生态学试验设计
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1.生态系统的组成、结构与功能。
答:(1)完整的生态系统由生产者、消费者、分解者和非生物环境四部分组成。
组成生态系统的各成分,通过能流、物流和信息流,彼此联系起来形成一个功能体系。
(2)生态系统的结构包括形态结构和功能结构。
形态结构即群落结构,功能结构主要是指系统内的生物成分之间通过食物链或食物网构成的网络结构或营养位级。
(3)生态系统的功能包括能量流动、物质循环和信息传递。
能量是生态系统的基础,是生态系统运转、做功的动力,没有能量的流动,就没有生命,就没有生态系统。
生态系统能量的来源,是绿色植物的光合作用所固定的太阳能,太阳能被转化为化学能,化学能在细胞代谢中又转化为机械能和热能。
2.生态系统的组成成分及如何组成生态系统任何一个生态系统都是由生物成分和非生物成分组成的。
生态系统包括以下4种主要组成成分:非生物环境、生产者、消费者和分解者(2分)。
生产者通过光合作用不仅为本身的生存、生长和繁殖提供营养物质和能量,而且它制造的有机物也是消费者和分解者唯一的能量来源(2分)。
生产者是生态系统中最基本最重要的生物成分。
消费者摄食植物已制造好的有机物质,通过消化、吸收并合成自身所需的有机物质(2分)。
分解者的主要功能与光合作用相反,把复杂的有机物质分解为简单的无机物(2分)。
生产者、消费者和分解者三个亚系统,以及无机的环境系统,都是生态系统维持其生命活动必不可少的成分。
由生产者、消费者和分解者与非生物环境之间通过能流、物流(物质循环)和讯息传递而形成的一个物种间、生物与环境间协调共生,能维持持续生存和相对稳定的系统(2分)。
3.生态系统的功能,及不同功能之间的关系生态系统的功能包括能量流动、物质循环和信息传递。
能量是生态系统的基础,是生态系统运转、做功的动力,没有能量的流动,就没有生命,就没有生态系统。
生态系统能量的来源,是绿色植物的光合作用所固定的太阳能,太阳能被转化为化学能,化学能在细胞代谢中又转化为机械能和热能。
引言概述:环境生态学实验报告旨在研究和分析物种与环境之间的相互作用,以及环境对生态系统的影响。
本文将通过对五个主要方面的探索,对环境生态学的重要性和关键领域进行详细讨论。
我们将介绍环境生态学的背景和概念;我们将探讨物种与环境的相互作用;然后,我们将讨论人类活动对生态系统的影响;接下来,我们将研究环境生态学在环境保护和恢复中的应用;我们将总结环境生态学的重要性和未来的发展方向。
正文内容:1.环境生态学的背景和概念1.1环境生态学的定义和发展历程1.2研究对象和范围1.3环境生态学的重要性和应用领域2.物种与环境的相互作用2.1物种的适应性和生态位2.2生物多样性和物种间相互作用2.3环境因素对物种分布和繁殖的影响2.4物种对环境的适应性和对策2.5物种与环境的相互作用对生态系统的影响3.人类活动对生态系统的影响3.1开发和污染对自然环境的影响3.2土地利用和碎片化对生态系统的影响3.3气候变化对物种和生态系统的影响3.4入侵物种对生态系统的影响3.5捕猎和捕捉对野生动植物种群的影响4.环境生态学在环境保护和恢复中的应用4.1值得保护的生态系统和物种4.2环境影响评价和资源管理4.3生态系统恢复和修复技术4.4生物多样性保护的策略和措施4.5战略环境评估和可持续发展5.环境生态学的重要性和未来发展方向5.1环境生态学的重要性和价值5.2科学技术对环境生态学的影响5.3环境生态学的挑战和机遇5.4新兴领域和研究前沿5.5环境生态学的未来发展方向总结:通过对环境生态学的介绍和探讨,我们可以清楚地看到其在保护和恢复环境中的重要性。
物种与环境的相互作用、人类活动对生态系统的影响以及环境生态学在环境保护和恢复中的应用,都是关键领域。
环境生态学仍面临着许多挑战和机遇,需要不断发展创新的研究方法和科学技术。
未来,环境生态学将继续深入研究物种和环境的相互关系,为环境保护和可持续发展提供更多有力的支持。
⽣态学试验设计第⼗三章⽣态学实验设计⽣态学测量不仅必须具备⾜够的精度和准确性,⽽且应该在⼀个好的⼀般性实验设计框架下进⾏。
因为随着野外实验的增加,⼯作中的困难和陷井也开始出现。
第⼀节、⽣态学实验与实验设计1、⽣态学实验的3个阶段●实验设计●实验的实施●实验结果分析2、概念:实验与实验设计2.1 实验:实验是对⼀个假设的检验。
2.2 假设:就⽣态学来讲,假设是对⽣态格局与过程的⼀种解释。
2.3 实验设计实验设计是对实验的逻辑结构的描述。
