Studie über das Wurzelsystem von Cynodon dactylon, das Trockenheit beeinflusst

Jun 05, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13052 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Expansiver Boden weist bemerkenswerte Eigenschaften der Wasseraufnahmeausdehnung und der Wasserverlustschrumpfung auf, wodurch er unter den wechselnden Trocken-Nass-Umgebungen der Natur anfällig für Risse ist. Die Entstehung und Entwicklung von Rissen in ausgedehnten Böden kann zu katastrophalen technischen Unfällen wie Erdrutschen führen. Vegetationsschutz ist ein wichtiger Ansatz zur Stabilisierung ausgedehnter Bodenböschungen und zur Erfüllung ökologischer Schutzanforderungen. In dieser Studie wurden mithilfe von Innenraumexperimenten und theoretischen Analysemethoden die Auswirkungen von Cynodon dactylon-Wurzeln auf die Rissentwicklung und die Scherfestigkeit von expansivem Boden, der Trocken-Nass-Zyklen ausgesetzt ist, sowie die Beziehung zwischen der Rissentwicklung und dem Abfall der Scherfestigkeit in den Wurzeln analysiert -dotierter expansiver Boden wurde erkundet. Darüber hinaus wurde der Mechanismus der vegetativen Wurzelsystemwirkung aufgeklärt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Wurzelsystem von Cynodon dactylon eine signifikante hemmende Wirkung auf die Rissbildung in expansiven Böden ausübt. Die Rissindizes von wurzeldotierten expansiven Böden weisen während des Prozesses von Trocken-Nass-Zyklen signifikante Phaseneigenschaften auf. Die rissblockierende und verstärkende Wirkung des Wurzelsystems wird ausgeprägter, wenn das Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis zunimmt und der Wurzeldurchmesser abnimmt. Darüber hinaus geht der Prozess der Rissbildung in expansiven Böden mit einer Abnahme der Bodenscherfestigkeit einher. Der quantitative Zusammenhang zwischen Rissentwicklung und Scherfestigkeitsabfall kann als Grundlage für die Vorhersage der Stabilität von Hangböden dienen. Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse das Potenzial vegetativer Ansätze beim Schutz von Hängen mit ausgedehnten Böden und haben praktische Auswirkungen auf den ökologischen Schutz und die technische Gestaltung in Gebieten mit ausgedehnten Böden.

Expansiver Boden ist ein hochplastischer Ton mit den Eigenschaften Rissbildung, Ausdehnung und Kontraktion sowie Superverfestigung. Aufgrund des Reichtums an hydrophilen Mineralien wie Montmorillonit führt die Änderung des Wassergehalts zu einer erheblichen Feuchtausdehnung und Trockenkontraktionsverformung des Bodens, was zur Entstehung von Rissen führt1,2. Die sich wiederholenden Zyklen von Niederschlag und Verdunstung verschlimmern den Rissprozess noch weiter und verschlechtern die gesamte Bodenstruktur. Dadurch wird die Festigkeit des ausgedehnten Bodens beeinträchtigt, was zu verschiedenen geotechnischen Herausforderungen wie Hangrutschungen und Straßenrissen führt3,4,5. Die Wahrung der Langzeitstabilität ausgedehnter Bodenhänge hat sich im Ingenieurwesen zu einem kritischen Anliegen entwickelt und erfordert wirksame Lösungen zur Bewältigung dieses Problems.

Sowohl inländische als auch internationale Wissenschaftler haben durch umfangreiche praktische Erkundungen umfangreiches Fachwissen zur Verstärkung ausgedehnter Bodenhänge gesammelt. In der Ingenieurspraxis wurden verschiedene starre und flexible Schutzmaßnahmen aktiv eingeführt, um die mit ausgedehnten Bodenhängen verbundenen Risiken zu mindern6,7,8,9. Die Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit herkömmlicher Unterstützungsmethoden war jedoch nicht optimal, was Forscher dazu veranlasste, alternative Ansätze wie die Einarbeitung von Fasern10,11,12, Kalk13,14,15 und Flugasche16,17 in den Boden zu untersuchen.

In den letzten Jahren besteht ein wachsendes Interesse an den technischen und wirtschaftlichen Vorteilen sowie den ökologischen Vorteilen des Einsatzes ökologischer Hangsicherungsmethoden. Das Konzept der „Behandlung von Expansion mit Flexibilität und Grünschutz“ hat sich als neuartiger Ansatz für expansives Bodenschutzmanagement herausgestellt5,18. Diese Studien haben die verstärkende Wirkung und das ökologische Sanierungspotenzial von Umweltschutzmaßnahmen bei Hangbaumaßnahmen nachgewiesen19 und die enge Beziehung zwischen dem Wurzelsystem und Bodenrissen20,21,22,23,24 sowie die starke Korrelation zwischen Wurzelwachstum hervorgehoben Eigenschaften und Hangstabilität25,26. Trotz dieser bedeutenden Erkenntnisse wurde der Einfluss von Vegetationswurzeln auf die Entwicklung ausgedehnter Bodenrisse in der vorhandenen Literatur jedoch nicht vollständig behandelt, und es fehlt eine Diskussion über den Einfluss von Wurzelwachstumsmerkmalen auf die Entwicklung ausgedehnter Bodenrisse .

Der Scherfestigkeitsabfall in expansiven Böden aufgrund der Rissbildung wurde in neueren Studien ausführlich untersucht27,28,29. Trocken-Nass-Zyklen wurden als wesentlicher Faktor identifiziert, der zur Entstehung von Rissen in ausgedehnten Böden beiträgt30,31,32 und zu einer Verschlechterung der Bodenfestigkeit führt. Andererseits wurde festgestellt, dass das Vorhandensein von Vegetationswurzeln die Scherfestigkeit des Bodens in gewissem Maße erhöht33,34,35. Die hemmende Wirkung des Wurzelsystems auf den Scherfestigkeitsabfall expansiver Böden und der Zusammenhang zwischen Rissbildung und Scherfestigkeitsabfall bleiben jedoch unklar.

