【生物统计】2第二章田间试验的设计与实施

第二章田间试验的设计与实施

田间试验的特点和要求田间试验的误差与土壤差异田间试验设计的原那么控制土壤差异的小区技术

常用的田间试验设计止境学无试验方案第一节田间试验的特点和要求1、田间试验的研究对象和材料是生物体本身,由农作物或其他生物体本身的反响来直接检测试验的效果,这是田间试验的重要特点2、田间试验是在开放的自然条件下进行的，因而田间试验的环境条件存在着导致试验产生试验误差二、田间试验的根本要求1、试验目的要明确2、试验条件要有代表性3、试验结果要可靠4、试验结果具有重演性一、田间试验的特点第二节田间试验的误差与土壤差异一、田间试验的误差一〕试验误差的概念1、试验误差：由于偶然性因素或其它不可控制的环境条件造成的观测值偏离处理真值的局部。2、系统误差：在一次试验中某个处理或某几个处理的观测值重复定向出现偏高或偏低的现象。注意：由试验误差的概念我们知道，系统误差多数是由人为主观因素造成的，所以系统误差是可以消除的。而试验误差是不可以消除的，但是我们只要了解试验误差的来源并采取相应的措施，就可以降低试验误差，从而到达提高试验精确度和准确度的目的。苦乐学亦二)田间试验的误差来源

1.试验材料固有的差异

2.试验时农事操作和管理技术的不一致所引起的差异3.进行试验时外界条件的差异三)控制田间试验误差的途径1.选择同质一致的试验材料

2.改进操作和管理技术，使之标准化3.控制引起差异的外界主要因素

田间试验过程中引起差异外界因素主要是土壤差异造成的，通常采用以下三种措施来降低由于土壤差异引起的试验误差(1)选择肥力均匀的试验地(2)试验中采用适当的小区技术(3)应用合理的试验设计事业成功来自奋斗二、试验地的土壤肥力差异二)土壤肥力差异的产生1、土壤在形成过程中造成的差异2、土壤利用过程中造成的土壤肥力差异三〕土壤肥力差异的种类1、趋向式肥力差异

