追寻古代火药发展的足迹
2015年01月09日 来源：中国科学报 作者：记者 张文静
大型“火药工坊遗址群”外景
火药工坊遗址
近日，有媒体报道称，重庆市黔江区石家镇石家社区居民在贺家洞寻找地下水抗旱救灾时，在洞中发现了一处大型“火药工坊遗址群”，其炼硝场所、设施均未受损。考古专家表示，该“火药工坊遗址群”从形态看始于清朝，因为在溶洞内，保存比较完好，属国内少见，对研究明清时期的矿冶开采具有较高价值。
硝石与火药
贺家洞是重庆市黔江区石家镇石家社区附近的一处溶洞，洞长约2公里，洞内宽二三十米，高数十米。报道中所说的“火药工坊遗址群”距洞口约五六百米，有灶台、硝池20多个。灶台和硝池均呈圆形，块石砌成，跟土家族煮饭的灶台一样，灶台口径在60厘米至150厘米之间，硝池口径在30厘米至50厘米之间。整个洞内都有采挖硝土的痕迹。
“从报道来看，重庆发现的遗址并非‘火药工坊’，而是大型‘硝洞’，是开采、加工硝石的场所，为火药工场提供原料。”中国科学院自然科学史研究所助理研究员郑诚告诉《中国科学报》记者，“在西南地区，云贵川多地曾发现此类硝洞。”
硝石，即硝酸钾，是火药中最重要的成分。郑诚介绍说，天然硝石受风土气候影响，在世界范围内分布极不平衡。古代中国，硝石产地相对广泛，西南地区尚有不少天然硝洞。
从硝土中有效分离杂质进而获得高纯度的硝酸钾，是决定火药品质的关键。于是，在漫长的历史发展过程中，也形成了各种提纯硝石的方法。
据唐宋间文献记载，用作医药或丹药的硝石，是通过煎炼硝土水溶液，再结晶而获得的。万历二十六年（1598），赵士桢在《神器谱》中较为详细地记载了火药用硝提纯法，可用现代化学知识解释：萝卜与硝水同煮，可清除吸潮性很强的镁盐，防止火药变质；加入鸡卵清，可使硝水中的泥沙类杂质凝聚沉降；煮沸后冷却再结晶，可将硝石与氯化钠分离。此外，用草木灰水提纯硝石也是常见的方法。草木灰水可与硝水中的各种钙盐、镁盐、铁盐反应，形成碳酸盐或氢氧化物，沉淀析出。煮沸后静置冷却结晶。
“这种提硝法更为简单方便，便于批量生产，或许是当时北方边军的惯例。”郑诚说。
中古术士的炼丹炉
火药的发明要追溯到中古术士的炼丹实践。一般认为，术士在炼丹过程中发现了含有硝石、硫磺和木炭成分的混合物会发生燃烧、爆炸的现象，时间不迟于唐代。
自汉代以来，硝石和硫磺即为医家与丹师常用之物。中土炼丹术的药物配伍原则遵循阴阳学说，硝石、硫磺分别被视作阴药与阳药，同时烧炼的机会较多。东晋年间，即4世纪时，或许就已经有炼丹术士发现了含硝混合物的爆炸现象。唐代流行的伏火法与火药的发明关系密切。
“由于史料极为有限，且形成年代难以确考，目前仅可大致推测，唐代炼丹术士利用硝与草木药合烧硫磺，改造硫磺药性，获得不易挥发的‘伏火硫磺’；又以硝与草木药合烧，获得丧失助燃性的‘伏火硝石’，可见当时对于硝硫炭质混合物易燃易爆，已有了明确的认识。”郑诚说，“当某些术士开始尝试利用这类混合物的破坏力时，火药的发明也就不远了。”
降及清代，官方火药产量巨大，但在工艺技术层面却缺乏革新。“总体而言，直到19世纪中期，军用黑火药生产工艺，包括制硝工艺，较之17世纪初并没有特别改进。”郑诚说，“原材料方面，硝土分布广泛，各省大体能自给自足，而硫磺产地相对较少，往往需要从他省采买。官造火药大体分中央制造与地方制造两部分，供应军需之用。”
清朝在重庆开设了火药局，生产军用火药，主要由附近若干硝洞供应原料。按嘉庆《大清会典事例》卷六八六，乾隆二十年（1755）奏准：“川省需硝，向在重庆设局，於川东所属南川、彭水、酉阳三场采办，但南、彭二厂，洞老土淡，酉阳所产甚微。江油县有硝洞八，无碍田庐，请行开采。”可见在18世纪中期之前，四川东部的南川、彭水、酉阳是省内军需硝石的主要产地。2014年，彭水县的红岩洞也曾发现大型硝洞遗迹。乾隆年间，彭水县、黔江县（今黔江区）均属酉阳直隶州。至于贺家洞的具体开采年代，尚需探索。结合传世文献与遗址考察，对于认识古代开采、加工硝石的实态与军需供应链均有帮助。
与武器发展相伴
火药在发明之初便被用作武器。10世纪末至11世纪初，宋朝开始量产军用火药，主要是含硝量较低的火药膏，用于制造弓弩发射的燃烧箭与投石机抛掷的燃烧弹。12世纪至13世纪，在宋金元三朝的长期战争中，出现了利用高硝火药冲击波的硬壳爆炸弹以及原始的管形火器。最迟13世纪末，元朝军队已开始装备管形金属火器，此后火药主要用作发射药。
“到了14世纪中叶，元末群雄混战，火铳已非罕见之物。”郑诚介绍说，“至14世纪后期，明朝军队装备了大量金属火器，如铜手铳、碗口铳等。15世纪初，以永乐天字铜手铳为代表的传统火器达到了技术高峰。”
同时，中国火器技术也在向外扩散。13世纪前后，中国火器技术向周边扩散，间接催生了欧洲的火药武器。16世纪前叶，欧洲火器又经海路传入东亚。17世纪末，清廷掌握的火炮技术接近欧洲水平，但此后便长期停滞。
“18世纪至19世纪初，中国的火器技术大体上没有什么改进，仍采用传统工艺生产16-17样式的枪炮。”郑诚介绍说，“到第一次鸦片战争时期，清军的火器已与欧洲产品存在代差。工业革命推动军火工业快速发展，到第二次鸦片战争时期，双方的差距进一步加大。”
最终，在19世纪中后期，经过两次鸦片战争及太平天国战争，清末转向全面引进西方近代军事技术。19世纪末，随着近代化学工业的发展，古老的黑火药也被各类无烟火药取代，逐渐退出了军事领域。
