田间试验设计基本原则

第二章 试验误差与试验小区设计

知识目标：

● 掌握试验误差概念；

● 掌握田间试验设计的基本原则； ● 掌握田间试验小区的排列方法；

技能目标：

● 学会利用试验设计原则控制试验误差； ● 掌握小区技术；

试验误差（error）是影响试验结果精确性的一个主要原因，它与田间试验设计有很大关系。田间试验设计，广义理解是指整个试验课题的设计，包括试验方案的确定、小区技术、相应的资料搜集整理和统计分析方法等；狭义理解是指小区技术，特别是重复和试验小区的排列方法。

第一节 试验误差来源与控制

田间试验的条件是复杂的，因为受很多不能完全控制的自然因素的影响，所以在进行田间试验时，要讲究设计方法和对试验数据进行正确统计分析，以便使试验得出准确的结果并作出正确的判断。

一、试验误差概念

在田间试验中，试验处理有其真实效应，但总是受到许多非处理因素的干扰和影响，使试验处理的真实效应不能完全地反映出来。这样，从田间试验得到的所有观察值，既包含处理的真实效应，又包含许多其他因素的偶然影响。这种因非处理因素的偶然干扰和影响，而造成的试验结果与真值的偏差，称为试验误差或误差。

试验误差是衡量试验精确度的依据，误差小表示精确度高，误差大则精确度低。

图2-1以打靶的情况来比喻准确性和精确性。以中心为理论真值，a表示5枪集中在中心，准而集中，具有最佳的准确性和精确性，说明试验误差最小；b表示5枪偏离中心有系统偏差但很集中，准确性差，而精确性甚佳；c表示5枪既打不到中心，又很分散，准确性和精确性均很差；d表示5枪很分散，但能围绕中心打，平均起来有一定准确性，但精确性很差。

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d

???a b

图2-1 打靶图示试验的准确性与精确性

显然，只有试验误差小才能正确而可靠评定处理间差异。田间试验特点在于注意到试验设计与统计分析的密切关系，即运用统计原理指导田间试验设计以降低试验误差，又用统计

方法处理试验结果，以合理地估计试验误差，从而提高田间试验的精确性。

自根据误差的 性质和产生的 原因，应将误差二、产生差异原因

分成几类。？ 不论进行哪种田间试验，其目的都是通过鉴定比较的方法，选出增产效果最好的优良品种或者栽培技术措施。因此就要求试验所设的各个处理之间都有不同的差异，有的表现在产量上，有的表现在品质好坏上，有的表现在植株的高矮、茎秆粗细、抗病性、抗倒性、生育期等各种形态特征和生理特性上。但这些差异并不一定都是由处理不同所造成的，它们来源多种多样，从田间试验结果分析来看，造成各处理间差异的原因可大致分成以下两方面：

1．处理间差异

生产能力本质上有高低之差。例如，杂交玉米、高粱及水稻品种一般都有明显的杂种优势，比原来的常规品种产量高；在缺磷的土壤上，施用磷肥比不施肥明显增产。这就说明杂交品种和常规品种之间，施磷肥和不施磷肥之间的产量有本质上的差异。

2．试验误差

试验误差就是由于受到各种非处理因素的偶然影响，包括土壤、小气候、田间作业质量、病虫害程度、试验材料本身、人的目视误差等各种因素的不同，给试验结果造成不同程度的干扰性差异。

三、试验误差的来源

由于田间试验的对象是活体，而又是在外界环境条件下进行的，外界环境条件复杂而又变化多端。因此误差是不可避免的，只能降低，不能消除。田间试验研究的核心是提高试验的精确度，即降低试验误差。要有效降低试验误差，就应了解试验误差的来源。

1．试验地土壤肥力差异

土壤肥力差异是田间试验误差的最主要来源，因土壤形成过程中各种成土因子变异和长期的耕作过程中各种农事操作等不均一所造成。表现为具有方向性肥力梯度差异变化和斑块状的无规律性差异变化。

2．试验材料固有的差异

试验材料差异主要包括供试种子不一致或基因型不纯合、秧苗树苗大小不一、供试肥料或农药等不均匀性。

3．试验操作管理措施的差异

播种、移栽、施肥、浇灌、中耕除草、病虫害防治等农事操作管理措施的不一致，以及对一些性状进行观察和测定时，各处理的观察测定时间、标准、人员和所用工具或仪器等不能完全一致所造成的。

