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2015 , Vol. 34 >Issue 5: 861 - 871

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201505006

生态环境

Oxbow lake sedimentary characteristics and their environmental significance in Tianezhou and Zhongzhouzi lakes in the middle Yangtze River

  • JIA Tiefei ,
  • WANG Feng ,
  • YUAN Shifei
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  • Department of Geography, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China

Received date: 2014-12-13

  Request revised date: 2015-02-07

  Online published: 2015-06-12

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《地理研究》编辑部
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Abstract

Recent lake sediments (last 50-100 years) are essential for quantitative paleoclimate research. However, there is less research on oxbow lake sediments at preasent. This paper describes grain size and magnetic parameters data from the 210Pb-aged sediment cores TE(85-cm long) and ZZ-2(89-cm long) recovered from two oxbow lakes, located in the middle reaches of the Yangtze River, China. Combined with statistical methods and local chronicles, the basic sediment sequence of the oxbow lake sediments was established. Two cores disclosed the sedimentary characteristic and evolution process of oxbow lakes. The following conclusions are drawn: (1) By the analyses of grain-size parameters and magnetic parameters of cores TE and ZZ-2, two stages of oxbow lake sediments have been distinguished. They were lower (layer A) which reflected fluvial facies, and upper (layer B) which reflected lacustrine facies. According to the grain-size parameters, two sediment cores could be divided into three types: TypeⅠ(lake sediments) corresponding to layer B, Type Ⅱ (fluvial sediments) and Type Ⅲ (fluvial-lake sediments) corresponding to layer A. Vertically, they are coarse-fine-coarse gradations in the grain sizes of the oxbow lake sediments from bottom to top. (2) For modern oxbow lake, age models based on radioisotope analysis is still the effective means of the short-core sediments, but the average sedimentary rate will produce larger errors, which need to be checked by environmental change events through the identification of sediments in a specific event. (3) Modern oxbow lake sediments have good response to the river basin flood events, but the mechanism still needs to be studied further. Thus, it is of great significance to reveal the ancient flood event information in the ancient oxbow lake sediments.

Cite this article

JIA Tiefei , WANG Feng , YUAN Shifei . Oxbow lake sedimentary characteristics and their environmental significance in Tianezhou and Zhongzhouzi lakes in the middle Yangtze River[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2015 , 34(5) : 861 -871 . DOI: 10.11821/dlyj201505006

Due to the influence of natural and human activities, oxbow lake sediments are more complex than others. The factors, which were river morphology, water dynamics mechanism, water conservancy project construction, should be comprehensively considered. In order to reveal how oxbow lake sediments have response to the natural and social economic changes, related researches are still needed in the future.
Keywords: oxbow lake sediments; sedimentary characteristics; grain size analysis; magnetic susceptibility analysis; middle reaches of the Yangtze River

1 引言

牛轭湖是在河流发育进入泛滥平原阶段后由于河道曲流的裁弯取直而在废弃河道上形成的河成湖,并且在洪水期接受河流泥沙充溢,与河流保持一定的同一性[1],可以保留较完整的洪水沉积记录,因而得到学术界的关注[2,3]。自20世纪80年代,许多学者对不同区域各种类型湖泊沉积（陆地环境演变信息的连续记录载体）进行研究,取得丰富的成果,在理论和方法上形成相对完整的体系[4],但对牛轭湖及其沉积记录的研究尚显薄弱。
长江中下游交界处的荆江河段为长江进入江汉泛滥平原后的曲流发育而成的河段。随着长江主河床的裁弯取直,遗留下一系列古牛轭湖群和近现代牛轭湖群。但目前针对这些牛轭湖的研究,主要聚焦在河道变迁[5]、微体生物[6]、有机农药残留[7]、重金属污染[8]等方面,对牛轭湖沉积记录及其环境意义,尤其是这些牛轭湖沉积所记录的长江流域环境变化（洪水、泥沙等）信息方面,研究成果较少。以荆江段沿江的天鹅洲和中洲子（现代牛轭湖）为研究对象,对沉积物进行年代学、粒度、磁学分析以及沉积序列等方面研究,以期对牛轭湖沉积特征及其环境意义取得初步认识,为进一步通过古牛轭湖沉积恢复,建立长江流域过去的洪水、泥沙等环境变化信息奠定基础。

2 研究区概况

研究区位于长江中下游荆江曲流河段（上自湖北省藕池口,下至湖南省城陵矶）,全
长175.5 km,是长江曲流最为发育的地方,代表性的现代牛轭湖主要有碾子湾、天鹅洲、中洲子、尺八等（图1）。研究区隶属湖北省石首市,属于亚热带季风气候,年平均降水量1291.4 mm,雨量主要集中在4-8月;长江石首段河道径流主要来自宜昌以上长江干流,其上游宜昌站平均年径流量为4.48×1011 m3,河湾段曲折率平均为1.93,多年平均水面比降为0.4‰~0.5‰[9]。
Fig. 1 Location map of the study area, coring sites and core log colour

