試驗誤差與試驗小區(qū)設計

1、第二章 試驗誤差與試驗小區(qū)設計知識目標： 掌握試驗誤差概念； 掌握田間試驗設計的基本原則； 掌握田間試驗小區(qū)的排列方法；技能目標： 學會利用試驗設計原則控制試驗誤差； 掌握小區(qū)技術；試驗誤差（error）是影響試驗結果精確性的一個主要原因，它與田間試驗設計有很大關系。田間試驗設計，廣義理解是指整個試驗課題的設計，包括試驗方案的確定、小區(qū)技術、相應的資料搜集整理和統(tǒng)計分析方法等；狹義理解是指小區(qū)技術，特別是重復和試驗小區(qū)的排列方法。第一節(jié) 試驗誤差來源與控制田間試驗的條件是復雜的，因為受很多不能完全控制的自然因素的影響，所以在進行田間試驗時，要講究設計方法和對試驗數(shù)據(jù)進行正確統(tǒng)計分析，以便使試驗

2、得出準確的結果并作出正確的判斷。一、試驗誤差概念在田間試驗中，試驗處理有其真實效應，但總是受到許多非處理因素的干擾和影響，使試驗處理的真實效應不能完全地反映出來。這樣，從田間試驗得到的所有觀察值，既包含處理的真實效應，又包含許多其他因素的偶然影響。這種因非處理因素的偶然干擾和影響，而造成的試驗結果與真值的偏差，稱為試驗誤差或誤差。試驗誤差是衡量試驗精確度的依據(jù)，誤差小表示精確度高，誤差大則精確度低。abcd圖2-1 打靶圖示試驗的準確性與精確性圖2-1以打靶的情況來比喻準確性和精確性。以中心為理論真值，a表示5槍集中在中心，準而集中，具有最佳的準確性和精確性，說明試驗誤差最??；b表示5槍偏離中

3、心有系統(tǒng)偏差但很集中，準確性差，而精確性甚佳；c表示5槍既打不到中心，又很分散，準確性和精確性均很差；d表示5槍很分散，但能圍繞中心打，平均起來有一定準確性，但精確性很差。顯然，只有試驗誤差小才能正確而可靠評定處理間差異。田間試驗特點在于注意到試驗設計與統(tǒng)計分析的密切關系，即運用統(tǒng)計原理指導田間試驗設計以降低試驗誤差，又用統(tǒng)計方法處理試驗結果，以合理地估計試驗誤差，從而提高田間試驗的精確性。自根據(jù)誤差的性質和產(chǎn)生的原因，應將誤差分成幾類。？二、產(chǎn)生差異原因不論進行哪種田間試驗，其目的都是通過鑒定比較的方法，選出增產(chǎn)效果最好的優(yōu)良品種或者栽培技術措施。因此就要求試驗所設的各個處理之間都有不同的差

4、異，有的表現(xiàn)在產(chǎn)量上，有的表現(xiàn)在品質好壞上，有的表現(xiàn)在植株的高矮、莖稈粗細、抗病性、抗倒性、生育期等各種形態(tài)特征和生理特性上。但這些差異并不一定都是由處理不同所造成的，它們來源多種多樣，從田間試驗結果分析來看，造成各處理間差異的原因可大致分成以下兩方面：1處理間差異生產(chǎn)能力本質上有高低之差。例如，雜交玉米、高粱及水稻品種一般都有明顯的雜種優(yōu)勢，比原來的常規(guī)品種產(chǎn)量高；在缺磷的土壤上，施用磷肥比不施肥明顯增產(chǎn)。這就說明雜交品種和常規(guī)品種之間，施磷肥和不施磷肥之間的產(chǎn)量有本質上的差異。2試驗誤差試驗誤差就是由于受到各種非處理因素的偶然影響，包括土壤、小氣候、田間作業(yè)質量、病蟲害程度、試驗材料本身、

