林木育种中的实验设计

1、林木育种中的实验设计林木育种工作中，品种的比较和选择，性状的鉴定及遗传规律的了解，都需要进行田间试验。田间试验的设计是否适当，直接影响着育种的成败和进展速度。因此在林木育种的整个过程中，田间试验是一个关键阶段。一、 试验设计的基本内容试验设计主要包括3方面的内容1、制定试验方案 包括试验因素、处理水平、测定指标、试验规模、小区大小、重复次数的确定，即试验小区排列方式的设计等。2按统计学原理安排试验，并收集和整理数据3对实验结果进行统计分析并作出合理的统计推断。一个试验如果事先有了周密合理的试验设计，加上正确的统计分析，便可以以最少的人力物力和时间，获得最丰富的信息，从而得出可靠的结论。否则试验

2、若无合理的设计，盲目收集大量数据，这些数据或残缺不全，或交错重叠，不便于统计分析。有可能使实验陷于事倍功半，功亏一篑的境地。林业试验所处的环境条件比较复杂，试验周期长，因此更需要有周密、合理的试验设计。以排除各种非试验因素的干扰，从而使试验获得更加可靠的结果。二、林业试验的特点1林木是多年生植物，具有生命周期和年周期两个生长和发育周期，当年的生长受前几年，特别是去年生长状况的影响，当前生长和发育手上阶段生长和发育的影响，因此增加了实验的长期性和复杂性。2林木个体大，根系深，占地多，试验面积大，因此容易造成地形、土壤、营养、光照以及气候条件的不一致，加大株间差异。3林木如果用种子繁殖，则变异大；

3、如果用嫁接繁殖，砧木与接穗相互影响，接穗有时不是来自同一营养系，或砧木个体差异大，都会造成复杂的误差；4由于试验的长期性，若最初的试验设计发生错误，会导致错误累加，进一步影响以后的试验。所以试验设计应即严谨，又要灵活可变，才能适应长期、复杂的实验条件。5常有缺株现象发生，在试验初期发现缺株应立即补栽，后期缺株可用统计方法对缺株进行估算。三、林业试验设计的基本要求1试验要有合理性 试验设计与试验目的要一致，才能使试验结果与试验所要解决的问题相适应。否则可能因试验的背景不合理，而达不到预期的目的。如在含n量高的林地进行试验设计，就有可能得出施n对林木生长无显著影响的错误结论。2试验要有代表性 包括

4、试验材料（如种子、苗木、穗条等），试验的自然条件与管理水平要有代表性，如种源试验中，某一产地的种子不应该从某一产地单株上采集而应从一定数量并具有代表性的产地上采集。试验所处的自然条件及管理水平应与推广的生产条件相一致。这样试验结果才能应用于生产。3试验要有可靠性试验结果要能反映客观实际，即要求试验具有一定的可靠性，试验的可靠性与实验结果的准确度和精确度有关。准确度是指观测值与真值的接近程度，在一般试验中，真值往往是未知的，所以准确度不易被测量。精确度是指同一指标的一组重复观测值间的接近程度，精确度可以被测量或估计。试验的准确度和精确度越高，误差越小，结果越可靠。因此一切试验均由力求减少试验误差

5、，提高试验的准确度和精确度。4试验结果要求重现性 试验或推广时，能获得原试验相同的结果。这就要求在试验中严格执行试验规程，详细记录实验过程中的各种自然条件、技术措施及各种现象和问题。5林业试验还要有延续性和完整性 林业试验周期长，从苗木到成熟需十几年、几十年甚至上百年，某些试验在短期时间内不能得出正确结论，必须长时间保存，防止试验处理以外的各种因素的干扰和破坏，以保证试验的延续性和完整性。四、试验误差 试验因素不同水平，或试验不同处理的真值间的差异叫做水平效应或处理效应。试验的目的就是要了解不同处理间是否存在真实的处理效应。由于各处理的真值一般是未知的，处理效应不能直接测定，只能通过试验中各处