Aufbauend auf den vorhandenen Studien analysierte diese Studie die Auswirkungen charakteristischer Parameter des Cynodon dactylon-Wurzelsystems auf das Trocken-Nass-Rissverhalten und die Scherfestigkeit von expansivem Boden durch kontrollierte Innentests. Die Studie untersuchte auch den Zusammenhang zwischen dem Rissentwicklungsprozess und dem Scherfestigkeitsabfall in wurzeldotierten expansiven Böden und erläuterte den Mechanismus der Cynodon dactylon-Wurzeln zur Verbesserung der Leistung expansiver Böden. Die Forschungsergebnisse können eine effektivere theoretische Grundlage für die Entwicklung und Anwendung der ökologischen Behandlungstechnologie für Hangvegetation in ausgedehnten Bodengebieten liefern und auch eine nützliche Referenz für die Untersuchung von Erdrutschen und anderen geologischen Gefahren in ausgedehnten Bodengebieten darstellen.

Die in dieser Studie verwendeten Bodenproben wurden von den Hängen ausgedehnter Böden vor Ort im Bezirk Xingning, Stadt Nanning, Autonome Region Guangxi, China, entnommen. Die grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Bodenproben sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der für den Test verwendete Boden wurde gemäß den nationalen „Technischen Vorschriften für das Bauen in expansiven Bodengebieten“ (GB 50,112–2013) als mittelexpansiver Boden bestimmt. Die Partikelgrößenverteilung des expansiven Bodens wurde mit einem kombinierten Laser-Partikelgrößenmessgerät MASTERSIZER 3000 (MAZ 3000) von Malvern Instruments Ltd, UK, und einem Siebverfahren ermittelt, wie in Abb. 1 dargestellt. Das Siebverfahren wird hauptsächlich bei expansiven Böden eingesetzt Bodenproben mit einer Partikelgröße über 1 mm. Nach der Siebung werden Bodenproben mit einer Partikelgröße unter 1 mm im Laser-Partikelmessgerät MAZ 3000 zur weiteren Partikelgrößenanalyse verwendet. Die Partikelgrößenverteilung des expansiven Bodens ist wie in Abb. 2 dargestellt organisiert. Die mineralogische Zusammensetzung der Bodenproben wurde mit einem in Deutschland hergestellten Bruker XRD Goniometer (D8 DISCOVER) bestimmt und für die physikalische Phase wurde die Software MDI JADE 6 verwendet Abruf und Analyse, wie in Abb. 3 dargestellt. Die mineralische Zusammensetzung der expansiven Böden ist wie in Tabelle 2 dargestellt organisiert.

MASTERSIZER 3000 (MAZ 3000) Laser-Partikelgrößenanalysator.

Partikelgrößenverteilung expansiver Böden.

Bruker XRD Goniometer (D8 DISCOVER).

Das für die Studie ausgewählte Pflanzenwurzelsystem war das Wurzelsystem von Cynodon dactylon. Cynodon dactylon ist eine faserige Pflanze mit winzigen und zähen faserigen Wurzeln. Die in dieser Studie verwendeten Cynodon dactylon-Wurzeln stammen aus dem Indoor-Anbau und sind keine Wildquellen oder seltenen konservierten genetischen Ressourcen. Wie in Abb. 4 gezeigt, wurde Cynodon dactylon drei Monate lang in einen Eiseneimer mit 60 cm Durchmesser und 60 cm Höhe gepflanzt und regelmäßig gegossen und gedüngt. Das Wurzelsystem von Cynodon dactylon ist in Abb. 5 dargestellt. Cynodon dactylon-Samen wurden in großen Mengen von großen kommerziellen Saatgutherstellern produziert und auf lokalen Märkten in China gekauft, und die Pflanzen wurden gemäß den einschlägigen Richtlinien gezüchtet. Cynodon dactylon ist in tropischen und subtropischen Regionen weit verbreitet und wächst auch in gemäßigten Gebieten, was es zu einer der besten Pflanzenarten für ökologisches Hanggras macht36,37. Die Wurzeln des Cynodon dactylon wachsen meist in einer Bodentiefe von 0–40 cm mit einem gut entwickelten Wurzelsystem und minimalen Unterschieden im Wurzeldurchmesser pro 10 cm Tiefenintervall38,39. Daher dient es als geeignete Probe für Laborexperimente.

Cynodon dactylon pflanzt.

Cynodon Dactylon-Wurzeln.

Um die Auswirkungen des Wurzel-Boden-Massenverhältnisses und des Wurzeldurchmessers auf die Rissbildung in expansiven Böden zu untersuchen, wurden diese beiden Einflussfaktoren einzeln und in Kombination getestet. Nach dem Sammeln der Cynodon dactylon-Wurzeln von der Teststelle wurden die Wurzeln gründlich mit Wasser gewaschen und anschließend gewogen, nachdem das Oberflächenwasser mit saugfähigem Papier entfernt wurde. Um den Einfluss der Wurzellänge auf die Versuchsergebnisse zu minimieren, wurde das Wurzelsystem gleichmäßig auf eine Länge von 2 cm geschnitten, basierend auf der Ringmesser-Probengröße (61,8 mm Durchmesser und 20 mm Höhe), die in Innentests verwendet wurde. Um die natürlichen Wachstumsbedingungen der Wurzeln von Cynodon dactylon im Boden nachzubilden, wurden der Boden und die Wurzeln gut und gleichmäßig gemischt.

Die Bestimmung der Bodenprobenkompaktheit in diesem Indoor-Test basierte auf der tatsächlichen Kompaktheit des Hangs vor Ort und ergab einen Wert von 85 %. Unter Berücksichtigung der lokalen Temperaturänderungsbedingungen wurden experimentelle Umgebungstemperaturen von 25 °C und 40 °C ausgewählt. Basierend auf den vorherigen Pflanztests zur Hangschutzvegetation und der statistischen Analyse des Wurzelsystems38,40 wurde das Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis auf 0 %, 0,06 %, 0,14 % und 0,22 % und der Wurzeldurchmesser auf festgelegt 0,0–0,4 mm, 0,4–0,6 mm und 0,6–0,8 mm.

