第一章田间试验概述及试验设计.docx
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第一章田间试验概述及试验设计
第一章田间试验概述及试验设计
第一节田间试验概述
在农业生产上，一个新品种、一项新技术、一种新产品的推广应用，都必须用一种科学的方法验证其优劣或鉴定其实用价值，这种科学的方法就是农业科学试验，因此农业科学试验是农业生产发展的基本动力和源泉。
农业科学试验的种类很多，包括田间试验、温室试验、培养试验、实验室试验等，其中田间试验是农业科学试验的主要形式。
一、田间试验的概念及其任务
（一）、概念
田间试验是在田间自然条件下，以植物生长发育的各种性状如产量、品质以及其它形态或生理特性等作为指标，研究植物内在因素或植物与环境之间的关系的农业科学试验方法。
根据其概念，田间试验具有以下两个特点：
1.田间试验是在田间自然条件下实施的，因此其试验结果容易受到土壤、气候、生物等生态因子以及人为因素的影响，因此田间试验结果常具有精确度低、误差大等特点。
2.田间试验是以植物生长发育的各种性状作为指标，随着植物种类品种（变种）不同，生长周期差异很大，对生长发育环境的反应不同，因此田间试验大多具有长期性和复杂性。
（二）、任务
田间试验的基本任务是在大田自然环境条件下研究新品种、新产品、新技术的增产效果，客观地评定具有各种优良特性的高产品种及其适应区域，评定新产品的增产效果及其对环境的反应，正确的评判最有效的增产技术措施及其适应范围，使农业科研成果合理地应用和推广，发挥其在农业生产上的重要作用，并为各级农业部门及农户提供科学决策和技术咨询，促进农业科研成果尽快转化为生产力，因此田间试验是农业科研成果与农业生产的桥梁。
由田间试验的任务可以看出，田间试验可以分田间试验设计（包括试验方案设计和田间小区排列设计）、田间试验的实施和试验结果的统计分析三个阶段。
二、田间试验的常用术语
（一）、试验因素
指试验中人为有目的地控制的影响试验指标的条件（被变动并设有待比较的一组处理的因子称为试验因素），如品种试验中的品种，施肥量试验中的施肥量，农药试验中的农药等，辣椒果色对其Vc含量的影响中的辣椒果色等。
试验因素又称试验因子，简称因素或因子。
根据试验因素的多少，一般可分为单因素试验、多因素试验和综合性试验三种。
顾名思义，单因素试验只有一个试验因素；多因素试验又称复因素试验，试验因素至少是两个，而综合性试验实质上也是一种多因素试验，但在试验处理的设置上与多因素有较大区别。
（二）、试验水平
指在某一试验因素下，人为有目的地设定的质的不同状态或量的级别级别，如品种试验中所参与试验的不同品种，施肥量试验中的不同施肥量，辣椒果色对其Vc含量的影响中的辣椒不同果色等。
（三）、试验处理
指试验所设置的特定条件，即根据试验目的和要求而人为设定的试验因素的不同水平或因素间不同水平的组合，简称处理。
单因素试验的每一个处理只有一个水平，因此处理数和水平数相同；复因素试验的每一个处理则是各个因素的不同水平的组合，又称处理组合，其处理数是各个因素的水平数之积，由于每一个试验因素至少有两个水平，因此其处理数至少是单因素试验的2倍；而综合性试验的处理只是各个试验因素的某些水平的组合，其处理数与各个试验因素的水平数没有特定关系，其目的是考察各个处理组合的综合作用。
（四）、试验方案
指一个试验的全部处理或处理组合的总和，试验方案是否合理是能否实现试验目标的基础。
1.试验方案设计的基本原则
在设计时一般要遵循“明确的目的性”、“严密的可比性”和“试验的高效性”三条原则。
1.1明确的目的性
制定试验方案时，应该对研究任务作仔细深入分析，突出重点，抓住关键，明确试验的具体目的。
一般在研究的开始阶段，应抓住关键因素作单因素试验；随着试验研究的深入，需要了解因素之间的相互作用，可采用多因素试验。
1.2严密的可比性