5、人的目視誤差等各種因素的不同，給試驗結果造成不同程度的干擾性差異。三、試驗誤差的來源由于田間試驗的對象是活體，而又是在外界環(huán)境條件下進行的，外界環(huán)境條件復雜而又變化多端。因此誤差是不可避免的，只能降低，不能消除。田間試驗研究的核心是提高試驗的精確度，即降低試驗誤差。要有效降低試驗誤差，就應了解試驗誤差的來源。1試驗地土壤肥力差異土壤肥力差異是田間試驗誤差的最主要來源，因土壤形成過程中各種成土因子變異和長期的耕作過程中各種農事操作等不均一所造成。表現(xiàn)為具有方向性肥力梯度差異變化和斑塊狀的無規(guī)律性差異變化。2試驗材料固有的差異試驗材料差異主要包括供試種子不一致或基因型不純合、秧苗樹苗大小不一、供試

6、肥料或農藥等不均勻性。3試驗操作管理措施的差異播種、移栽、施肥、澆灌、中耕除草、病蟲害防治等農事操作管理措施的不一致，以及對一些性狀進行觀察和測定時，各處理的觀察測定時間、標準、人員和所用工具或儀器等不能完全一致所造成的。4偶然性因素引起的差異試驗過程中一些無法預見的原因，如病蟲草危害、鳥獸侵襲、人畜踐踏、狂風冰雹等對試驗不同小區(qū)的危害程度的不一致。試驗誤差與試驗中發(fā)生的人為差錯是完全不同的，在試驗過程中決不允許發(fā)生人為差錯，只要工作仔細嚴密，人為差錯是完全可以避免的。四、試驗誤差控制途徑針對試驗誤差來源采取相應的措施，使誤差降低到最小限度，來提高試驗的精確性。（一）選擇同質一致的試驗材料必須

7、嚴格要求試驗材料的基因型要同質一致，盡量選用均勻一致的試驗材料，不一致的 試驗材料可分級、分重復使用或充分混合均勻后再使用。（二）改進操作和管理技術，使之標準化操作要仔細，一絲不茍，各種操作盡可能做到完全一樣。另外，一切管理操作、觀察測量和數(shù)據(jù)收集都應以區(qū)組為單位進行控制，減少可能發(fā)生的差異。這就是我們后面要討論的“局部控制”原理。（三）控制外界主要因素引起的差異試驗過程中引起差異的外界因素中，土壤差異是最主要的又是最難控制的。通常采用以下三種措施：1、正確選擇和培養(yǎng)試驗地；2、采用合理的小區(qū)技術；3、應用最佳的試驗設計和相應的統(tǒng)計分析。五、正確選擇培養(yǎng)試驗地正確選擇試驗地是使土壤差異減少到最

8、小限度的一項重要措施，對提高試驗精確度有重要作用，一般應考慮以下幾個方面：1試驗地要有代表性要使田間試驗具有代表性，首先試驗地要有代表性，即試驗地的土壤類型、氣候條件、土壤肥力、栽培管理水平等應能代表將來推廣地區(qū)的自然條件和農業(yè)條件，以便使試驗結果能在該地區(qū)推廣應用。2試驗地肥力要比較均勻一致這可以通過觀察前茬作物生長的整齊度來判斷，凡最近做過試驗的田塊一般不宜選作試驗地。試驗地肥力均勻是提高試驗精確性的首要條件，肥力差異會掩蓋處理效應，甚至出現(xiàn)假象。試驗地不同部位的表土、底土、地下水位、耕種歷史等要力求一致。一般有較嚴重斑塊狀肥力差異的田塊，最好不選為試驗地。一般應在做試驗前先進行一次或多次

9、勻地種植。3試驗地地勢要平坦水田應嚴格要求田塊平坦，以防灌水深淺不一而影響作物生長。旱作或果樹、蔬菜等應盡量選擇地勢平坦地塊，如果必須在坡地進行試驗，可選擇局部肥力相對比較一致的地段。在坡地上做試驗時要特別注意小區(qū)的排列，務使同一重復的各小區(qū)設置在同一等高線上，以便試驗時能局部控制。4試驗地位置要適當試驗地要盡量避開樹木、建筑物、池塘、肥坑、道路等，以免造成土壤肥力和氣候條件的不一致。試驗地還要注意家禽、家畜危害，最好離居民點和畜舍遠些。5試驗地要有足夠面積和適宜的形狀盡量要保證試驗地的面積和形狀能夠合理安排整個試驗。6試驗地要有土地利用歷史記錄這樣可通過試驗小區(qū)技術的妥善設置和排列作適當補救

