上海青龙镇唐代铸造作坊遗址出土陶范的分析研究

廉海萍，王建文，何继英

(上海博物馆，上海 200003)

0 引 言

中国上海青龙镇相传始建于唐天宝五年(公元746年)，是上海最早的贸易城镇，现隶属于青浦区白鹤镇青龙村[1]。考古发掘表明，青龙镇主要分布在吴淞江支流老通波塘两岸，总面积约2 km2。2010年，上海博物馆考古研究部首次发掘300 m2，发掘成果包括唐宋建筑基址、瓷片堆积及几百件陶瓷器[2]。2012年，对遗址进行了第二次发掘，面积约为1 300 m2，考古发掘中发现了4座熔炉以及熔炉周围堆积的大量陶范、炉渣等，确定为一处范围较大、使用时间较长的唐代铸造作坊遗址，是上海地区首次发现的冶铸作坊遗址。四座熔炉平面呈南北带状分布，南北长约14 m、东西宽约3 m，熔炉周围则堆积着大量的陶范、红烧土块、耐火砖、炉渣、灰烬等，厚约30～50 cm，陶范堆积较厚的区域计有300余平方米，不仅在靠近熔炉的这个区域有，而且在这个区域西南约40 m的另一个发掘区域也发现较厚的炉渣、陶范密集堆积区，最厚处有80 cm(图1)[3]。根据陶范及炉渣的堆积厚度来看，铸造作坊使用了较长一段时间，在其废弃后，又在其上建造了三处建筑及5口水井，其中21号水井内出土了唐代鹦鹉衔绶带铜镜、铁釜、铁提梁鼎、铁钩、银发簪等器物[3]。本铸造作坊开口于⑥层下，⑥层出土器物为越窑、长沙窑、太湖西南岸窑址器物。其中越窑玉璧底碗的挖足较宽，年代约在9世纪后半叶。同出的长沙窑瓷器也具备相似的年代特征。因此，铸造作坊的年代应不晚于9世纪后半叶，铸造作坊遗址使用的主要年代是唐代晚期。

图1 上海青龙镇唐代铸造作坊遗址中西区陶范的堆积状况和堆积剖面

中国冶铁术在公元前8世纪初的西周晚期至公元前5世纪初的春秋晚期为人工冶铁的发生和初步形成阶段，公元前119年至公元87年的西汉中晚期和东汉早期，是古代铁器工业高速发展并走向成熟的时期[4]。从唐代起一直到明代，冶铁业有了进一步的发展，在唐宪宗元和初年(公元806年)国库铁的收入数是2 070 000斤[5]，在山西永济蒲津渡遗址还遗存有唐开元年间铸造的大型铁牛及铁人等铁铸件群[6]。

为了解青龙镇唐代铸造作坊遗址出土陶范的制作技术，对遗址出土的陶范进行分析研究，以期揭示唐代青龙镇铸造作坊的制范技术。

1 遗址中出土陶范概述

遗址中发现的陶范大部分都较为残破，从中选取保留相对较好的14件陶范对其进行描述，并对所铸造的器物形制或用途进行推测。这14件陶范来自于四个探方和一个灰坑，分别为T1852、T1952、T2560、T2660和H31，陶范的尺寸和概述详见表1。

表1 青龙镇唐代铸造作坊遗址出土的部分陶范

其中11件为铸造圆形容器的外范，按底部的形状分为圜底器和平底器，残存口沿的陶范所见都为敞口，有的在口沿下设颈部，颈部下接腹部。一件陶范的口沿上设立耳，另一件陶范的腹部接有足的型腔，铸造作坊中生产具耳与足的鼎形器。唐代圆形的铁器有三足鍑(鼎)、釜、鐎斗、长柄勺等[4]，属于炊煮餐饮用具，归入日用器具类，从出土陶范所铸造器物形状看，青龙镇铸造作坊所生产的主要为炊煮餐饮用具。