4．偶然性因素引起的差异

试验过程中一些无法预见的原因，如病虫草危害、鸟兽侵袭、人畜践踏、狂风冰雹等对试验不同小区的危害程度的不一致。

试验误差与试验中发生的人为差错是完全不同的，在试验过程中决不允许发生人为差错，只要工作仔细严密，人为差错是完全可以避免的。

四、试验误差控制途径

针对试验误差来源采取相应的措施，使误差降低到最小限度，来提高试验的精确性。 （一）选择同质一致的试验材料

必须严格要求试验材料的基因型要同质一致，尽量选用均匀一致的试验材料，不一致的 试验材料可分级、分重复使用或充分混合均匀后再使用。

（二）改进操作和管理技术，使之标准化

操作要仔细，一丝不苟，各种操作尽可能做到完全一样。另外，一切管理操作、观察测量和数据收集都应以区组为单位进行控制，减少可能发生的差异。这就是我们后面要讨论的“局部控制”原理。

（三）控制外界主要因素引起的差异

试验过程中引起差异的外界因素中，土壤差异是最主要的又是最难控制的。通常采用以下三种措施：

1、正确选择和培养试验地； 2、采用合理的小区技术；

3、应用最佳的试验设计和相应的统计分析。

五、正确选择培养试验地

正确选择试验地是使土壤差异减少到最小限度的一项重要措施，对提高试验精确度有重要作用，一般应考虑以下几个方面：

1．试验地要有代表性

要使田间试验具有代表性，首先试验地要有代表性，即试验地的土壤类型、气候条件、土壤肥力、栽培管理水平等应能代表将来推广地区的自然条件和农业条件，以便使试验结果能在该地区推广应用。

2．试验地肥力要比较均匀一致

这可以通过观察前茬作物生长的整齐度来判断，凡最近做过试验的田块一般不宜选作试验地。试验地肥力均匀是提高试验精确性的首要条件，肥力差异会掩盖处理效应，甚至出现假象。试验地不同部位的表土、底土、地下水位、耕种历史等要力求一致。一般有较严重斑块状肥力差异的田块，最好不选为试验地。一般应在做试验前先进行一次或多次匀地种植。

3．试验地地势要平坦

水田应严格要求田块平坦，以防灌水深浅不一而影响作物生长。旱作或果树、蔬菜等应尽量选择地势平坦地块，如果必须在坡地进行试验，可选择局部肥力相对比较一致的地段。在坡地上做试验时要特别注意小区的排列，务使同一重复的各小区设置在同一等高线上，以便试验时能局部控制。

4．试验地位置要适当

试验地要尽量避开树木、建筑物、池塘、肥坑、道路等，以免造成土壤肥力和气候条件的不一致。试验地还要注意家禽、家畜危害，最好离居民点和畜舍远些。

5．试验地要有足够面积和适宜的形状

尽量要保证试验地的面积和形状能够合理安排整个试验。 6．试验地要有土地利用历史记录

这样可通过试验小区技术的妥善设置和排列作适当补救，有利于提高试验精确性。 7．试验地要匀地播种

某些要求严格的试验，在试验地选定后，正式试验前先要进行1～3年匀地播种。在整个试验地上种植单一品种作物，用同样的栽培管理措施，多采用种植密植作物。长期定位试

验在匀地播种基础上还要作空白试验。

8．试验地要合理轮作

试验地采用轮换制，使每年的试验能设置在较均匀的地块上。

第二节 田间试验设计基本原则

田间试验设计主要目的是减少试验误差，提高试验精确度，使研究人员能从试验结果中获得正确的观测值，对试验误差进行正确的估计。为达此目的，田间试验设计应遵循以下三条基本原则。

一、设置重复

在田间试验中，同一种处理种植的小区数即为重复（replication）次数。如每种处理种植了一个小区，则称为一次重复；如每种处理种植了两个小区，则称为二次重复。其中每一个小区称为一个试验单位（或称试验单元）。

重复最主要的作用是估计试验误差。试验误差是客观存在的，我们只能通过同一处理不同试验单位间的差异来估计。如果每一处理只有一个试验单位（即同一处理只有一个观测值），那么同一处理内的差异则无法表现和获取，误差也就无法估计。

设置重复的另一个主要作用是降低试验误差，从而提高试验的精确度。已经证明试验误差与重复次数成反比，因此重复多，则试验误差小。有四次重复的试验，其误差仅是只有一次重复的同类试验的一半。但重复太多不易管理。因此不同试验重复次数的多少还要根据具体情况来确定。