10、，有利于提高試驗精確性。7試驗地要勻地播種某些要求嚴格的試驗，在試驗地選定后，正式試驗前先要進行13年勻地播種。在整個試驗地上種植單一品種作物，用同樣的栽培管理措施，多采用種植密植作物。長期定位試驗在勻地播種基礎上還要作空白試驗。8試驗地要合理輪作試驗地采用輪換制，使每年的試驗能設置在較均勻的地塊上。第二節(jié) 田間試驗設計基本原則田間試驗設計主要目的是減少試驗誤差，提高試驗精確度，使研究人員能從試驗結果中獲得正確的觀測值，對試驗誤差進行正確的估計。為達此目的，田間試驗設計應遵循以下三條基本原則。一、設置重復在田間試驗中，同一種處理種植的小區(qū)數(shù)即為重復（replication）次數(shù)。如每種處理種植

11、了一個小區(qū)，則稱為一次重復；如每種處理種植了兩個小區(qū)，則稱為二次重復。其中每一個小區(qū)稱為一個試驗單位（或稱試驗單元）。重復最主要的作用是估計試驗誤差。試驗誤差是客觀存在的，我們只能通過同一處理不同試驗單位間的差異來估計。如果每一處理只有一個試驗單位（即同一處理只有一個觀測值），那么同一處理內的差異則無法表現(xiàn)和獲取，誤差也就無法估計。設置重復的另一個主要作用是降低試驗誤差，從而提高試驗的精確度。已經(jīng)證明試驗誤差與重復次數(shù)成反比，因此重復多，則試驗誤差小。有四次重復的試驗，其誤差僅是只有一次重復的同類試驗的一半。但重復太多不易管理。因此不同試驗重復次數(shù)的多少還要根據(jù)具體情況來確定。二、隨機排列隨機

12、排列（random assortment）是指每次重復中的每個處理都有同等的機會被安排在任何一個試驗小區(qū)上，而不帶有任何的主觀成見。設置重復可以為誤差的估計提供條件，但是要想獲得無偏的試驗誤差估計值，則要求我們對各個處理做到隨機排列。因此隨機排列與設置重復相結合，就能夠提供無偏的試驗誤差估計值。進行隨機排列，可以采用抽簽法、計算機產(chǎn)生隨機數(shù)字或利用隨機數(shù)字表（附表1）。隨機數(shù)字表的用法將在后面介紹。三、局部控制在田間試驗中，要將所有的非處理因素控制得均衡一致是很難做到的。但我們可以進行局部控制（local control），即將整個試驗環(huán)境劃分成若干個相對最為一致的小環(huán)境（稱為區(qū)組或重復），再

13、在每個小環(huán)境內分別設置一套完整的處理。由于在較小地段內試驗環(huán)境條件等非處理因素較易控制。因此便可以在整個試驗環(huán)境中分范圍分地段地控制土壤差異等非處理因素。如果試驗地有較為明顯的土壤差異，最好按肥力梯度劃分區(qū)組，使區(qū)組內相對均勻一致，每一區(qū)組再按處理數(shù)目劃分小區(qū)。這樣，能影響試驗誤差的只限于區(qū)組內較小地段細微的土壤差異，而與增加重復擴大試驗面積所增大的土壤差異無關。這種布置就是田間試驗的“局部控制”原則。綜上所述，一個好的試驗設計，必須根據(jù)設置重復、隨機排列、局部控制這三個基本原則合理周密地做出安排。只有這樣，我們才能在試驗中得到最小的試驗誤差，獲得真實的處理效應和無偏的試驗誤差估計。田間試驗設