2、斑块式肥力差异

四〕减少土壤差异的措施1、均地播种或绿肥掩青2、试验地轮换使用

一)土壤肥力差异的测定测定方法：空白试验高低三、试验地的选择1、要有代表性，能够代表将来准备推广试验结果地区的自然条件和生产条件。2、土壤肥力均匀，地势平坦。3、位置适当，避开树木、高的建筑物、交通要道、容易受人畜禽糟蹋的地方。第三节试验方案一、试验因素与水平1、几个根本概念〔1〕试验方案：是根据试验目的与要求所拟定的进行比较的一组试验处理的总称。〔2〕试验因素(experimentalfactor)：指通过试验研究的对象，简称因素或因子。如：我们研究小麦新品种的产量水平，那么参试的小麦品种就是试验因素；再比方，我们研究不同氮肥施用量对玉米产量的影响，那么，氮肥就是试验因素。(3)试验水平(level)：试验因素按照量分成不同的级别或质分成不同的状态，这些级别(状态)就是水平。如：小麦新品种的产量比较试验中，参加试验的每一个品种就是一个水平〔从质的方面进行划分〕；再如：不同氮肥施用量对玉米产量影响试验中，每一种施氮量就是一个水平〔从量的方面进行划分〕。(4)试验处理〔treatment〕：试验中每一个水平即为一个处理。如：玉米品种比较试验中，参试的每一个品种为一个水平，称为一个处理。玉米密度试验中，可以从量的方面分为3000株/亩，3500株/亩，4000株/亩，4500株/亩和5000株/亩5个水平，又称5个处理。2、试验方案的分类按其供试因子数的多少可以区分为以下几类：〔1〕单因素试验〔single-factorexperiment〕：单因素试验是指整个试验中只研究一个因素的试验。例如在品种产量比较试验中，试验目的只在于比较各品种的产量水平，此时，品种是试验的唯一因素，该试验就是单因素试验。单因素试验设计简单、目的明确，试验结果易于分析，其局限性在于不能了解几个因子的相互关系。〔2〕多因素试验〔multiple-factororfactorialexperiment〕：多因素试验是指在同一试验方案中包含两个或两个以上的试验因素，各个因素都分为不同水平，这种试验称为多因素试验。如：在高产栽培试验中所设计的播期播量试验，该试验的目的就在于研究某一品种的最正确播期、最正确播量和最正确的播期播量组合。多因素试验不仅能研究各因素单独的效应，而且能研究两个或两个以上因素结合起来的交互作用。在多因素试验中，各因素都可分为假设干不同水平，各因素的不同水平相互搭配起来，就构成了多因素试验的各个处理组合。如甲、乙、丙3个品种与高、中低3种施肥量的二因素试验中，共有甲高、甲中、甲低、乙高、乙中、乙低、丙高、丙中、丙低9种处理组合，这样的试验，除了可以明确两个试验因素的作用外，还可以找出3个品种对各种施肥量是否有不同反响，进而选出最优处理组合。多因素试验能够全面地说明问题，其效率往往高于单因素试验。但是多因素试验中的高级的交互作用有时解释起来会很困难。〔3〕综合性试验〔comprehensiveexperiment〕一个因素的特定水平与另外一个因素的特定水平搭起来形成一些特定的处理组合。各个因素的各水平不构成平衡的处理组合。也是一种多因素试验，但与上述多因素试验不同。综合性试验中各水平不构成平衡的处理组合，而是将假设干因素的某些水平结合在一起形成少数几个处理组合。目的在于探讨一系列供试因素某些处理组合的综合作用，综合性试验是建立在对假设干单个因素的效应或假设干个因素的互作效应已有相当的了解。主要用于综合技术研究，试验和结果分析是把特定处理组合作为单因素处理对待。二、试验指标与效应

1、试验指标〔experimentalindicator〕：用于衡量试验效果的指示性状称试验指标。一般田间试验中最主要的常常是产量这个指标一个试验中可以选用单指标，也可以选用多指标，这由专业知识对试验的要求确定。在设计试验时要合理地选用试验指标，同时对试验指标要分清主次。2、试验效应〔experimentaleffect〕〔1〕定义：指试验因素对试验指标所起的增加或减少的作用。〔2〕分类：①简单效应②主要效应③互作效应例：两因素实验设计中单纯主效应、交互作用、以及简单效应的分析通过例子对几个概念的理解：例子：如果在讨论学生学习能力的研究中，同时想探讨老师的教学方式对学生成绩的影响，可以做一个两因素完全随机实验设计。研究者预期，当学生的学习能力不同时，老师的教学方式对学生的学习成绩的影响可能产生变化。自变量：学生的学习能力；老师的教学方式。因变量：学生的学习成绩。设计：2〔自学能力：强，弱〕×2〔教学方式：传统讲授，学生集体讨论〕的实验。主要概念：1.主效应2.交互效应3.简单效应主效应：实验中由一个因素的不同水平引起的变异叫因素的主效应。在一个单因素实验中，由自变量的不同水平的数据计算的方差即这个自变量的处理效应，或主效应。而在两因素实验中要分开来说，例如例题中的主效应为：学生学习能力对学生学习成绩的影响为一个主效应，老师教学方式对学生学习成绩的影响为另一个主效应。学习成绩学习成绩自学能力教学方式弱强传统教学集体讨论交互作用：当一个因素的水平在另一个因素的不同水平上变化趋势不一致时，我们称两个因素之间存在交互作用。A教学方式：a1传统教学a2集体讨论B自学能力：b1能力强b2能力弱学习成绩a1a2b1b21.在b1水平，被试在a1，a2两种条件下分数没有什么差异。在b2水平上，被试在a1水平的分数远远高于a2水平的分数。这说明：自学能力弱的同学的分数受老师教学方式的影响非常大，而自学能力强的人并没有因老师的教学方式不同而有大的差异。所以，b1、b2在A因素两个水平上的变化趋势是不相同的，即学习能力这个因素受到老师教学方式的影响非常大。因此我们可以认为，学生的学习成绩是受到老师教学方式和学习能力共同作用而改变的，二者是有交互作用的。对交互作用的几点理解：1.交互作用的几种类型：2.是变化趋势，而不是外表的交叉与否。3.〔3〕中自变量水平设计不适宜〔好、中、差的区别〕4.能否看到b1、b2相交就认为是b1、b2就有交互作用？是A、B的交互作用。5.能否认为交互作用是两个自变量的累积效应或累积作用？(应该怎么说？〕(1)(2)(3)因变量自变量自变量因变量因变量自变量无交互作用：当一个因素的水平在另一个因素的不同水平上变化趋势一致时，说明两个因素是相互独立的，即改变B的水平对A的不同水平上的分数不产生影响。即自学能力强的人在老师不同的教学方式上的成绩差与自学能力弱的人在老师不同的教学方式上的成绩差是一样的。他们之间的差只是能力之间的差而不是老师教学方式的不同。所以说，教学方式对学习能力并没有影响，二者是相互独立的，即我们说的变化趋势是一致的，二者没有交互作用。因变量自变量a1a2b1b2判定没有交互作用需要注意的几点：

