实验设计及数据处理论文

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统计学原理在实验设计与数据分析中的应用
摘要:本文围绕实验的设计和数据的分析这一主旨,《太湖水体中胶体相痕量金属的季节变化》[1]论文进行了详细的评析,并加入自己对所选文章中研究和分析方法的评析。

关键词:试验设计与数据分析;统计学原理;试验论文
一、概述
数理统计学是研究有效地运用数据收集与数据处理、多种模型与技术分析、社会调查与统计分析等,对科技前沿和国民经济重大问题和复杂问题,以及社会和政府中的大量问题,如何对数据进行推理,以便对问题进行推断或预测,从而对决策和行动提供依据和建议的应用广泛的基础性学科。

数理统计方法在工农业生产、自然科学和技术科学以及社会经济领域中都有广泛的应用。

①在农业中,对田间试验进行适当的设计和统计分析。

在工业生产的试制新产品和改进老产品、改革工艺流程、使用代用原材料和寻求适当的配方等问题中起着广泛的作用,统计质量管理在控制工业产品的质量中起着十分重要的作用。

③医学是较早使用数理统计方法的领域之一。

在防治一种疾病时,需要找出导致这种疾病的种种因素。

统计方法在发现和验证这些因素上,是一个重要工具。

另一方面的应用是,用统计方法确定一种药物对治疗某种疾病是否有用,用处多大,以及比较几种药物或治疗方法的效力。

报、地质资源的评介等。

等。

为了使非数学专业的科研人员对统计学原理在试验中的应用有更深入的了解,本文选取一篇典型论文进行分析,并且从统计学原理角度出发,详细评析了
论文中试验设计与数据分析是如何一步一步展开;探讨三篇论文的共性及特性以及讨论各试验在分析的过程可能存在的问题。

二、研究方法
本文对三篇论文的评析主要从以下几个方面展开:
(1)研究围绕的主题和假设;
(2)输入因子和输出因子的选择,其它影响因素的取舍选择;
(3)实验的设计和开展;
(4)实验数据的汇报和表达方法;
(5)基于统计学原理的实验结果分析
三、论文分析
1.《太湖水体中胶体相痕量金属的季节变化》评析
(1) 研究围绕的主题
文章作者先期工作表明,春季太湖水体胶体态痕量金属浓度相对较高。

在此基础上,作者以太湖梅梁湾和贡湖湾2个不同生态类型的湖区为例,进一步探讨胶体痕量金属含量的季节变化特点,揭示影响其浓度的因素,为正确认识太湖乃至浅水湖泊水体中痕量金属的地球化学循环过程提供基础资料和科学依据。

因此本试验研究围绕的对象是引起胶体相痕量金属浓度变化的因素。

(2)研究提出的假设
本研究提出的假设:引起胶体相痕量金属浓度变化的因素是水体中痕量金属的总量和季节变化。

其中前者是主要直接因素,后者是重要的间接因素。

(3)影响因素的选择
本试验中对痕量金属胶体态含量有影响的因素包括:生态系统类型、季节变化、重金属总量,水体中的胶体含量等。

本试验选取了太湖梁湖湾和贡湖湾两个不同生态类型的典型湖区进行研究,用以消除生态系统类型对试验的影响。

在不同季节在两个湖区分别取样研究,确定季节变化对试验指标的影响。

重金属总量的影响亦在实验数据分析中得到体现。

作者没有考虑水体中胶体含量这个影响因素,因为尽管天然水体中的胶体含量和重金属含量是影响痕量金属胶体态含量的
2个重要制约因素,而作者认为太湖中胶体含量比海洋、河湾、泻湖、小的河流等水体都高,而太湖的重金属污染仅集中在个别河口区域,对于整个太湖而言,痕量金属含量仍然很低,水体中的胶体相对痕量金属来说是充足过量的,限制性因素是重金属含量。

(4)试验的设计和开展
①指标的选择:本试验中我们所要得到的指标为胶体相痕量金属的浓度。

②因素和水平的选择:季节变化对胶体相痕量金属浓度的影响采用单因素方差分析法,季节为影响因素,水平为春、夏、秋、冬4季;痕量金属总量对胶体相痕量金属浓度的影响采用线性回归分析法,在回归分析中,所有金属的样本容量均为8。

③样品采集时间:2005年4月15日(春季)、7月15日(夏季)、9月13日(秋季)和2006年1月9日(冬季)。

在春季、夏季、秋季和冬季中选择具体某一天的主要依据是保持采样时气象条件的一致(论文中附有采样时的气象和湖水特征),消除气象因素对试验的影响。

④采样点及样品采集与处理方法、切向超滤过程、痕量金属分析方法、痕量金属的胶体态浓度计算方法(摘自张战平,孙小静,池俏俏等《太湖春季水体中胶体态痕量金属的含量》):采样点如图1所示:
采样时段处于大风浪过后的风速衰减期。