图1 研究区域、采样点位置及样品柱状图

天鹅洲又名沙滩子故道,位于湖北省荆州市石首境内,湖长20.9 km,枯水期水面面积约13 km2,丰水期约为18~26 km2,丰水期最宽处可达1.5 km,平均水深4.5 m。1949年上游碾子湾自然裁弯后,引起了下游河势的剧烈变化,沙滩子河湾狭颈发生崩塌。1972年7月,长江南岸六合垸堤段被水冲开而自然裁直,天鹅洲牛轭湖形成。1999年位于天鹅洲下口的沙滩子拦江大堤建成,此后天鹅洲与长江基本隔断[9]。
中洲子又名黑瓦屋故道,位于石首市东北部小河口镇,天鹅洲东部。长约30 km,河宽1.5 km,平均水深4 m。1967年人工裁弯取直成湖,1978年中洲子牛轭湖上口已经完全淤塞,东部下口处与长江主河道连通至今[9]。

3 沉积物样品采集与实验分析

3.1 沉积物样品采集与处理

2012年11月,利用重力采样器[10]（中国科学院地球化学研究所研制）分别在天鹅洲和中洲子牛轭湖的湖心成功钻取沉积物柱样。
天鹅洲钻孔编号为TE孔（位置：29°51′05N、112°34′14E,高程：33 m,水深：10.5 m）,沉积物柱样长85 cm,自下而上按照柱样深度分层：47~85 cm为黄色淤泥,其中60~63 cm和68 cm段夹有灰绿色淤泥;29~47 cm为灰色淤泥;25~29 cm为黑色淤泥;14~25 cm为灰色淤泥;0~14 cm为黑色淤泥。
中洲子钻孔编号为ZZ-2孔（位置：29°48′02N、112°45′14E,高程：36 m,水深：9.5 m）,沉积物柱样长89 cm,自下而上按照柱样深度分层：49~89 cm为灰黄色淤泥,其中55~61 cm段含有黄色砂、粉砂及小砾石;20~49 cm为灰黑、灰黄色淤泥;12~20 cm为黑色淤泥;6~12 cm为黄色淤泥;0~6 cm：黑色淤泥。
两个钻孔的沉积物柱样在现场按1 cm间隔分样（柱样顶端个别样品按照2 cm间隔分样）,用聚乙烯袋密封包装后运回实验室。将样品放置烘箱进行低温（<40 ℃）烘干。用木质器具对样品进行物理分散后,封装备粒度测试分析（筛分和激光粒度仪分析）;在玛瑙研钵中轻研、分散,过100目筛后,封装备磁学和放射性核素测试分析。

3.2 沉积物样品实验测试

3.2.1 沉积物年代学测试 将处理后的两个钻孔的沉积物样品,在顶部30 cm内每2 cm取一个样,30 cm以下每10 cm取一个样品。称取3.0 g左右样品装入柱状管中（直径为1.0 cm）,石蜡密封后静置3周,采用γ能谱法[11]进行210Pb、137Cs比活度测试。实验仪器为美国EG&GORTEC公司生产的GWL-120210-S型高纯锗型光子检验仪,1.33 Me能量处分辨率为1.91 kev。该实验工作在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成。
3.2.2 沉积物粒度、磁学测试 样品经过预处理后,对两孔的全部样品进行粒度和磁化率测试。
沉积物粒度分析按照如下规程：在逐样对所含粗砂和砂砾进行筛分称重后,用天平称取0.11~0.12 g剩余细颗粒样品,加入5 ml浓度为30%的H2O2溶液去除有机质,静置12小时后加入2 ml浓度为10%的盐酸去除无机碳酸盐,洗至中性后加入离散剂,静置12小时候后超声波震荡离散3分钟,使用美国Backman Coulter公司生产的LS13320型激光衍射粒度分析仪进行测试。该实验工作在上海师范大学城市生态与环境修复重点实验室完成。粒径分级采用Udden-Wentworth方案[12]：砂（>63 μm）、粗粉砂（32~63 μm）、中粉砂（16~32 μm）、细粉砂（2~16 μm）、粘土（<2 μm）。粗砂和砂砾另行称重,统一计算粒度组分。
磁学分析按照如下规程：逐样称取5 g左右样品,装入10 ml的圆柱状聚乙烯样品盒中,压实密封后进行测试。使用英国Bartington公司生产的MS-2型磁化率仪,测试低频磁化率χlf（0.47kHz）和高频磁化率χhf（4.7 kHz）（质量磁化率χ指低频质量磁化率）。并计算出频率磁化率χfd%((χlf-χhf)/χlf×100%)[13],该实验工作在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成。

4 实验数据分析

4.1 年代学数据分析

目前对近现代湖泊沉积物主要的定年方法：利用210Pb的测试结果通过CIC模式或CRS模式计算后,结合137Cs时标法进行定年[14-17];利用210Pb、137Cs测试结合其他事件进行定年,如与粒度指标和降水资料[18]、球状碳颗粒（SCP）[19]、人类活动（重金属污染、堤坝水库修建、围湖造田等）事件[20-22]相结合进行定年。
天鹅洲TE孔和中洲子ZZ-2孔210Pbex测试结果如图2所示。由于137Cs比活度在5 Bq/kg以下,总体数值偏低且没有发现明显峰值,无法作为时标使用,故在本研究中未被采用。考虑到牛轭湖湖面较窄受物源影响较大,采用恒定初始浓度模式（constant initial concentration,CIC模式）[23]进行平均沉积速率计算：TE孔沉积物柱样整体平均沉积速率为0.88 cm/a,据此推算柱样底部沉积时间为1916年左右;ZZ-2孔沉积物柱样整体平均沉积速率为1.26 cm/a,据此推算柱样底部沉积时间为1941年左右。
Fig. 2 Depth distribution of 210Pbex specific activity in core TE and ZZ-2