两件漏斗形的陶范为浇口杯，作用是承接高温金属液将其导入铸型型腔，完成金属液的浇注。

2 样品概况

为了了解陶范的制作工艺，对遗址中出土的两件陶范残块取样进行分析。两件样品都出土于2012年发掘区域的探方T1952。样品L1(图2)型腔面呈青灰色，上附着较多棕褐色的物质，与型腔面相对的外表面呈砖红色，表面不均匀分布着呈稻谷壳形状或植物茎秆类的孔洞，断面观察到结构不同的两层：型腔面一侧结构致密的泥质层，外面一层结构缩松、有较多孔洞存在的缩松泥层。样品L2(图3)与样品L1结构相同，从残存的型腔面可以辨识出是铸造敞口圜底的圆形器。

图2 青龙镇遗址出土陶范样品1(编号L1)

图3 青龙镇遗址出土陶范样品2(编号L2)

对两件陶范进行了横截面的观察，型腔面一侧的泥质层也有二层：面层和背层，因此陶范共分成了三层制作：泥质面层、泥质背层和稻壳泥层，结构见图4。泥质面层呈青灰色，厚约1～2 mm，采用细泥料制作，呈致密状态，低倍下面层看不到孔隙。泥质背层呈灰黑色，厚约4～7 mm左右，该层羼入了一定量黑褐色、暗红色、黄白色等粗颗粒物。稻壳泥层厚约11～16 mm，设支脚的部位厚度增加，又分为内层(灰黑色)和外层(砖红色)，内外层的结构相似，该层也羼入了一定量砖红色、黑褐色、黄白色等粗颗粒物，并羼入了大量的稻谷壳和植物茎秆。陶范焙烧时谷壳等烧失，在陶范上留下了大量的孔隙，便于铸造时型腔中气体的排出。

图4 陶范样品L2的横截面形貌像

3 分析方法与仪器条件

3.1 化学元素组成分析

采用美国EDAX 公司的EAGLE Ⅲ XXL大样品室能量色散X 射线荧光光谱仪分析陶范各层的10种主量元素，测试电压15 kV，电流150 μA，束斑2 mm，测量时间400 s，真空。

由于陶范中羼杂着不均匀分布的颗粒物，而检测的面积是2 mm的圆形面积，组成分布不均匀会对化学元素组成数据造成影响，最好的方法就是对各层进行取样，研磨后进行压片制成各层的样品，避免不均匀分布对数据的影响。但是这对样品的需求量大，特别是泥质面层只有1～2 mm的厚度，需要较大的样品量才能取到足够的量制作压片样品。样品L1相对较大，采用取样制作压片进行分析。先清除样品L1表面污染物，将泥质面层、泥质背层、灰黑色稻壳泥层和砖红色稻壳泥层分层刮下粉末，研磨机研磨粉碎，在压片机上(压力30 MPa，保持时间30 s)压制成片状试样。样品L2，分别取出各层小块样品，用水砂纸磨平，放入干燥箱中105 ℃烘干3 h。

3.2 物相组成分析

采用日本理学的X射线衍射仪(型号：3KW D/MAX200V PC)对样品L2的泥质面层、泥质背层、灰黑色稻壳泥层和砖红色稻壳泥层分别取样进行物相检测，实验参数为起始角10°，终止角90°，步宽0.02°，波长1.5 406，电压40 kV，电流100 mA，扫描速度2°/min。

采用意大利Assing公司Surface Monitor 2.0 XRF-XRD联用测试系统对陶范L1型腔面上褐色附着物进行成分和物相组成分析，检测参数：电压50 kV，电流75 μA，金靶(Au La)，XRD步进角0.1°，XRD测试角度范围20°～70°。光斑直径2 mm。

3.3 植硅石分析

将样品L1的泥质层和稻壳泥层分别取样，将样品在室内用盐酸离散氧化后，用重液浮选，洗净富集，在显微镜下初检各样品植硅石含量丰富。用LEICA-DM2500生物显微镜鉴定统计。