Während des Überwachungszeitraums wies der Wassergehalt des Bodens eine Bandbreite von Werten auf, wobei das Minimum bei 9 % und das Maximum bei 30,5 % lag, wie in Abb. 6 dargestellt. Durch Integration der tatsächlichen Überwachungsdaten mit dem optimalen Wassergehalt Der anfängliche Wassergehalt der Bodenprobe (19 %) für den Trocken-Nass-Zyklustest mit gleicher Amplitude wurde mit 19 % bestimmt. Der minimale und maximale Wassergehalt für den Trocken-Nass-Zyklus wurde auf 9 % bzw. 29 % festgelegt, die Trocken-Nass-Zyklus-Amplitude betrug ± 10 % und die Trocken-Nass-Zyklen dauerten sechsmal.

Zeitverlaufskurve des Bodenwassergehalts und der Niederschlagsschwankung.

Tabelle 3 zeigt das in dieser Studie verwendete Testprogramm. Test 1 zielte darauf ab, den Einfluss des Wurzelsystems auf die Rissentwicklung bei einer Temperatur von 25 °C zu untersuchen. Es wurde insbesondere festgestellt, dass der Einfluss der Temperatur eine frühere und schnellere Rissentwicklung und -stabilisierung fördert, ohne nennenswerte Auswirkungen auf den endgültigen Index41. Um den Versuchsprozess zu beschleunigen, wurden die Tests 2–7 bei einer höheren Temperatur von 40 °C durchgeführt. Insbesondere wurden die Tests 2–5 durchgeführt, um die Auswirkungen des Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnisses auf die Rissentwicklung und die Bodenscherfestigkeit zu untersuchen, während die Tests 5–7 durchgeführt wurden, um die Auswirkungen des Wurzeldurchmessers auf die Rissentwicklung und die Bodenscherfestigkeit zu untersuchen .

Der expandierte Boden wurde dem folgenden Vorbereitungsprozess unterzogen. Zunächst wurde der Boden an der Luft getrocknet und anschließend zerkleinert, bevor er durch ein 2-mm-Sieb passierte, um eine Gleichmäßigkeit zu gewährleisten. Anschließend wurde das vorbereitete Bodenmaterial genau abgewogen und schichtweise in einer Emailleschale verteilt. Um den gewünschten Wassergehalt von 19 % zu erreichen, wurde die Erdoberfläche gleichmäßig mit destilliertem Wasser besprüht und gründlich durchmischt. Die resultierende Bodenprobe wurde dann 24 Stunden lang hermetisch verschlossen, um eine vollständige Wasserdiffusion zu ermöglichen. Nach Abschluss des Eintopfvorgangs wurde die Bodenprobe vollständig und gleichmäßig mit den Wurzeln von Cynodon dactylon vermischt. Die Verdichtung der Bodenprobe wurde durch Regulierung der Qualität der Bodenprobe gesteuert, und die Methode des statischen Drucks wurde verwendet, um die Probe auf einmal herzustellen, wie in Abb. 7 dargestellt. Insbesondere wurde vor der Vorbereitung der Bodenprobe Vaseline verwendet wurde sorgfältig auf die Innenwand des Ringmessers und den Kontaktbereich zwischen der Eisenmatte und der Oberfläche der Bodenprobe aufgetragen, um mögliche Grenzeffekte während der anschließenden Trocken-Nass-Zyklustests abzuschwächen.

Bodenprobe.

Der Trocken-Nass-Zyklus war in zwei Schritte unterteilt: Befeuchtung und Entfeuchtung. Um eine genaue Kontrolle des Wassergehalts zu gewährleisten, wurde eine elektronische Waage mit einer Genauigkeit von 0,01 g eingesetzt. Für den Befeuchtungsprozess wurde die Bodenprobe in eine Emailleschale gelegt und ein einzelnes Blatt nasses Filterpapier sowohl auf die Ober- als auch auf die Unterseite gelegt. Dies geschah, um den Zerfall der Bodenprobe bei Wasseraufnahme zu verhindern und eine gleichmäßige Benetzung sicherzustellen. Mit einem kleinen Sprühstrahl wurde Wasser auf das Filterpapier auf der Oberfläche der Bodenprobe gesprüht, um die zu wiegende Masse auf einen voreingestellten Zielwassergehalt zu bringen. Der Entfeuchtungsprozess wurde in einer Testkammer mit konstanter Temperatur bei 25 °C und einem Ofen bei 40 °C durchgeführt. Die Bodenproben wurden dabei mehrmals gewogen und fotografiert und die Entfeuchtung galt als abgeschlossen, wenn sich die Masse der Probe innerhalb von 0,02 g änderte. Dies stellte einen Trocken-Nass-Zyklus dar und der Vorgang wurde 0–6 Zyklen lang wiederholt.

An Bodenproben, die am Ende jedes Trocken-Nass-Zyklustests entnommen wurden, wurden direkte Schertests durchgeführt. Der undrainierte Schertest wurde gemäß dem inländischen „Highway Geotechnical Test Procedure“ (JTG 3430–2020) durchgeführt. Für jede Testgruppe wurden vier Replikate von Bodenproben hergestellt und der vertikale Druck auf Werte von 100, 200, 300 und 400 kPa ausgeübt, während die Schergeschwindigkeit bei 0,8 mm/min gehalten wurde. Es entsteht eine Gerade mit dem vertikalen Druck als horizontaler Koordinate und der Scherfestigkeit als vertikaler Koordinate. Der Neigungswinkel dieser Linie ist der Winkel der inneren Reibung und der Schnittpunkt auf der vertikalen Koordinate ist die Kohäsionskraft. Wenn die Scherfestigkeit aus dem Spitzenpunkt der Beziehungskurve mit der Scherspannung als vertikaler Koordinate und der Scherverschiebung als horizontaler Koordinate ermittelt wird, wird die Scherspannung aus dem Korrekturfaktor des Dynamometers im Schertest berechnet, dem Messwert des Dynamometer und der Anfangsfläche der Probe. Der Versuchsaufbau und die Methodik sind in Abb. 8 dargestellt.

