中国科学报：追寻古代火药发展的足迹

近日，有媒体报道称，重庆市黔江区时嘉镇时嘉社区居民在何家洞寻找地下水抗旱时，发现了一个大型“火药作坊遗址群”。他们的硝石提炼场所和设施没有遭到破坏。考古专家表示，“火药作坊遗址群”从形态上看始于清代，因为它保存在我国罕见的喀斯特洞穴中，对研究明清时期的矿冶有很高的价值。

硝酸盐和火药

何家洞是重庆市黔江区时嘉镇时嘉社区附近的一个山洞。它大约有2千米长，20到30米宽，几十米高。报告中提到的“火药作坊遗址群”距离洞口约500米，有20多个炉灶和硝石池。壁炉和硝石池都是圆形的，由石头制成。像土家的灶台一样，灶台的直径在60厘米到150厘米之间，硝石池的直径在30厘米到50厘米之间。洞内收集并挖掘出了含氮土壤的痕迹。

据报道，在重庆发现的遗址不是一个“火药作坊”，而是一个大型“硝石洞”，是一个开采和加工硝石的地方，为火药作坊提供原料中国科学院自然科学史研究所助理研究员程铮告诉《中国科学报》，“在中国西南部的云贵川发现了许多这样的硝酸盐洞穴。”

硝酸盐，硝酸钾，是火药中最重要的成分。程铮说，自然硝石受当地条件和气候的影响，其在世界上的分布极不平衡。在中国古代，硝石的起源比较广泛，中国西南地区有许多天然的硝石洞穴。

从硝酸盐土壤中有效分离杂质以获得高纯度硝酸钾是决定火药质量的关键。因此，在漫长的历史发展过程中，也形成了各种提纯硝石的方法。

根据唐宋时期的文献记载，作为药物或丹药的硝石是由硝石土的水溶液经煎煮、精制、重结晶而得。万历二十六年(1598年)，赵世贞在《神器谱》中详细记载了用硝石提纯火药的方法，这可以用现代化学知识来解释:用硝石水煮萝卜可以去除镁盐，具有很强的吸湿性，防止火药变质；加入鸡蛋清可以凝结和沉淀硝酸盐水中的泥沙杂质；沸腾、冷却和重结晶可以将硝石与氯化钠分离。此外，用草木灰水净化硝石也是一种常见的方法。草木灰水可以与硝酸盐水中的各种钙盐、镁盐和铁盐反应，形成碳酸盐或氢氧化物并沉淀出来。煮沸、静置、冷却、结晶。

“这种提取硝酸盐的方法更简单、更方便，便于大规模生产。也许这是当时北方边防部队的普遍做法。”程铮说。

中世纪术士的高炉

火药的发明可以追溯到中世纪魔术师的炼金术实践。人们普遍认为，炼金术士发现含硝石、硫磺和木炭的混合物在炼金术过程中会燃烧和爆炸，这一发现不迟于唐朝。

自汉代以来，硝石和硫磺已被医生和炼金术士普遍使用。中国炼丹术中的药物配伍原则遵循阴阳学说，硝石和硫磺分别被视为阴阳药，同时燃烧和提炼的机会更多。在东晋时期，也就是4世纪，炼金术士可能发现了含硝酸盐混合物的爆炸。唐代流行的降火方法与火药的发明密切相关。

“由于史料极其有限，形成日期又很困难，目前只能粗略估计，唐朝的炼丹师用硝酸盐和草药来燃烧硫磺，以改变硫磺的性质，获得挥发性较低的‘燃烧硫磺’；此外，一氧化二氮与草本植物和草本植物混合，以获得“烧绿石”，其失去了助燃性。可以看出，当时对一氧化二氮-硫碳混合物的易燃性和爆炸性有着清晰的认识。”程铮说，“当一些术士开始尝试使用这种混合物的破坏力时，火药的发明已经不远了。”

清代，官方火药产量巨大，但技术上没有创新。总的来说，直到19世纪中叶，军用黑火药的生产技术，包括硝酸盐的生产技术，与17世纪初相比并没有特别的改进程铮说:“就原材料而言，含氮土壤分布广泛，各省普遍自给自足，而硫磺产地相对较少，因此经常需要从其他省购买。官方火药一般分为*和地方两部分，用于军事供应。”

清朝在重庆设立了火药局，生产军用火药，主要由附近的几个硝石洞供应。根据嘉庆的《清辉点石》(卷686)和甘龙20年(1755)的报告，“四川省需要硝酸盐，并从南川、彭水和酉阳三个市场购买，这三个市场属于川东，但南部和彭山工厂陈旧和薄弱，酉阳生产很少。江油县有尼东8号，这是天路没有障碍。请进行采矿。”可以看出，18世纪中叶以前，四川东部的南川、彭水、酉阳是该省军火硝石的主要产地。2014年，彭水县的红色洞穴中也发现了大规模的尼东遗址。甘龙年间，彭水县和黔江县(今黔江区)属于酉阳直隶。至于何家洞的具体采矿时代，还有待探索。结合传世文献和实地考察，有助于了解古代硝石开采加工和军品供应链的实际情况。

伴随着武器的发展

火药从发明之初就被用作武器。从10世纪末到11世纪初，宋朝开始大量生产军用火药，主要是低硝酸盐含量的火膏，用于制造弩射的燃烧箭和弹弓投掷的燃烧弹。从12世纪到13世纪，在宋、金、元三代的长期战争中，出现了使用高硝酸粉末冲击波的硬壳爆炸炮弹和原始管状火器。最迟在13世纪末，元朝军队已经开始装备管状金属火器。从那时起，火药主要被用作推进剂。

到了14世纪中叶，元朝末年，所有的*都发生了混战，火器也不再罕见程铮说:“到14世纪末，明朝军队已经装备了大量的金属火器，如青铜手器和碗器。15世纪初，以永乐田字青铜器为代表的传统火器达到了技术高峰

与此同时，中国的枪支技术也在向外扩散。大约在13世纪，中国的火器技术传播到周边地区，间接催生了欧洲的火药武器。16世纪初，欧洲火器通过海路传入东亚。17世纪末，清廷掌握了接近欧洲水平的火炮技术，但此后一直停滞不前。

从18世纪到19世纪初，中国的枪支技术基本上没有提高，传统技术仍然被用来生产16-17式的枪支程铮说，“到第一次鸦片战争时，清军的火器已经不如欧洲产品了。工业革命推动了军火工业的迅速发展。到第二次鸦片战争时，双方的差距进一步扩大了。”

最后，在19世纪中后期，经过两次鸦片战争和太平天国战争，晚清转向全面引进现代西方军事技术。19世纪末，随着现代化学工业的发展，古代黑色火药被各种无烟火药所取代，并逐渐退出军事领域。