14、計三個基本原則的關系及作用見圖2-2。 隨機排列 局部控制無偏估計誤差試驗有效地降低試驗誤差圖2-2 試驗設計的三原則作用與關系示意圖設置重復由Fisher于20世紀20年代創(chuàng)立的田間試驗設計可以大大的提高田間試驗的效率。隨機排列的試驗設計強調有合理的試驗誤差估計，以便通過試驗的表面效應與試驗誤差相比較后作出推論，常用于精確度要求較高的試驗。順序排列的試驗設計著重在使試驗實施比較方便，常用在處理數(shù)量大、精確度要求不高、不需作統(tǒng)計推斷的早期試驗或預備試驗。第三節(jié) 田間試驗小區(qū)技術在田間試驗中，安排一個處理的小塊地段就是試驗小區(qū)，簡稱小區(qū)（plot）。小區(qū)是田間試驗的實施單位。因此小區(qū)排列的合理與

15、否對于提高試驗的精確度、控制試驗誤差有著重要的作用。一、試驗小區(qū)面積在田間試驗中，試驗小區(qū)的面積是不固定的，有時較大，有時很小。通常較大面積小區(qū)能更全面包含試驗環(huán)境的復雜性，而小區(qū)面積太小則有可能恰好落在較肥或較瘦的斑塊型地段使得小區(qū)誤差增大。因此，在一定范圍內，增大小區(qū)面積將會降低試驗誤差，但二者不是同比例的，即試驗精確度提高程度往往落后于小區(qū)面積的增大程度。當小區(qū)面積增大到一定程度時，由此所帶來的誤差降低的效果就不明顯了。通常在確定小區(qū)面積時，必須考慮以下幾個方面：1試驗種類除品種試驗的小區(qū)面積可以較小外，其他如機械化栽培試驗、灌溉試驗、病蟲害試驗等試驗的小區(qū)面積均應大些。2作物類別稻麥等

16、種植密度大的小株作物，其試驗小區(qū)面積應該小些；棉花、甘蔗、玉米等種植密度小的大株作物，其試驗小區(qū)面積應該大些。3試驗地土壤差異土壤差異大，小區(qū)面積應相應大些；土壤差異小，小區(qū)面積應相應小些。如土壤差異呈斑塊型，則應設置較大面積的小區(qū)。4育種工作的不同階段在整個新品種選育的過程中，品系數(shù)由多到少，種子數(shù)量由少到多，對試驗精確度的要求由低到高。因此，在育種過程的各個階段中所采用的小區(qū)面積應從小到大。5處理數(shù)處理數(shù)較多時，小區(qū)面積可適當小些。6試驗過程中取樣的需要如需在試驗過程中取樣進行各種測定，則應相應增大小區(qū)面積。7邊際效應和生長競爭邊際效應是指小區(qū)兩邊或兩端的植株，因占較大空間而表現(xiàn)的差異。因

17、此，小區(qū)面積確定應考慮邊際效應的大小，邊際效應大的應相應增大小區(qū)面積。生長競爭是指當相鄰小區(qū)種植不同品種的作物或施用不同的肥料時，由于株高、分蘗力或生長期的不同，通常有一行或更多行受到影響而帶來的差異。一般來說，對于這些效應和影響的處理辦法，是將小區(qū)的每一邊除去12行，兩端各除去0.30.5m左右，留下面積是準備收獲的面積，觀察記載及計算產(chǎn)量均應在此面積上進行，我們將此面積稱為收獲面積或計產(chǎn)面積。試驗小區(qū)面積大小，在考慮上述因素情況下，可參考表2-1。表2-1常用田間試驗小區(qū)參考面積（m2）試驗地條件和試驗性質作物類型小區(qū)面積最低限一般范圍土壤肥力均勻大株作物小株作物3020601303010