Trocken-Nass-Zyklustest und gerader Schertestprozess.

Um gleichmäßige Lichtverhältnisse zu gewährleisten, wurde nur die gleiche Lichtquelle im Raum verwendet, um Bilder mit gleichem Fokus (20 cm) aufzunehmen. Anschließend wurden die erfassten Rissbilder mit der Software Adobe Photoshop verarbeitet und in die Software PCAS42,43 importiert, ein proprietäres Tool der Universität Nanjing, für eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten wie automatische Binarisierung, Rauschentfernung und Skelettierung. Basierend auf dem erhaltenen Riss-Binärdiagramm und seinem Skelett wurde das Muster der Bodenrissentwicklung quantitativ durch die statistische Rissrate der Bodenprobe, die durchschnittliche Rissbreite und andere Indikatoren charakterisiert. Die Rissrate wurde als Verhältnis der Oberflächenrissfläche zur Gesamtfläche der Bodenprobe definiert und charakterisierte die Gesamtentwicklung des Risses der Bodenprobe. Um eine konsistente Berechnung der Rissrate zu gewährleisten, wurde im Test die obere Oberfläche des Ringmessers als Gesamtfläche verwendet. Die Anzahl der Risse wurde anhand der Definition einer Rissspur zwischen zwei benachbarten Knoten als ein Riss bestimmt. Die durchschnittliche Risslänge wurde als Verhältnis der Gesamtlänge der Risse zur Anzahl der Risse berechnet. Die durchschnittliche Rissbreite wurde als Verhältnis der Gesamtbreite der Risse zur Anzahl der Risse berechnet. Die Konnektivität wurde als Verhältnis der Anzahl der Rissschnittpunkte (A) zur Summe der Anzahl der Schnittpunkte (A) und Endpunkte (B) definiert, ausgedrückt als A/(A + B).

Die in dieser Studie verwendeten Cynodon dactylon-Wurzeln stammen aus dem Indoor-Anbau und sind keine Wildquellen oder seltenen konservierten genetischen Ressourcen. Pflanzensamen werden in großen Mengen von großen kommerziellen Saatgutherstellern produziert und können auf lokalen Märkten in China gekauft werden. Alle Pflanzenversuche wurden nach einschlägigen Richtlinien durchgeführt.

Abbildung 9 zeigt die Rissnetzwerkbilder der ausgedehnten Bodenproben mit unterschiedlichen Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnissen nach jedem Trocken-Nass-Zyklus bei 40 °C und 0–0,4 mm Wurzeldurchmesser. Abbildung 10 zeigt die Rissnetzwerkbilder ausgedehnter Bodenproben mit unterschiedlichen Wurzeldurchmessern nach jedem Trocken-Nass-Zyklus bei 40 °C und einem Wurzel-Boden-Massenverhältnis von 0,22 %. Es ist zu erkennen, dass ab dem 1. Zyklus grobe und lange Penetrationsrisse an der Oberfläche des reinen Expansivbodens entstanden. Mit wiederholten Trocknungs- und Befeuchtungszyklen dehnten sich die Risse allmählich in Richtung der Mitte der Bodenproben aus und schließlich teilten die Hauptrisse die Oberfläche in mehrere große Bereiche. Dies ist vor allem auf die Fülle an Tonmineralien wie Montmorillonit in ausgedehnten Böden zurückzuführen. Die Oberfläche von Tonpartikeln ist aufgrund ihrer starken Hydrophilie44 von einem hydratisierten Film umhüllt, der Raum für Wasserverlust und Schrumpfung expansiver Böden bietet und eine Voraussetzung für die Entstehung expansiver Bodenrisse ist. Während des Trocknungsprozesses von ausgedehntem Boden verdunstet das Wasser allmählich, und die Bodenpartikel schließen sich in horizontaler Richtung aneinander und verfestigen sich in vertikaler Richtung unter der Wirkung von Oberflächenspannung und Sog, was sich in einer Volumenkontraktion des Bodens äußert Boden in makroskopischer Richtung. Durch Oberflächenspannung und Sogkräfte wird jedes Bodenteilchen im Boden einer Zugspannung in horizontaler Richtung ausgesetzt, wodurch ein Spannungsspannungsfeld entsteht. Wenn die Größe des Zugspannungsfeldes die Zugfestigkeit des Bodens übersteigt, entstehen Risse45. Am Rand der Bodenprobe findet ein häufigerer Wasseraustausch statt, daher ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass Risse entstehen, sodass sich die Risse vom Rand zur Mitte hin allmählich nähern. Die Heilung von Rissen am Rande des 6. Trocken-Nass-Zyklus kann auf zwei mögliche Gründe zurückgeführt werden. Erstens führen die breiteren Risse zum Einsturz und anschließenden Auffüllen von Bodenpartikeln an den Rissrändern. Zweitens führt die Umkehr des Wassergehaltsgradienten zu einer Schwindung in den oberen Rissen.

Rissnetzwerkbilder von ausgedehnten Böden (unterschiedliche Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnisse).

Abbildung des Rissnetzes ausgedehnter Böden (unterschiedliche Wurzeldurchmesser).

Wenn wurzeldotierte expansive Böden Trocken-Nass-Zyklen durchliefen, dehnten sich darüber hinaus auch die Risse zur Bodenmitte aus, waren jedoch im Vergleich zu reinen expansiven Böden zahlreicher und feiner. Dieses Phänomen verstärkt sich mit zunehmendem Wurzel-Boden-Massenverhältnis und abnehmendem Wurzeldurchmesser. Die Risse an der „Überbrückungs“-Position des Wurzelsystems zeigten eine offensichtliche Heilung, was durch die Erholung der Risse in der Mitte der Bodenproben mit Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnissen von 0,06 % und 0,14 % sowie Wurzeldurchmessern belegt wurde im Bereich von 0,4 bis 0,6 mm und 0,6–0,8 mm.