图2 TE孔和ZZ-2孔 210Pbex比活度与深度关系图

但是,考虑到两个牛轭湖在成湖前后均受到长江流域环境变化的影响,如洪水期江水携河流沉积物漫溢至牛轭湖,无论牛轭湖成湖前的河流沉积段、成湖后的湖泊沉积段,逐年沉积速率相差很大,在两个钻孔沉积物柱样所涵盖的距今近100年以来,如果按照柱样整体的平均沉积速率推断每一沉积层的沉积时间,会产生较大误差,故应结合沉积物粒度、磁学等参数指示的环境变化事件加以校核。

4.2 粒度与磁学分析

天鹅洲TE孔沉积物粒度与磁学分析数据见图3。TE孔沉积物细粉砂组分（2~16 μm）含量最高,平均含量为63.68%;粘土组分（<2 μm）含量次之,平均含量30.85%;中粉砂组分（16~32 μm）平均含量4.62%;粗粉砂组分（32~64 μm）和砂组分（>64 μm）含量很少;平均粒径值在柱样深度17 cm、21 cm、61 cm、71 cm、77 cm、84 cm处出现峰值。柱样基本可分为两段：深度25~85 cm段,平均粒径自下而上由粗变细;25 cm以上段,在25 cm处平均粒径突然变粗,向上保持稳定。TE孔沉积物质量磁化率值介于34.69×10-8~256.04×10-8 m3/kg之间,平均值为98.71×10-8 m3/kg,20 cm、72 cm、80 cm、85 cm附近出现峰值,最低值出现在61 cm处。频率磁化率在1.58%~8.07%之间,以25 cm和70 cm为界,将全孔分为三部分（图3）。
Fig. 3 Grain size and magnetic parameters with increasing depth of sediment in core TE

图3 TE钻孔沉积物粒度参数与磁性参数曲线图

中洲子ZZ-2孔沉积物粒度分析数据见图4。ZZ-2孔沉积物也是细粉砂组分含量最高,平均含量为61.98%;粘土组分含量次之,平均含量为28.33%;中粉砂、粗粉砂组分含量较少;砂组分含量极少。ZZ-2孔沉积物粒度组分特点与TE孔相似,平均粒径值在深度22 cm、31 cm、45 cm、55~60 cm、72 cm、87 cm出现峰值。ZZ-2孔沉积物质量磁化率值介于63.88×10-8~206.79×10-8 m3/kg,平均值为112.57×10-8 m3/kg,分别在47 cm、61 cm、68 cm处出现峰值,最低值出现在85 cm处。频率磁化率在3.01%~8.14%之间,同样以41 cm为界,将全孔分为两部分（图4）。但ZZ-2孔在垂直剖面上的分段特点不及TE孔明显。如果按照各项指标参数波动变幅大小等特征,亦可以划分为上下2段：深度41~89 cm段,平均粒径、中值粒径、质量磁化率等参数的变幅较大;41 cm以上,上述参数的变幅收窄。
Fig. 4 Grain size and magnetic parameters with increasing depth of sediment in core ZZ-2

图4 ZZ-2钻孔沉积物粒度参数与磁性参数曲线图

4.3 沉积物粒度参数聚类分析

为进一步刻画沉积特点,选择与水动力条件相关性密切的沉积物粒度参数指标,在进行数据标准化处理后,对TE孔和ZZ-2孔沉积物粒度数据进行系统聚类分析,聚类“方案范围”为3,即分别将每个柱样划分为三种类型。表1显示了两个钻孔每个样品的类型属性。分类结果显示,TE孔三种类型沉积物分布在4段中：柱样深度71~85 cm段（Ⅱ类）、53~71 cm段（Ⅰ类）、26~53 cm段（Ⅲ类）和0~26 cm段（Ⅰ类）;ZZ-2孔三类沉积物分布在4段中：下段62~89 cm（Ⅱ类）、中段55~62 cm（Ⅲ类）、42~55 cm（Ⅱ类）和0~42 cm（Ⅰ类）。
据曹跃华等[24]对沙滩子（天鹅洲）的研究,牛轭湖沉积大体可以划分为三段：早期沉积包含推移质、跃移质、悬移质,体现典型的河流沉积特点;晚期沉积,以水动力较弱情况下洪水漫溢带来的粗颗粒物质为主要特点,主要体现牛轭湖成湖后的沉积特点;早晚期之间常夹有沉积物粒度组分与上下均存在较大差异的沉积层,体现河流转向湖泊（牛轭湖）过程中的沉积特点。依此,TE孔和ZZ-2孔沉积物粒度数据聚类分析结果,Ⅱ类中沉积物粗、中、细颗粒组分多均匀分布,符合河流沉积物的共性特点;Ⅰ类中沉积物粗颗粒物质突显增加,属牛轭湖成湖后洪水漫溢带来粗颗粒物质的沉积特点;Ⅲ类中沉积物粒度总体变细但结构特点较为混乱,为河/湖转换过程的沉积（表1)。因此,牛轭湖沉积物在剖面上自下而上总体呈“粗—细—粗”的变化特征。
Tab. 1 Hierarchical cluster analysis of the grain size data in core TE and ZZ-2