二、随机排列

随机排列（random assortment）是指每次重复中的每个处理都有同等的机会被安排在任何一个试验小区上，而不带有任何的主观成见。设置重复可以为误差的估计提供条件，但是要想获得无偏的试验误差估计值，则要求我们对各个处理做到随机排列。因此随机排列与设置重复相结合，就能够提供无偏的试验误差估计值。

进行随机排列，可以采用抽签法、计算机产生随机数字或利用随机数字表（附表1）。随机数字表的用法将在后面介绍。

三、局部控制

在田间试验中，要将所有的非处理因素控制得均衡一致是很难做到的。但我们可以进行局部控制（local control），即将整个试验环境划分成若干个相对最为一致的小环境（称为区组或重复），再在每个小环境内分别设置一套完整的处理。由于在较小地段内试验环境条件等非处理因素较易控制。因此便可以在整个试验环境中分范围分地段地控制土壤差异等非处理因素。如果试验地有较为明显的土壤差异，最好按肥力梯度划分区组，使区组内相对均匀一致，每一区组再按处理数目划分小区。这样，能影响试验误差的只限于区组内较小地段细微的土壤差异，而与增加重复扩大试验面积所增大的土壤差异无关。这种布置就是田间试验的“局部控制”原则。

综上所述，一个好的试验设计，必须根据设置重复、随机排列、局部控制这三个基本原则合理周密地做出安排。只有这样，我们才能在试验中得到最小的试验误差，获得真实的处理效应和无偏的试验误差估计。

田间试验设计三个基本原则的关系及作用见图2-2。

设置重复 随机排列 局部控制 无偏估计 误差试验 有效地降低 试验误差 图2-2 试验设计的三原则作用与关系示意图

由Fisher于20世纪20年代创立的田间试验设计可以大大的提高田间试验的效率。随机排列的试验设计强调有合理的试验误差估计，以便通过试验的表面效应与试验误差相比较后作出推论，常用于精确度要求较高的试验。顺序排列的试验设计着重在使试验实施比较方便，常用在处理数量大、精确度要求不高、不需作统计推断的早期试验或预备试验。

第三节 田间试验小区技术

在田间试验中，安排一个处理的小块地段就是试验小区，简称小区（plot）。小区是田

间试验的实施单位。因此小区排列的合理与否对于提高试验的精确度、控制试验误差有着重要的作用。

一、试验小区面积

在田间试验中，试验小区的面积是不固定的，有时较大，有时很小。通常较大面积小区能更全面包含试验环境的复杂性，而小区面积太小则有可能恰好落在较肥或较瘦的斑块型地段使得小区误差增大。因此，在一定范围内，增大小区面积将会降低试验误差，但二者不是同比例的，即试验精确度提高程度往往落后于小区面积的增大程度。当小区面积增大到一定程度时，由此所带来的误差降低的效果就不明显了。

通常在确定小区面积时，必须考虑以下几个方面： 1．试验种类

除品种试验的小区面积可以较小外，其他如机械化栽培试验、灌溉试验、病虫害试验等试验的小区面积均应大些。

2．作物类别

稻麦等种植密度大的小株作物，其试验小区面积应该小些；棉花、甘蔗、玉米等种植密度小的大株作物，其试验小区面积应该大些。

3．试验地土壤差异

土壤差异大，小区面积应相应大些；土壤差异小，小区面积应相应小些。如土壤差异呈斑块型，则应设置较大面积的小区。

4．育种工作的不同阶段

在整个新品种选育的过程中，品系数由多到少，种子数量由少到多，对试验精确度的要求由低到高。因此，在育种过程的各个阶段中所采用的小区面积应从小到大。

5．处理数

处理数较多时，小区面积可适当小些。 6．试验过程中取样的需要

如需在试验过程中取样进行各种测定，则应相应增大小区面积。 7．边际效应和生长竞争

边际效应是指小区两边或两端的植株，因占较大空间而表现的差异。因此，小区面积确定应考虑边际效应的大小，边际效应大的应相应增大小区面积。生长竞争是指当相邻小区种植不同品种的作物或施用不同的肥料时，由于株高、分蘖力或生长期的不同，通常有一行或更多行受到影响而带来的差异。一般来说，对于这些效应和影响的处理办法，是将小区的每一边除去1～2行，两端各除去0.3～0.5m左右，留下面积是准备收获的面积，观察记载及计算产量均应在此面积上进行，我们将此面积称为收获面积或计产面积。

