中：堆積2:9，9.4x1.5釐米，47克；右：堆積2:17，9x1.9釐米，43克）；2.肖家屋脊H254出土棒形石杵（左：H254:62，15.2x2.8釐米釐米；中：H254:63，15.2x2.4釐米；右：H254:64，11.8x1.8釐米）；3.肖家屋脊H254:65球型石錘（直徑6釐米）；4. 金雞嶺燒土層12①:6球型石錘（石英，直徑6.5，重291克）；5─7.金雞嶺球形研磨器：5.WNT1107⑨:12（燧石，直徑3.5，厚2.75釐米，重65克）；6.WNT1211⑥:1（砂巖，直徑3.3釐米，重45克）；7. EST0440②:2（砂巖，最大徑4.8，重162克）；8.金雞嶺出土小石臼EST0340②:12（7.2x4.7x2釐米，重65克）；9.金雞嶺石家河早期地層出土的銅料WNT1107⑦:9。
該遺址石家河文化早期的燒土堆積上，也出土了與大路鋪一樣的球型石錘，其一邊還有使用留下的疤痕（圖七：4）。這類石錘出土了好幾件。此外，還出土有小型石球，其中發現有跟銅料同出於同一個探方的石家河文化早期地層（圖七：5、9）。在附近位置的後石家河文化早期地層中，亦出土了石臼和石球，兩者尺寸互相搭配，有可能是成套工具（圖七：7、8），巧合的是，石臼的尺寸正好符合該遺址發掘報告記錄的一塊銅料的尺寸。[41]
總的來說，金雞嶺遺址既發現有銅料，亦發現有各種碎磨礦的工具，包括磨石、石臼、石錘、石杵、石砧和研磨石等，但大部分器形比大路鋪、蟹子地所出同類工具的尺寸要小，這可能是由於後者為礦區遺址而金雞嶺不在礦區的緣故。礦區遺址在石家河文化時期早已不僅是採集地面的銅礦碎塊，而且已進入到專業開採銅礦的階段，是故經常需要加工大型銅礦石塊。而金雞嶺不在礦區，其冶銅業是依靠從礦區運來的銅料，在礦井開採時，為方便運輸，早已先行將大型礦石敲碎、淘選，然後才將其運到象金雞嶺這樣的冶煉作坊專業區，進行二次加工，再磨碎成粉備於冶煉，因此這裡相配套的碎礦工具也較小。不過，金雞嶺碎礦工具的出土位置一同伴出灰燼燒土，也頗能說明其用途。總體觀察該遺址的遺蹟、遺物，筆者認為其中有不少與冶煉活動有關，將來還需要重新專門研究。
上述石質工具形狀不複雜，不能因為發現石錘或磨石就簡單地判斷為冶煉遺存，因為這種形狀的石器會還有其他用途。石器的功能問題，一定要從成套的考古遺蹟、遺物來分析。例如湘陰青山早期冶煉遺址，磨板石上的磨痕告訴我們這不是磨製石器的痕跡，而是研磨硬質砂性的材料（圖九：5）；磨板石出土於混雜著灰燼的灰黑土堆積坑裡，並共出很多燒土顆粒、三件坩鍋（圖九：4）、一件鼓風嘴（圖九：3）、一件石範（圖十三：5）。這種背景足以讓我們較為肯定地判斷，共出的磨板石應該是用作研磨礦料的。
（二）冶煉設備與相關配件
粉碎礦體之後的階段，乃從礦物原料冶鍊金屬的過程，之後才可以鍛造或再熔化銅液以鑄器。無論是從銅礦提煉出銅或熔化銅液，都需要安排高溫煉爐（smelting furance），因此需要安排適當的鼓風，在鼓風口需要有燒不壞的風嘴（tuyere）；此外，還需要製造耐火的坩鍋（crucible）等配件。
1、鼓風器
古埃及畫像石和壁畫有造型當時冶煉、鑄造過程，包過煉爐鼓風動作。在古王國的石刻可見有一群人持著空心筒口吹旺爐火。這種鼓風筒可以用蘆葦或竹子的空心杆，但是為避免其在爐子裡的鼓風嘴被燒壞，在靠近火的一端需要套上陶質管套，再用黏土密封和包裹，形成一個耐火的陶質風嘴[42]。