3.4 显微形貌分析

采用低真空超高分辨场发射扫描电子显微镜观察样品的显微形貌，仪器型号：NOVA NanoSEM 230，检测电压：10 kV，工作距离10 mm。

3.5 热分析

采用耐驰公司生产的高性能热膨胀仪对样品L2的泥质背层和稻壳泥层进行了热分析，仪器型号：NETZSCH DIL-402C，检测条件：升温速率5 ℃/min，空气气氛。

4 实验结果

4.1 化学元素组成分析

检测了两件样品的10种主量元素含量，分析数据见表2和表3。检测了样品L2背层和稻壳泥层中掺和颗粒物的化学元素组成，分析数据见表4。

表2 青龙镇铸造作坊遗址出土陶范(L1)的成分

表3 青龙镇铸造作坊遗址出土陶范(L2)的成分

表4 青龙镇铸造作坊遗址出土陶范(L2)背层和稻壳泥层中颗粒物成分

样品L1和L2的泥质面层-泥质背层-稻壳泥层几种物质含量变化为：硅含量(SiO2)减少，泥质面层>泥质背层和稻壳泥层；铝含量(Al2O3)增加，泥质面层<泥质背层<稻壳泥层；铁含量(Fe2O3)增加，泥质面层<泥质背层<稻壳泥层。

稻壳泥层中的砖红色颗粒物和黑褐色颗粒物铁含量(Fe2O3)明显高于其他部位，白色颗粒物中铝含量(Al2O3)明显高于其他部位。泥质层中的黑褐色颗粒物铁含量仅略高于泥质层中铁含量。

4.2 X射线衍射仪分析结果

样品L2的泥质面层(材料1)、泥质背层(材料2)、灰黑色稻壳泥内层(材料3)和砖红色稻壳泥外层(材料4)XRD图谱对比见图5，四种材料衍射峰的角度基本一致，总体成分相差不大，只是衍射峰的强度存在差别，都含有石英(SiO2)和长石类矿物[(Na，K)(AlSi3O8)]，且衍射峰强度较强，因此主要是由石英和微斜长石构成。

图5 样品L2的泥质面层(材料1)、泥质背层(材料2)、稻壳泥内层(材料3)和稻壳泥外层(材料4)XRD图谱对比

在泥质面层(材料1)中含有有机物并检测到含Cr及Co的化合物。泥质背层(材料2)中除含有石英和微斜长石以外，还可能含有硅酸盐和磷酸盐。灰黑色稻壳泥内层(材料3)中所含的化合物种类较少主要是石英(SiO2)和一些钾、钠的硅铝酸盐。虽然EDS检测结果表明在四种材料中都有铁元素的存在，但只在红色稻壳泥外层(材料4)中检测到磁赤铁矿(Fe2O3)。

4.3 植硅石分析

陶范L2的泥质层和稻壳泥层两件样品植硅石含量丰富，共统计植硅石363粒，18个类型。陶范L2的泥质层(编号：Z14013号样)：长柱形30%左右，双齿形接近28%，尖形(小)不超过20%，帽形低于10%，另有少量的尖形(大)近25%，圆形(大)12%左右，扇形10%左右，单齿形10%左右，另有零星短柱型、扇形等，还常见草本植物的导管残体。该样品可能以禾本科植物为主，非禾本科植物少量。陶范L2的稻壳泥层(编号：Z14014号样)：长柱形近20%，双齿形16%左右，哑铃形9%左右，帽形、尖形(小)、扇形都低于10%，还有少量的帽形、圆形(小)、短柱形、鞍形，芦苇的盾形2%左右，水稻的扇形超过4%。此样品植硅石来源于禾本科植物，可能是以水稻和芦苇为主要成分。

样号“陶范L2泥质层”(实验室编号Z14013号样)和“陶范L2稻壳泥层”(实验室编号Z14014号样)植硅石组合成分的百分比见图6(图中Z14013是陶范L2的泥质背层，Z14014是陶范L2的稻壳泥层)。以上仅是样品植硅石特征及推测的植物类别。