表1 TE孔和ZZ-2孔粒度参数系统聚类分析结果

深度(cm) TE ZZ-2 深度(cm) TE ZZ-2 深度(cm) TE ZZ-2 深度(cm) TE ZZ-2
1 Ⅰ Ⅰ 24 Ⅰ Ⅰ 47 Ⅲ Ⅱ 70 Ⅰ Ⅱ
2 Ⅰ Ⅰ 25 Ⅰ Ⅰ 48 Ⅲ Ⅱ 71 Ⅱ Ⅱ
3 Ⅰ Ⅰ 26 Ⅲ Ⅰ 49 Ⅲ Ⅱ 72 Ⅱ Ⅱ
4 Ⅰ Ⅰ 27 Ⅲ Ⅰ 50 Ⅲ Ⅱ 73 Ⅰ Ⅱ
5 Ⅰ Ⅰ 28 Ⅲ Ⅰ 51 Ⅲ Ⅱ 74 Ⅰ Ⅱ
6 Ⅰ Ⅰ 29 Ⅲ Ⅰ 52 Ⅲ Ⅱ 75 Ⅱ Ⅱ
7 Ⅰ Ⅰ 30 Ⅲ Ⅰ 53 Ⅰ Ⅱ 76 Ⅱ Ⅱ
8 Ⅰ Ⅰ 31 Ⅲ Ⅱ 54 Ⅲ Ⅱ 77 Ⅱ Ⅱ
9 Ⅰ Ⅰ 32 Ⅲ Ⅰ 55 Ⅲ Ⅲ 78 Ⅱ Ⅱ
10 Ⅰ Ⅰ 33 Ⅲ Ⅰ 56 Ⅰ Ⅲ 79 Ⅱ Ⅱ
11 Ⅰ Ⅰ 34 Ⅲ Ⅰ 57 Ⅰ Ⅲ 80 Ⅱ Ⅱ
12 Ⅰ Ⅰ 35 Ⅲ Ⅰ 58 Ⅰ Ⅲ 81 Ⅱ Ⅱ
13 Ⅰ Ⅰ 36 Ⅲ Ⅰ 59 Ⅰ Ⅲ 82 Ⅱ Ⅱ
14 Ⅰ Ⅰ 37 Ⅲ Ⅰ 60 Ⅰ Ⅲ 83 Ⅱ Ⅱ
15 Ⅰ Ⅰ 38 Ⅲ Ⅰ 61 Ⅰ Ⅲ 84 Ⅱ Ⅱ
16 Ⅰ Ⅰ 39 Ⅲ Ⅰ 62 Ⅰ Ⅱ 85 Ⅱ Ⅱ
17 Ⅱ Ⅰ 40 Ⅲ Ⅰ 63 Ⅰ Ⅱ 86 Ⅱ
18 Ⅱ Ⅰ 41 Ⅲ Ⅰ 64 Ⅰ Ⅱ 87 Ⅱ
19 Ⅰ Ⅰ 42 Ⅲ Ⅱ 65 Ⅰ Ⅱ 88 Ⅱ
20 Ⅱ Ⅰ 43 Ⅲ Ⅱ 66 Ⅰ Ⅱ 89 Ⅱ
21 Ⅱ Ⅰ 44 Ⅲ Ⅱ 67 Ⅰ Ⅱ 90
22 Ⅰ Ⅰ 45 Ⅲ Ⅱ 68 Ⅰ Ⅱ 91
23 Ⅰ Ⅰ 46 Ⅲ Ⅱ 69 Ⅰ Ⅱ 92

4.4 沉积物磁学参数及其环境意义

据对两钻孔沉积物样品的磁学分析,沉积物频率磁化率在2%~10%之间,表示多畴、单畴和超顺磁颗粒同时存在[13]。同时,沉积物质量磁化率和频率磁化率明显受沉积物粒度控制：两孔质量磁化率和平均粒径呈显著正相关,相关系数为TE孔0.623、ZZ-2孔0.609（在0.01的显著性水平上显著相关）;两孔频率磁化率与平均粒径呈显著甚至高度负相关,相关系数为TE孔0.856,、ZZ-2孔0.712（在0.01的显著性水平上显著相关）,说明沉积物粒度与磁学参数具有变化一致性。在沉积物柱样分段上,各段粒度和磁学参数整体对应较好。当粒度较粗时,质量磁化率较高,频率磁化率较低。据此推断,当沉积物颗粒较粗时,表明水动力较强,质量磁化率较高,超顺磁颗粒对磁化率的贡献减小,频率磁化率较低。在与洪水事件的对应上,粒度参数和频率磁化率对应效果较好,但是与质量磁化率对应较差。推测当发生洪水事件时,水动力增强,外源物质增多,导致超顺磁颗粒对磁化率的贡献减小,沉积物频率磁化率较低。
由于影响磁学参数的因素很多,两钻孔部分层位出现参数对应特点上的差异,说明在对磁学参数环境意义的多成因、综合分析方面,还需进一步深入研究。

