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战国时期，楚国一度是疆域最大的强国，长江中下游特别是江南地区，几乎都在其控制之下，但是许多地区没有开发，这样徒具其名的占有，并不能让楚国得到好处。南宋《景定建康志》说楚国因“ 私吴越之富，擅江海之利 ”而设置了金陵邑，这只是后人的一种理想化描述，楚国在南京地区并没有留下更多的活动痕迹，也谈不上开发建设。楚国置金陵邑，是出于战争需要，楚军的活动主要在沿江一线。无论文献记载还是考古发现，都不能证明楚人曾进入南京主城区域和江宁盆地。
在晋国被韩、赵、魏瓜分之后，楚国的主要敌国是北方的秦国。秦国威逼利诱，将楚国玩弄于股掌之中，不断蚕食楚国疆土，迫使楚国郢都一再东迁。秦王政二十四年（前223年），楚亡于秦。南京地区北部的棠邑此时已被秦国占据。
第二年，秦军平定原属楚国的江南疆土，征服了越国的残余势力，设置会稽郡，治所在吴（今苏州）。当时的会稽郡，管辖原吴、越两国之地，包括今江苏省江南部分、安徽省东南部、上海市西部以及浙江省北部。
秦王政二十六年（前221年）统一天下，建立了秦王朝，自称“始皇帝”。
秦王朝废除周王朝的分封制，实行郡县制，分天下为三十六郡，郡下置县。南京地区旧有的三个行政建置随之改县。棠邑改棠邑县，属九江郡，平陵邑（即吴濑渚邑）改溧阳县，属会稽郡，金陵邑改秣陵县，属会稽郡。
秦始皇是第一位真正与南京发生直接联系的帝王，因为他第五次出巡，确曾经过南京地区。《史记·秦始皇本纪》对于这次出巡路线的记载比较简略：
十一月，行至云梦，望祀虞舜于九疑山。浮江下，观籍柯，渡海渚。过丹阳，至钱唐，临浙江，水波恶，乃西百二十里从狭中渡。上会稽，祭大禹，望于南海，而立石刻颂秦德。
返程的路线是：“ 还过吴，从江乘渡，并海上，北至琅琊。 ”
籍柯和海渚是什么地方，至今没有定论。但从“过丹阳”和“从江乘渡”，可知南京地区又有了两个新县，丹阳和江乘。丹阳（今当涂）县治在横山西，今苏、皖交界处的小丹阳镇，至今一镇分属两省。江乘县治在今摄山附近西湖村，古名江乘村，今九乡河或即古江乘浦。两县均属会稽郡。
秦始皇南下和北上的路线，似乎有意回避了今天的南京地区。其真实原因，是南巡车驾必须避开丹阳湖。丹阳湖古称“巨浸”，因秦立丹阳县而得名，今天的石臼、固城、丹阳、南漪四湖及周边溧水、高淳、当涂、宣城、芜湖等县沿湖圩区，原来均属古丹阳湖地。秦始皇正是沿着丹阳湖西南岸进入浙江，又沿着丹阳湖东岸北上江苏。
这两个县的设置，与秦始皇二十七年（前220年）开始在全国修筑驰道相关。秦驰道“ 东穷燕、齐，南极吴、楚，江湖之上、濒海之观毕至 ”。其中经过南京地区的有两条，一条即是先秦时期的丹阳古道，从长江渡口鸠兹（今芜湖）经丹阳（今当涂）向东北，直到丹阳县治（今苏皖交界小丹阳），折向东南可直抵钱唐（今杭州），同样可以看到丹阳湖的影响。另一条由江乘东至丹徒，经江南运河入江口，可渡江北上进入大运河，也可过丹徒东南行至吴县（今苏州，时为会稽郡郡治），由此折转向南，亦可抵钱唐。而由江乘北渡长江即是棠邑（今六合），有驰道北达彭城（今徐州）。因为丹徒东南是丘陵山冈，秦始皇下诏令赭衣囚徒三千人开凿驰道，以通吴县。丹徒地名即由此而来。
丹阳古道在吴、楚战争中即已是交通干线，数百年来，沿途无疑会有较充分的开发。江乘一带在湖熟文化时期即为原始聚落较为集中的地区。此处江面较窄，有水运交通的便利，楚国水军的往来与驻扎，对于农产、商贸和运输的发展都有一定的促进。可见秦增置丹阳、江乘二县，是以地区发展为基础的。两县设置的时间，很可能就在秦修驰道之际。江乘也是长江南京段沟通南、北的重要港口，楚、秦之后，西晋末年“五马浮渡江，一马化为龙”，南朝梁达摩“一苇渡江”，都发生在这一带。