图6 陶范L2植硅石百分图式

4.4 显微形貌观察

在扫描电子显微镜下观察陶范L1、L2，各层的背散射电子图像见图7和8。泥质面层和泥质背层以黏土矿物为主，细小的孔隙夹杂其间，观察到的颗粒物直径细小，尤其是泥质面层，未见直径较大的颗粒物，泥质背层中颗粒物的直径多大于泥质面层，也存在尺寸较大的颗粒物。稻壳泥层外表面和内部都存在较多稻壳等有机质烧失后留下的大孔洞，显微镜下孔洞之外的基质形貌比泥质层更致密，并观察到较多稻壳和秸秆形状的痕迹(图9)。

图7 陶范L1各层的背散射电子图像

图8 陶范L2各层的背散射电子图像

图9 陶范L1在扫描电子显微镜下观察到的植物纤维结构

4.5 热分析

对陶范(L2)的泥质背层和稻壳泥层(外层)进行了热膨胀曲线检测(图10)。将最表面的细泥层刮去，泥质层(标注为黑灰色泥质层)的温度点为989.9 ℃，将同一个样品的夹杂着许多稻壳的背层(标注为砖红色稻壳泥层)进行检测，温度点为991.5 ℃。二者的理论烧成温度都是约在990 ℃。

图10 陶范L2热膨胀测温曲线

4.6 XRF-XRD联用测试系统分析结果

采用XRF-XRD联用测试系统分析样品L1型腔面上褐色附着物，XRF分析的谱图中主要是铁的谱峰，XRD分析时信噪比太低，特征峰未出现，未能获得表面褐色附着物的相结构结果，但是确定该物质是以铁为主的产物，表明陶范所铸造的器物是铁器。

5 讨 论

从以上分析可知青龙镇铸造作坊遗址中出土的陶范是由三层组成：面层、背层和稻壳泥层。

泥质面层厚约1～2 mm，由细颗粒的泥料制作，能获得结构致密的表面，细颗粒能获得较大的比表面积，表面自由能高，从而获得高的强度、优良的复印性和可塑性，在铸造铁器时能确保陶范承受高温液态金属的充型压力，并得到表面光洁的铁铸件。对陶范型腔表面的特殊处理在中国出现很早，在目前中国发现最早的二里头铸铜遗址中出土的陶范上虽未发现有面层与背层的分界面，沿分型面的横截面上孔洞的分布也无规律，但明显可见陶范的型腔面和分型面上都很光滑、致密且无孔洞，表明陶范的型腔面经过了特殊的处理，采用了细腻的泥料组成[7]。岳占伟等[8]对殷墟铸铜遗址出土商后期陶范的研究也表明其中的一类陶范绝大部分由内外两层组成，内层为面范，外层为背范。面范一般较薄，泥质，多呈青灰色或浅灰色；背范一般较厚，多夹砂或含细砂量大于面范。西安窝头寨等多个汉代铸钱遗址中出土的铸钱夹砂陶背范是由泥质面层与夹砂背层组成，泥质面层采用细泥料制作，其作用是保证所铸造的金属钱币具有优良的表面质量；夹砂背层是在制范泥料中掺杂了较多的肉眼可见的砂砾，其作用是提高陶范的机械性能，减小陶范受热后的变形，有利于与金属范合范铸钱[9]。唐代的青龙镇铸造作坊沿用了制作面层与背层的这种制范方法。

泥质背层和稻壳泥层中加入了多种材质的颗粒物，这些羼和料可以减少陶范在干燥收缩和焙烧过程中的收缩，使陶范在焙烧过程中不易破裂，也有增加陶范强度的作用。李文杰先生认为在陶器中所有的羼和料如碳末、蚌壳末和砂粒等都属于瘠性原料，主要作用是：减少黏土泥料在成型时的黏性，便于制作；减少坯体的干燥收缩，提高干燥速度，缩短干燥时间；增加胎壁的强度，减少应力，防止开裂[10]。青龙镇铸造遗址出土的陶范中加入羼和料的作用与陶器中羼和料的作用相同，制范技术沿用了制陶术中的一些技术。