一般情况下试验均采用差异比较来研究试验因素的作用，在设计时应注意以下两点：
1.2.1唯一差异原则
在试验中，除了要研究的试验因素需人为设置不同的水平外，其余条件均需尽可能保持一致，以排除非试验因素的干扰。
1.2.2设置对照（CK）
对照也就是处理间进行比较的共同标准，在农业试验中一般要求以拟推广地区的主栽品种或主要栽培技术措施作为对照，以便新品种或新技术的推广。
1.3试验的高效性
可通过适当减少试验因素、合理确定因素的水平数及其级差来提高试验效率。
2.试验方案的设计方法
2.1单因素试验方案
单因素试验方案设计一般由试验因素的若干水平加适当对照处理即可，其设计要点是确定因素的水平范围和水平间距。
水平范围是指试验因素水平的上、下限范围，其大小取决于研究目的及试验研究的深入程度；水平间距是指因素内相邻水平的级差，水平间距要适当，过大没有实际意义，过小试验效果易被误差掩盖，试验结果不能说明问题。
2.2多因素试验方案
常可分为完全实施方案和不完全实施方案两种类型。
2.2.1完全实施方案
所有试验因素在试验中处于完全平等的地位，每个因素的每个水平都与另外因素的所有水平相互配合构成试验处理组合。
2.2.2不完全实施方案
由完全实施方案的一部分处理构成试验方案。
（五）、试验指标
指用来衡量试验效果好坏的指示性状，如产量、品质、株高、茎粗、Vc含量等，可以分为形态指标和生理生化指标两个方面。
试验指标的选取是否恰当，不仅关系到试验效果的高低，而且可能会直接影响到试验目的能否达到。
（六）、试验效应
指试验因素对试验指标的增加或减少所起的作用。
某一确定试验因素的不同水平所引起的试验指标差异，称为简单效应。
在单因素试验中两种水平间试验指标的差值属简单效应，而在复因素试验中，如果一个因素的水平相同，由另一个因素的不同水平所引起的试验指标差异，也属于简单效应。
一个因素内不同重复间简单效应的平均数称为平均效应，又称主要效应，简称主效。
主效是评价试验因素对试验结果影响程度的主要依据。
单因素试验只能分析试验因素的主效。
一个因素促进或抑制另一个因素对试验指标的增大或减少所起的作用称为交互作用效应，简称互作效应或互作，以因素内简单效应的平均差值进行计算。
复因素试验不仅能分析各个试验因素的主效，而且能分析各个试验因素间的交互作用效应。
而综合试验则既不能分析主效，又不能分析互作，只能分析各个试验处理组合的综合作用效应。
当互作效应为正值时，表示两个因子有相互促进作用，配合使用更好；当互作为0时，表示两个因子是独立的，单独使用或配合使用没有区别；当互作为负值时，表示两个因子相互抑制，因此只能单独使用。
（七）、试验误差
指由不可预料或不可避免的因素而引起的试验结果与其真值（总体平均值）之间的差异。
根据其产生的原因，一般可以分为：
1.系统误差
由确定因素所引起的误差，其表现具有一定的规律性，大小基本一致，同时总是偏向同一个方向。
在控制上只要找出其原因，系统误差可以消除或降低。
2.偶然误差
由不确定的因素所引起的误差，又称随机误差，简称机误，其表现则有大有小，有正有负，在越是接近0的附近出现的机会越大，越是远离0的地方则出现的机会越小，可以通过增加重复次数来进行控制。
（八）、试验小区
指田间试验中安排某一个处理或处理组合的一小块地段，简称小区。
小区是田间试验的基本单元，其面积大小、形状、方向均直接影响到试验的成效。
（九）、区组
指田间试验中同一重复内分配于试验条件相对一致的同一地段上的各个处理小区所构成的集合，可分为完全区组和不完全区组两种，前者一个区组内包含一次重复的全部处理，而后者则一个区组内只包含一次重复的部分处理。
划分区组是田间试验中控制土壤差异或其它环境条件所引起的误差的一种主要手段，即克服系统误差的一种主要措施。
三、田间试验的基本要求
田间试验必须要为农业生产的发展服务，要实现这一目的，就必须保证试验的质量，即试验结果的可靠性，因此试验必须具备以下基本要求：