4.5 沉积物柱样的分段特点

4.5.1 天鹅洲 根据放射性核素测定推断的全孔沉积物平均沉积速率,可推算出1972年天鹅洲自然裁弯取直年代的深度约为35 cm处。结合聚类分析结果（表1）发现,沉积物柱样深度25 cm处沉积物粒度特征发生突变：平均粒径值由26 cm处的2.9 μm上升到25 cm处的3.3 μm;偏态、峰态值也发生明显变化;磁学参数尤其是频率磁化率也在25 cm处发生突变,说明该处发生了改变整个沉积环境特征的事件。考虑到全孔整体平均沉积速率与局部沉积速率存在差异,判断深度25 cm处应为1972年河/湖转换事件层。同时,根据该事件层的时标意义,可对全孔平均沉积速率进行分段校正,校正后A段（深度26~85 cm）平均沉积速率为1.07 cm/a,B段（深度0~26 cm）平均沉积速率为0.63 cm/a（图3）,各段特点分述如下：A段（深度26~85 cm）的沉积物粒度组分、磁学特征为平均粒径、粉砂含量自下而上呈降低趋势,粘土含量呈升高趋势,指示沉积物由粗变细,河道在裁弯取直之前流速持续变缓、搬运能力持续下降;沉积物质量磁化率波动幅度较大,出现全柱样最高值和最低值;频率磁化率除71~85 cm段偏低外数值偏高（图3）。该段又可分为三个亚段：a亚段（71~85 cm,校核后平均沉积速率推测时间为1929-1916年）,沉积物平均粒径呈稳定高值和小幅波动下降趋势,粒度组分以粗颗粒为主,质量磁化率呈大幅波动下降趋势,频率磁化率出现低值,表明该处水动力较强,粒度参数聚类分析结果显示为Ⅱ类,即以河流沉积特点为主。
b亚段（53~71 cm,校核后平均沉积速率推测时间为1946-1930年）,平均粒径呈波动下降趋势,各粒度参数均显示沉积物由粗变细,沉积物质量磁化率呈现稳定谷值,为全孔最低值,频率磁化率呈波动上升趋势,粒度参数聚类分析结果显示为Ⅰ类,主要表现为静水（湖泊）条件下的沉积特点。该亚段为何出现与湖泊（牛轭湖）相类似的水动力环境条件,沉积物呈现湖相沉积特点,目前尚难以完整解释。
c亚段（26~53 cm,校核后平均沉积速率推测时间为1971-1947年）,为天鹅洲自然裁断前的过渡时段,平均粒径呈稳定低值,各粒度参数均显示沉积物以细颗粒为主,为全孔最低值。峰度普遍高值,峰态从很尖窄变为极尖窄,显示优势粒级（细颗粒）更集中,说明该阶段长江流速进一步变慢,质量磁化率呈现稳定均值状态,频率磁化率处于稳定高值阶段,粒度参数聚类分析结果显示为Ⅲ类,主要为河/湖转换沉积特点。
整个A段中,沉积物平均粒径出现四组显著峰值（深度为61 cm、71 cm、77 cm、84 cm）,显示沉积物显著变粗,频率磁化率和质量磁化率下降或者相对低值。这与李永飞等[25]在太湖沉积物中发现的洪水事件层特征相似,故判断其分别对应四次洪水事件。结合校核后的平均沉积速率并查阅当地史志文献记载[9,26],推断四组峰值分别对应1954年、1935年、1931年、1918年四次洪水事件,其间出现个别沉积层与洪水事件对应的偏差,很可能与放射性核素定年的误差有关。
B段（深度0~26 cm）的沉积物粒度组分特征为平均粒径和偏度突然增高后保持稳定,其他粒度指标除深度21 cm和17 cm两处外,均比较稳定,显示该段沉积物颗粒突然变粗并维持高值状态（图3）,粒度参数聚类分析结果显示为Ⅰ类,主要反映河流沉积特点。深度21 cm和17 cm两处的粒度特征与A段四组峰值的粒度特征相同,说明两处峰值同为洪水事件层,结合校核后的平均沉积速率并查阅当地史志文献记载,推断该处两组峰值分别对应1983年和1980年洪水事件。
4.5.2 中洲子 与上述天鹅洲同理,据放射性核素获得全孔平均沉积速率、粒度参数聚类分析结果（表1）和频率磁化率的突变,推测ZZ-2孔沉积物深度41 cm处为1967年河/湖转换事件层,也是沉积物柱样A层和B层分界线。根据河/湖转换事件层的时标意义,可对全孔平均沉积速率进行校正,校正后A段平均沉积速率为1.85 cm/a,B段平均沉积速率为0.89 cm/a。由此ZZ-2孔沉积物柱样可分为两段：A段（深度42~89 cm）的沉积物粒度组分、磁学特征为平均粒径整体较粗,粘土含量较低,细粉砂与中粉砂含量较高且波动较大;质量磁化率偏高,频率磁化率偏低,出现大幅波动（图4）。根据沉积物粒度指标聚类分析,A段总体上为Ⅱ类,主要体现河流沉积特点,其中深度55~61 cm段的聚类结果为Ⅲ类,与河/湖转换沉积特点相似。深度60 cm处恰为沉积物平均粒径等参数的峰值,按照校核后的平均沉积速,该段的沉积时间大约为20世纪50-60年代。据《荆州堤防志》记载[27],1954年大洪水中中洲子永合垸发生溃口,故推断深度60 cm处为1954年大洪水事件层。同理,结合沉积速率与当地史志文献记载,推断深度72 cm、87 cm平均粒径峰值分别对应1949年和1941年洪水事件。至于深度55~61 cm段为何粒度参数聚类结果显示为牛轭湖河/湖转换过渡层特征,尚待继续深入分析,但推测应与洪水事件相关。
B段（深度0~42 cm）的沉积物粒度参数聚类分析结果显示为Ⅰ类,主要为湖泊（牛轭湖）沉积特点。沉积物颗粒较A段细,平均粒径小、粘土含量较高。深度31 cm和22 cm处出现平均粒径峰值、磁学参数低值,与前文洪水事件特征相似,根据校核后的平均沉积速率推算,与1983年和1980年洪水记载吻合。