如公元前26世紀在位的卡夫拉（Khafra）法老的Meresankh III皇后喪廟畫像石上，可見四個男生以半蹲略前傾的姿勢，口吹鼓風器，鼓風器的吹氣端很小，接近煉爐的一端因加陶質風嘴顯得較大，整體呈棒槌形；煉爐不大，豎置，弧頂密封，高出於地面；在其左邊有一位男生坐在石砧或石碫前，右手持石錘，左手按於石砧上，整個動作像是在磨碎礦料（備料用於冶煉）或者鍛造銅器（將冶鑄的產品作進一步加工）；顯然這一幅圖的兩組畫面顯示的是同一種專業冶煉生產場景的兩個互相搭配的環節（圖八：1）。在卡夫拉的兒子Wepemnefert的喪廟畫像石上，冶煉的過程用圖畫和文字表現得很完整：右邊四位口吹鼓風煉爐；中間一位倒出銅液到模子裡；左邊兩位在碫石上用鍛打的方法修正銅器（圖八：2）。在古王國石雕上，這種主題造型頗為常見，銅工以嘴吹用空心植物莖稈作的氣管，另一端連著陶製風嘴，後者放置到爐子的鼓風口內。
在古埃及新王國壁畫上可見更發達的鼓風器，這是一個用獸肚或獸皮製作的皮囊，上系一條細繩；操作時，銅工先用手拉繩，使皮囊充滿氣，然後用腳踏之，壓出的氣經風管和風嘴快速流入煉爐內，如此反覆進行，持續鼓風入爐，且雙手和雙腳並用，同時操作兩個氣囊，如參公元前15世紀第十八王朝圖特摩斯三世（Thutmosis III）時代Rekhmire喪廟的精緻壁畫，或公元前13世紀十九王朝拉美西斯二世（Ramesses II）的司庫員喪廟壁畫等[43]（圖八：3；九：7）。儘管所用鼓風器有大或小，但伸入煉爐的風嘴同樣必有陶製的套子即陶風嘴。
近幾十年以來所有的古冶金試驗和研究都表明，人們會先燒制這種陶質的風嘴（圖九：1），要麼用嘴吹氣鼓風，要麼用風箱吹氣鼓風。無論是口吹，或用手動風箱（hand-operated bellows）、腳動風箱（foot-operated bellows）等，都會有空心管插入到爐子裡，而在插入端一定會有帶陶套的風嘴。如果用口吹，只能用較細的空心植物莖杆作風管，相應地，風嘴的直徑也較細小；如果採用風箱，可用竹杆，風嘴較寬，直徑較大。
在考古情境中，用來鼓風的空心植物莖杆或獸皮風箱都難以保留下來，能看到的只會是這些陶質風嘴的殘片而已，而且這些殘片也很難有機會看出其原初的形狀，因為這些冶煉耗材在使用時會一直用到破裂、解體而成為碎片，最後成為難以復原的小塊燒土。在這種情況下，我們不能因為在長江中遊地區發現的風嘴殘片數量少而低估其意義。
圖八古埃及喪廟壁上的冶煉鑄造圖：1.摘自古王國第四王朝卡夫拉法老的皇后Meresankh III 喪廟壁畫像石（局部）；2.摘自古王國第四王朝卡夫拉法老的兒子Wep-em-nefert喪廟東壁畫像石（局部）；3.摘自新王國第十八王朝圖特摩斯三世時代Rekhmire喪廟壁畫（局部）。
圖九陶質風嘴：1.模仿安德羅諾沃文化粗泥質風嘴試驗標本（內徑約0.5釐米）；2─3.湘陰青山遺址出土的夾砂陶厚胎風嘴：2.T10③:33（長4.5、最大外徑1.9釐米）；3.H11:147（殘長3.6、外徑4釐米）；4.湘陰青山遺址出土的夾粗砂厚胎小坩鍋H11:142（口徑7.2、底徑4.3、高5.2釐米）；5. 湘陰青山遺址出土的磨板石H11:131（殘長8.6、殘寬7、厚1.5-1.8釐米）； 6.屈家嶺遺址石家河中期地層出土的鼓風嘴2016HQQ TN14W35②(殘長24.5, 外寬7-10釐米); 7.摘自古埃及十九王朝拉美西斯二世司庫喪廟壁畫。
我們從大溪到屈家嶺文化的遺存中發現有較小的鼓風嘴，其形狀和尺寸恰好符合插入人們用口吹的空心蘆葦杆之類導風管。如湘陰青山遺址發現了迄今所知東亞最早的冶煉活動遺存。遺址中發現兩件風嘴。這兩件風嘴均為厚胎夾砂紅陶，外表面呈現很多不均衡的顏色駁雜的斑塊，似為冶煉過程中受熱滲透薰染所致；其內空孔徑細小，大小尺寸恰好可以將用人嘴吹的細管塞入其中（圖九：2、3）。其中一件（H11:147）與其它冶煉工具（圖九：4、5）出自同一個灰坑；另一件雖然出自地層，但也共出有其它冶煉工具[44]。