许多植物在其生长过程中从土壤里汲取硅元素，并将硅元素充填在叶、茎、根以及果实的细胞或组织中，使得这些细胞或组织逐渐转化为半透明状的蛋白石体(SiO2·nH2O)[11]，即植硅石。对样品L2的植硅石分析结果表明不论是泥质层，还是稻壳泥层，植硅石含量都很丰富；泥质层中检测到柱形、齿形等植硅石，还有草本的导管，但在显微镜下却没有发现植物的痕迹。张福康对稻草灰和稻米谷壳灰的成分分析(表5)表明都是以硅(SiO2)为主，稻草灰的硅(SiO2)含量为80.11%，稻米谷壳灰的硅(SiO2)含量高达94.36%[12]，对陶范L1和L2各层的成分分析中泥质面层中硅(SiO2)含量都明显高于泥质背层和稻壳泥层，泥质背层的硅(SiO2)含量略高于稻壳泥层，植硅石的来源应该是以植物灰的形式加入泥质面层和泥质背层。植硅石在陶范中能够降低陶范的蓄热系数，改善陶范的充型性能[13]。在陶范焙烧过程中有机质烧失在陶范上留下的空洞，也有利于高温金属液充型过程中型腔内气体的排出，减少在铁器上产生铸造缺陷的几率。

表5 稻草灰和稻米谷壳灰的化学成分[12]

稻壳泥层增加了陶范的总厚度，使陶范具有一定的强度。稻壳泥层分成内外二层，外层呈砖红色，XRD检测时只在呈砖红色的稻壳泥外层检测到磁赤铁矿(Fe2O3)，这是由于陶范的外表面接触空气，能获得充足的氧，在烧制过程中生成磁赤铁矿(Fe2O3)而呈砖红色，氧未能充分进入到稻壳泥层的内部，铁呈亚铁状态而呈现灰黑色。新石器时代，中国浙江的河姆渡文化和湖北枝江关庙山的大溪文化都烧造过夹植物陶，采用谷壳或植物的枝叶碎屑作为羼和料以改善坯料的成形性能和陶器的热稳定性。在陶范中加入稻谷壳早在西周时期已应用，谭德睿对古陶范的植硅石分析时在苏南地区西周陶范中检测到稻壳，指出苏南地区西周陶范显然是加入了水稻物质[13]。青龙镇同处江南地区，在1 000多年后的唐代青龙镇，在陶范制作中同样使用稻谷壳作为羼和料。

泥质面层、泥质背层和稻壳泥层，不同的组成起到不同的作用，以便能够成功铸造出铁器。

根据遗址中出土陶范复原的器形见图11，有圜底圆形容器和平底圆形容器，以圜底为多，铸造具二耳和三足的器。2012年的青龙镇考古发掘中从水井(J21)内出土了鹦鹉衔绶带铜镜3面、铁提梁鼎和铁釜各1件(图12)、铁钩、银发簪、青釉瓷罐、木雕残片等器物[3]。铁提梁鼎通高22.3 cm、腹部高9.3 cm、口径22 cm，侈口，口沿处对称设二立耳，一耳处残留一段提梁，已与口沿锈蚀在一起，颈部向内收束，腹部下收为圜底，腹中部下接三个长曲形足，一足正对一耳，耳足的分布采用的是商周时期青铜鼎早期的“耳足四点配列式”设置，与遗址中出土的陶范(T1852⑤b：17、T2660⑥：10)所铸造的器形一致。铁釜尺寸较大，通高17.8 cm、口径34.6 cm，侈口，颈部向内收束，内壁上有四道弦纹，腹部下收为圜底，形状与铁提梁鼎腹部相同，陶范(T1852⑤a：22)所铸造的器形与铁釜相似。