（一）、试验目的要明确
即在试验之前要明确为什么要作某一项试验，应该解决什么样的理论问题或实践问题。
在试验中选题应该首先抓住当时当地的生产实践或科学发展中急需解决的问题，并从发展的观点出发，适当兼顾长远的或在不久的将来可能突出的问题。
（二）、试验结果要可靠
试验结果的可靠性包括结果的准确性和精确性两个方面。
准确性：
指试验中某一性状的观察值与其相应真值（在统计学上称总体平均数）的接近程度，即
，观察值与其真值越接近，则
越是接近0，则准确性越高。
精确性：
指试验中某一性状的多次重复观察值之间彼此接近的程度，常用离均差的绝对值
来表示。
重复观察值之间越是接近，
越小，则结果越精确。
在试验结果中，准确性受试验系统误差的影响，而精确性则受偶然误差（在统计学上称随机误差）的影响。
由于某一性状的真值是无法准确知道的，因此试验结果的可靠性实际上是无法用准确性来评价而常用精确性来衡量。
在没有系统误差存在的条件下，试验结果的可靠性只受偶然误差的影响，此时准确性和精确性是一致的，由于离均差的总和为0，因此某一性状的多次重复观察值的平均值实际可以代表该性状的真值，为了达到该目的，在试验的全过程中必须尽可能减小系统误差，要求必须严格执行试验的各项技术规程，特别要避免人为差错的发生。
在试验中，为了试验结果的可靠性，一般通过合理的试验设计，相对一致的试验条件，正确的取样技术和合理的统计分析来实现。
（三）、试验条件要有代表性
试验条件：
指试验中除试验因素以外的其它一切可能影响试验结果的条件，包括试验材料和试验的外界环境条件。
试验因素是相对变动的条件，而试验条件是相对固定不变的，不进行专门研究。
在试验研究中，要求试验条件保持尽可能的一致以便于在试验因素的不同处理间进行客观的比较。
试验条件的代表性是指试验时的条件应该和将来准备应用该项试验结果的地区的实际条件相一致，其目的是提高试验结果的应用价值，降低应用时的风险。
（四）、试验结果要能够重演
即在相同或相似的条件下重复进行某项试验，应该得到相同或相似的结果。
试验结果具有重演性，才有推广应用的价值，试验才有意义。
为了保证试验结果能够重演，要求必须严格执行各项试验操作规程，并详细观察和记载试验过程中所采取的各项措施以及出现的各种现象，以便于分析试验结果，找出试验结果得以重演的原因和条件。
第二节田间试验误差的来源及控制途径
在农业试验中，由于试验材料是生物体，因生物体自身的复杂性，而试验地又受到难以控制的自然环境条件的影响，因此试验误差表现得比较突出和明显。
归纳起来，产生试验误差的原因可以分为以下几个方面：
一、试验材料本身的差异
即供试材料在遗传组成或生长发育状态上存在的差异，如基因型、苗龄、植株生长势等。
针对此原因，应根据试验的目的和要求严格选用相适应的试验材料，即选择品种相同（品种试验除外）、生长发育状态正常一致的植株作为试验材料。
如果受到主客观条件限制而导致品种不一致、植株大小、生长势不一致等，则可以按照基本一致的标准进行分档，而把不同档次的材料作为不同的重复，或按比例把不同档次的材料进行混合处理，这样可以降低试验材料的误差。
二、试验操作管理不一致所引起的差异
即操作管理质量或时间上的不一致所产生的差异，或取样方法或取样标准不一致或观察记载时间、标准、人员、工具或仪器等不一致而引起的差异。
对此原因，应改进操作和管理技术，使之标准化。
总的原则是：
除操作要仔细、认真把各种操作尽可能做到完全一致外，一切管理操作、观察、测量和数据搜集都应该以重复为单位进行控制，以减少可能发生的差异。
另外，对取样应该有正确的规定，并且要符合统计分析的要求。
三、试验条件的差异
包括土壤、气候、生物等环境因素。
其中最主要的差异是土壤差异，如土壤深度、地下水位、土壤孔隙度、土壤含水量、土壤质地等，综合表现为土壤肥力分布不均匀。