1.从图上直观判断就是差异一样，即距离相等。2.每一段都相等。3.方向也必须是一致的。a1a2a1a1a2a2b1b2b1b2b1b2简单效应：在因素实验中，一个因素的水平在另一个因素的某个水平上的变异叫简单效应。A因素的两个水平在b1水平的方差，显然是不显著的。A因素的两个水平在b2水平的方差，显然是显著的。b1a1a2b2a1a2注意：必须在交互作用的前提下才可以讨论。因素间的交互作用只有在多因素试验中才能反映出来。互作显著与否关系到主效的实用性。假设交互作用不显著，那么各因素的效应可以累加，主效就代表了各个简单效应。在正互作时，从各因素的最正确水平推论最优组合，估计值要偏低些，但仍有应用价值。假设为负互作，那么根据互作的大小程度而有不同情况。两个因素间的互作称为一级互作〔firstorderinteraction〕，一级互作易于理解，实际意义明确。三个因素间的互作称二级互作，〔secondorderinteraction〕，余类推。二级以上的高级互作较难理解，实际意义不大，一般不予考察。

试验方案包含的内容：⑴明确试验目的；⑵根据试验目确实定考察因素及其水平；⑶试验中设置必要的对照处理；⑷确定重复次数；⑸选择合理的试验设计及小区技术；⑹确定考察的试验指标，即变数。第四节田间试验设计的原那么一、重复原那么(replication)试验中同一处理种植的小区数即为重复次数

2、重复的作用〔1〕估计试验误差〔试验误差是客观存在的，只能由同一处理的重复小区间的差异估得。如试验的各处理只种在一个小区，那么无从求得差异亦无法估计误差。〕〔2〕降低试验误差，提高试验精确度〔误差的大小与重复次数的平方根成反比。重复多，误差小。〕3、重复次数确实定田间试验：3-4次为宜实验室实验：5-6次为宜

1、定义：二、随机排列原那么是指一个处理或处理组合都有同等的时机，被安排在任何一个试验小区上，即随机排列，防止任何主观成见。2、随机排列的作用〔1〕防止系统误差〔2〕随机排列与重复相结合可以提供一个无偏的试验误差无偏估值3、随机排列的方法

〔1〕随机数字表法〔2〕抽签法1、定义：三、局部控制原那么将整个试验环境分成假设干个相对最为一致的小环境，再在小环境内设置成套处理，即再田间分范围分地段控制土壤差异等非处理因素，使之对处理的影响能够最大限度趋向一致。将试验地划分成等于重复数的区组，各处理在一个区组内只出现一次，区组内的小区数等于处理数