试验小区面积大小，在考虑上述因素情况下，可参考表2-1。

表2-1常用田间试验小区参考面积（m2）

试验地条件和试验性质

作物类型 大株作物

土壤肥力均匀 土壤肥力不均匀 生产性示范试验 微型小区试验

小株作物 谷类作物 谷类作物 稻麦类作物

小区面积

最低限 30 20 60～70 300～250

1

一般范围 60～130 30～100 130～300 600～700 4～8

二、试验小区形状与方向

小区形状是指小区长度与宽度的比例。适当的小区形状在控制土壤差异降低试验误差方面有着重要作用。我们通常采用长方形小区，尤其是狭长形小区，因为狭长形小区相对于正方形小区，能更好的包含试验地土壤的复杂性，从而能相应减少小区间土壤差异以及由此产生的试验误差。

小区的长宽比可为3～10：1，甚至可达20：1。一般而言，小区面积较大时，长宽比以2～3：1为宜；小区面积较小时，以3～5：1为宜。此外，小区长宽比的确定还应根据试验地形状、面积及小区多少等因素进行适当调整。

在已知试验地的肥力梯度变化时，小区的方向必须是长边与肥力梯度变化方向一致。这样就使小区方向与肥力梯度变化方向平行，而区组方向则与肥力梯度变化方向垂直（图2-3）。

Ⅰ 2 3 1 7 5 8 4 6

肥

力Ⅱ 梯

度

Ⅲ 图2-3 按土壤肥力变异趋势确定小区排列方向

（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表重复，1、2、??代表小区）

当试验地占有不同的前茬时，小区的长边应与不同茬口的分界线垂直。 当试验地为缓坡时，由于坡上与坡下的土壤水分和养分存在差异，小区的长边应与缓坡倾斜的方向平行（图2-4）。

正方形小区具有最短的周长，且计产面积占小区面积的比例最大。因此有利于降低边际效应及生长竞争。当我们确实不知土壤差异的表现形式时，宜采用正方形小区，因为在这种情况下，正方形小区虽不如狭长形小区那样能获得较高的精确度，但也不会产生较大的误差。

肥 大 豆 茬

玉 米 茬 瘠

坡度走向

三、重复和对照区设置

图2-4 小区排列方向示意图

前面我们讲过，田间试验中设置重复次数越多，试验误差就越小。但是当重复次数超过

了一定的范围后，不仅误差减少的缓慢，而且因此投入的人力、物力和财力还会大大增加。所以，重复次数的多少，一般要根据试验所要求的精确度、试验地土壤差异大小、试验材料数量、试验地面积以及小区大小等具体情况来确定。试验精确度要求高的，重复次数应多些；试验田土壤差异较大的，重复次数应多些；试验材料多的，重复次数应多些；试验地面积大的，允许较多重复。一般来说，当小区面积较小时，通常可设置3～6次重复；当小区面积较大时，可设置3～4次重复；当进行大面积对比试验时，设置2次重复即可。

在一般情况下，田间试验的一个区组便是一个重复。试验的全部重复可以排成双排式或者多排式，甚至也可以与其他试验排在一起，排成双排或者多排，这要根据试验地形状以及整个试验地的布局来确定，但重复排列必须遵循局部控制的原则。若试验地不存在明显的方向性肥力差异，且处理不多，也可采用单排式。（图2-5）

田间试验应设置对照区(check，符号CK)，作为处理比较的标准。对照应是当地推广的优良品种或最广泛应用的技术措施。设置对照目的是：（1）在观察和比较试验中的各个处理时，作为衡量处理优劣的标准；（2）用以估计和矫正试验地的土壤差异。通常一个试验只设置一个对照，但有时为了适应某种要求，可以同时设置两个或多个对照（如作物品种比较试验则可同时设置早熟、晚熟两个品种作为对照）。

Ⅰ II Ⅲ 单排式 II Ⅰ Ⅲ Ⅳ 双排式 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 多排式 图2-5 重复的排列方式 四、保护行（区）设置

在试验地周围设置保护行（通常用G表示）的作用是：（1）保护试验材料不受人畜等外来因素的践踏和损坏；（2）防止靠近试验地四周小区受到空旷地的特殊环境的影响即边际效应，使处理间能有正确的比较。

保护行数目视作物种类的具体情况而定。一般禾谷类作物的保护行应设置4行以上。各小区之间一般连接种植，不设保护行；各重复之间除有特殊需要可设置2～3行外，一般也不设保护行。

