生物試驗設計與統(tǒng)計方法

生物試驗設計與統(tǒng)計方法第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三本課程的目的和任務本門課程為農學、作物遺傳育種學、植物保護學、生物技術專業(yè)的專業(yè)基礎課，是數(shù)理統(tǒng)計原理和方法在生物學中的應用。其主要目的是培養(yǎng)學生具有生物科學試驗設計的能力和對試驗資料進行統(tǒng)計分析處理的能力。主要任務是：1、培養(yǎng)學生初步掌握開展生物及農業(yè)科學試驗的方法。2、培養(yǎng)學生掌握常用的生物及農業(yè)科學試驗設計方法和進行科學試驗設計的能力。3、培養(yǎng)學生掌握正確收集、整理試驗資料的方法。4、培養(yǎng)學生掌握生物統(tǒng)計基本理論、基本技術和常用方法，能夠使用生物統(tǒng)計方法和技術對試驗資料進行正確的統(tǒng)計分析。5、培養(yǎng)學生掌握必要的計算技術，包括使用電子計算器及統(tǒng)計分析軟件的方法。第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三本課程的基本要求

學生學完本課程后，應達到如下要求：1、掌握正確收集試驗數(shù)據(jù)的方法以及數(shù)據(jù)資料的整理方法。2、掌握數(shù)據(jù)資料的基本統(tǒng)計分析方法。3、掌握顯著性檢驗的基本理論和常用方法，能對不同的試驗資料應用顯著性檢驗方法進行統(tǒng)計分析和處理。4、掌握相關分析和回歸分析的常用統(tǒng)計分析方法。5、掌握常用抽樣調查技術和方法。6、具備生物及農業(yè)科學試驗設計的能力，能正確應用試驗設計方法進行生物及農業(yè)科學試驗的設計，以及對試驗資料進行正確的統(tǒng)計分析。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三第一章緒論第一節(jié)科學研究與科學試驗第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三一、農業(yè)和生物學領域的科學研究科學研究是人類認識自然、改造自然、服務社會的原動力。農業(yè)和生物學領域的科學研究推動了人們認識生物界的各種規(guī)律，促進人們發(fā)掘出新的農業(yè)技術和措施。從而不斷提高農業(yè)生產水平，改進人類生存環(huán)境。

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第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三自然科學實驗科學：通過周密的實驗設計，解釋各種實驗現(xiàn)象，探索科學規(guī)律。理論科學：主要運用推理的方法第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三二、科學研究的基本方法（一）科學研究的基本過程

基礎性或應用基礎性研究在于揭示新的知識、理論和方法；應用性研究在于獲得某種新的技術或產品。農業(yè)科學領域的研究包括3個環(huán)節(jié)：（1）對所研究的命題形成認識或假說；（2）安排相斥性的試驗或抽樣調查；（3）根據(jù)資料推理，肯定或否定或修改假說，形成結論或開始新一輪試驗以驗證修改完善后的假說。下一張

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第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三二、科學研究的基本方法（二）科學研究的基本方法

1、選題明確意義及重要性

2、文獻大廈頂層

3、假說對象和預期結果之間形成某種見解或想法。

4、假說的檢驗直接或間接檢驗

5、試驗的規(guī)劃與設計比較試驗；試驗結果的代表性和重演性；唯一差異原則；系統(tǒng)誤差和偶然誤差。下一張

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第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)試驗方案

一、試驗因素和水平

試驗方案（experimentalscheme）：是指根據(jù)試驗目的與要求而擬定的進行比較的一組試驗處理的總稱。下一張

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第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三可變的并設有待比較的一組處理因子稱為試驗因素，簡稱因素或因子。試驗因素的量的不同級別或質的不同狀態(tài)稱為水平。質量水平：供試材料具有質的區(qū)別，試驗因素水平是定性的。數(shù)量水平：供試材料具有量的不同，試驗因素水平是定量的。試驗方案按供試因素的多少可區(qū)分為單因素試驗方案、多因素試驗等方案。下一張

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第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三1、單因素試驗

單因素試驗（singlefactorexperiment）是指整個試驗中只比較一個試驗因素的不同水平的試驗。單因素試驗方案由該試驗因素的所有水平構成。這是最基本、最簡單的試驗方案。例如品種比較試驗，幾個品種就是幾個水平，也即是幾個處理。又如施肥量試驗，幾種施肥量就是幾個水平。幾個水平就構成了試驗方案。下一張

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第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三2、多因素試驗方案

多因素試驗（multiplefactorsexperiment）是指在同一試驗中同時研究兩個或兩個以上試驗因素的試驗。多因素試驗方案由該試驗的所有試驗因素的水平組合（即處理）構成。多因素試驗方案分為完全方案和不完全方案兩類。下一張

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第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三（1）完全方案