每天同步采样1 次共获得 6 份样品。

在每个采样点,用直流泵抽取表层水(水面下20cm)20L,经孔径63m 的网筛过滤后收集到氟化瓶中(该瓶经酸浸泡并用待收水样荡洗2 次)。

在采样后2~3h内,用美国Millipore 公司生产的孔径为1m 的聚丙烯滤芯对样品进行预过滤,为避免样品的吸附或污染,弃掉最初的1~2L 滤液。

收集50~60mL滤液储存于经500℃左右预灼烧过的玻璃瓶中。

为了抑制生物活动,减缓物理挥发
作用和化学反应速度,在其中加入3 滴优级纯浓H2SO4 酸化后于4 左右密封保存,用于DOC 的测定。

最后取9~10L预滤液进行切向超滤(CFF)
(5)试验数据的汇报和表达方式
(6)基于统计学原理的实验结果分析
①方差分析:
本试验主要运用方差分析来判断季节这个因素在春夏秋冬四个水平下对胶体相痕量金属浓度变化的影响是否存在显著差异,具体分析如下:
由上表可以看出Cd浓度无显著差异(P>0.05),而胶体Pb、Fe、Mn和Zn 浓度有极显著差异(P<0.01),胶体Cu浓度有显著差异(P<0.05),表明季节变化对梅梁湾胶体相痕量金属浓度的影响较大。

另外,由图1可见,胶体Fe和Zn浓度在秋季最高,胶体Pb浓度在春季最高,而其余元素的胶体相浓度均是在冬季最高。

上表显示,贡湖湾各季节中胶体Cd 和Cu 浓度无显著差异(P>0.05),而胶体Fe和Mn浓度有极显著差异(P<0.01),胶体Pb和Zn浓度有显著差异(P<0.05),表明季节变化对贡湖水体胶体相痕量金属浓度也有较大影响。

另外,由图 2 可见,贡湖湾胶体相痕量金属浓度在季节变化特点上与梅梁湾类似,如胶体Pb浓度在春季最高,而其余元素的胶体相浓度都是在冬季最高。

②回归分析
本试验运用回归分析来判断胶体相痕量重金属浓度的浓度变化和水体中痕量重金属总浓度之间的相关性,分析结果如下表所示:
由表4可见,各痕量金属的胶体相浓度与其总量都呈正相关关系,其中胶体Cu、Fe和Mn与其总量的相关系数r分别高达0.93、0.98和0.92,呈极显著相关(P<0.01),胶体Cd和Pb与其总量的r分别为0.82和0.81,呈显著相关(P<0.05),表明太湖水体中各痕量金属的总量对其胶体态浓度有较大的影响。

(7)存在的问题和改进建议
①实验设计方面
首先,我认为作者应该进行多次重复实验。

作者每个季节只在一天内采样,我认为这会带来较大的偶然误差,若当天遇到某些突发事件(如附近学校当天做了化学实验,就可能排出高浓度的金属离子)可能会对测定结果造成较大的影响。

其次,作者没有说明3个水平采样的具体情况,不知道指的是同一时间不同地点还是不同时间相同地点还是其他。

我想采样地点离岸边的距离、采样时间、风速及其引起的湖水扰动等因素都会影响到采样的代表性。

应尽量控制一切可控因素,减少或避免不可控因素的干扰,使取样代表性最佳,最大程度的减少偶然误差。

再次,作者选取影响因素的时候因为水中胶体含量较高相对痕量金属而言是过量的,就忽略了胶体含量的影响,我认为这会给我们的实验结果带来误差。

②数据处理方面
本文用方差分析的方法得到季节变化对胶体相痕量金属浓度的影响,用回归分析方法分析痕量金属总量与胶体相痕量金属总量之间的关系。

两种不同的方法分析完后,直接得出痕量重金属总浓度是直接影响因素,而季节只是重要的间接的影响因素。

我不知道作者所谓的直接因素和间接因素区别在哪里,是如何区分的,不知道作者怎么得出的结论。

如果作者是看概率p值进行区分,显然结果不是这样,如果是看相关系数区分,那就应该对季节和胶体相痕量重金属浓度进行回归分析,如果没有明显的相关性,或者相关系数比较小,可认定上述结论是正确的;如果相关系数大过上表中的系数,则结论有可能不成立。

[1]张战平,朱广伟,孙小静,池俏俏,等.太湖水体中胶体相痕量金属的季节变化[J]. 中国环境科学2008,28(6):556~560.
高秀机械工程6120805003。

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