生态学试验设计

生态学试验设计 生态学研究方法 第二讲 1 生态学试验的基本特点 1 综合性与层次性任何一个生态学现象和生态学过程都是多种生物要素和环境要素共同作用的结果 这些相互作用在多种尺度上发生 决定了生态学试验的综合性和层次性 生态学试验根据供试生态因子的多少和试验目标的不同 通常可分为单因素试验 多因素试验和综合试验 西部生态与生物资源开发联合研究中心 单因素试验 single factorexperiment 整个试验过程中只改变 比较一个试验因素 factor 的不同水平 level 其他作为试验条件的因素均严格控制一致 这是一种最基本的最简单的试验方案 但如果选取的因素恰当也是很有意义的 多因素试验 multiple factorexperiment 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的水平 其他试验条件均应严格控制一致 各因素不同水平的组合成为处理组合 treatmentcombination 处理组合数是各供试因素水平数的乘积 这种试验的目的一般在于明确各因素的相对重要性和相互作用 并从中评选出一个或几个最优的处理组合 1 生态学试验的基本特点 西部生态与生物资源开发联合研究中心 1 生态学试验的基本特点 综合性试验 comprehensiveexperiment 综合性试验实际上也是一种多因素试验 但与上述多因素试验不同 综合性试验中各因素的各水平不构成平衡的处理组合 而是将若干因素的某些水平结合在一起形成少数几个处理组合 这种试验方案的目的在于探讨一系列供试因素某些处理组合的综合作用 而不在于检测因素的单独效应和相互作用 单因素试验和多因素试验是分析性试验 综合性试验则是在对其主导作用的那些因素及其相互关系已经基本清楚的基础上设计的试验 它的处理组合就是一系列经过试验初步证实的优良水平的组合 2 时空变异性生态学试验大多属于田间试验 涉及生物要素和环境要素 生物要素通常存在个体差异和遗传变异 环境要素存在明显的时间和空间变异性 因此 生态学试验存在出现较大误差 包括系统误差和随机误差 的可能性 田间试验误差的可能来源 试验材料固有的误差 试验管理与操作技术不一致 试验条件不一致 1 生态学试验的基本特点 2 生态学试验设计的基本原则 1 重复原则 replication 试验中同一处理设置的小区数 称为重复次数 重复的作用是估计实验误差 同一处理的几个重复之间的差异可以估计试验误差 重复的另一作用是降低试验误差 试验误差的大小与重复的平方根成反比 2 随机原则 randomassortment 随机排列是指一个区组中每一个处理都有同等的机会设置在任何一个试验小区上 以避免任何主观因素的干扰 3 局部控制原则 localcontral 就是将整个试验环境分为若干个相对最为一致的小环境 再在小环境里设置成套处理 即在田间分地段 分范围地控制土壤差异等非处理环境因素 使之对各试验小区的影响达到最大程度的一致 2 生态学试验设计的基本原则 试验设计三原则的关系和作用 3 控制田间试验误差的小区技术 在田间试验中 安排一个处理的小地段称为试验小区 简称小区 plot 控制田间试验误差的小区技术通常包括 小区面积的控制 小区形状的设计 重复次数的选择 对照区的设置 保护行的设置 重复区或区组和小区的排列 3 控制田间试验误差的小区技术 1 小区面积在一定范围内 小区面积增加 试验误差减少 但减少不是同比例的 试验小区的面积一般在5 60m2 对于种植密度大的作物 小区适当可小些 种植密度小的作物小区面积则应该大些 2 小区形状小区的形状是指小区长度与小区宽度的比例 在通常情况下 长方形小区易于减少土壤差异 小区的长宽比可为 3 10 小区的形状应根据试验地的形状 面积以及小区多少和大小等调整决定 3 控制田间试验误差的小区技术 3 重复次数重复次数的多少 一般根据试验所要求的精确度 试验地土壤差异大小 试验材料的数量 试验地的面积 小区大小等决定 小区面积较小的试验通常可以重复3 6次 小区面积较大者一般可重复3 4次 4 对照区的设置田间试验应设置对照区 check 以CK表示 作为处理比较的标准 3 控制田间试验误差的小区技术 5 保护行的设置由于边缘效应的存在 易造成试验地边缘产生试验误差 应在试验地周围设置保护行 guardingrow 一方面可以防止边缘效应 另一方面减少外来 如人畜等进入 因素的干扰 6 重复区或区组和小区的排列把全部处理小区分配于具有相对同质的一块土地上 称为一个区组 block 一般实验设置3 4个重复 分别安排在3 4个区组上 这时重复和区组完全相等 每一个区组包括全部处理 称为完全区组 也有少数情况 一个重复安排在几个区组上 每个区组只安排部分处理 称为不完全区组 4 常用的田间试验设计方法 4 1顺序排列的试验设计 1 对比法设计 contrastdesign 对比设计法使每一个处理小区均直接排列于对照区旁边 可与其旁边的对照直接比较 每个重复内的各小区都是顺序排列的 重复排列成多排时 不同重复内小区可排列成阶梯式或逆向式 避免同一处理的各小区排在一条直线上 8个处理3次重复对比排列 阶梯式 4 常用的田间试验设计方法 4 1顺序排列的试验设计 2 间比法设计 intervalcontrastdesign 间比设计法使每一条地上的第一个和最末一个小区一定是对照区 CK 每两个对照区之间排列相同数目的处理小区 通常是4 9个 重复2 4次 