鸠兹、江乘、丹徒三地，会成为古代的渡江港口，是因为当地江面较窄。当代修建长江大桥的择址，证明了古人的智慧：鸠兹、无为之间，有芜湖长江大桥，江乘、六合之间，有栖霞山长江大桥（原南京长江四桥），镇江、扬州之间，有润扬长江大桥。
南京地区秦代五县之中，最为人所关注、成为经久不衰热点话题的，是金陵邑改名秣陵县。秣陵之秣，就是喂马的谷物饲料。金陵本藏金之高地，秣陵则成了牧马之草场，所以秦始皇改县名的目的，被说成是贬低金陵地位、破解“金陵王气”。
这说法最早见于晋人张勃所撰《吴录》，但《吴录》原书早已散佚，现在只能看到《建康实录》《太平御览》等书中的引文。此类引文细节或有差异，但在改金陵为秣陵这一点上，都无疑问。所以有人认为，金陵改称秣陵是在秦始皇三十七年（前210年）第五次出巡时，否则“金陵王气”的故事就编不圆了。然而秦始皇二十六年（前221年）全国实行郡县制，棠邑和平陵邑都在这年改置为县，金陵邑有什么理由不改置为县？
近年又有研究者提出，改金陵为秣陵，并非贬抑，而是别有深意。因为秣为谷物饲料，秦字的本意是“地宜禾”，或说秦也是一种禾名，且秦人正是为周王室养马而立国。所以秣陵这个地名，与秦王朝的国号相关，应是一种美誉。
这两种说法看似截然不同，实则本质无异，都是为了证明当时的南京地区，地位非同一般。
“金陵王气”之说，暂且不论。即说当时金陵的地位，高到需要秦始皇来贬低，不免荒诞。从此前秦驰道路线的选择，就可以看出，金陵邑的重要性，尚不及丹阳、江乘和丹徒，属于被两条交通线丢下的边缘地带。秦始皇东巡时，到丹阳（今苏皖交界小丹阳）即南下去钱唐，连江宁盆地都没有进入，更遑论南京主城区了。返程时秦始皇也只到江乘为止，同样没想到要光顾近在咫尺的秣陵。
马饲料对于秦人，未必有鄙薄之意。秦国能统一天下，一个重要的因素，就是充分发挥了骑兵的优势。战国时期，最早从游牧民族学会骑兵战术的是赵国，《赵武灵王胡服骑射》是选入教科书的经典，然而将骑兵战术发挥到极致的则是秦国。骑兵的灵活与敏捷远胜于战车，有学者认为战国后期骑兵的出现相当于现代战争中坦克的出现。秦人对于马饲料的敏感高于江南人，不足为奇。
当时金陵邑所辖地区，多未开发，估计会稽郡的官员前来巡视，看到的就是大片粮田和草场，没有发现可开采的金矿或铜矿，所以改用了一个更符合实际的县名。至于秦代的县名有多少深意，看看其他的县就可以知道。丹徒得名前文说过。丹阳的得名，旧籍载有两说，一说境内有赭山，山石丹赤，一说境内多赤杨树，故名丹杨。平陵改名溧阳，是因为地处溧水（濑水）之北。这些地名都是实话实说。为什么到了秣陵，就一定会别出心裁？
说这些话的人，就是为了营造金陵邑的不同凡响。
其实当时金陵邑的地位，论经济繁荣不如濑渚，论交通便利不如丹阳，更不用说会稽郡治吴县了。
因为后世南京地位日高，成为江南最重要的都市，所以国人连带着要给它一个辉煌的出身。在中国历史上，伟人降生，盛世肇立，莫不有祥瑞出现，或者父母梦到龙虎麟凤，或者红光冲天、馨香满室，景星庆云，嘉禾芝草，不一而足。连阿Q都晓得说自己姓赵，先前也“阔过的”。然而，诚如那位“望气者”所言，金陵的发达，真的须到东吴、东晋相继建都的“五百年后”。
秣陵县的治所变化，也有两种说法，一说秦兼并天下，曾下令夷坏天下城邑，金陵改称秣陵，原金陵邑城亦被毁，治所南迁至今江宁区秣陵街道。一说秦末汉初，秣陵县治仍沿用石头山麓的金陵邑城，到汉高帝六年（前201年），令天下县邑皆筑城，以备守卫，秣陵始移县治，在今江宁区秣陵街道另筑县城。两说各有道理，但也都未见实据。
秣陵县的管辖范围未变，仍然包括今天的南京主城区，而将县治移到县境南端，显然是因为在和平环境中，作为一县管理机构，设在秦淮河中游的经济中心秣陵，比设在军事要地的金陵邑更合适。