其它环境条件差异有地形、小生态条件等、病虫侵害、人畜践踏、风雨影响等。
土壤差异不仅受到成土母质的影响，同时又受到栽培耕作条件和利用方式的影响，另外，土壤差异具有持久性，而农业试验又具有长期性，因此土壤差异对试验有着长远的影响。
土壤差异主要有两种表现形式，一是梯度性差异，即土壤肥力高低变化比较有规则，肥力从试验地的一边向另一边逐渐改变。
另一种是斑块状差异，即在田间有肥力差异较为明显的斑块，面积有大有小，分布无规则。
在控制土壤差异中，常用的措施有：
1.正确选择试验地，要求如下：
1.1土壤肥力的均匀一致，可以通过作物生长发育的整齐度来判断。
1.2试验地要尽可能平坦，如果受到主客观条件限制无法实现则可选用向同样方向倾斜的缓坡地，但必须使同一重复内的各个试验小区排列在同一条等高线上。
1.3试验地的位置要适当，试验地应该在离道路、树林、建筑物较远的地方，以免造成土壤肥力、光照等的差异或灰尘污染、人畜践踏危害等。
但试验地又还能离住宅太远，以免造成观察记载和看护不方便。
1.4土壤条件要有代表性
2.采用适当的小区技术
包括适当的重复次数、小区面积及形状。
3.应用良好的试验设计和相应的统计分析方法
根据具体的试验目的和要求确定。
第三节田间试验设计的基本原则及设计方法
一、田间试验设计的基本原则
试验设计的主要作用是降低试验误差和正确估算试验误差，以提高试验结果的精确性和可靠性。
从试验误差的来源可知，土壤差异是产生试验误差的最主要的来源，并且难于克服。
而其它的差异则相对容易控制。
为了有效地控制土壤的差异所引起的试验误差，在田间试验设计中必须遵循以下原则。
（一）、重复
即同一处理的小区数，又称重复次数或重复数。
如果同一处理的小区数只有一个，则为一次重复，如果小区数有两个，则为两次重复，如果有3个则为三次重复，依此类推。
试验中设置重复的作用体现在以下两个方面：
1.进行无偏的误差估计
试验误差是客观存在的，如果只有一次重复，则试验指标的观察值中既有处理效应又有环境差异而引起的误差，并且两者无法分离。
如果有两次或两次以上的重复，则可以将试验误差从试验指标的观察值中分离出来，进行正确的试验误差估计。
随着重复次数的增加，误差的估计就越精确。
2.降低试验误差
统计分析研究表明，试验结果平均数误差与重复次数的平方根呈反比关系，即
。
（二）、随机
指一次重复中的某一处理究竟安排在哪个小区，应该完全由机会确定，而不要存在主观上的偏见。
由于试验结果的统计分析方法是以概率论的数学原理为依据。
而概率论的研究对象是随机事件。
因此只有从随机排列的小区中获得的资料才能符合统计分析的要求，才能进行正确的试验误差估计，才能保证试验结果的精确性和可靠性。
在试验设计中，随机的方法有抽签法、随机数字表法、计算器随机法等。
（三）、局部控制
指分范围、分地段地控制非试验因素，使其对各个处理的影响趋向于最大限度的一致。
由于在较小的地段内，试验条件较一致，误差较小。
随着试验面积的加大，试验条件的差异加大，试验条件的一致性就难以控制。
在操作上，常将试验地划分成与重复数相同的区组，然后再将每个区组划分成与处理数相同的小区，然后一个小区安排一个处理。
这样，在一个重复内不同处理设置在较小的面积上且相邻近，土壤差异小，处理间由于土壤差异引起的误差就小，而区组（重复）间的较大的土壤差异则可用统计分析的方法分析出来。
将由于土壤差异误差从试验效应中分离出来，从而降低误差，提高试验结果的精确性和可靠性。
二、田间试验的小区技术
（一）、试验小区
小区是田间试验的基本单位。
小区的面积、形状和方向对试验的结果都有比较大的影响。
1.小区面积
在一定范围内，随着小区面积的增加，可以明显降低试验误差，提高试验的精确性。
对于有斑块状差异的试验地，小区面积太小容易造成小区间有较大的土壤差异从而加大误差。
适当增加小区面积可以使每一个小区同时占有不同肥力的土壤部位，减少小区间的土壤差异，并可相应增加小区内种植的植株数，减少植株个体间的差异，从而降低试验误差。