6、理水平观测值（样本）间的差异来估计。而试验各处理观测值间的差异除包含处理效应外，还含有由于其它非试验因素不能完全一致而产生的差异，这部分差异叫试验误差。 只有当试验处理间的差异大大超过试验误差范围，才能以一定可靠性判断处理间的差异是真实可信的，或认为处理效应显著。可见，试验误差越小，越有可能检测出较小的处理效应，试验的灵敏度越高，所以试验必须减小试验误差。同时为了对处理效应的显著性进行检验，试验还必须对试验误差大小进行估计。（一）试验误差的分类1系统误差 又称为条件误差，由于试验材料（种子、苗木、穗条等）在遗传特性或生长发育上的差异，或由于实验环境条件（包括时间、空间、地理方面）上的差异，以及

7、试验操作、管理水平不一致产生的偏差。其大小在多次重复观测中几乎相同，这一类误差属系统误差，系统误差影响试验的准确度，在试验中受人为控制，通过合理的试验设计和注意保持实验条件的一致性，可以消除或得到修正。2随机误差 有大量细小的，难以控制的偶然因素引起的误差，这类误差在多次重复观测中或正或负，或大或小，具有随机性。属于随机误差，不论多么精确的试验都不可能避免随机误差的干扰，随机误差是试验误差的主要形式，通常称为试验误差或简称误差。3过失误差由于工作粗心大意造成的观测错误、计算错误和其他操作错误等叫过失误差。过失误差必须避免，指要严格加强工作责任心，严格遵守试验规程，并小心谨慎，及时核对，过失误差

8、是可以避免的。 通常所说的试验误差就是指随机误差而言。（二）林业试验误差的来源 林业试验大多数为场圃试验，在种苗试验和病虫害防治试验中，有时是在温室中盆栽和实验室实验。这类试验一般能较严格控制温度、水分、光照和土壤条件，试验误差较小，而场圃试验是在野外进行，由于实验环境的复杂性和林木生长的长期性，试验误差较大，来源主要有：1试验材料的差异 林业试验材料都属于有机体，具有复杂性，不同个体间总会存在某种程度的差异，如同一母树上采集的种子其大小、重量不会完全一致。同一品种相同年龄的苗木其苗高、根茎等也不完全相同。2试验中人为条件的差异 如操作管理的质量不可能完全相同，试验观测，记录在时间、标准和使用

9、工具，以及人员素质等方面也不可能绝对一致。3试验环境条件的差异 如同一地点，同一立地条件下不同试验小区的土壤肥力、质地、光照条件等都会有差异，土壤差异具有普遍性，在场圃试验中，土壤差异是试验误差的主要来源。此外，病虫害、风雨等的影响，人畜践踏破坏等因素都具有随机性。 试验误差普遍存在，然而通过合理的试验设计，可以减小试验误差，并对试验误差的大小提出合理的估量，这是试验设计的基本出发点。五、试验设计的基本原则主要由3个基本原则1试验要有重复 一个试验处理只有一个实验单元（即一个试验小区）叫无重复。若有几个实验单元则称为几个重复，重复有两个作用：（1）估算误差。因为同一处理内若干个重复小区观测值间

10、的差异与处理无关,纯属试验误差。所以处理内试验小区观测值间的差异可以作为试验误差的估量。（2）减小试验误差。如试验中单次观测值间的标准误是，当重复n次时，n次观测值的平均数的标准差误为。重复次数越大，标准误就越小。（3）使试验更富有代表性。 必须指出，同一小区内不同单株不能算作重复，因为属于取样误差，不是试验误差。2试验要遵从随机化原则 试验材料的分配，试验材料的安排，试验的操作顺序等均应遵从随机原则，而不应以试验者的主观意愿来决定。可通过抽签方式或随机表来安排。试验有重复，可估计误差，然而要获得试验误差的无偏估计量，还必须遵从随机化原则，使各处理有同等机会分配到不同试验小区中，从而使各实验单

11、元观测值成为相互独立的随机变量，使同一处理内各观测值间的差异成为试验误差的无偏估计。这是应用数理统计方差分析方法处理试验数据的基本要求。3试验要实施局部控制是将对试验结果有影响的非试验因素实行分段（分级）控制，以减小试验误差，在场圃试验中，由于土壤差异是试验误差的主要来源，且愈是相邻的试验小区，其土壤愈相象。可将试验地按其肥力不同划分成若干不同肥力等级的地段，再将每个地段分成与处理数目相等的小区。同一地段内各小区差异较小，而不同地段土壤小区差异较大。这种土壤肥力相对一致的地段叫区组。将每个处理在各区组内都安排一个小区，使各处理在一个区组内进行比较。则不同处理间的差异清除了土壤的系统偏差，从而提