5 讨论与结论

5.1 讨论

5.1.1 关于牛轭湖沉积物颗粒粗细变化 河流曲流发育过程中,河道形态经历了“八”字型—“Π”字型—“Ω”字型的过程,随着河道弯曲度的增加,流速逐渐变慢,沉积物颗粒逐渐变细。因此,牛轭湖沉积的粒度组分不仅与河/湖转变过程有关,还与河道弯曲程度、沉积物采样位置有关[28]。在较高弯曲度的“Ω”字型牛轭湖——天鹅洲,TE钻孔沉积物粒径较中洲子ZZ-2孔沉积物颗粒更细一些,就是这个原因。此外,天鹅洲为自然裁弯取直,中洲子则为人工裁弯取直,前者自然裁弯取直后上、下口门均快速淤塞[5],导致牛轭湖面积快速减小,使牛轭湖仅在汛期与长江相通,而汛期长江水动力条件较强,漫溢入牛轭湖的江水携带粗颗粒物质较多,导致牛轭湖成湖后粒度组分变粗。但中洲子在人工裁弯取直后,上口迅速由人工与长江完全分离[5],下口却与长江仍然相通,牛轭湖成湖后的沉积物颗粒变粗没有天鹅洲那样显著。综合起来,牛轭湖沉积物粒度自下而上呈现“粗—细—粗”的变化特征。
5.1.2 关于现代牛轭湖沉积的放射性核素定年 现代牛轭湖形成于近百年以来,在其沉积物定年分析中,短寿命放射性核素210Pb和137Cs分析法被广泛采用[23,27,29-31]。但在实践中,根据确切事件的沉积记录进行年代校核是非常关键的[17-21]。本文尝试了先根据钻孔沉积物柱样的整体沉积速率建立年代框架,“就近”寻找可能的事件层,再根据沉积物粒度、磁学参数的变化特征,从沉积学角度确定事件层,并对放射性核素推测的年代框架进行校核。如根据天鹅洲、中洲子裁弯取直事件层和发生时间,校核该事件沉积层的年代,并以此层将沉积物柱样分为上下两段（牛轭湖段、河流段）,通过分别计算各自段的平均沉积速率,再次校核沉积物柱样的沉积年代。更进一步,在根据地方史志记载确认长江洪水年份的基础上,根据再次校核后的沉积物年代,“就近”寻找与之对应的沉积物事件层,进一步精确认定沉积物年代。
5.1.3 牛轭湖沉积物对洪水事件的响应 根据前述分析,TE孔和ZZ-2孔沉积物对建国后1954年、1980年、1983年长江全流域洪水具有较清晰的记录,对史志记录的1918年、1931年、1935年、1941年、1949年洪水事件也分别有所记录。根据沉积学原理,裁弯取直后的牛轭湖沉积在洪水期接受河道漫溢带来的较粗颗粒沉积物,应该对洪水事件的指示更加清晰,但事实上,对于现代牛轭湖来说,天鹅洲和中洲子沉积记录对裁弯取直前的洪水记录更为明显。究其原因当与裁弯后（分别为1972年和1967年）恰好国家加大防洪设施建设力度和长江洪水事件影响受到人为控制有关。但值得关注的是,根据现代牛轭湖沉积研究所得到的认识,将会对揭示该区域不同时期古牛轭湖（埋藏牛轭湖）沉积中十分丰富的长江流域古洪水事件记录,具有重要意义。同时,TE孔和ZZ-2孔沉积均未能记录下1998年长江全流域洪水事件,其原因尚待进一步探求。