但小区面积增加到一定程度后，试验误差的降低已不明显，试验精确度的提高很小。
随着试验小区面积的进一步增加，会导致试验工作量的增加，从而会加大处理间因操作管理的不一致而产生误差的机会，从而增大试验误差。
因此，小区面积应该适当，要根据试验目的和试验性质的要求，结合当时的人力、物力等具体情况来决定，常用6～60m2,而示范性试验则要求在330m2以上。
2.小区形状和方向
小区形状指小区长度和宽度的比例，一般可分为长方形小区和方形小区。
在一般情况下，采用长方形小区，尤其是狭长形小区，能较全面地包括不同肥力的土壤，使小区间的土壤差异相应减小，从而提高试验的精确度。
另外，狭长形小区还有利于田间观察记载和操作管理。
但长宽比并非越大越好，一般以3：
1～10：
1为宜。
小区的方向指小区长边的方向。
对于长方形小区，小区的长边必须与肥力变化的梯度方向平行。
但在需要考虑边际效应的试验中，则以方形小区为宜，因为当小区面积一定时，方形小区因周长最小，受周围环境影响的植株数最少，如肥料试验。
边际效应：
指生长在试验小区或试验地周围的植株由于有更大的营养面积和生长空间，从而在生长条件方面具有更多的优越性，这种优越性所产生的作用称为边际效应。
（二）、重复次数
增加重复次数，一方面可以正确估计试验误差的大小，另一方面又可以降低试验误差。
但在一定的试验面积上，重复次数与小区面积之间呈反相关关系。
虽然重复次数的增加对降低试验误差的作用比扩大小区面积更有效，但如果重复次数过多，小区面积过小，则会增加试验误差，因为重复次数增加到一定程度后，误差降低的作用已经不明显，而小区面积降低到一定程度后，试验误差的增大则很快。
同时重复次数过多，则会加大工作量，从而增加由于操作管理上的不一致而引起的试验误差，甚至可能会发生差错。
在一次具体的试验中，重复次数的多少应根据试验目的要求的精确度、试验地面积大小、试验地土壤特点、小区面积以及试验材料的数量等具体条件确定，一般3～6次即可。
（三）、对照区
在田间试验设计要求设置对照区，以作为处理之间共同比较的标准。
一般以当地主栽品种或主要栽培技术措施作为对照。
在田间试验中设置对照区主要有以下目的：
1.作为鉴别和比较各处理优劣的共同标准。
2.利用区组间对照区本身的差异可以估计和矫正试验地的土地差异。
对照区设置的数量没有统一的规定和要求，根据试验的不同设计方法可以有多有少，但一般要求一个区组内至少有一个对照区。
（四）、保护行
为了使不同处理的植株能在较为均匀一致的试验条件下安全生长发育，应该在试验地的周围设置保护行。
其作用有：
1.保护试验材料不受外来因素如人、畜等的践踏和损害。
2.防止靠近试验地四周的小区受到空旷地的特殊环境影响而产生试验误差，即控制边际效应。
保护行一般根据试验不同设计形式设置在试验地之四周或两边，行数一般为1～2行。
三、常用田间试验设计形式
一般可分为顺序排列设计和随机排列设计两大类。
（一）、顺序排列设计
即各个重复内的试验小区都按一定的规律和次序排列，主要通过增加对照区来控制土壤差异。
其优点是方法简单，操作管理方便。
其缺点是误差大，试验精确性不高。
因此常用于预备试验或精确度要求不高的正式试验。
根据一个重复内各个处理小区的具体排列方式的不同，又可分为以下两种：
1.对比法设计
简称对比法，即每隔两个处理小区设置一个对照区，使每一个处理小区都可以与其相邻的对照区进行直接比较。
1.1设计特点
由于相邻小区特别是狭长形相邻小区之间土壤的相似性，对比法排列使处理小区与对照小区相比有较高的精确性，但由于对照区数量过多，要占试验地的1/3，因此土地利用率低，工作量大。
一般重复次数为2～3次，有时也可以只有一次重复。
当两个以上的重复排列成多排时，应避免同一处理的各个小区排列在一条直线上，可以采用逆向式或阶梯式来解决。
1.2统计分析方法