肖家屋脊屈家嶺文化地層中也出土疑似風嘴的器物（AT10114:8），外形呈橄欖形，內孔徑細小，其一埠部窄小，可能是出氣口，另一埠部雖然略寬一點，但也只容許插入蘆葦杆之類的吹氣管[45]。
發展到石家河文化階段，已可見到相當大的陶質鼓風嘴，如屈家嶺遺址石家河文化中期地層出土的（標本2016HQQ TN14W352），其形狀大體為兩邊皆無底的圓筒形，外壁厚1.5─3釐米不均，孔內徑達到3─4釐米，符合插入竹杆作為導風管，空心內壁也留下似竹節性形狀的結構。該風嘴一端略窄小，直徑7釐米，應為出氣端；另一端略寬大，直徑10釐米，是為進氣端。風嘴外壁表面有一半光潔平滑，紅色，這應是固定在地上即泥土裡的那一部分；另一半的表面凹凸不平，有小孔，並呈現流滲而入的廢料斑塊（圖九：6）[46]。這種風嘴的出現，說明當時採用了較大型的鼓風箱，風嘴被固定安放在爐體特定位置。至於當時風箱材質和結構，是用單腔室的風箱結構（single-chambered bellows），或者雙腔室的風箱結構（double-chambered bellows），是手動式或腳動式，因為沒有保留像古埃及這樣的圖像造型，所以暫時沒有辦法釐清。
此外，模擬試驗表明，用於冶鑄業的風嘴上，表面都不會留下任何煉渣，其陶色在使用過程中也基本上不會有大的變化，這種情況增加了我們在考古情境中辯識風嘴的難度。實際上，除了鼓風器之外，固定式雙燒室的煉爐也可能會埋設導氣管[47]，所以，若在考古中發現兩端無底而中空的管形器，也許需要結合其形制、尺寸和出土情境，綜合判斷其具體作用。
熱氣流動、抽氣力和鼓風的安排，對冶煉的成功有關鍵作用。如果冶煉氧化銅，煉爐不僅需要高溫，還需要控制氧氣，以便在還原氣氛中能產生化學反應，所以在煉爐裡安排鼓風，需要同時符合高溫與缺氧這兩種互相矛盾的目標。
2、煉爐與坩鍋合為一體的煉缸：煉缸技術的發明是石家河文化出現的指標
由於長江中遊最早是用氧化銅礦冶煉（主要是碳酸氧化銅孔雀石），所以發明並發展還原冶煉法，其技術至少可溯源至油子嶺文化[48]；前述煉爐、鼓風器、坩鍋等一套冶煉工具在公元前第四千紀長江中遊大溪文化三（如青山遺址，圖九：4）、四期、油子嶺文化和屈家嶺文化已零星可見（另文再詳細討論）。到距今5000年以來的石家河文化，仍繼續使用還原冶煉法，且得到進一步發展，其中最關鍵的突破是發明了煉缸（「smelting」 vat or 「vat furnace」）。自此以後，長江中遊冶金活動穩步邁向專業化，進而奠定中國青銅技術的重要基礎，冶煉技術迅速上升並普遍化。煉缸把煉爐與坩鍋合成一體，除了作煉爐之外，還可以作熔銅爐，既可用於從礦石冶煉銅，亦可以用於熔銅鑄造。這是長江中遊發明的獨有的冶煉技術，古埃及、西亞、中亞、歐洲都未見到。
商周時期掌握青銅鑄造技術的城址中，經常發現一種俗稱為「將軍盔」的缸形煉爐，其特點是夾粗砂陶質、壁厚重、在底部特別加厚、外底部突出。經模擬實驗證實，煉缸的底部突出，與其用做澆鑄的缸式熔銅爐有關。尖厚底的設計有利於銅液保溫而不致於凝固，而且使操作者易於倒出銅液，方便澆注。煉缸厚實、多層的陶質結構，使其能夠經受短時間內（20分鐘）加溫至1100℃以上而不至於破裂，這樣的溫度足以將銅料熔化，且操作者接觸煉缸外壁時，不致太燙手，從而可以徒手操作。雖然該試驗針對的是盤龍城時代商文化的煉缸[49]，但是這種類型的陶煉缸，其實早已出現於長江中遊，其始見時代正好是屈家嶺文化演變為石家河文化之際，考慮到這種技術突破所具有的革命性意義，筆者建議將其出現作為石家河文化發生的關鍵指標之一。