Abbildung 11 zeigt die Variationskurven des Rissindex expansiver Böden mit unterschiedlichen Wurzel-Boden-Massenverhältnissen unter der Bedingung von Trocken-Nass-Zyklen. Die Rissrate expansiver Böden zeigte im 2. Trocken-Nass-Zyklus einen schnellen Anstieg und in den nachfolgenden Zyklen einen leichten Rückgang ohne nennenswerte Schwankungen. Die durchschnittliche Breite und die Konnektivität der Risse zeigten einen Trend, der während der Trocken-Nass-Zyklen zunahm und dann abnahm. Insbesondere expansive Bodenproben mit einem Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis von 0,22 % zeigten eine signifikante Verringerung der durchschnittlichen Breite und der Konnektivität von Rissen während des 3. Trocken-Nass-Zyklus. In Kombination mit Abb. 9 ist zu erkennen, dass es im 2. Zyklus zu einer Wurzelverteilung am breiten Riss der Bodenprobe kam, was zu einem gewissen Grad an Heilung des Bodenrisses im Prozess der Befeuchtung führte. Darüber hinaus zeigte die Anzahl der Risse in expansivem Boden einen insgesamt steigenden Trend mit einer Zunahme der Anzahl von Trocken-Nass-Zyklen, es gab jedoch große Schwankungen in den Bodenproben mit einem Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis von 0,14 % und 0,22 %. Die durchschnittliche Risslänge an der Oberfläche ausgedehnter Böden nimmt in den frühen Stadien des Nass-Trocken-Zyklus stetig zu und nimmt in den späteren Stadien tendenziell ab46. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Oberfläche von Bodenproben im Spätstadium der Trocken-Nass-Zyklen meist aus kleinen und unzusammenhängenden Rissen besteht, die Anzahl der Risse deutlich zunimmt und die durchschnittliche Länge der Risse abnimmt.

Variationskurve des Rissindex von expansivem Boden mit unterschiedlichen Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnissen unter der Bedingung von Trocken-Nass-Zyklen: (a) Rissrate; (b) Anzahl der Risse; (c) durchschnittliche Risslänge; (d) durchschnittliche Rissbreite; und (e) Konnektivität.

Aus den Indikatoren am Ende des 6. Trocken-Nass-Zyklus ist ersichtlich, dass die Rissrate, die durchschnittliche Rissbreite, die Konnektivität und die durchschnittliche Risslänge mit zunehmendem Wurzel-Boden-Massenverhältnis insgesamt einen abnehmenden Trend aufwiesen . Bemerkenswerterweise nahm die Anzahl der Risse mit zunehmendem Wurzel-Boden-Massenverhältnis zu, was darauf zurückzuführen ist, dass das Wurzelsystem Inhomogenität und Anisotropie im Boden hervorruft und dadurch die Schwachstellen auf der Bodenoberfläche vergrößert. Dies erklärt auch das Phänomen, dass die Anzahl der Risse in den wurzeldotierten Bodenproben bei Trocken-Nass-Zyklen deutlich höher ist als bei rein expansivem Boden. Darüber hinaus deutet die Variation in den Konnektivitätsmustern darauf hin, dass Bodenproben mit höheren Wurzel-Boden-Massenverhältnissen überwiegend feine und unzusammenhängende Risse an der Oberfläche aufweisen. Es zeigt sich, dass die Wurzelriss-blockierende Wirkung des Wurzelsystems eine positive Korrelation mit dem Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis aufweist. Bemerkenswert ist, dass die optimale Wurzelriss-Blockierungswirkung bei einem Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis von 0,22 % erreicht wurde.

Abbildung 12 zeigt die Änderungskurve des Rissindex von expansivem Boden mit unterschiedlichen Wurzeldurchmessern unter der Bedingung von Trocken-Nass-Zyklen. Die Rissrate expansiver Böden zeigte im 2. Trocken-Nass-Zyklus einen schnellen Anstieg und in den nachfolgenden Zyklen einen leichten Rückgang ohne nennenswerte Schwankungen. Die durchschnittliche Rissbreite zeigte insgesamt einen Trend, der zunächst zunahm und dann abnahm. Der Unterschied zwischen der durchschnittlichen Rissbreite von reinem Expansivboden und Expansivboden mit 0,4–0,6 mm und 0,6–0,8 mm Wurzeldurchmesser war in den ersten vier Trocken-Nass-Zyklen nicht groß und verringerte sich im 5. Zyklus unterschiedlich stark Trocken-Nass-Zyklus. Der Trend der durchschnittlichen Rissbreite korrespondierte mit dem Trend der Rissrate. Der Gesamttrend der Anzahl der Risse nahm zu. Insbesondere die Anzahl der Risse in Bodenproben mit einem Wurzeldurchmesser von 0,0–0,4 mm wies erhebliche Schwankungen auf, was zu einer ausgeprägten „bimodalen“ Form der Änderungskurve führte. Auch die durchschnittliche Risslänge und -konnektivität wiesen erhebliche Schwankungen auf. Die Konnektivität von Bodenproben mit Wurzeldurchmessern von 0,0–0,4 mm nahm zunächst zu und dann ab. Im Gegensatz dazu zeigten rein expansive Boden- und Wurzelbodenproben mit einem Durchmesser von 0,4–0,6 mm insgesamt einen abnehmenden Trend in der Konnektivität. Allerdings war die Konnektivität am Ende von 1 und 6 Zyklen höher, was darauf hindeutet, dass das Wurzelsystem mit einem größeren Wurzeldurchmesser nicht ideal für die rissblockierende Wirkung war.

Variationskurve des Rissindex von wurzeldotiertem Expansivboden mit unterschiedlichen Wurzeldurchmessern unter der Bedingung von Trocken-Nass-Zyklen: (a) Rissrate; (b) durchschnittliche Rissbreite; (c) Anzahl der Risse; (d) durchschnittliche Risslänge; und (e) Konnektivität.