5.2 结论

① 由天鹅洲TE孔和中洲子ZZ-2孔沉积物及其粒度与磁学特点记录显示,长江中游荆江段牛轭湖沉积呈现典型的A-B层模式：下层（A层）为河流冲积相沉积和河/湖转变沉积,上层（B层）为湖泊相沉积。根据两个钻孔沉积物的粒度参数特征,可将沉积物划分为三种类型,其中Ⅰ类（湖泊沉积）主要对应B层;Ⅱ类（河流沉积）与Ⅲ类（河/湖过渡沉积,或洪水沉积）合在一起为A层。牛轭湖沉积物粒径在剖面上呈“粗—细—粗”的变化特点。② 对现代牛轭湖而言,短寿命放射性核素分析仍是沉积物定年的有效手段,但笼统地运用平均沉积速率推测沉积年代会产生较大误差,需要运用其他沉积特征参数和近现代环境变化事件记录,通过确认特定事件沉积层、分段计算沉积物平均速率校核并确定沉积年代。③ 现代牛轭湖沉积具有良好的对河流流域洪水事件的响应,但仍需要从沉积学机理方面继续深入研究。这一研究对揭示古牛轭湖沉积中丰富的古洪水事件信息具有重要意义。
参考文献（References）
[1] 斯特拉勒. 现代自然地理学. 《现代自然地理学》翻译组 译. 北京：科学出版社, 1978. [Strahler A N. Modern Physical Geography. Translated by the translation group of Modern Physical Geography. Beijing: Science Press, 1978.]
[2] Brent B W, Roland I H, William M L, et al. Reconstruction of multi-century flood histories from oxbow lake sediments. Peace-Athabasca Delta, Canada. Hydrological Processes, 2006, 20(19): 4131-4153.
[3] Gregory R B, Barbara E M. Deposits and cutoff ages of Horseshoe and Marion oxbow lakes, Red River, Manitoba. Géographie Physique et Quaternaire, 2003, 57(2-3): 151-158.
[4] 沈吉, 薛滨, 吴敬禄, 等. 湖泊沉积与环境演化. 北京: 科学出版社, 2010. [Shen Ji, Xue Bin, Wu Jinglu, et al. Lake Sedimentary and Environmental Evolution. Beijing: Science Press, 2010.]
[5] 谢小平, 张松林, 王永栋, 等. 长江中游曲流河段河道的近代演化过程研究. 第四纪研究, 2008, 28(2): 326-331. [Xie Xiaoping, Zhang Songlin, Wang Yongdong, et al. Temporal and spatial evolution of meandering river in the middle reaches of the Changjiang River. Quaternary Sciences, 2008, 28(2): 326-331.]
[6] 秦养民, 顾延生, 王银善, 等. 天鹅洲长江故道近代环境变化的有壳变形虫记录. 地质科技情报, 2007, 26(3): 37-42. [Qin Yangmin, Gu YanSheng, Wang Yinshan, et al. Recent environmental changes in the Swan Oxbow of the Yangtze River: Evidence from testate amoebae records. Geological Science and Technology Information, 2007, 26(3): 37-42.]
[7] 张原, 祁士华, 杨丹, 等. 天鹅洲长江故道沉积物柱状样中有机氯农药高分辨率沉积记录. 安全与环境工程, 2009, 16(4): 9-13. [Zhang Yuan, Qi Shihua, Yang Dan, et al. High resolution sedimentary record of organochlorine pesticidesin sediment cores from Tian′ezhou Oxbow. Safety and Environmental Engineering, 2009, 16 (4): 9-13.]
[8] 何荣, 邓兵, 杜金洲, 等. 长江中游天鹅洲沉积物重金属元素记录对流域人类活动的响应. 华东师范大学学报: 自然科学版, 2012, (4): 173-180. [He Rong, Deng Bing, Du Jinzhou, et al. Response to the anthropogenic impact on heavy metals in the sediment core from the Swan oxbow in the middle Yangtze River. Journal of East China Normal University: Natural Science, 2012, (4): 173-180.]
[9] 石首县地方志编纂委员会. 石首县志. 北京: 红旗出版社, 1990. [Shishou County Annals Editorial Board. Shishou County Annals. Beijing: Red Flag Press,1990.]
[10] 李键, 张维, 陈敬安, 等. 一种可实现不同水深条件下采样的湖泊沉积物柱芯采样装置. 地球与环境, 2011, 39(1): 121-124. [Li Jian, Zhang Wei, Chen Jing′an, et al. A newly developed sampler for collecting lake sediment cores. Earth and Environment, 2011, 39(1): 121-124.]
[11] Appleby P G, Nolan P J, Gifford D W, et al. 210Pb dating by low background gamma counting. Hydrobiologia, 1986, 143(1): 21-27.
[12] 霍坎松, 杨松. 湖泊沉积学原理. 郑光膺 译. 北京: 科学出版社, 1992. [Hakanson L, Jansson M. Principle of Lake Sedimentology. Translated by Zheng Guangying. Beijing: Science Press, 1992.]
[13] 董瑞斌, 张卫国, 卢升高,等. 土壤和沉积物的磁参数及其在环境科学中的应用. 科技通报, 2000, 16(6): 479-483. [Dong Ruibin, Zhang Weiguo, Lu Shenggao, et al. The magnetic indexes for soil and sediment and their applications on environmental studies. Bulletin of Science and Technology, 2000, 16(6): 479-483.]
[14] 刘恩峰, 薛滨, 羊向东, 等. 基于210Pb与137Cs分布的近代沉积物定年方法: 以巢湖、太白湖为例. 海洋地质与第四纪地质, 2009, 29(6): 89-94. [Liu Enfeng, Xue Bin, Yang Xiangdong, et al. 137Cs and 210Pb chronology for modern lake sediment: A case study of Chaohu Lake and Taibai Lake. Marine Geology & Quaternary Geology, 2009, 29(6): 89-94.]
