第4章 试验设计Designing Experiments Section 4.1Concepts About Designing Experiments试验设计的基本概念 一、试验Ø对被观察个体，人、动物或对象，施以处理后，测量有兴趣的变量的反应Ø试验进行程序为：试验单位处理反应§控制试验环境只允许有不同处理水平，以避免混合效应的情况Ø例:冷冻法对胃溃疡减轻疼痛的效应§胃溃疡病人，施以冷冻法(一般相信可降低胃酸的产生)，观察疼痛症状减轻的情况§冷冻法确实有症状减轻的效应 二、试验指标(experimental index) Ø在试验中具体测定的性状或观测的项目称为试验指标§株高、千粒重、亩产量、日增重、产奶量 、产蛋率、瘦肉率§单指标试验与多指标试验 三、试验因素(experimental factor) Ø试验中所研究的影响试验指标的因素叫试验因素，简称因素§如品种、施肥量、灌溉方式§单因素试验与多因素试验§试验因素常用大写字母A、B、C、…等表示 四、因素水平(level of factor) Ø试验因素所处的某种特定状态或数量等级称为因素水平，简称水平§如比较3个品种亩产量的高低，这3个品种就是品种这个因素的3个水平§因素水平用代表该因素的字母加添足标1，2，… ， 来表示，如 A1 、 A2 、… ， B1 、B2、…，等 五、试验处理(treatment) Ø事先设计好的实施在试验单位上的具体项目叫试验处理，简称处理§单因素试验，试验因素的一个水平就是一个处理§在多因素试验时，试验因素的一个水平组合就是一个处理 试验因素不同水平的组合 六、试验单位(experimental unit) Ø在试验中能接受不同试验处理的独立的试验载体叫试验单位§如一只家禽、 一头家畜、一只小白鼠、一尾鱼§试验单位往往也是观测数据的单位 七、重复(repetition) Ø在试验中，将一个处理实施在两个或两个以上的试验单位上，称为处理有重复Ø一处理实施的试验单位数称为处理的重复数§用某种饲料喂4头猪，就说这个处理(饲料)有4次重复 八、实例Ø棉花灌溉试验 因素 水平A施肥种类B喷水时间C土壤含水量下限 1水平N早65 2水平N+P中55 3水平N+P+K晚50 Section 4.2Basic Principles for Designing Experiments试验设计的基本原则 测量值测量值=真实值真实值+随机误差随机误差+ +非随机误差非随机误差 xi = + i 1．随机误差（随机抽样误差）： 影响因素众多，变化无方向性，不可避免，但可用统计方法进行分析。
2．系统误差 受确定因素影响，大小变化有方向性 3．非系统误差（过失误差） 研究者偶然失误而造成的误差一、试验误差偏差偏差bias 二、准确度与可靠性Ø准确度(accuracy)或真实性（validity） ：观察值与真值真值的接近程度，受系统误差系统误差的影响(常用指标：如灵敏度、特异度)Ø可靠度（reliabiliy），也称精密度(precision)或重复性（repeatability） ：重复观察时重复观察时观察值与其均值与其均值的接近程度，受随机误差随机误差的影响（常用指标：一致百分率、Kappa值） 三、试验设计原则与统计显著性Ø试验设计基本原则：§控制控制( (Control)Control)隐藏变量对反应的效应隐藏变量对反应的效应§随机化随机化( (Randomization)Randomization)安排试验单位接受安排试验单位接受指定的处理指定的处理§重复重复( (Replication)Replication)试验于许多试验单位，试验于许多试验单位，以降低结果以降低结果的的机会变异机会变异( (chance chance variation)variation)。
Ø统计显著性统计显著性( (Statistical Significance)Statistical Significance)§若观察的效果太大，在概率分布上极不可能发生，称为该效应统计显著 试验设计三原则的关系及作用重复随机化控制无偏误差估计估计误差降低误差统计推断提高精确性三原则作用 Section 4.3Methods of Experiment Design常用试验设计方法 一、完全随机设计Ø所有的试验单位，随机指定到所有处理的试验设计，称为完全随机设计(Completely Randomized Design)Ø例 节约能源方案研究：安装用电量显示表，是否有警示节约用电的效果？n分组一处理一 随机分组二处理二用电量分组三处理三20户20户20户装显示表张贴图表一般宣传 完全随机设计的逻辑依据Ø完全随机试验可提供确实的证据，显示不同处理是造成不同效应的原因§试验进行之前的随机分组，各组成员背景应该在各方面都类似§试验进行之中，各组的试验环境除了处理外应该都相同§各组的平均反应差异，必然来自于不同的处理或是各组的随机差异•相同处理的两组也可能有不同平均反应差异。