屈家嶺、石家河文化交接之際，大型煉缸的碎片發現於石家河城內冶煉場所和灰燼坑中，以及其他屈家嶺、石家河文化遺址中，如漢北地區的京山屈家嶺、江漢地區的城河城、澧陽平原的城頭山、洞庭平原的七星墩、幕阜山區的大路鋪等等遺址（圖十：1─13；十三：2；二六：10；三三：2）。最早的煉缸上腹直壁，下腹斜收，小平底，在口沿部分壁厚1.5－3.3釐米；底部壁厚超過3-5釐米，多為夾粗砂紅陶，因此可以耐高溫。通常情況下，只有用作甕棺葬具或祭壇上禮器（即從實用器轉變為宗教儀式性用途）的煉缸，才會完整地保存下來；其他此類實用器，會一直使用到損毀為止，所以很難見到完整器出土，尤其是匯流銅液的底部，更難完整保存。
圖十1─13. 屈家嶺、石家河文化交接時期的煉缸：1. 城頭山M385:2葬具（口徑38，高48.5釐米）; 2.城河城出土煉缸口沿碎片; 3─5. 屈家嶺遺址出土：3. T108④:45（口徑50.3，高50.4，壁厚3.2釐米）; 4. T136(2a):1; 5. T109(2):2; 6─8.鄧家灣出土煉缸口沿部：6. H88:31（口徑46.4釐米）; 7. AT409⑥:14（口徑43.2釐米）; 8. AT 307⑥:24（口徑54.4釐米）; 9─10肖家屋脊出土：9. AT2018④:6（口徑32釐米）; 10. AT2017⑤:4（底徑10.5）; 11.譚家嶺出土4 III H23:46（口徑26釐米）; 12─13.大路鋪出土：12.口沿碎片部03ET2307⑩:1（口徑40釐米）; 13.缸蓋(？)03ET2307⑩:35（紐徑7.4，殘高3.4釐米）。14─25.石家河文化早中期的煉缸：14─15. 城頭山：14. T5361④b:2; 15.底部T5358③b:4（壁厚4.2釐米釐米）; 16─17.城河城出土煉缸碎片：16.口沿; 17.底部; 18─20. 鄧家灣出土：18. T36②:12（口徑24.8，高42釐米）; 19. T36②:13（口徑26.8，高43.6釐米）; 20. T5③:2（口徑24，高44釐米）; 21─25.肖家屋脊出土：21. H497:151（底徑22.5，殘高39.5釐米）; 22. AT2014④:8（口徑56.5，高64釐米）; 23. H400:5（口徑52，高42釐米）; 24. H497:152（口徑32，殘高36釐米）; 25. JY7:9（口徑26.8，底徑5.5，高50.7釐米）。26.石家河文化晚期的煉缸：肖家屋脊H70:26（底徑6釐米）。
石家河文化早期，煉缸技術快速發展，出現了不同形制，如小平底、尖底、尖圓底和杯形底等幾種特定形狀的煉缸（圖十：14─25；二五；二六：9、8；三三：1）。[50]在後石家河文化（圖十：26；二七）和盤龍城文化遺址中（圖十二：2─5），煉缸依然是非常普遍的器物，形狀與石家河文化一致。這一器物也更廣泛地傳播到其他地區，如江西吳城及淮黃流域。但該技術的源頭是在約距今5000年前的長江中遊。實際上，長江中遊地區還可見到時代更早但尺寸較小的煉缸。對於煉缸技術的源頭，筆者擬另文再討論。
大型煉缸的出現反映當時冶煉技術的發展趨於系統化。使用煉缸還原銅，操作簡單方便，只需要將粉碎的孔雀石和木炭都放在煉缸裡邊，點燃木炭，當缸內達到一定溫度時，將煉缸口部蓋住，控制氧氣進入，即可形成還原氣氛，使銅礦料在還原氣氛中與一氧化炭發生化學反應而析出金屬銅。如果礦料品質好、技術穩定，冶煉過程中不發錯誤，化學反應成功而缸壁也不會留下銅渣。學者們試驗也證明，用品質好的孔雀石冶煉，出銅率超過90%，且幾乎沒有煉渣，只偶爾會留下很少量的含銅量高的廢品[51]；而用長江中遊式的煉缸做煉鑄試驗表明，「陶缸內壁均未見粘有銅液和木炭屑之類的殘留物。」[52]這表明，冶煉熔銅液時，在煉缸的壁上很少會留下滲炭或塞住煉渣的痕跡，這導致檢測殘留物實體的困難。