划分区组时最好按肥力划分区组，使区组内相对均匀一致，每一区组按处理分小区。可有效降低由于试验地肥力差异而引的试验误差，提高试验准确性

1、定义：2、局部控制方法：3、局部控制的作用高低注意：第五节控制土壤差异的小区技术一、试验小区的面积1、试验小区〔experimentalplot〕：在田间试验中，安排一个处理的小块地段称试验小区，简称小区(plot)2、小区面积与试验误差的关系CV变异系数小区面积试验误差随着小区面积的增加而减小，但面积增加到一定程度误差减少的幅度变小，因此，小区面积不能无限增大。小区面积大小6~60m2二、小区的形状是指小区长度与宽度的比例

长方形小区、正方形小区3-10:1长方形小区正方形小区1、小区的形状：2、小区的种类：3、长方形小区的长宽比：三、重复次数ACKBCCKD试验次数确实定依据：试验次数多少根据试验所要求的精确度、试验地土壤差异大小、试验材料如种子的数量、试验地面积、小区大小等具体情况而定。一般情况下田间试验重复3-4次四、对照区check的设置对照是处理的比较标准，以CK表示可以为当地推广的良种或最广泛应用的栽培技术措施。〔1〕衡量处理的优劣〔2〕估计和矫正试验单位的差异DCKCBCKA对照顺序排列CECKADBDCAEBCK对照随机排列五、四周保护行(区〕的设置1、设置保护行的目的〔1〕保护试验材料免受人畜损害〔2〕减少边际效应〔是指小区两边的植株因占较大空间而表现的差异〕的影响2、设置保护行原那么〔1〕禾谷类作物一般保护行需设置4行以上，太少达不到预期目的〔2〕保护行种植的品种，可用对照种，最好为早熟品种，这样保护行可提前收获，减少混杂，同时也可减少鸟类危害。六、区组的排列1、定义：将全部处理小区分配的具有相对同质的一块土地，block2、区组排列的原那么：同一区组内土壤肥力尽可能相对一致，区组间土壤肥力可以有差异。重复数=区组数3、区组的排列方式：可排成一排也可排成两排或多排，这要依据试验地的地形及肥力差异情况而定

第六节常用的田间试验设计一、顺序排列的试验设计一〕比照试验设计二〕间比试验设计二、随机排列的试验设计一〕完全随机试验设计二〕随机区组试验设计三〕裂区试验设计一、顺序排列的试验设计一)比照法设计(contrastdesign)1、设计特点：每一供试处理的小区均直接按某种顺序排列于对照区的旁边，即每隔两个处理小区有一对照区，重复间的小区排列有阶梯式和逆向式两种排列方法现有6个小麦品种进行预试试验，我们依据株高进行编号为1、2、3、4、5、6、对照为CK案例：41ck23ck54ck6保护行保护行保护行保护行5ckckck6123走道保护行保护行保护行保护行1ck23ck54ck66ckckck54321走道2、比照试验设计优缺点每一处理均于对照相邻，这样易于观察比较，且精确度高，设计简单缺点：

〔1〕CK的小区太多，占试验田面积的三分之一，增加了土地使用面积〔2〕处理的排列不随机，没有满足田间试验的随机原那么，所以不能正确地估计出试验误差，从而无法应用统计分析进行显著性测验3、应用范围：多应用于少数处理的预试比较试验和生产示范试验二)间比法设计(intervalcontrastdesign)1、设计特点：首尾两个小区为CK，每两个CK之间排列数目相同的处理小区〔4个或9个〕；假设不能将所有处理安排在同一条地块上，需设置额外对照〔EXCK〕，不同重复的排列可用逆向式或阶梯式案例：现有8个玉米品种作预试试验，对照品种为郑单958，采用间比试验设计分析：按品种的生育期对品种进行编号，分别用1、2、3、4、5、6、7、8表示对照用CK表示优点：2、间比试验设计的优缺点

