第四章田间试验设计

第四章田间试验设计第一节试验概述第二节试验设计原理（重复、随机排列、局部控制）第三节经典试验设计（完全随机、随机区组、拉丁方等）第四节正交试验设计*（正交表及其种类、表头设计）本章内容要点提示：试验设计属于科学试验方法论的范畴，学习时①要注意将试验误差和前一章作为随机变量介绍的误差联系起来，进一步区分田间试验研究和抽样分析的不同点；②了解试验研究的程序和试验方案的内容，重点掌握试验误差的控制办法，特别是试验地土壤差异的控制技术；③要在充分认识随机区组设计和拉丁方设计的田间排列、优势及其缺陷的基础上，理解其它各种试验设计与它们的联系和区别；④对于正交设计，要熟悉正交表的类与型，熟练正交表的使用方法（因素上列，处理成行）以及由正交拉丁方构造部分正交表的原理。涉及教材内容：第一章前三节，第二章前五节。作业布置：教材第二章第六、七、八节和第十三章第四节P285～P289、P294内容自习。教材P12T2、T3、T4、T5；P34T2、T3、T4。第一节试验概述一、试验研究的基本知识1、试验研究在科研中的地位。（1）科学研究的基本过程。科研活动是人类认识世界，能动地改造世界的过程，任何一个领域的科研活动都不可能一下子全部完结，但对一个具体的研究课题而言，都是一个有始有终的过程，这个过程对于自然科学来讲，大体上包括以下四个阶段：调查研究试验研究解释或表达选题假说形成假说验证科技写作什么叫“假说”？用已有的事实材料和科学原理为依据，对未知事物的猜测或假定性解释。假说及其形成作为科研活动的阶段之一，标志着科研方法的进步和完善，其价值在于研究工作可以它为基点，把研究方向朝四面八方铺开，尽可能地将它应用于各种具体情况而引伸出许多预期结果，来和客观实际结果作比较，从而提出试验或观察方法，恩格斯在《自然辩证法》中有过这样一句名言：“只要自然科学还在思维着，它的发展形式就是假说”。哥伦布发现美州大陆就是为验证“地球是球体”这样一个假说而得到的意外发现。狭义相对论的提出，就是迈克尔逊等人为验证，光的传播介质是“以太”这样一个假说而导出了洛仑兹变换，这一变换经爱因斯坦的头脑就成了新的发现线索。所以科研工作就以“假说形成”为时间界限分为前后两个阶段。假说形成前是科研工作的准备阶段，其方法主要调查研究。假说形成后的阶段是试验或观测阶段，这一阶段主要是试验研究，因此，实践检验真理在科研工作中就表现为试验验证假说。（2）什么叫试验研究？在尽可能排除外界影响，突出主要因素，并能细腻地观察到各种现象之间相互关系的条件下，使某种过程重演，以观察未知事实，验证假说。农业和生物学领域的试验研究方法有两类。田间试验——以差异对比法为基础，在田间自然条件下，突出试验因素，排除次要因素，以观察比较不同试验处理的反应和效果。试验室或温室试验——与田间试验相比，能够严格地控制一些在田间条件下难以控制的试验条件，如光照、温湿度、土壤环境等，因而有助于深入研究作物的生长发育规律。2、试验研究与统计学统计学最主要的应用领域有两个：工农业生产和社会经济领域。田间试验的适当的设计与统计分析，是统计方法在农业中应用的直接形式。由于农业试验周期长，环境因素变异大，如不对试验的设计安排作精心考虑，并使用有力的统计分析方法，则得不出什么有用的结论，所以试验设计及其统计分析的发展，始自农业和生物方面的应用。尤其是试验设计的基本思想和方法，最初都是从田间试验开始发展起来的。如在Australia的一些较大的科研单位和试验站所进行的农业试验研究，大多较为庞杂，且耗时多年、试验设计与数据分析工作做得非常严肃、认真。程序是：交计划任务定研究方案课题主持人生统局统计专家工人或试验员报告分析结果按时邮寄数据这样严格的分工使研究人员集中精力从事自己的课题研究：熟悉自己研究范围内的基础知识及其更新和发展情况。统计学家则专门从事生物统计方面的学习和研究，并在各州农业厅设专门机构——生物统计局，订有世界各国出版的与生物统计有关的杂志，每年还派人参加世界性的生统会议，也常有外国专家和学者去他们那里讲课或交流经验。