10个品种3次重复的间比法排列 逆向式 代表重复 1 2 3 代表品种 CK代表对照 4 常用的田间试验设计方法 4 1顺序排列的试验设计 2 间比法设计 intervalcontrastdesign 10个品种3次重复的间比法排列 两行排3重复 代表重复 1 2 3 代表品种 CK代表对照 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 1 完全随机设计 completelyrandomdesign 将各处理随机分配到各小区 每个处理的重复可以相等或不等 这种设计对实验单元的安排灵活机动 单要素或多要素皆可应用 这类设计分析简便 但要求试验的环境要素要相当均匀 所以一般用于实验室培养试验及网室 温室的盆钵试验 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 2 随机区组设计 randomizedblocksdesign 根据 局部控制 的原则 将试验地按肥力程度分为等于重复次数的区组 一区组安排一个重复 区组内各处理都独立地随机排列 这是随机排列设计中最常用而且最基本的设计方法 该设计方法的优点是 设计简单 容易掌握 富于伸缩性 单因素 多因素以及综合性的试验都可以应用 能提供无偏的误差估计 并有效地减少单向的肥力误差 对实验地的地形要求不严 必要时不同区组可分散地设置在不同的地段上 该设计方法的缺点是不允许处理太多 一般不超过20个 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 2 随机区组设计 randomizedblocksdesign 8个品种4个重复的随机区组排列 肥力梯度 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 2 随机区组设计 randomizedblocksdesign 16个品种3个重复的随机区组排列 小区布置成两排 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 3 拉丁方设计 latinsquaredesign 将处理从纵横两个方向排列为区组 或重复 使每个处理在每一列和每一行中出现的次数相等 通常一次 所以它是比随机区组多一个方向进行局部控制的随机排列的设计 该设计方法的特点是 处理数 重复数 直行数 横行数均相等 具有双向控制土壤差异的作用 因而具有较高的精度 但实验设计无伸缩性 重复数必须等于处理数 处理数太多会导致重复数过多 处理数太少又会影响试验误差的自由度 通常拉丁方设计只限于4 8个处理 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 3 拉丁方设计 latinsquaredesign 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 4 裂区设计 split plotdesign 先按第一个因素设置各个处理 主处理 的小区 然后在这个主处理的小区内引进第二个因素的各个处理 副处理 的小区 按主处理所划分的小区称为主区 mainplot 亦称为主区或整区 整区内按各个副处理所划分的小区称为副区 也称裂区 split plot 从第二个因素来说一个主区就是一个区组 但是从整个试验所有处理组合讲 一个主区仅仅是一个不完全区组 该设计方法通常用于以下三种情况 在一个因素的各种处理比另一个因素的各种处理需要更大面积时 便于管理 实验某一因素的主效比另一因素的主效更为重要 要求有更精确的比较 根据以往研究得知 某些要素的效应比另一些要素的效应更大时 将可能表现较大差异的因素作为主处理 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 4 裂区设计 split plotdesign 3个施肥量和6个品种两因素试验的裂区设计 高 中 低 高 高 中 中 低 低 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 4 条区设计 strip blocksdesign 条区设计是裂区设计的一种衍生设计 如果所研究的两个因素都需要较大的小区面积 且为了便于管理和观察记载 可将每个区组划分为若干个纵向长条形小区 安排第一个因素的各个处理 如A因素 再将各区组划分为若干个横向长条形小区 安排第二个因素的各个处理 如B因素 条区设计方法的主要特点是 能估计三种实验误差 分别用于检测两个因素的主效及其交互作用 但对两个因素的主效测验则不如一般随机区组设计精确 因此 仅用于对交互作用特别重视的试验 4 常用的田间试验设计方法 4 2随机排列的试验设计 4 条区设计 strip blocksdesign A因素4个处理 B因素3个处理的条区设计 A3A1A4A2 A4A3A1A2 A1A3A2A4 B3 B1 B2 B3 B3 B1 B1 B2 B2 5 案例 小区划分依据 1 根据灌水总量划分不同梯度 上期报告中按马儿庄天然有效降水200mm计 尚需灌溉补水250mm以上 相当于2500m3 hm2 现在测定的是苜蓿生长的第二茬 所以以1500m3 hm2为宜 假定观测时期没有降雨 所以拟将灌溉总量范围控制在1500 3500m3 hm2 按500m3 hm2为间隔 划分为5个梯度 再设置1个无灌溉的对照小区 2 再根据灌溉间隔