Aus den Indikatoren am Ende des 6. Trocken-Nass-Zyklus ist ersichtlich, dass die Rissrate, die durchschnittliche Rissbreite, die Konnektivität und die durchschnittliche Risslänge insgesamt einen Rückgangstrend mit abnehmendem Wurzeldurchmesser aufwiesen. Die Anzahl der Risse nahm mit abnehmendem Wurzeldurchmesser zu. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die rissblockierende Wirkung des Wurzelsystems bei einem kleineren Wurzeldurchmesser verstärkt wird und die beste rissblockierende Wirkung bei einem Wurzeldurchmesser von 0–0,4 mm erzielt wird. Dieses Phänomen lässt sich in erster Linie auf die Tatsache zurückführen, dass Wurzeln mit kleinerem Durchmesser in expansivem Boden unter den gleichen Bedingungen des Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnisses tendenziell eine größere Anzahl von Wurzeln aufweisen und dadurch eine stärkere rissblockierende Wirkung ausüben.

Abbildung 13 zeigt das Entwicklungsmuster des Rissindex von wurzeldotiertem Expansivboden (Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis 0,14 % und Wurzeldurchmesser 0–0,4 mm) während der Trocken-Nass-Zyklen (Temperatur 25 °C). Die Dauer des Entfeuchtungsprozesses nahm mit zunehmender Anzahl von Trocken-Nass-Zyklen allmählich ab. Dieses Phänomen lässt sich in erster Linie auf die fortschreitende Fragmentierung des Bodens im Verlauf der Trocken-Nass-Zyklen zurückführen, was zu einer größeren, der Luft ausgesetzten Rissfläche und einer beschleunigten Wasserverdunstung führt. Beim einzelnen Entfeuchtungsprozess zeigte die Entfeuchtungsgeschwindigkeit einen abnehmenden Trend. Dies ist vor allem auf die schnellere Verdunstung des Oberflächenwassers aus dem Boden im Vergleich zum Wasser im Boden zurückzuführen.

Das Entwicklungsmuster des Rissindex während der Trocken-Nass-Zyklen von wurzeldotierten expansiven Böden.

Während des Entfeuchtungsprozesses zeigte die Veränderung der Rissrate der Bodenprobe einen schnellen Wachstumstrend (zwischen 30 und 15 % Wassergehalt), gefolgt von einer Tendenz zum Ausgleich und einer leichten Abnahme (zwischen 15 und 9 % Wassergehalt). . Dieses Phänomen ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass das Wurzelsystem die durch Bodenrisse entstandenen Risse überbrückt und die weitere Rissbildung verhindert. Die durchschnittliche Rissbreite zeigte einen ähnlichen Trend wie die Rissrate. Dies bedeutet, dass der Hauptausdruck der Rissrate die durchschnittliche Rissbreite ist. Umgekehrt war der Trend der durchschnittlichen Risslänge dem der Rissrate entgegengesetzt (zwischen 20 und 15 % Wassergehalt), was darauf hindeutet, dass die durchschnittliche Risslänge nur einen geringen Einfluss auf die Rissrate hatte. Die Konnektivität und Anzahl der Risse in den Bodenproben zeigten einen zunehmenden Trend. Die durchschnittliche Risslänge zeigte im frühen Stadium einen schnellen Anstieg (Bodenproben mit einem Wassergehalt zwischen 30 und 20 %), gefolgt von einem langsamen Rückgang im späteren Stadium (Bodenproben mit einem Wassergehalt zwischen 20 und 9 %). Dies kann auf die Entstehung neuer Risse über den ursprünglichen langen Rissen im späteren Stadium zurückgeführt werden, was zur Verkürzung langer Risse in kürzere führt. Diese Beobachtung spiegelt eine negative Korrelation zwischen der Anzahl der Risse und der durchschnittlichen Risslänge wider.

Die mikrostrukturellen Eigenschaften ausgedehnter Böden während Trocken-Nass-Zyklen sind wichtig, um die Auswirkungen des Trocken-Nass-Zyklus zu erklären. Frühere Studien haben darauf hingewiesen, dass die strukturellen Eigenschaften zwischen den Aggregaten die Hauptfaktoren sind, die die physikalischen und mechanischen Eigenschaften expansiver Böden bestimmen47. Beim Wasserverlust und der Schrumpfung ausgedehnter Böden wird zunächst das freie Wasser zwischen den Aggregaten verbraucht. Mit zunehmender Sogwirkung des Bodens erhöht sich die effektive Beanspruchung der Agglomerate. Dadurch rücken die Aggregate eng zusammen und gruppieren sich sogar neu. Allerdings ist es sehr wahrscheinlich, dass diese ungleichmäßige Schrumpfung die Rissbildung im Boden begünstigt48. Bei der Wasseraufnahme und -expansion soll das vom expandierten Boden aufgenommene Wasser zunächst den Wasserbedarf des Aggregats decken und das auf dieser Basis aufgenommene Wasser zum Füllen von Poren und Rissen nutzen. Mit abnehmender Sogwirkung des Bodens sinkt die effektive Beanspruchung des Aggregats. Zu diesem Zeitpunkt können die Aggregate unter der Wirkung des Wasserkeildrucks und des Expansionsdrucks in die nächste Aggregatebene verteilt werden. Dadurch wird der Porenraum zwischen den Aggregaten vergrößert und sie werden lockerer angeordnet47,49,50. Die makroskopische Manifestation ist, dass die Brüche mit zunehmendem Wassergehalt pseudoheilen. Dies beweist auch, dass die Schädigung der Mikrostruktur des expansiven Bodens im Hinblick auf die intergranulare Bindung während der Trocken-Nass-Zyklen irreversibel ist.

Abbildung 14 zeigt den Zusammenhalt und den inneren Reibungswinkel des expansiven Bodens als Funktion der Anzahl der Trocken-Nass-Zyklen am Ende jeder Entfeuchtung. Der Zusammenhalt und der innere Reibungswinkel von expansivem Boden mit unterschiedlichen Wurzeldurchmessern und Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnissen zeigten mit der Zunahme der Trocken-Nass-Zyklen einen abnehmenden Trend, was darauf hindeutet, dass die Trocken-Nass-Zyklen zum Rückgang der Bodenfestigkeit beitrugen. Dies liegt daran, dass die Trocken-Nass-Zyklen die Entstehung und Ausbreitung von Rissen fördern. Durch die Risse im Boden wird die Struktur des Bodens zerstört, was einerseits unmittelbar die Scherfestigkeit des Bodens verringert und andererseits die Geschwindigkeit und Tiefe der Wasserinfiltration erhöht. Die Bodenpartikel füllen sich mit einem zwischen ihnen gebundenen Wasserfilm und die Saugkraft im Boden nimmt allmählich ab. Durch die Abnahme der Sogwirkung verringert sich die effektive Spannung zwischen den Bodenpartikeln und damit die Scherfestigkeit. Darüber hinaus nahmen die Kohäsion und der innere Reibungswinkel mit zunehmendem Wurzel-Boden-Massenverhältnis zu und mit zunehmendem Wurzeldurchmesser bei gleicher Anzahl von Trocken-Nass-Zyklen ab.