优点：设计简单，相对于比照法可容纳更多的处理缺点：没有满足田间试验设计的随机原那么，无法正确地估计试验误差3、应用范围：主要用于育种的前期阶段，材料较多而精确度要求相对较低，如鉴定圃CK12345678CKCK保护行保护行CK87654321CKCK保护行保护行走道走道保护行保护行间比试验田间种植图二、随机排列的试验设计一)完全随机设计(completelyrandomdesign)1、设计特点：划分小区，小区数=处理数〔或处理组合〕ⅹ重复数，把处理或处理组合随机地安排在试验小区内案例：现有A、B、D、C、E5个小麦品种进行产量比较试验，重复3次〔2〕给每品种进行编号：A〔1〕,A〔2〕,A〔3〕,B〔4〕,B〔5〕,B〔6〕,C〔7〕C〔8〕,C〔9〕,D〔10〕,D〔11〕,D〔12〕，E〔13〕,E〔14〕,E〔15〕〔3〕采用随机数字表法或摸球法产生随机数字〔1〕划分小区：小区数=5X3=15案例分析：AAABBBCCCDDDEEE9511513147832101211642、完全随机试验设计的优缺点

优点：完全随机设计中各处理或处理组合的重复数可以相等，也可以不等，方便灵活

缺点：由于没有设置区组，所以就没有局部控制，不能效地控制试验误差

3、完全随机试验设计的应用范围：此种设计适用于各试验单位的性质各试验条件均匀一致的试验中，如：盆栽试验，室内实验

二〕随机区组试验设计现有一试验：有A、B、C、D、E5个小麦新品种，需比较它们在产量上是否存在显著差异，重复3次，试验地具有趋向式肥力差异，试采用适宜的田间试验设计案例：〔一〕设计步骤：1.划分区组：区组的个数等于重复次数，区组排列方向与环境变异方向一致2.划分小区：小区数等于处理数，小区的排列方向与环境变异方向一致3.随机排列：所有处理在每一区组内小区间随机排列

EBDACEBDACDCABE保护行保护行保护行保护行保护行保护行走道走道走道走道保护行保护行高低小麦区试试验随机区组试验设计保护行处理组区走道二、随机区组试验设计的优点1.设计简单，易于掌握；2.富有弹性，可适用于单因素、多因素试验；3.可以控制单向肥力差异引起的试验误差；4.该试验设计采用了田间试验设计的三个原那么〔重复、随机排列、局部控制〕三、随机区组试验设计的缺点1.处理数不宜过多，一般不超过20个；2.不能控制双向土壤差异。四、随机区组试验设计的适用范围

对试验精确度要求较高，处理数在15个左右的单因素和多因素试验均适用。三)裂区试验设计(split-plotdesign)1、裂区试验设计的方法把试验地划分成区组，区组数等于重复数，区组的排列方向与环境变异方向一致,区组之间设置走道，区组两端及四周设置保护行在每一区组内划分主区，主区等于主处理数,主处理在每一区组内的主区间随机排列在每一主区内划分副区，副区等于副处理数，副处理在每一主区内的副区间随机排列注意：在裂区设计中由于副区之间的试验条件比主区之间更为接近，因此，副区的试验误差小于主区的试验误差，所以我们常把研究因素中比较重要的那个因素放在副区内称为副处理。案例1：为研究小麦新品种豫农202的高产栽培措施，现设置一试验，其中灌水量设置3个水平，分别为A1、A2、A3,密度设置3个水平,分别为B1、B2、B3，要求重复3次，试设计一个合理的田间试验

.〔1〕划分区组：〔2〕划分主区和主处理随机排列：〔3〕划分副区和副处理随机排列：案例分析：本试验中灌水对周围影响较大，为减少因此而造成的试验误差需设置较大小区面积，所以应采用裂区试验设计，把灌水的各处理放在主区内，把密度的各处理放在副区内

第一步：划分3个区组，区组之间设置走道，并在区组两端及四周设置走道和保护行第二步：因为主处理有3个，所以在每个区组内划分3个主区,主处理在每一重复的主区内随机排列第三步：因为有3个副处理，所以在每一主区内划分3个副区,副处理在每一主区内的副内随排列

高低走道保