1、高级实验设计—比较性实验设计(Experimental-Design)

第一章比较性试验设计Chapter1ExperimentalDesignforComparativeExperiments一、目的与任务第一节试验研究概述采用严密手段和科学方法，探索客观现象发生的原因、过程和结果等规律的实践活动。又叫科学试验。Ifweacceptthepremise（假定、假设）thatnewknowledgeismostoftenobtainedbycarefulanalysisandinterpretationofdata,thenitisparamount（最重要的）thatconsiderablethoughtandeffortbegiventoplanningtheircollectioninorderthatmaximuminformationbeobtainedfortheleastexpenditureofresources.1.试验研究的定义解决人们在认识社会和自然的过程中所遇到的实践问题；为人类认识和改造客观世界提供理论依据，指导人们的实践活动。Probablythemostimportantfunctionoftheconsultingstatisticianisprovidingassistanceindesigningefficientexperimentsthatwillenabletheexperimentertoobtainunbiasedestimatesoftreatmentmeansanddifferencesandofexperimentalerror.2.试验研究的任务二．试验研究的种类Typesofexperimentalstudy单因素试验Singlefactorexperiment只将某一个因素（Factor）的效应作为试验研究的对象。特点设计简单，结果易于分析，能对试验因素作深入研究。缺点不能了解因素间的相互关系，结果有一定局限性。例子氮肥用量对冬小麦产量的影响渭北旱塬春玉米田氮肥施用方式研究。特点Characteristics可探明因素间相互关系（Interaction），较全面地说明问题，试验效率较高。缺点Demerits试验因素过多时，使试验过于复杂庞大，反而降低试验准确性。例子Example研究灌水量、灌水时间及施肥量配合对作物产量的效应。复因素试验Factorialexperiment同一试验中同时研究2个或2个以上因素的效应（Effect）。三．试验的一般程序Commonprocedure1.选题确定试验研究的方向、目标和任务有意义：新技术、新产品、新观点、新理论△联系生产实际：生产上迫切需要解决的问题；△预测未来问题：未来生产发展中会出现的问题；△基础理论问题：学科发展上需要解决的突出问题。有科学性：有科学依据，可行性强有实用性：有应用前景氮肥利用率控释肥料果树缺铁土壤污染盐碱土改良2.做好试验计划Makingexperimentalplan设计完成试验任务的方法步骤试验方案Experimentalplan—完善试验方法Experimentalmethod—科学观察及测定项目Itemsofobservationandmeasurement—精选管理措施Managementmeasures—细致3.实施Implementation准备试验场所、器材、工具布置管理观察、测定、纪录4.总结Makingconclusions归纳整理和分析试验资料，提炼规律。审查资料，剔除异常数据；统计分析撰写报告试验的目的和意义Introduction材料与方法Materialsandmethods试验结果（数据、图片、图表、标本）Results讨论Discussion结论Conclusions四、试验基本要求代表性Representative试验结果要能正确反映被研究总体的客观规律。（试验过程中采用的措施有代表性、随机抽样观测）精确性Precision试验结果的特征数和分布规律要接近总体特征值及分布规律（减小试验误差）。复现性在相同条件下重复同一试验，能得到相同的规律（保证代表性和精确性）。一．试验方案设计的基本概念作物品种Varietyofcrop施肥量Fertilizationrate肥料品种Fertilizertype施肥方式Fertilizationmethod施肥时间Fertilizationtime灌水量Irrigationamount灌水时间Wateringtime覆盖方式Mulchingmode作物产量Cropyield作物品质Cropquality肥料利用率Recoveryoffertilizer水分利用效率WaterutilizationefficiencyorWUE试验要研究的、能对研究客体产生影响的各种事物，称为试验因素或因素。1.因素Factor第二节比较性试验方案设计作物品种施氮量（kg/hm2）氮肥品种施氮方式施氮时间灌水量（mm）灌水类型灌水时间覆盖方式陕229，小偃22，84010，75，150，225尿素，碳铵，硫铵表施，穴施，条施播前，冬季，拔节期0，20，40，60，80冬季，拔节初期，拔节后期污水灌溉，地下水灌溉不覆盖、覆麦秸、覆地膜试验因素不同质或量的存在状态，称为试验因素的水平。2.水平Level施氮量（kg/hm2）灌水量（mm）施磷量（kg/hm2）（单因子试验因素的每个水平就是一个处理）N1I1(0，30)N2I1(5，30)N3I1(10，30)N1I2(0，60)N2I2(5，60)N3I2(10，60)P1(0)P2(4)P3(8)P4(12)3.处理Treatment一个试验因素的不同水平或几个试验因素不同水平之间的组合如：氮磷肥料配合试验，氮3个水平：N1，N2，N3磷3个水平：P1，P2，P3N1P1，N2P1，N3P1N1P2，N2P2，N3P2N1P3，N2P3，N3P3试验方案：9个处理同一试验中所有试验处理的总和称为试验方案。