生态学研究试验设计

t =
d S n
B 2 B B
− d
A 2 A A
S + n
A：处理后 B：处理前
• 自由度的校正（要求处理前后的方差相 等）
S S ( + ) nB n A df = 2 2 SB 2 SA 2 (nB − 1)( ) + (n A − 1)( ) nA nB
• 查自由度为df，P=0.05水平的t值，如果计 算的t值大于查表所得t值，则处理前后存在显 著差异。
第七章 生态学研究试验设计
• 试验设计的基本原则 • 试验设计的主要类型 • 环境干扰排除的试验设计 解决如何设计试验的问题。
第一节 试验设计的基本原则
• 广义上的生态学试验有两类 – 测定性试验 测定性试验mensurative experiments： ： 对研究对象的真实特性进行测定。 对研究对象的真实特性进行测定。如进 行同一种群在两种栖境下的大小测定。 行同一种群在两种栖境下的大小测定。 – 处理性试验 处理性试验manipulative experiments： ： 是对研究对象进行处理的试验。 是对研究对象进行处理的试验。处理一 般有多个。 般有多个。
• 试验单元experimental unit：试验材料中 可划分的最小单位。即能进行试验处理 的最小对象。 • 试验单元要与亚样方相区分。 – 事例 ：研究火灾对草原物种多样性的 事例1： 影响，分别选取了两个10ha的草原， 的草原， 影响，分别选取了两个 的草原 一个进行火烧，一个没被火烧。分别 一个进行火烧，一个没被火烧。 在两草原中调查10m2的样方各 个。 的样方各50个 在两草原中调查 则该处理的试验单元为多少个？ 则该处理的试验单元为多少个？
第二节 试验设计类型
一、直线加性模型 Linear additive models
• 处理效应和试验单元效应属于加性关系。 • 即测定值大小由三部分组成：依赖于试验 单元的值＋依赖于处理的值+误差。 • 处理效应在所有试验单元中均是一个恒定 值。
例，六个火烧区和非火烧区椰树的密度为： 小区号 非火烧区 小区号 火烧区 1 6 7 1 2 9 8 2 3 5 9 2 4 8 10 1 5 11 11 4 6 9 12 2
– 事例 ：在肥料影响植物生长的研究中， 事例2：在肥料影响植物生长的研究中， 在两个区域中分别选取50个小区， 50个小区 在两个区域中分别选取50个小区，随 机地进行四种肥料的处理。 机地进行四种肥料的处理。该处理的 试验单元为多少？ 试验单元为多少？ – 事例 ：为明确纬度对树木生长速率的 事例3： 影响，分别测定了100 100棵树及其所处的 影响，分别测定了100棵树及其所处的 纬度。 纬度。该测定试验中的试验单元为多 少？
BACI法 法
• 采用处理前后对照区和处理区同一时间测量值 的变化情况来排除环境对处理的影响。 • 同时，也可采用多地点的重复。 • 用Zar(1996)等提出的t测验方法来检验处理与对 照区有无显著差异。
• 差异显著性检测方法 – 计算不同时间处理区和对照区测量值 的差值d 的差值 t=Ct-It – 分别计算处理前和处理后各时间差值 t 分别计算处理前和处理后各时间差值d 的平均值及方差。 的平均值及方差。 – 计算处理前和处理后的 值 计算处理前和处理后的t值
• 问题：随机选取9株Bt棉，研究三种盐分 胁迫(高盐、中等、低等盐分)对棉株生长 的影响。请说出本试验的试验单元及数 量？
• 生态学研究应遵守的总原则： – 每个试验必须设有对照 CK。 。 – 设重复。 设重复。 • 对照是指没进行处理的试验单元。 对照是指没进行处理的试验单元。 • 问题：要测定黑麦草对紫茎泽兰生 问题： 长的影响，你觉得是否要设定对照？ 长的影响，你觉得是否要设定对照？ 如果需要，如何设对照？ 如果需要，如何设对照？
• 非火烧处理效应＝非火烧区密度-所有区密度 ＝8-5＝3
• 对火烧3号区的密度2进行直线加性模型 分解为： – 测定值 ＝总平均密度 测定值(2)＝总平均密度(5)+火烧处理 火烧处理 效应(-3)+误差 误差(2-2) 效应 误差
二、因子设计
• 单因子试验设计较为简单。 • 多因子(一般为两因子)时较为复杂。 • 多因子试验时要求：每一处理的各水平 要与另一处理的各水平一一匹配。 –实例：两种温度和三种盐分组合对鱼 实例： 实例 产卵量的影响， 产卵量的影响，必须是每种温度下均 做三种盐分处理，即有6 做三种盐分处理，即有6个温度和盐分 的组合。 的组合。
• 时空控制研究对照的设置 – 进行处理前后的比较
• 降低试验偏差的方法 – 试验的随机化 – 设置重复 – 设置对照
一、随机化Randomizaion
• 随机是一切统计分析的基石，是为了获 得无偏的试验误差。 • 生态学试验中要时时做到尽可能的随机 – 随机抽样 – 对试验单元进行随机处理