在列出因素水平組合（即處理）時，要求每一個因素的每個水平都要碰見一次，這時，水平組合（即處理）數(shù)等于各個因素水平數(shù)的乘積。例如以3種施肥量對3個品種進行試驗。兩個因素分別為施肥量（A）、品種（B）。施肥量（A）分為A1、A2、A3水平，品種（B）分為B1、B2、B3水平。共有A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3、A3B1、A3B2、A3B3共3×3=9個水平組合（處理）。這9個水平組合（處理）就構成了這兩個因素的試驗方案。下一張

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第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

根據(jù)完全試驗方案進行的試驗稱為全面試驗。全面試驗既能考察試驗因素對試驗指標的影響，也能考察因素間的交互作用，并能選出最優(yōu)水平組合，從而能充分揭示事物的內部規(guī)律。多因素全面試驗的效率高于多個單因素試驗的效率。全面試驗的主要不足是，當因素個數(shù)和水平數(shù)較多時，水平組合（處理）數(shù)太多，以至于在試驗時，人力、物力、財力、場地等都難以承受，試驗誤差也不易控制。因而全面試驗宜在因素個數(shù)和水平數(shù)都較少時應用。下一張

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第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三（2）不完全方案

它是將試驗因素的某些水平組合在一起形成少數(shù)幾個水平組合。這種試驗方案的目的在于探討試驗因素中某些水平組合的綜合作用，而不在于考察試驗因素對試驗指標的影響和交互作用。這種在全部水平組合中挑選部分水平組合獲得的方案稱為不完全方案。根據(jù)不完全方案進行的試驗稱為部分試驗。植物試驗的綜合性試驗、正交試驗都屬于部分試驗。下一張

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第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

綜合性試驗是針對起主導作用且相互關系已基本清楚的因素設置的試驗，它的水平組合就是一系列經(jīng)過實踐初步證實的優(yōu)良水平的配套。

正交試驗是在全部水平組合中選出有代表性的部分水平組合設置的試驗。下一張

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第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

二、試驗指標與效應用來衡量試驗效果的指示性狀稱試驗指標(experimentalindicator）。試驗中可以選用單指標也可選用多指標，由專業(yè)知識對試驗要求確定。試驗因素對試驗指標所起的增加或減少的作用稱為試驗效應

(experimentaleffect)

。在同一因素內兩種水平間試驗指標的相差屬簡單效應(simpleeffect）。下一張

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第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

表1.1為某豆科植物施用氮（N）、磷（P）的2×2種處理組合（N1P1，N1P2，N2P1

，N2P2

）下一張

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試驗因素NIP水平N1N2平均N1-N2P11016136P21824216平均14206P2-P18880,0/2=0簡單效應平均效應互作第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三由表1.1試驗結果數(shù)據(jù)可說明各種效應：（1）一個因素的水平相同，另一因素不同水平間的產量差異屬簡單效應。（2）一個因素內各簡單效應的平均數(shù)稱平均效應，也稱主要效應（maineffect）,簡稱主效。

（3）兩個因素簡單效應間的平均差異稱為交互作用效應（interactioneffect），簡稱互作。它反映的是一個因素的各水平在另一因素的不同水平中反應不一致的現(xiàn)象。下一張

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第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三N1N2P1P23020100ⅠN1N2P1P23020100ⅡN1N2P2P13020100ⅣN1N2P1P23020100Ⅲ圖1.12×2試驗的圖示（解釋交互作用）第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三因素間的交互作用只有在多因素試驗中才能反映出來。互作顯著與否關系到主效的實用性。或交互作用不顯著，則各因素的效應可以累加，主效就代表的各個簡單效應。在正互作時，從各因素的最佳水平推論最優(yōu)組合，估計值要偏低些，但仍有應用價值。若為負互作，則根據(jù)互作程度大小而有不同情況。下一張

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第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三三、制訂試驗方案的要點

1、明確試驗目的

2、根據(jù)試驗的目的，確定試驗因素和水平

擬定方案時，在正確掌握生產中存在的問題后，對試驗目的、任務進行仔細分析，抓住關鍵，突出重點。首先要挑選對試驗指標影響較大的關鍵因素。若只考察一個因素，則可采用單因素試驗。若是考察兩個以上因素，則應采用多因素試驗。如進行10個大豆品種的試驗，在擬定試驗方案時，設置一個對照品種，得到一個包含11個處理的單因素試驗方案；

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第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三如果再設置一個密度試驗，那么就得到了不同品種在不同密度下的多個處理組合，則安排一個二因素試驗方案。應該注意，一個試驗中研究的因素不宜過多，否則處理數(shù)太多，試驗過于寵大，試驗干擾因素難以控制。凡是能用簡單方案的試驗，就不用復雜方案。

各因素水平可根據(jù)不同課題、因素的特點來確定，以使處理的效應容易表現(xiàn)出來。

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第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三（1）水平的數(shù)目要適當

水平數(shù)目過多，不僅難以反映出各水平間的差異，而且加大了處理數(shù)；水平數(shù)太少又容易漏掉一些好的信息，至使結果分析不全面。（2）水平間的差異要合理