利用教材P225例12.1所附例题讲解对比法设计试验结果的统计分析方法，阐明其结果分析是以直接相邻的对照的试验指标为标准进行百分数的比较，不能采用概率统计方法进行统计分析。
2.间比法设计
2.1设计特点
田间排列的第一个小区和最后一个小区设置成对照区，而每相邻两个对照区之间间隔相同数目的处理小区，一般间隔4～9个。
重复次数一般为2～4次。
常用于处理数较多，而试验地较少、精确度要求不高的试验。
各个重复可以排列成一排或多排。
如果排列成多排，同理可采用逆向式或阶梯式来降低试验误差。
如果处理数较多，一个重复内的处理在一条地上排不完时，可以在第二条地上接着布置，但在开始时仍需布置对照区。
2.2统计分析方法
利用教材P226例12.2所附例题讲解间比法设计试验结果的统计分析方法，阐明其结果分析是以相邻的两个对照的试验指标的平均数作为标准进行百分数的比较，也不能采用概率统计方法进行统计分析。
（二）、随机排列设计
即按照随机的方法进行的排列设计方法。
可以用数理统计的方法来正确的估计试验误差，同时又可以结合重复和局部控制原理来降低试验误差，因而试验结果有较高的精确性。
但此类设计由于田间排列无规律性，故操作管理不方便，计算过程比较复杂。
1.完全随机设计
先将整个试验地划分成和总试验小区数相等的小区，然后对每一个小区进行编号，再通过抽签或其它随机方法进行安排各个处理。
该法的优点是各个处理的重复次数可以相等，也可以不相等。
缺点是由于没有应用局部控制的原理，因而无法有效控制环境差异。
在应用上局限于试验条件比较一致的试验中，常用于室内试验。
两个处理的完全随机设计一般又可称为成组设计。
2.随机区组法设计
根据“局部控制”的原则，先将整个试验地按肥力程度划分成与重复次数相等的区组，再将每个区组划分成与处理数（包括对照）相同的小区，然后在区组内再按随机的方法安排每一个处理。
该法是田间试验中最常用的试验设计形式。
随机区组设计有以下优点：
2.1设计简单，容易掌握。
2.2富于弹性，单因素试验和复因素试验均可采用。
2.3能提供无偏的误差估计，并能有效降低由土壤差异引起的试验误差。
2.4对试验地的要求不严，必要时不同区组可以安排在不同地段上，甚至不同地区。
但该法只能控制一个方向的土壤差异，同时处理数不宜太多，一般不宜超过20个，而以15个以下为最好。
可以采用抽签法或随机数字表法或计算器随机数字法来安排每一个区组各个处理的排列次序。
两个处理的随机区组设计一般又可称为成对设计或配对设计。
3.拉丁方设计
将试验的各个处理从纵横两个方向均排列成区组的一种设计形式。
拉丁方设计的横行数、给行数、区组数和重复数都相等，故除保护行之外的小区总数等于处理数之平方。
由于纵横两个方向都成区组，故能从纵横两个方向来控制土壤差异，具有双向控制土壤差异的优点，因而具有较高的精确度。
由于重复数必须等于处理数，同时各个区组又不能分开，因此试验灵活性较差，因此一般只限于4～8个处理的试验。
第一横行和第一纵列都为顺序排列的拉丁方称标准方。
在进行设计，首先选择标准方，然后通过横行随机，纵列随机和处理随机三个步骤进行排列。
4.裂区设计
裂区设计是复因素试验的一种设计形式。
在设计时，行将整个试验地划分成与重复数相等的区组，再将每一个区组划分成与第一个因素的水平数相等的小区，该小区称为主区，其中安排的处理称为主处理。
再将每一个主区进一步划分成与第二个因素的水平数相等的更小的小区，称副区，其中安排的处理称副处理，由于这种设计将主区进一步划分为副区，因此称裂区设计。
裂区设计的特点：
4.1由于主处理设置在主区，副处理设置在副区，副区之间比主区之间更为接近，土壤差异更小，因此副处理的试验结果比主处理试验结果更精确。
4.2主处理的重复次数为区组数，而
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