12、高了试验的准确度。在每一个地段内以同等机会安排各试验处理小区，组成一个区组。同一区组原则上应连接成片，不同区组地段可以不在一起。区组的形状也无需相似。 上述3个基本原则可用图表示。重复随机排列局部控制减小试验误差合理估计误差提高实验精度六、试验误差控制的途径（一）试验地的选择1试验地要有代表性。地势、土质、肥力、耕作条件等应有代表性，便于推广。2地势以平坦为宜，地势高低不平会影响土壤的水分和土壤肥力状况，山地试验，应利用局部控制原理，使同一区组内各小区的土壤情况尽量一致。3试验地肥力应均匀。如果找不到理想的试验地，要了解肥力的变化趋势，合理安排区组和小区，防止因小区土壤差异是处理不能在相同的基

13、础上比较。土壤肥力是影响试验的主要因子，也是不易控制因子，土壤肥力差异表现有2种形式：一是趋向性的差异，如土壤肥力由下坡到上坡或从地段的一侧到另一侧有规律地变化，这属于系统误差之一，可通过正确的田间试验设计技术，对系统误差进行局部控制，提高精度。 另一种形式是点发性的，肥力变化没有一定规律可循，较难以克服，可通过深耕施肥，或采用扩大小区等方法来降低误差。土壤肥力的变化规律，可以通过以下几种方法来估测：（1）观察实验地段杂草生长情况；（2）根据以往树木生长结果的档案记录来判断；（3）空白试验。在试验地，播种小麦、谷子等农作物，采用相同农业技术措施，收获时将整个试验地分成若干小区分别称得产量，根据

14、各小区产量变异情况，表示土壤肥力差异大小，绘成分布图，以分析肥力变化规律，作为选择试验地和小区设计参考。4试验地位置要适当 选择四周空旷、阳光充足，交通方便地段，避免靠近大建筑、工厂、防风林、主要干道等，以避免受遮荫影响和人畜践踏。（二）试验树的选择树木个体较大，试验时间长，因此在试验时对试验材料的选择尤为重要。1供试材料要有代表性，一般采用当地主栽品种或计划发展品种作为材料。2苗木要求高质量、生长健壮、整齐一致。育苗要大于实验用苗的13倍。3试验苗木及树木的管理要一致。（三）小区技术1小区的面积与形状在试验中，安排一个处理的小块地段或单元，称为试验小区，简称小区。 小区直接影响实验误差。树木

15、高大，占地面积一般比农作物大。小区面积增加，试验较精确，（特别是土壤表现为点发性差异时更为明显），但面积过大，区组增大，难以保证同一小区条件均匀一致，达不到局部控制，同时小区面积增加和误差的降低，并非直线关系。 小区的大小要根据实验目的、树种和条件而定。林业试验主要有三种形式。（1） 单株小区。以一株树木作为一个小区，作为一次重复。（2） 少株小区。一般由425株小区。（3） 多株小区。以49100株树木为一个小区。 林业试验以每小区栽110株效率最高。在试验布置时采用哪种小区为好，要看试验材料性质、数量及试验地条件而定。如无性系试验材料，试验地地势较平坦，较一致，栽植管理措施跟得上可采用单株

16、小区，提高试验效率。在改良的初级阶段或短期试验时间，多采用少数小区；在优良材料的推广阶段，多采用多株小区，这样与生产上实际情况更接近。 小区的形状与实验精度有一定关系。一般为长方形和方形两种，长方形应用较为普遍，因小区间差异较小，可提高实验精确度。沈阳农大对小麦进行空白试验表明，当小区面积为864m2，长宽比例为24：1，变异系数为7.8%，长宽比例为1.5：1时，变异系数为11.5。当环境呈梯度变化时，如肥力，区组长边应与环境梯度垂直，而区组内小区的长边与环境变化相平行。在山地试验时，区组的长边应与坡向垂直，即平行于等高线。小区长边应与坡向平衡，即垂直于等高线。一般来说，小区长宽比为3：11