我国统计学管理机构尚处于学会团体性质的阶段，如中国现场统计学会，定期开展学术活动，主办刊物《数理统计与管理》。3、农业试验研究的一般程序选题————→计划————→实施————→总结（1）选定研究课题①当前生产提出的实际问题；②生产进一步发展需要解决的理论和技术问题；③推广国内外先进经验；④科学发展上需要解决的理论问题。要求：第一，要深入生产实际，抓主要矛盾（找瓶颈）；第二，要广泛搜集国内外有关资料。（2）拟订试验计划按统计学原理，设计和确定完成试验任务的方法和步骤。具体包括：①设计试验方案；②确定试验设计种类；③制订管理措施；④拟订观察项目、记载方法及标准。要求：第一，符合试验任务要求的精确度；第二，照顾需要和可能，做到多、快、好、省。（3）实施试验计划也就获取试验数据的过程。①根据方案做好准备工作；②科学布置田间试验；③有始有终地做好管理工作；④完成计划规定的观察记载任务。要求：贯彻单一差异原则，减少误差，杜绝差错。（4）对试验数据进行统计分析，作出科学结论。首先是对所有数据进行整理，发现错误设法更正，无法更正又证明确是错误的观察值应剔除，其次是对所有数据按统计学原理进行分析，找出规律并确定可靠程度，最后作出总结，写出试验研究报告，如果学术价值较高还须进一步撰写学术论文，这就是“科技写作”。二、试验方案1、试验方案的内容：试验方案指试验中进行比较的一组试验处理的总称。试验方案是全部试验工作的核心，它是围绕研究课题，根据试验的目的和要求制订的，其内容包括试验因素、试验水平、试验指标和试验处理。分别介绍如下：试验因素——在控制影响试验结果的其它条件的情况下，人为变动的一个或几个试验条件。如品比试验、密度试验中的品种、密度即是。试验指标——衡量试验因素效应的指示性状，如比较两个品种优劣的试验，试验指标就可以是产量或者是收获物中某一种经济性状。试验指标对试验（处理）因素效应的定量表达就是试验数据。试验水平——试验因素从质或量的方面分成不同的等级，其中的每一个等级就是一个水平，如品比试验中的每一个品种就是从质的方面来策划分水平的，密度试验中的密度就是从量的方面来划分水平的。试验处理——如试验中仅一个因素，则该因素的每一个水平就是一个试验处理；如果试验中包括两个或两个以上的因素，则试验处理就是这些因素各个水平的组合，简称组合或水平组合。例如有一特早熟扁豆栽培试验方案，A因素为追肥，分花前追肥与对照（不追肥）两个水平，B因素为品种，分红花一号，白花二号，C因素为密度，设四种株距（行距为1.5M）即45cm、70cm、95cm、120cm，重复2次，则水平组合数为2×2×4＝16个。2、因素效应及交互作用简单效应（其平均值就是主效应）：试验因素的相对独立作用，即因素对性状的数量指标所起的增加减少的作用，简称主效。以某水稻品种施肥量为例，若亩施N肥由10kg增至15kg时，产量由350kg增加到450kg，则效应就是施N肥单因素的不同水平引起的产量差异为+100kg，这就是简单效应。交互作用（互作效应，简称互作）上例中，假定在增施5kg的同时，再增施5kg复合肥，事先已知单纯增施5kg复合肥时，产量可望由350kg增加到400kg，现这两个措施同时采用后，其结果无非是下列三种情况之一：①等于150kg：称两个因素无交互作用，称“零互作”。②大于150kg，两个因素有类似正反馈的交互作用，称“正互作”。③小于150kg：两个因素有类似负反馈的交互作用，称“负互作”。3、确定试验方案的要点。①抓主要矛盾，力求试验因素简单明确；因素过多时先选一、两个关键性因素进行试验，然后再作比较复杂的试验，这样先简后繁，结论明确；或者先做预备试验，再做能完成多元统计分析的模式试验。②同一因素各水平间的差别要拉开档次；从量的方面划个水平时，等比级数比等差级数好（旋转组合设计二者兼顾）③每个因素所设水平数要适当；水平数太少了容易漏掉有用的信息，多了增加工作量。