Einfluss des Wurzel-Boden-Massenverhältnisses (a)–(b) und des Wurzeldurchmessers (c)–(d) auf den Scherfestigkeitsindex expansiver Böden am Ende jeder Entfeuchtung.

Die Tabellen 4 und 5 zeigen die Ergebnisse des Scherfestigkeitsindex expansiver Böden mit unterschiedlichen Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnissen und Wurzeldurchmessern am Ende des 0. bzw. 6. Trocken-Nass-Zyklus. Die Festigkeitsindizes wurzeldotierter expansiver Böden waren vor und nach 6 Trocken-Nass-Zyklen deutlich höher als die rein expansiver Böden. Der Zusammenhalt und der innere Reibungswinkel der Böden zeigten einen zunehmenden Trend mit zunehmendem Wurzel-Boden-Massenverhältnis und einen abnehmenden Trend mit zunehmendem Wurzeldurchmesser. Dies weist darauf hin, dass Wurzeln die Scherfestigkeit von Böden verbessern können, was mit früheren Studien51 übereinstimmt. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass der Scherfestigkeitsabfall eine negative Korrelation mit dem Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis und eine positive Korrelation mit dem Wurzeldurchmesser aufwies. Dieses Phänomen weist darauf hin, dass ein höheres Wurzel-Boden-Massenverhältnis und ein kleinerer Wurzeldurchmesser zu einer besseren Hemmung des Scherfestigkeitsabfalls führen. Eine Vegetation mit einem gut entwickelten Wurzelsystem, einer großen Anzahl von Wurzeln und einem kleinen Wurzeldurchmesser hat erhebliche Vorteile beim expansiven Schutz von Bodenböschungen.

Um die Beziehung zwischen Riss- und Bodenscherfestigkeit unter Trocken-Nass-Zyklusbedingungen widerzuspiegeln, wurde beschlossen, die Rissrate mit der Bodenkohäsion und dem inneren Reibungswinkel in Beziehung zu setzen28. Die Beziehung zwischen der Rissrate und dem Bodenscherfestigkeitsindex expansiver Böden unter dem Einfluss des Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnisses und des Wurzeldurchmessers wurde wie in Abb. 15 dargestellt dargestellt.

Zusammenhang zwischen der Rissrate und dem Bodenscherfestigkeitsindex expansiver Böden: (a)–(b) der Einfluss des Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnisses; (c)–(d) der Einfluss des Wurzeldurchmessers; 0–6 die Anzahl der Trocken-Nass-Zyklen.

Wie in Abb. 15(a)-(b) gezeigt, stieg die Rissrate aller Gruppen von Bodenproben in den ersten beiden Trocken-Nass-Zyklen schnell an, gefolgt von leichten Schwankungen, und erreichte schließlich einen relativ stabilen Zustand. Die expansive Bodenkohäsion und der innere Reibungswinkel zeigten während der Änderung der Rissrate einen abnehmenden Trend und der Wert blieb im 4. oder 5. Zyklus stabil. Es lässt sich beobachten, dass für einen gegebenen Wurzeldurchmesser der Bodenfestigkeitsindex während der Trocken-Nass-Zyklen eine positive Korrelation mit dem Wurzel-Boden-Massenverhältnis aufwies, während die Zunahme der Rissrate und die Abnahme des Scherfestigkeitsindex eine negative Korrelation aufwiesen Korrelation mit dem Wurzel-Boden-Massenverhältnis. Es ist zu erkennen, dass die Entstehung von Bodenrissen mit einer Abnahme der Bodenfestigkeit einherging. Insbesondere nahm die Kohäsion von reinem expansivem Boden nach 6 Trocken-Nass-Zyklen um 61,58 % und der innere Reibungswinkel um 29,36 % ab. Im Gegensatz dazu nahmen die Kohäsionsfestigkeit und der innere Reibungswinkel von expansivem Boden mit einem Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis von 0,22 % nach der gleichen Anzahl von Trocken-Nass-Zyklen nur um 22,77 % bzw. 8,73 % ab.

Der Trend des Festigkeitsindex von expansivem Boden unter dem Einfluss des Wurzeldurchmessers war ähnlich dem unter dem Einfluss des Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnisses. Wie in Abb. 15(c)-(d) gezeigt, zeigten die Kohäsion und der innere Reibungswinkel während der Änderung der Rissgeschwindigkeitsänderung einen abnehmenden Trend und stabilisierten sich bis zum 5. Zyklus. Es lässt sich beobachten, dass bei einem gegebenen Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis der Bodenfestigkeitsindex während der Trocken-Nass-Zyklen eine negative Korrelation mit dem Wurzeldurchmesser aufwies, während die Rissrate zunahm und der Scherfestigkeitsindex abnahm eine positive Korrelation mit dem Wurzeldurchmesser. Dies liegt vor allem daran, dass die Kontaktfläche zwischen Wurzelsystem und Boden mit zunehmendem Wurzeldurchmesser zunimmt. In der Vorschrumpfungsphase des Wasserverlusts im expansiven Boden kann die Reibung zwischen dem Wurzelsystem und dem Bodenkörper die rissblockierende Wirkung des Wurzelsystems voll entfalten und die Ausbreitung von Rissen hemmen. Durch die Verdunstung des Wassers rücken die Bodenpartikel jedoch umso dichter aneinander, je größer der Durchmesser des Wurzelsystems und desto größer der Spalt im Bodenkörper. Die Reibung zwischen dem Wurzelsystem und dem Boden wird verringert und das Wurzelsystem hat eine schwächere rissblockierende Wirkung.