[15] 姚书春, 薛滨, 李世杰, 等. 长江中下游湖泊沉积速率的测定及环境意义: 以洪湖、巢湖、太湖为例. 长江流域资源与环境, 2006, 15(5): 569-573. [Yao Shuchun, Xue Bin, Li Shijie, et al. Sedimentation rates in Honghu, Chaohu and Taihu Lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2006, 15(5): 569-573.]
[16] 姚书春, 李世杰, 刘吉峰, 等. 太湖THS孔现代沉积物137Cs和210Pb的分布及计年. 海洋地质与第四纪地质, 2006, 26(2): 79-83. [Yao Shuchun, Li Shijie, Liu Jifeng, et al. Recent sedimentation of THS core in southern Taihu Lake inferred from 137Cs and 210Pb. Marine Geology & Quaternary Geology, 2006, 26(2): 79-83.]
[17] 杨洪, 易朝路, 邢阳平, 等. 210Pb和137Cs法对比研究武汉东湖现代沉积速率. 华中师范大学学报: 自然科学版, 2004, 38(1): 109-113. [Yang Hong, Yi Chaolu, Xing Yangpin, et al. A comparative study on recent sedimentation rates in Lake Donghu, Wuhan with 210Pb and 137Cs dating techniques. Journal of Central China normal University: Natural Science, 2004, 38(1): 109-113.]
[18] Nahm W, Lee G H, Yang D, et al. A 60-year record of rainfall from the sediments of Jinheung Pond, Jeongeup, Korea. Journal of Paleolimnology, 2010, 43(3): 489-498.
[19] 吴艳宏, 王苏民, 夏威岚, 等. 近代湖泊沉积物球状碳颗粒（SCP）定年. 科学通报, 2005, 50(7): 703-707. [Wu Yanhong, Wang Sumin, Xia Weilan, et al. Dating recent lake sediments using spheroidal carbona-ceous particle (SCP). Chinese Science Bulletin, 2005, 50(7): 703-707.]
[20] Gunten L, Grosjean M, Beer J, et al. Age modeling of young non-varved lake sediments: methods and limits. Examples from two lakes in Central Chile. Journal of Paleolimnology, 2009, 42(3): 401-412.
[21] Hollins S E, Harrison J J, Jones B G, et al. Reconstructing recent sedimentation in two urbanized coastal lagoons (NSW, Australia) using radio isotopes and geochemistry. Journal of Paleolimnology, 2011, 46(4): 579-596.
[22] Costa Böddeker S, Bennion H, Jesus T A, et al. Paleolimnologically inferred eutrophication of a shallow, tropical, urban reservoir in southeast Brazil. Journal of Paleolimnology, 2012, 48(4): 751-766.
[23] 万国江. 现代沉积的210Pb计年. 第四纪研究, 1997, 17(3): 230-239. [Wan Guojiang. 210Pb dating for recent sedimentation. Quaternary Sciences, 1997,17(3): 230-239.]
[24] 曹跃华, 张春生, 刘忠保, 等. 沙滩子牛轭湖沉积特征. 石油与天然气地质, 1995, 16(2): 196-201. [Cao Yuehua, Zhang Chunsheng, Liu Zhongbao, et al. Sedimentary characteristics of bayou in Shatanzi. Oil & Gas Geology, 1995, 16(2): 196-201.]
[25] 李永飞, 于革, 沈华东, 等. 太湖沉积对流域极端降水和洪水响应的研究. 沉积学报, 2012, 30(6): 1099-1105. [Li Yongfei, Yu Ge, Shen Huadong, et al. Study on lacustrine sediments responding to climatic precipitation and flood discharge in Lake Taihu catchment, China. Acta Sedimentologica Sinica, 2012, 30(6): 1099-1105.]
[26] 监利水利志编辑室. 监利水利志. 北京: 中国水利水电出版社, 2005. [Jianli Water Conservation Annals Editorial Board. Jianli Water Conservation Annals. Beijing: China Water & Power Press, 2005.]
[27] 荆州堤防志编纂委员会. 荆州堤防志. 北京: 中国水利水电出版社, 2012. [Jingzhou Dyke Annals Editorial Board. Jingzhou Dyke Annals. Beijing: China Water & Power Press, 2012.]
[28] 李志威, 王兆印, 潘保柱. 牛轭湖形成机理与长期演变规律. 泥沙研究, 2012, 57(5): 16-25. [Li Zhiwei, Wang Zhaoyin, Pan Baozhu. Formation mechanism and long-term evolution of oxbow lakes. Journal of Sediment Research, 2012, 57(5): 16-25.]
[29] Oldfield F, Appleby P G, Battarbee R W. Alternative 210Pb dating: Results from the New Guinea Highlands and Lough Erne. Nature, 1978, 271(5643): 339-342.
[30] Appleby P G, Oldfield F. The calculation of lead-210 dates assuming a constant rate of supply of unsupported 210Pb to the sediment. Catena, 1978, 5(1): 1-8.
[31] 万国江. 现代沉积年分辨的137Cs计年: 以云南洱海和贵州红枫湖为例. 第四纪研究, 1999, 19(1): 73-80. [Wan Guojiang. 137Cs dating by annual distinguish for recent sedimentation: Samples from Erhai Lake and Hongfeng Lake. Quaternary Sciences, 1999, 19(1): 73-80.]

The authors have declared that no competing interests exist.

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