④方案中要明确中心水平（处理）；中心水平即预计结果可能最优的水平，其余水平都是围绕该水平展开设置（如回归设计）。⑤尽量排除非试验因素的限制，使其处于比较良好的状态，有助于因素效应的充分发挥；⑥差异比较法必须建立在单一差异原则的基础上，以保证试验具有严密的可比性，这就要求：第一，试验因素以外的其它条件相对一致，谨防干扰；第二，试验处理中应设置作为比较标准的处理，也就是要有对照（CK）。三、田间试验的种类和要求按任务不同的划分为两类：1、小区试验：即科研性试验，处理数目多，小区面积小，准确度要求较高，研究多因素最好的水平组合。2、生产试验：即示范性试验，处理数少，小区面积大，准确度要求很高，验证小区试验结果的推广价值。按试验因素的多少，分为三类：1、单因素试验：只研究一个因素效应的试验。优点：设计简单明了，结果很直观；缺点：影响试验指标的因素很多时，结果有片面性。2、复因素试验：研究两个或两个以上因素效应的试验，其特点是说明问题较全面，可以研究各因素的主效应，也可以研究因素间的协同效应（或互作），试验效率比单因素试验高。3、综合试验：研究一定条件下各因素最优（或较优）组合的综合效应，并比较其实用价值的试验。特点是大多属生产试验，确定规范化栽培模式。田间试验的要求有三个：1、试验条件的代表性（典型性）指试验条件应能代表拟推广试验结果的地区的自然条件和农业条件，既要有先进性，又要有实用性。2、试验数据的可靠性（正确性）包括数据的准确度和精确度两个方面，准确度指观察值Y与其相应真值μ接近的程度，指标是σӮ/Ӯ(%)，其值越小，准确度越大。但由于一般试验中，真值μ为未知数，只能根据的样本标准误算得另一个指标，即SӮ/Ӯ(%),这就是精确度，它反映观察值彼此接近的程度。3、试验结果的重演性（规律性）指在相同或相似条件下，再重复做类似试验时，应该能获得相同或相似的结果。由于田间试验的自然条件难以人为控制，即使重复同一试验，试验结果也会因为不同地区或不同年份而有出入，完全相同不可能，但类似是完全应该的。第二节试验设计原理一、试验误差的分类由于试验因素既有主效应，又有互作效应，因此，同一试验中各试验处理因其所含水平（组合）不同而出现不同的效应值，这种反映各试验处理真实效应的数值叫处理真值。而对于田间试验来讲，试验数据的各观察值由于受到许多非试验因素的干扰和影响，即包含了处理真值，又包含了使之偏离处理真值的试验因素效应，就叫做试验误差，也简称误差。按性质的不同，试验误差分两类。1、系统误差（片面误差）试验因素以外的其它条件明显不一致所产生的误差，其特点是：①干扰因素始终朝一个方向影响试验结果，使观察值总是比处理真值偏大（或偏小），直接影响试验结果的准确度σӮ/Ӯ(%)；②可人为控制，即通过合理的试验设计消除掉（如设保护行或计产面积消除边际效应），使之不带进数据内，或者虽带进数据中（区组效应，如田间试验中的土壤肥力梯度——趋向性差异或试验材料的顺序差异），但可以和试验因素效应一样能定量分析出来，故又可称之为系统因素效应。以两因素各二水平的RCBD实例展开讲……………………GGGG4（A2B2）3212（A1B2）1431（A1B1）2343（A2B1）412GGGGⅠⅡⅢⅣ肥力梯度可控因素系统因素试验因素边际效应是指靠试验边缘生长的作物因占据较大的生长空间，其生长势或产量与行中作物出现较大的差异，有的产量相差可达到一倍以上。2、偶然误差（随机误差）在严格控制试验条件相对一致后，仍不能消除的偶发性误差，简称机误，其特点是：①干扰因素使观察值大于处理真值或小于处理真值的机会均等，即误差的符号可正可负，其取值是一个服从正态分布的随机变量，即可以定量估计y－μ任一取值范围的概率（如果μ、σ已知的话），直接影响的是试验结果的精确度SӮ/Ӯ(%)；②不管怎样控制条件，这种误差均为只能减小而不可能彻底消除。一个成功的试验设计一方面要降低偶然误差，另一方面又要消除系统误差（如边际效应），或者使之能够明确、定量地分析出来，