Saugkraft und Zugfestigkeit sind entscheidende mechanische Parameter, die die Rissbildung in expansiven Böden beeinflussen, und die Einbindung von Cynodon dactylon-Wurzeln in expansiven Böden beeinflusst hauptsächlich die Zugfestigkeit des Bodens während des Schrumpfungsprozesses. Das Wurzelsystem der Cynodon dactylon-Wurzeln bildet einen Wurzel-Boden-Komplex, indem es sich mit dem Boden verheddert und verflochten wird. Wenn das Wurzelsystem während des Entfeuchtungsprozesses über eine ausreichende Zugfestigkeit ohne Risse verfügt, überbrückt es die Risse und verhindert die weitere Rissentwicklung, wie in Abb. 16(a) dargestellt. Die überbrückende Wirkung des Wurzelsystems auf die Risse führt zu einer deutlichen Steigerung der rissblockierenden Wirkung des Wurzel-Boden-Komplexes.

Wurzelwirkung auf den Boden und Eigenschaften der Wurzeloberfläche: (a) Brückeneffekt; (b) Oberflächenmorphologie; (c) Adhäsionseffekt.

Das Wurzelsystem ist über die Grenzfläche mit dem Boden verbunden, und der Wurzel-Boden-Verbund kann die Scherspannung im Boden durch die Reibungsbindung zwischen Wurzel und Boden sowie die mechanische Okklusionskraft in die Zugspannung des Wurzelsystems umwandeln52 . Dieses Phänomen trägt dazu bei, die Spannungskonzentration in schwachen Bodenbereichen zu zerstreuen, was zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung und einem verzögerten Auftreten von Bodenrissen an der Oberfläche führt und so eine effektive Spannungsübertragung erleichtert. Wie in Abb. 16(b)-(c) gezeigt, ist die Oberfläche des Wurzelsystems der Wurzeln von Cynodon dactylon rau und einige der Bodenpartikel greifen mit dem Wurzelsystem ineinander53, was für eine bessere Grenzflächenbindung zwischen ihnen sorgt Wurzeln und der Boden. Durch eine stärkere Grenzflächenbindung kann das Wurzelsystem seine mechanischen Eigenschaften voll entfalten und die gesamten mechanischen Eigenschaften des Wurzel-Boden-Verbundwerkstoffs effektiv verbessern.

Die Risse im wurzeldotierten expansiven Boden sind im Vergleich zum reinen expansiven Boden nach 6 Trocken-Nass-Zyklen größtenteils flache und feine, getrennte Risse, was beweist, dass die Wurzeln des Cynodon dactylon die Entwicklung von Rissen im expansiven Boden erheblich hemmen könnten.

Der Oberflächenrissindex von wurzeldotiertem Expansivboden weist während wiederholter Trocken-Nass-Zyklen signifikante Phaseneigenschaften auf, und das Wachstum der Rissrate wird in Form der Entwicklung der durchschnittlichen Rissbreite ausgedrückt.

Die rissblockierenden und verstärkenden Wirkungen auf das Wurzelsystem werden ausgeprägter, wenn das Wurzel-zu-Boden-Massenverhältnis zunimmt und der Wurzeldurchmesser abnimmt. Bei der Auswahl der vorherrschenden Vegetation im großflächigen Hangschutzprojekt sollte der Vegetation mit einem gut entwickelten Wurzelsystem, einer großen Anzahl von Wurzeln und einem kleinen Wurzeldurchmesser Vorrang eingeräumt werden.

Mit der Entstehung von Rissen in ausgedehnten Böden geht eine Abnahme der Bodenfestigkeit einher. Der quantitative Zusammenhang zwischen Rissentwicklung und Bodenfestigkeit kann zur Beurteilung der Festigkeit und Stabilität von Hangböden genutzt werden, was eine entscheidende Rolle bei der Prävention und Verstärkung der Hangstabilität spielt.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind nicht öffentlich verfügbar, können jedoch auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch das Schlüsselprojekt der National Natural Science Foundation of China (Nr. 51968005), das Key Research and Development Program of Guangxi (No. GUIKEB22080061), die Guangxi Transportation Industry Key Science and Technology Projects (No. GXJT- 08.02.2020), das Guangxi Key Project der Nature Science Foundation (Nr. 2020GXNSFDA238024) und das Guangxi Key Project der Nature Science Foundation (Nr. 2023GXNSFAA026463).

Fakultät für Bauingenieurwesen und Architektur, Guangxi-Universität, Nanning, 530004, China

Yingzi Xu, Yanyan Guo, Zhen Huang, Dezhi Liu, Quanen Huang und Hong Tang

Schlüssellabor für Katastrophenvorsorge und strukturelle Sicherheit, Guangxi-Universität, Nanning, 530004, China

Yingzi Xu & Zhen Huang

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YX war für den konzeptionellen und methodischen Teil der Studie verantwortlich; YG war hauptsächlich für die Organisation und Analyse der experimentellen Daten und das Verfassen des Manuskripts verantwortlich; ZH betreute und begutachtete die Arbeit; DL war hauptsächlich für die experimentellen Arbeiten in Innenräumen der Studie verantwortlich; QH war hauptsächlich für die Voruntersuchung der Studie verantwortlich; und HT war hauptsächlich für die Softwareextraktion der Daten verantwortlich. Alle Autoren haben das aktuelle Manuskript kommentiert und zur Einreichung freigegeben. Alle Autoren verpflichten sich, die persönliche Verantwortung für ihre Beiträge zu übernehmen.

Korrespondenz mit Zhen Huang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xu, Y., Guo, Y., Huang, Z. et al. Studie zum Wurzelsystem von Cynodon dactylon, das das Trocken-Nass-Rissverhalten und die Scherfestigkeitseigenschaften von ausgedehntem Boden beeinflusst. Sci Rep 13, 13052 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39770-7

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Eingegangen: 08. Mai 2023

Angenommen: 31. Juli 2023

Veröffentlicht: 11. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39770-7

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