18、0土壤肥力不均勻生產(chǎn)性示范試驗微型小區(qū)試驗谷類作物谷類作物稻麥類作物6070300250113030060070048二、試驗小區(qū)形狀與方向小區(qū)形狀是指小區(qū)長度與寬度的比例。適當?shù)男^(qū)形狀在控制土壤差異降低試驗誤差方面有著重要作用。我們通常采用長方形小區(qū)，尤其是狹長形小區(qū)，因為狹長形小區(qū)相對于正方形小區(qū)，能更好的包含試驗地土壤的復雜性，從而能相應減少小區(qū)間土壤差異以及由此產(chǎn)生的試驗誤差。小區(qū)的長寬比可為310：1，甚至可達20：1。一般而言，小區(qū)面積較大時，長寬比以23：1為宜；小區(qū)面積較小時，以35：1為宜。此外，小區(qū)長寬比的確定還應根據(jù)試驗地形狀、面積及小區(qū)多少等因素進行適當調整。在已知試

19、驗地的肥力梯度變化時，小區(qū)的方向必須是長邊與肥力梯度變化方向一致。這樣就使小區(qū)方向與肥力梯度變化方向平行，而區(qū)組方向則與肥力梯度變化方向垂直（圖2-3）。圖2-3 按土壤肥力變異趨勢確定小區(qū)排列方向（、代表重復，1、2、代表小區(qū)）肥力梯度2 3 1 7 5 8 4 6當試驗地占有不同的前茬時，小區(qū)的長邊應與不同茬口的分界線垂直。當試驗地為緩坡時，由于坡上與坡下的土壤水分和養(yǎng)分存在差異，小區(qū)的長邊應與緩坡傾斜的方向平行（圖2-4）。正方形小區(qū)具有最短的周長，且計產(chǎn)面積占小區(qū)面積的比例最大。因此有利于降低邊際效應及生長競爭。當我們確實不知土壤差異的表現(xiàn)形式時，宜采用正方形小區(qū)，因為在這種情況下，正

20、方形小區(qū)雖不如狹長形小區(qū)那樣能獲得較高的精確度，但也不會產(chǎn)生較大的誤差。肥瘠大 豆 茬玉 米 茬坡度走向圖2-4 小區(qū)排列方向示意圖三、重復和對照區(qū)設置前面我們講過，田間試驗中設置重復次數(shù)越多，試驗誤差就越小。但是當重復次數(shù)超過了一定的范圍后，不僅誤差減少的緩慢，而且因此投入的人力、物力和財力還會大大增加。所以，重復次數(shù)的多少，一般要根據(jù)試驗所要求的精確度、試驗地土壤差異大小、試驗材料數(shù)量、試驗地面積以及小區(qū)大小等具體情況來確定。試驗精確度要求高的，重復次數(shù)應多些；試驗田土壤差異較大的，重復次數(shù)應多些；試驗材料多的，重復次數(shù)應多些；試驗地面積大的，允許較多重復。一般來說，當小區(qū)面積較小時，通常

21、可設置36次重復；當小區(qū)面積較大時，可設置34次重復；當進行大面積對比試驗時，設置2次重復即可。在一般情況下，田間試驗的一個區(qū)組便是一個重復。試驗的全部重復可以排成雙排式或者多排式，甚至也可以與其他試驗排在一起，排成雙排或者多排，這要根據(jù)試驗地形狀以及整個試驗地的布局來確定，但重復排列必須遵循局部控制的原則。若試驗地不存在明顯的方向性肥力差異，且處理不多，也可采用單排式。（圖2-5）田間試驗應設置對照區(qū)(check，符號CK)，作為處理比較的標準。對照應是當?shù)赝茝V的優(yōu)良品種或最廣泛應用的技術措施。設置對照目的是：（1）在觀察和比較試驗中的各個處理時，作為衡量處理優(yōu)劣的標準；（2）用以估計和矯正試驗地的土壤差異。通常一個試驗只設置一個對照，但有時為了適應某種要求，可以同時設置兩個或多個對照（如作物品種比較試驗則可同時設置早熟、晚熟兩個品種作為對照）。II II雙排式單排式多排式圖2-5 重復的排列方式四、保護行（區(qū)）設置在試驗地周圍設置保護行（通常用G表示）的作用是：（1）保護試驗材料不受人畜等外來因素的踐踏和損