有些因素在數(shù)量等級上只需少量的差異就反映出不同處理的效應。如飼料中微量元素的添加等。而有些則需較大的差異才能反應出不同處理效應來，如飼料用量等。下一張

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第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

3）試驗方案中各因素水平的排列要靈活掌握

一般可采用等差法（即等間距法）、等比法和隨機法3種。我們結合玉米誘導培養(yǎng)基添加2,4-D為例說明。

等差法是指各相鄰兩個水平數(shù)量之差相等，如2,4-D各水平的排列為：1mg、3mg、5mg，其中3mg為中心水平，向上向下都相隔2mg。

等比法是指各相鄰兩個水平的數(shù)量比值相同，如2,4-D各水平的排列為1.5mg、3mg、6mg、12mg,相鄰兩水平之比為1:2。下一張

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第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

隨機法是指因素各水平隨機排列，如2,4-D水平排列為1mg、5mg、3mg、6mg各水平的數(shù)量無一定關系。

3、試驗方案中必須設立作為比較標準的對照

試驗的目的就是通過比較來鑒別處理效應大小、好壞等。為了達到這一目的，試驗方案應當包括各試驗處理，以及作為比較的對照。任何試驗都不能缺少對照，否則就不能顯示出試驗的處理效果。下一張

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第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三各個處理可互為對照，不必再設對照。在對某種作物作生理生化指標檢驗時，所得數(shù)據(jù)是否異常應與作物的正常值作比較，作物的正常值就是所謂的標準對照。在作物雜交試驗中，要確定雜交優(yōu)勢的大小，必須以親本作對照，這就是試驗對照。另外，還有一種自身對照，即處理與對照在同一作物上進行，如作物用藥前與用藥后生理指標的比較等。下一張

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第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

4、試驗處理（包括對照）之間應遵循唯一差異原則

這是指在進行處理間比較時，除了試驗處理不同外，其它所有條件應當盡量一致或相同，使其具有可比性，才能使處理間的比較結果可靠。下一張

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第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

5、正確處理試驗因素與試驗條件的關系根據(jù)互作的概念，在一種條件下某種試驗因子的最優(yōu)水平，換了條件，便可能不再是最優(yōu)水平。

6、多因素試驗提供了比單因素試驗更多的效應估計，具有單因素試驗無可比擬的優(yōu)越性。下一張

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第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)試驗誤差及其控制一、試驗數(shù)據(jù)的誤差通過試驗觀察或測定獲得的試驗數(shù)據(jù)往往含有誤差（error），每次所取樣品測定的結果稱為一個觀察值（observation），以y表示。例如測定大豆種子蛋白質。理論上大豆種子蛋白質有一個理論值或真值，以μ表示，誤差用ε表示，則觀察值＝真值＋誤差，即：y=μ+ε下一張

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第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三如果大豆種子一部分是在冷庫中保存的，一部分是在常溫下保存的，所測得的蛋白質含量是不同的，常溫下的種子含量會降低，這種種誤差是可追溯原因的，因而對于同一塊田地種子，所測的觀察值存在變異，這種變異可歸結為兩種情況，一種是完全偶然的，找不出確切原因的，稱為偶然誤差（spontaneouserror）或隨機誤差（randomerror）；另一種是有原因的稱為偏差（bias）或系統(tǒng)誤差(systemerror).

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第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三若以冷庫中保存的大豆作為比較的標準，其蛋白質含量的觀察值可表示為：yA=μ+εA在常溫下保存的大豆蛋白質含量觀察值為:yB=μ+αB+εBεA、εB稱為偶然誤差，αB稱為偏差或系統(tǒng)誤差第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三二、數(shù)據(jù)的準確性和精確性準確性(accuracy)也叫準確度，指在調查或試驗中某一試驗指標或性狀的觀測值與其真值接近的程度。設某一試驗指標或性狀的真值為μ，觀測值為

x，若x與μ相差的絕對值|x－μ|越小，則觀測值x的準確性高；反之則低。下一張

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第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

精確性(precision)也叫精確度，指調查或試驗中同一試驗指標或性狀的重復觀測值彼此接近的程度。若觀測值彼此接近，即任意二個觀測值xi、xj

相差的絕對值|xi－xj|越小，則觀測值精確性高；反之則低。準確性、精確性的意義見圖1-2。調查或試驗的準確性、精確性合稱為正確性。

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第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三圖1.2由打靶圖示試驗的準確性和精確性下一張

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第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三在調查或試驗中應嚴格按照調查或試驗計劃進行，準確地進行觀測記載，力求避免人為差錯，特別要注意試驗條件的一致性，即除所研究的各個處理外，供試植物的初始條件如品種、生育期、管理措施等應盡量控制一致，并通過合理的調查或試驗設計努力提高試驗的準確性和精確性。由于真值μ常常不知道，所以準確性不易度量，但利用統(tǒng)計方法可度量精確性。下一張

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第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三

三、隨機誤差與系統(tǒng)誤差

隨機誤差

也叫抽樣誤差

(samplingerror)，這是由于許多無法控制的