保护行种植品种，可用对照品种。由于比供试品种略为早熟的品种可以在供试品种成熟前提前收割，这样既可以避免与试验小区作物发生混杂、减少鸟兽等对试验区作物的危害，同时也便于试验小区作物的收割。因此保护行多采用比供试品种早熟的品种。

在实际的田间试验过程中，我们对田间 试验的布置和管理有什么样的要求？要 达到什么样的目的呢？

五、田间道路设置

为了便于观测计载和田间作业，试验地就设置0.5～1m 宽的田间道路。为了尽量节省土地和减少边际效应，田间道路不必设置过多。通常每两排小区之间以及重复与两端保护行之间设置田间道路，小区与小区之间一般相连种植，不留田间道路。两侧小区与保护行间一般

不设置田间道路。若小区间设田埂，则两侧小区与保护行间也设田埂。

小 结

基本原理 随机排列 局部控制 田间试验设计 试验小区的面积 土壤肥力差异 误差概念 管理措施的差异 试验误差 误差来源 试验材料的差异 控制途径 偶然性因素 设置重复

试验小区的形状与方向 小区技术 重复和对照的设置 保护行（区）的设置 田间道路设置 复习思考题 1．什么是试验误差？有何特点。

2．田间试验设计的原则是什么？它们对试验起什么作用？

3．小区的面积和形状对减少土壤差异有什么作用？如何确定小区面积和形状？ 4．重复次数在降低试验误差上有什么作用？如何确定重复次数？ 5．在田间设计中设置对照和保护区有何意义？

6．试验误差的来源有哪些？应采取哪些措施降低试验误差？ 7．如何选择和培养试验地？

第四节 田间试验设计

田间试验设计（field experiment design）广义的理解是指整个试验研究课题的设计，包括确定试验处理的方案，小区技术，以及相应的资料搜集、整理和统计分析的方法等；狭义的理解专指小区技术、特别是重复区和试验小区的排列方法。本节所讨论的试验设计均指狭义的设计。

田间试验设计的主要作用是降低试验误差，提高试验的精确度，使研究人员能从试验结果中获得无偏的处理平均值以及试验误差的估计量，从而能进行正确而有效的比较。科学试验设计是以下面三个基本原则为依据的：

1．重复（replication）试验中同一处理种植的小区数即为重复次数。如每一处理种值一个小区，则为一次重复；如每处理有两个小区，称为两次重复。

重复的作用是估计试验误差。试验误差是客观存在的，但只能由同一处理的几个重复小区间的差异估得。同一处理有了两次以上重复，就可以利用重复小区之间的产量（或其它性状）差异估计误差。如果试验的各处理只种一个小区，则同一处理将只有一个数值，无从求得差异，亦无法会计误差。

重复的另一主要作用是降低试验误差，以提高试验的精确度。数理统计学已证明误差的在重复次数的平方根成反比。重复多，则误差小，有四次重复的试验，其误差将只有二次重复的同类试验的1/2。此外，通过重复也能更准确地估计处理效应。因为单一小区所得的数值易受特别高或低的土壤肥力的影响，多次重复所估计的处理效应比单个数值更为可靠，使处理间的比较更为有效。

2．随机排列（random assortment）随机排列是指一个区组中每一处理都有同等的机会设置在任何一个试验小区上，避免任何主观成见。进行随机排列，可用抽签法、计算器（机）产生随机数字法或利用随机数字表（附表1）。

3．局部控制（local control）局部控制就是将整个试验环境分成若干个相对最为一致的小环境，再在小环境内设置成套处理，即在田间分范围分地段地 控制土壤差异等非处理因素，使之对各试验处理小区的影响达到最大程度的一致。因为在较小地段内，试验环境条件容易控制一致。这是降低误差的重要手段之一。田间试验设置重复目的在降低误差，但是增加了重复，由于相应增加了全试验田的面积，必然会增大土壤差异。为了克服这各困难，可将试验田按重复次数划分为差异，最好能按肥力划分区组，使区组内相对均匀一致，每一区组再按供试品种或处理数目划分小区，安排全套品种或处理。这样，试验误差的来源只限于区组内较小块地段的微小土壤差异，而因增加重复面扩大试验田所增大的土壤差异无关。这种布置就是田间试验的“局部控制”原则。

田间试验设计三个基本原则的关系及其作用见示意图。

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