• 完全随机设计(Completely randomized design) – 试验单元在时间或空间上的分布严格地 随机 • 随机区组设计(Randomized block design) – 试验区划分出区组，区组内部的理化特 试验区划分出区组， 性等相对一致，而区组间有较大差异。 性等相对一致，而区组间有较大差异。 – 试验单元分散地安排在各区组中。 试验单元分散地安排在各区组中。
2 B
2 A 2
t
年份 上方 下方 差值dt 2 2 S B S A • 为研究纸浆排出对 1988 14 17 -3 + 摇蚊丰度有无影响， 1989 nB n A 12 14 -2 测定了开工前和开 1990 15 17 -3 2 2 工后不同年份排出 SB S A 2 口上方（对照区） ) 1991 ( + 21 -5 nB nA 及下方（处理区） （排浆） 16 df = 2 2 摇蚊的数量，试确 SB 2 S A 2 13 24 1992 -11 (nB −1)( ) + (nA −1)( ) 定排浆对摇蚊丰定 nB nA 1993 12 20 -8 度有无影响？ 1994 15 21 -6 t=5.59 t> t6,0.05。排浆能显著的影响排 -9 1995 17 26 df=6.19 浆口摇蚊的丰度。 1996 14 23 -9 t6,0.05=2.447
两因子互作效应： A-X =50-60-55+65.777=0.78 B-X =55-67.33-55+65.777=-1.56
ABij = x ij − Ai − B j + x
• 各处理下的测定值可分解为：
Yijk = µ + Ai + B j + ABij + eijk
第三节 环境影响的排除方法
– AB两素 水平的互作效应 两素ij水平的互作效应 两素
ABij = x ij − Ai − B j + x
A 树 X 种 Y B C 平均 55 60 55 67 60 62.33 80 90 80 67.33 70 65.777
主效应： A=60-65.777=-5.78 B=67.33-65.777=1.56 C=70-65.777=4.22 X=55-65.777=-10.78
• 顺序设计(systematic design) – 将处理顺序地安排到各个小区内。试 将处理顺序地安排到各个小区内。 验结果难以排除时间和空间因子的影 响。
二、重复Replication
• Replications：多次进行基本试验。
–研究高盐对Bt棉生长的影响时，同样 研究高盐对Bt棉生长的影响时， 研究高盐对Bt棉生长的影响时 的盐浓度选用了3株生育期相同的棉苗。 的盐浓度选用了3株生育期相同的棉苗。 –研究高温对棉蚜体形大小影响时，在 研究高温对棉蚜体形大小影响时， 研究高温对棉蚜体形大小影响时 同样高温下测定了30头棉蚜的体长。 30头棉蚜的体长 同样高温下测定了30头棉蚜的体长。 • 重复间是相互独立的。 • 每种试验的重复至少需要2次及以上。
d 实例 B =
− d
A
讨论与作业
• 如何设计试验来探明工厂排污对周围水系 中水体动物多样性的影响？ –处理：污水 处理： 处理 –试验单元：一条河流 试验单元： 试验单元 –调查项目：排污前后上下游单位样方中 调查项目： 调查项目 动物种类和数量 –重复：排出的污水质、量及时间基本相 重复： 重复 排出的污水质、 似的3 似的3条河 • 作业：P128 T1，3
CK
A
B
• 采用多个不同处理来判断哪个处理最理 想的试验，可不要独立设置对照。因为 每个处理就是另外处理的对照。 – 实例：研究温度对棉蚜繁殖的影响时， 实例：研究温度对棉蚜繁殖的影响时， 设立了20、 、 、 ℃ 设立了 、24、28、32℃四个温度则 可，而不必另外设对照 。 – 请问只设两个温度，一个为对照可以 请问只设两个温度， 吗？
•多因子试验可分 析因子间的互作 interact。 •因子间存在互作 时，数据变化线 会出现分叉或交 叉，无互作时则 为平行线。
季节
区域
• 因素主效应分析 – A因素 水平的主效应 因素i水平的主效应 因素 – B因素 水平的主效应 因素j水平的主效应 因素
Ai = x i − x
Bj = x j − x
假重复(pseudoreplication)
• 不是真正意义上的重复 • 简单的假重复：在一个重复中抽取许多 样方进行调查。 • 牺牲性假重复：在数据的统计分析之前， 已把重复数据统到了一起。 • 时间型假重复：对同一重复进行不同时 间调查。
重复的均衡和集中
• 其目的是让试验结果更精确 • 选用更为同质性的试验单元。 • 使用能在每个试验单元中均可测定的相关 变量来进行分析，获取信息。 • 使用更多的重复。 • 使用一个有效的试验设计(重复数与对照)。 • 均衡设计就是在不同处理中平均设计重复。