17、0：1为宜。平地可用正方形，使同一处理内植株受周围小区影响较小。2小区的重复次数 主要决定于土壤差异程度和所要求精度及其它因素。一般在土壤差异不大的地区安排随机区组设计需要46次重复。土壤差异较大或精度高时，可安排810次，比较粗放或小区面积较大时，也可23次。从统计学观点看，方差分析时误差项自由度最好不小于12，否则难以检测出处理的显著性。3设置对照和保护行 为使试验的各处理能以对照为标准进行比较，以鉴定出优劣，需设置对照。对照很关键，对照一般用当地生产的苗木，可以设置多个对照。如引种试验，需有当地的优良树种作对照，才能正确评价。施肥实验，必须设不施肥小区为对照。 例如，优树自由授粉子代测定

18、，应选择选优林分的一般种子或是选优林分所在地区同性质林分混合种子作对照；第二代种子园选育效果，应以第一代种子园作对照；种源试验应以当地种源种子作对照等。总之，对照一定要有可比性。 由于边际效应，场圃试验一般要设置保护行，以减少误差和防止人畜践踏，区组和小区间一般不设保护行。七、多点完全随机区组设计和分析在育种试验中，经过子代测定或无性系测定所选择出的优良品种（种源、家系或无性系），在推广之前，需进行区域试验，即在统一设计下进行多点试验。所谓统一设计，主要是指每一个试验点的参试品种相同，采用的试验设计相同，小区技术相同，这样为品种多点试验结果的联合分析提供了客观可能性和可靠性，因而可用以测定新品

19、种的优良特性及性状稳定性，确定每一地区最适宜种植的品种，并有利于对供试品种作出较为全面的评价，为审定新品种、推广新品种提供可信的依据。现以4个柏杨无性系（v=4）在5个地点（s5）对比试验为例。5个地点均采用完全随机区组设计，重复4次，（r=4），每小区3株，6年生树高测定数据列入下表。计算步骤如下；1 计算各种平方和和自由度校正系数 总计 dft= vsr 1 = 454 1 = 79 区组 dfrs ( r1 ) 5 (4 1 = 15 试验点 dfs = s 1 = 5 1 = 4 无性系 dfv = v 1 = 4 1 = 3 无性系试验点 df v = (v 1 ) ( s 1 )

20、= ( 4 1 )( 5 1)=12误差 dfe = s ( v 1 ) ( r 1 ) = 5 ( 4 1) (4 1 ) = 452 列方差分析表方差分析表明，试验点间存在极显著差异，无性系间及无性系试验点间存在着显著差异。说明各无性系在不同地点表现不一致，这种差异主要是无性系基因型与环境互作造成的，因此有必要测定无性系的稳定性。八、品种稳定性分析 一个数量性状的表型值p可以看作是基因型和环境差值e的线性函数。p g eg和e是独立的随机变量。但实际情况并非完全如此，植物的许多性状表现，除受基因型和环境效应各自单独作用外，还受两者联合效应（即互作）的作用，即 pgeg e 基因型和环境互作

21、非常复杂，也很重要。假设有两个无性系a和b，遗传结构上是有差异的。再假定这两个无性系栽植于两个不同环境，例如，地区x和y，然后看其产量性状的变化。如果a和b无性系在x和y地区表现一致的趋势，那么遗传型和环境的互作就不存在。如果a和b无性系在x地区的产量是相似的，但在y地区，a无性系的产量上升，而b无性系的产量表现下降，这就说明无性系和地区有互作存在。一般有六种互作类型（图）在这些互作类型中，育种家感兴趣的是以下几个问题：（1）在每个地区a无性系产量均较b无性系产量为佳，如a和b类型；（2）在一个地区a无性系产量优于或劣于b无性系产量，但在另一个地区却得相反结果，如e和f类型，（3）地区的改变影

22、响两个无性系产量形成相反方向的变异，如 c和 d类型。在类型a和b，a 无性系是一个普遍适应的无性系；在类型 c和e，a无性系是一个特殊适应于y地区的无性系；在类型d和f，a无性系是一个特殊适用于x地区的无性系。基因型与环境互作在育种上应用较广的是品种稳定性测定。基因型与环境互作和品种稳定性有关。所谓品种稳定性是指品种在不同环境条件下能保持形状的稳定状态。当品种多点试验联合方差分析品种试验点的互作达显著或极显著是，表明不同品种在不同环境条件下的表现存在差异，必须进行品种稳定性测定。 测定品种稳定性的方法有很多，仅介绍finlay 和wilkinson（1963）提出的方法。 用每一个地点的所有品种的平均产量，