煉缸碎片的陶色，其底色一般為紅陶，說明它們原本是在氧化氣氛下燒造的，但同時經常在表面上（主要是內壁）見到灰黑斑，如報告裡經常有諸如「夾粗砂紅胎黑陶」之類的描述[53]，其實可能是使用時在還原氣氛環境中被燻黑的斑塊或表皮。在冶煉時，如果煉缸是單獨用作爐子，會導致器內發灰發黑，器外表面仍保留原來的紅色；但是，如果將煉缸放在龍窯式的冶煉爐膛裡，因裡面爐氣（主要為一氧化碳）濃厚，會導致煉缸內外表面被燻得都發灰[54]。但是，當這些缸片保存在有機物豐富的粘土裡長達數千年之後，冶煉過程中原本很少滲碳的事實，以及原本因使用過程中的還原環境而被燻黑並附著在煉缸內的灰燼痕跡，也都已經土壤化，表現為缸內夾的灰土，這經常導致能夠反映煉缸原本用途的痕跡並不明顯或清晰可見。儘管如此，偶見的少量直接證據、模擬試驗，以及一直留傳到商周的煉缸技術發展脈絡，都提供了毋庸置疑的線索，可以證明這種器物原本是作冶煉用的。
從用煉缸提煉氧化銅的技術來思考，礦料放在煉缸中，需要特別注意礦料與入出風口之間的距離不能太近，至少需要有多於15釐米的距離，這中間的空間一般會裝滿炭，避免冶煉時發生氧化；此外，煉缸口部需要蓋住，只保留鼓風口和出煙口。用煉缸冶煉過程分兩個階段。第一是快速鼓風階段，當缸內溫度達到220℃以上時，從孔雀石粉開始提煉出氧化銅；當缸內溫度到達550℃以上時，部分氧化銅已還原成銅，但是為了化學反應全面成功，需要將溫度穩定地保持在710℃以上，因此鼓風時間應該持續十幾分鐘。第二段，停止鼓風，塞住入出風口，使缸內因缺氧而形成大量一氧化碳，這段時間缸內溫度一直不能低於710℃，這樣一氧化碳就能穩定地從氧化銅還原出純銅。同樣，若將煉缸用作熔銅爐，在獲取銅液時需要避免銅料氧化，所以工作流程相近，只是需要到達更高的溫度，所以鼓風時間略久，而後面銅液密封的時間較短。
也就是說，先大量鼓風達致高溫，後密封控制氧氣進入是兩個必要的階段。如Rekhmire喪廟壁畫所造型的，上一組有兩個人在爐子兩旁用力鼓風，另一個人用棍子在爐裡攪動；下一組兩個人不再用鼓風器，合力拿起一種蓋具放在爐口上以密封爐室（圖八：3）。
從上述技術分析可知，煉缸上必然有某種覆蓋的器物。在從事專業化冶煉的陽新大路鋪遺址，在其最下一面第⑩層的煉缸片堆積中，另發現一件似為蓋紐的殘片，與煉缸一樣為夾粗砂厚胎褐陶，其他地層也有類似的蓋片，或許就是煉缸蓋的碎片（圖二六：03ET230710:35、03EN46:16）。湖南華容車軲山遺址的整理者也有注意到與煉缸尺寸搭配的陶蓋。除了直接用蓋子，古人還會用其他缸口塞住的方式。雖然這類耗材均未保存下來，更難以復原，但是經過更系統的研究，或許能夠復原煉缸發明之後長江中遊地區的冶金操作鏈全過程。
發明煉缸之前，屈家嶺文化先民可能已會冶煉之後，把提煉出來的銅料放在小坩鍋裡熔化銅液，這種方法效率很低，一次熔化能製造器物的大小和數量很有限。煉缸發明之後，煉缸的設計使得它們在保持還原氣氛的同時，還有可能將缸內溫度維持在1083℃以上，所以能一次熔化很多銅液。上述試驗表明，一次可以熔化2~3.5公斤銅料，這意味著冶鑄技術可以走向專業化。而且人們更進一步突破從前的熱鍛造法，使鑄造技藝迅速發展。只有當人們因用煉缸而有能力獲得較多銅液之後，才會進一步思考如何使它凝結成自己所希望的形狀。綜合各種資料和證據，我們認為長江中遊的鑄造工業濫觴於屈家嶺文化之前，而到石家河文化時期迅速發展，此時可能已經發明用石範和陶範鑄造的方法。
【說明】本文出自郭靜雲、邱詩螢、郭立新：《石家河文化：東亞自創的青銅文明》（上），《南方文物》2019年4期，第67-82頁。如需引用或轉載，務請註明作者及出處。
(未完待續）