图11 据青龙镇铸造遗址出土陶范复原的器形

图12 上海青龙镇遗址出土的铁提梁鼎和铁釜

白云翔先生在总结隋唐时期的铁器类型“日用器具”中指出考古发现的铁炊煮用具最常见的是釜、鍑、鐎斗，以及双耳罐、铛等，以鍑(鼎)为例有四种：1)侈口、双耳、平底、三足；2)敞口、双耳、圜底、三足；3)敞口、无耳、圜底、三足；4)敛口、无耳、平底、三足[14]。从遗址中出土的陶范残块可知所铸造的大部分为侈口圜底或平底的圆形容器。一件陶范口沿的型腔处有一立耳的型腔，所铸造的是具立耳的圆形器。由于陶范残破严重，无法复原出一件完整的陶范铸型，但是可以推测出器型与隋唐时期考古出土铁釜、铁鍑、铁铛相似。

铁器的铸造技术源于青铜器的铸造，鹤壁鹿楼冶铁遗址出土的战国中期的陶范多为细泥质，到战国晚期的陶范泥质范明显减少，羼入大量稍粗的砂子的砂质范骤然增多[4]139。这是为了适应铁的熔点比铜的熔点高，需要提高陶范的耐火度而采取的措施。陕西杨凌邰城西汉早期铸铁作坊遗址出土了大量的陶范和铁渣，陶范也是以砂质泥范为主，未见明显的植物纤维痕迹[15]。与青龙镇铸造作坊遗址出土陶范极为相似的是2002年湖北省文物考古研究所等单位在湖北黄冈发现了浠水泉塘铁器铸造遗址群窑家湾遗址[16]。窑家湾遗址出土的遗物以铸造铁质器具的陶范为主，数量极大，多到难以统计，是一处铸造日用生活器具的作坊遗址。陶范所铸造的有盔形器、钵形器、大口直腹器、罐形器、盘形器、釜形器、兽面纹牌形、壶形器、器耳、器足等，最多最主要的是铸造一种日常生活用炊器三足铁釜。考古发掘工作者将作坊年代推定在宋代-明代早期，在年代上晚于青龙镇铸造作坊。根据发掘者的描述，窑家湾遗址出土的陶范分为内外两层，外层较厚，胎质为夹砂红褐陶，可见明显的粗颗粒砂石，还有较多的稻谷壳及稻梗等，结构粗糙；内层较薄，呈深灰色，结构紧密，壁面平滑。青龙镇唐代铸造作坊制作的陶范从肉眼观察也是分成两层：砖灰色的泥质层和砖红色的稻壳泥层，表明窑家湾遗址出土的陶范在制作工艺上也与青龙镇唐代铸造作坊制作陶范的工艺基本相同。在青龙镇铸铁作坊运用的制范技术和铁器铸造技术延续使用至宋-明代早期。

6 结 论

1)上海青龙镇唐代铸造作坊遗址出土的陶范由三层组成：面层、背层和稻壳泥层。面层较薄，采用细颗粒泥料制作，致密，在铸造金属器时能确保陶范承受高温液态金属的充型压力，并得到表面光洁的铸件；背层略厚，羼入了粗颗粒物，这些羼和料可以减少陶范在干燥收缩和焙烧过程中的收缩变形，对面层起支撑作用；稻壳泥层较厚，该层也羼入了一定量粗颗粒物，并羼入了大量的稻谷壳和秸秆，陶范焙烧时谷壳等有机质烧失，在陶范上留下了大量的孔隙，便于铸造时型腔中气体的排出。三种不同的材质起到不同的作用，结合在一起达到成功铸造出铁器的功用。

2)从遗址中出土的陶范残块可知青龙镇唐代铸造作坊所铸造的大部分为侈口圜底或侈口平底的圆形容器，主要以铸造铁炊煮用具为主，铁釜和铁鼎(铁鍑)是作坊生产的主要产品。

致 谢：陶范的线图由李召銮先生进行绘制与尺寸测量，陶范的XRF-XRD联用测试系统检测和热膨胀仪的热分析工作分别由上海博物馆沈敬一和王恩元完成，陶范的植硅石分析由南京师范大学地理科学学院萧家仪完成，深表谢忱！