一、完全随机设计 二、配对设计与区组设计Ø配对设计配对设计( (matched pairs design)matched pairs design)：：§两种处理分别(随机的)施行在一对特性相同或类似的试验单位上•例如：双胞胎Ø区区组组设计设计( (block design)block design)：：§特性相同或类似的的试验单位组成区组(block)，在各区组内随机安排试验单位接受指定的处理，称为区组设计 n 分组一处理一 男性 随机 分组二处理二 反应 分组三处理三n 分组一处理一 女性 随机 分组二处理二 反应 分组三处理三试验单位二、配对设计与区组设计 Section 4.4Field Experiment Design田间试验设计 一、田间试验的基本要求Ø试验目的要明确Ø试验条件要有代表性Ø试验结果要能够重演 二、田间试验的误差来源及控制途径Ø误差来源§试验材料固有的差异§试验时农事操作和管理技术不一致所引起的差异§进行试验时外界条件的差异Ø控制误差的途径§选择同质一致的试验材料§改进操作和管理技术，使之标准化§控制引起差异的外界主要因素 三、控制土壤差异的小区技术Ø试验地土壤肥力差异的形式Ø小区面积Ø小区的形状Ø小区方向Ø重复次数 试验地土壤肥力差异的形式q肥力从大田的一边到另一边逐渐改变q斑块状差异 小区面积Ø小区面积增加，试验误差减小。
§小区面积扩大之后，同一小区里可能包括肥力不同的地块，缩小了小区间的土壤差异；§扩大小区面积可增加株数，能够克服植株个体间的差异，增强其代表性小区面积m24.518364572变异系数（%）10.015.763.993.702.99天津绿白菜勘察试验小区面积与变异系数天津绿白菜勘察试验小区面积与变异系数 小区的形状小区长小区长: :宽宽1:11:12:12:14:14:18:18:112:112:124:124:130:130:1小区产量的变小区产量的变异系数（异系数（CV%CV%））20.3520.3517.3617.3614.5114.5113.2013.2010.5210.524.874.873.463.46小区长宽比对土壤差异的变化小区长宽比对土壤差异的变化 Ø采用狭长小区能较全面地包括不同肥力的土壤，相应减少小区之间的土壤差异，提高试验精确度Ø田间试验小区长宽比一般为2－5：1§小区面积较大时，长宽比多用3－5：1；§1小区面积较小时，长宽比多用2－3：1 小区方向Ⅰ241356ⅡⅢ肥力梯度Ø小区的方向必须是长的一边与肥力变化最大的方向平行，使区组方向与肥力梯度方向垂直按按土壤肥力变异趋势确定小区排列方向土壤肥力变异趋势确定小区排列方向(Ⅰ(Ⅰ、、 ⅡⅡ、、 ⅢⅢ代表重复；代表重复；1 1、、2 2、、……、、6 6代表小区代表小区) ) 重复次数与小区面积对试验误差的影响 重复次数与小区面积对试验误差的相互关系 四、完全随机设计实例Ø例：激素和光照对不同水稻品种苗高的影响§试验单位：播盆§试验因素：A品种(A1、A2、A3 三个品种)，B激素处理（B1对照─喷水处理，B2施用20mg/L的赤霉素），C光照处理（C1加光，C2自然光）§试验处理：共计3×2×2＝12个试验处理§处理安排：采用盆播，每一处理重复20次，共需240个播盆，每一个处理随机安排到20个播盆中§试验指标：苗高 五、配对设计实例Ø例：不同处理方法钝化病毒效果研究§试验单位：番茄植株§试验因素：处理病毒方法（A1和A2)§试验处理：共2个处理§配对方法：选生长期、发育进度、植株大小和其他方面皆比较一致的两株番茄构成一组，共得7组，每组中一株接种A1处理病毒，另一株接种A2处理病毒§试验指标：病毒产生的病痕数目 六、随机区组设计实例Ø例：早稻不同品种和密度产量试验§试验单位：田间试验小区，小区计产面积20cm2。
§试验因素：A品种（A1早熟， A2中熟， A3迟熟），B密度（B1 16.5cm×6.6cm， B2 16.5cm×9.9cm， B3 16.5cm×13.2cm）§试验处理：共计3×3＝9个试验处理§试验指标：小区产量 A1B1A2B2A3B3A2B3A3B2A1B3A3B1A1B2A2B1A2B3A3B2A1B2A3B1A1B3A2B1A2B2A3B3A1B1A3B1A1B3A2B1A1B2A2B2A3B3A1B1A2B3A3B2区组Ⅰ区组Ⅱ区组Ⅲ早稻品种和密度两因素随机区组试验的田间排列早稻品种和密度两因素随机区组试验的田间排列六、随机区组设计实例 。