4.方案Planordesign二、试验设计方案的原则2.严格的可比性通过差异比较说明试验因素的效应；遵循单一差异原则——除了试验因素外，其它因素均应保持相对一致。1.明确的目的性试验要能回答你的问题。•设对照：试验方案中不施肥处理或施用某种标准肥料处理，采用某种常规施肥措施或其它常规农艺措施的处理。•设肥底：除了作为试验因素的肥料外，所有处理均需施用相同量和适宜量的其它肥料。如：1：N0K0P0（对照1，CK1)2：N1K1P0（对照2，CK2)3：N1K1P过磷酸钙（对照3，CK3)4：N1K1P磷矿粉对照+设肥底有比较才有鉴别保证试验肥料因素效应的正常发挥3.方案的高效性用较少的投入获得最大的信息量途径Pathways适当减少试验因素的数量在各因素水平设计上应有侧重采用正交设计方案（复因子试验）三、试验方案设计（一）单因子试验方案设计Designforsinglefactorexperiment研究目的Studypurpose考察一个因素的效应设计要点Majorpoints确定试验因素水平的上、下限：取决于试验目的和生产实际情况。确定试验因素的水平间距：取决于作物种类、土壤肥力水平、试验条件、植物营养元素种类。采用t检验方法的配对设计例如在不同农户田分设施肥与不施肥处理进行肥料效应对比试验。应用实例：某新开发的多元微肥，含多种微量元素和氮磷钾等元素，现欲通过小麦田间叶面喷施试验，检验其肥料效应。为此，选择了具有代表性的5个农户小麦田，进行肥料效应对比试验。采用配对设计方案，共有2个处理：喷施肥料只是基肥和追肥的补充，因此各试验田块应按照生产要求，通过基肥和追肥施用适量的氮磷钾肥料。1.喷施微肥：将固体微肥配制成0.5%浓度的水溶液，在冬小麦拔节期和孕穗期分作2次喷施，每次施用量为100ml/m2微肥溶液。2.对照：不喷施微肥，只在处理1喷施肥料时，对处理2喷施与处理1同量的清水。例1小麦磷肥用量试验，磷肥用量：P0，P1，P2，P3四水平，试验方案如下：1）不施肥（CK1）；2）肥底NK+P0；3）NK+P1；4）NK+P2；5）NK+P3采用方差分析方法的单因素设计例2氮肥品种比较试验。方案如下：1）不施肥（CK1）；2）肥底PK+尿素；3）PK+碳铵；4）PK+硝铵；5）PK+硫铵表2-2马铃薯氮肥用量试验施肥量(kg/hm2)处理号处理NP2O5K2O施肥方法1N001352252N11501352253N22101352254N327013522560%氮肥及全部磷钾作基肥；其余氮肥在块茎形成期追施在这一设计方案中，磷、钾肥作为肥底，采用目前生产上的合理用量并对各处理保持一致。肥料宜用单质肥料，以便依据处理需要调节用量。[应用实例]某马铃薯生产基地要建立马铃薯高产优质施肥方案，磷钾肥施用量基本变化不大，但施氮量（N,kg/hm2）因生产基地而异，一般在150～250范围内，设计确定优化施氮的方案。研究目的：考察因子的主效应及其交互作用，确定各因素不同水平的优化组合。设计要点：确定采用完全实施方案，还是不完全实施方案！（二）复因子试验方案的设计Factorialdesign如：氮磷肥料配合试验，氮3个水平：N1，N2，N3磷3个水平：P1，P2，P3N1P1，N2P1，N3P1N1P2，N2P2，N3P2N1P3，N2P3，N3P3试验方案：各试验因素不同水平一切可能的组合均作为试验处理。1.完全实施方案Completedesign表N、Ｐ、Ｋ三因素二水平完全实施方案处理号NPK处理1111N1P1K1CK2112N1P1K2K3121N1P2K1P4122N1P2K2PK5211N2P1K1N6212N2P1K2NK7221N2P2K1NP8222N2P2K2NPK特点：一个因素各水平与其它因素各水平组合的机会相等；处理数为：a×b×c;优点：可算出所有因素的简单效应、主效应和交互作用，提供的信息量较大。缺点：试验因素和水平较多时方案显得过于庞大，实施起来难度大。（1）经验法氮磷钾肥料效应试验均衡不完全实施方案用完全实施方案的一部分处理构成试验方案。处理号NPK处理处理1111N1P1K1CK2122N1P2K2PK3212N2P1K2NK4221N2P2K1NP2.不完全实施方案Incompletedesign特点：可分析出氮、磷、钾的主效应。氮磷钾肥料效应试验不均衡不完全实施方案处理号NPK处理1111CK2211N3121P4221NP5222NPK特点：由1、2、3、4处理，可分析出氮磷简单效应、主效应及交互作用；由4、5，可分析出钾简单效应。[应用实例]华北某石灰性潮土，氮磷肥是冬小麦产量限制因子，土壤交换性钾为90～100（mg/kgK），处于临界水平，钾肥效应不稳定。为建立小麦优化施肥方案，提出了表2-3复因素试验设计方案。表2-3冬小麦肥料试验方案施肥量(kg/hm2)处理号NP2O5K2O施肥方法1150750215012003180750418012005210750621012007180120150800060%氮肥及全部磷、钾肥作基肥，其余氮肥在拔节期追施（2）正交设计法Orthogonaldesign正交试验设计方法，简称正交设计，是试验设计的重要组成部分，该方法由日本的田口玄一于1949年创立。正交试验设计方法是从全面试验中挑出部分有代表的点进行试验，这些代表点具有“均匀”和“整齐”的特点。正交试验设计是部分因子设计（Fractionfactorialdesigns）的主要方法，具有很高的效率。为提高某化工产品的转化率，选择了三个有关因素进行条件试验，反应温度(A)，反应时间(B)，用碱量(C)，并确定了它们的试验范围：A：80～90℃B：90～150minC：5～7％试验目的是搞清楚因子A、B、C对转化率有什么影响，哪些是主要的，哪些是次要的，从而确定最适生产条件，即温度、时间及用碱量各为多少才能使转化率高。试制定试