以概率论与数理统计为基础,经济、科学地安排实验的⼀项技术,主要内容是讨论如何合理地安排实验和正确地分析数据,从⽽尽快获得优化⽅案。
2.4实验单元:实验单元是⽣态学实验设计中的基本操作单元。
它是实验材料的最⼩划分,因⽽不同的单元可能采取不同的处理,但实验单元不同于研究单元。
下列研究实例中实验单元是什么?●在⼀个⽕⽣态研究中,⼀块10ha的草地将被⽕烧,⽽另⼀块10ha的草地不加处理。
⽣态学家将在两块草地中分别测量50个1m2的样⽅。
因此在该实验中,实验单元是?●在⼀个植物种植实验中,要在上述两块草地中对50个1m2的⼩样⽅随机进⾏4种施肥处理(⽆, N, N+P, N+P+K)。
●为了检验树⽊的⽣长速度是否随海拔⽽降低,⽣态学家设计了⼀项沿海拔⾼度监测树⽊⽣长的实验。
2.5 重复重复即指在每⼀种处理中的实验单元数。
实验统计中出现的假重复是指实验测量之间不独⽴,往往就是没有正确地确定实验单元所⾄。
2.6 实验指标⼀组被测量⽤来反映实验单元状态特征的等级或定量指标。
2.7 实验因素——对实验指标值可能有影响的因素,包括以下⼏类:●可控因素:实验研究主要的调查对象;●标⽰因素:⼀般不能轻易改变或选择的因素,即维持环境与使⽤条件的⽔平,但不能选择⽔平的因素。
对这些因素的研究主要着眼于它们与可控因素交互作⽤的关系。
包括不同的时间、品种、设备、⼈员等;●区组因素:影响实验结果的⼏个⽅⾯,每个⽅⾯都可设置⼏个⽔平的因素;●信号因素:对实验⽬标的取值具有控制作⽤的可调整⽔平的关键因素;●误差因素:包括系统误差和随机误差2.8 ⽔平实验中采⽤对实验因素变化采⽤的各种状态和条件,各⽔平之间通常是等间隔的。
动物学、生态学、行为学设计型实验(杨海明湖南师范大学生命科学学院)实验设计一题:植物在异质和均匀性土壤中的生长1.条件:植物:豚草,美洲商陆。
花盆:若干牛粪:若干黄壤土:若干2.分别从:实验方案、实施方案、结果三方面设计一实验来证明该2种植物在异质和均匀性土壤中、在有竞争和无竞争条件下苗和根的生物量的结果,并分析引起结果的原因。
实验设计一标准答案题:植物在异质和均匀性土壤中的生长实验方案:1.以肥的均匀分布为均匀性2.以肥的集中分布为异质性3.以一盆栽1种1株植物为无竞争者4.以一盆栽2种各1株植物为有竞争者(种间竞争)5.各设1重复实验6.各实验水、光条件一致实施方案及记录结果(1.同质性土壤:绘图,牛粪75克均匀分布于花盆土壤中,分别栽种2种植物各1株,为无竞争者;各栽种2种植物各1株,为有竞争者。
2.异质性土壤:绘图,牛粪75克离中心5厘米、直径15厘米的洞的花盆土壤中,分别栽种2种植物各1株,为无竞争者;各栽种2 种植物各1株,为有竞争者。
3.重复对照组4.生长9周后,分别按实验收割苗(叶、茎)、根(土壤过滤),分别称重。
实验结果及原因分析1.均匀性土壤中2种植物的苗(无竞争者):生物量均低;肥均匀分布,根的摄取效率反而低。
2.异质性土壤中2种植物的苗(无竞争者):生物量均高;肥异质分布,根的密度大,摄取效率高。
3.异质性土壤中2种植物的苗(有竞争者):生物量均较低;肥异质分布,2植物同时进入同一斑块,划分了营养物,引起营养物水平下降到生长阈限。
4.异质性土壤中2种植物的根(与均匀性相比):密度大。
实验设计二根据以下的文字材料,设计一个试验:锦带花是一种非自花受粉植物;其花粉活力在开花的当天为70%,第3天下降,开花96小时其活力基本丧失;其柱头过氧化物酶在开花3小时才明显具活性,5天过氧化物酶活性完全丧失;这些数据是通过实验生化测定获得的。
你应根据这些数据,不从生化测定角度,从实验目的、实验材料、实验方法和过程、实验结果等方面设计一个野外实验来证明上述生化数据是正确的。
基础生态学实验教材
基础生态学实验教材是生态学教育中的重要组成部分,它旨在帮助学生理解生态学原理,并通过实验来加深他们对生态学概念的理解。
这样的教材通常包括理论知识、实验步骤、数据分析和讨论等内容。
在基础生态学实验教材中,理论知识部分通常涵盖生态学的基本概念,如种群生态学、群落生态学、生态系统和生物多样性等内容。
这些理论知识的学习可以帮助学生建立对生态学基本原理的认识,为他们后续的实验操作提供理论基础。
实验步骤部分是教材中的重点内容之一,它详细描述了学生应如何进行实验,包括实验前的准备工作、实验过程中的操作步骤以及实验后的数据记录。
这些实验步骤的设计应当具有一定的系统性和科学性,以确保学生能够在实践中真正理解和掌握生态学的基本原理。
此外,教材还应包括数据分析和讨论部分,通过对实验数据的分析和讨论,帮助学生总结实验结果,理解生态学原理,并培养他们的科学思维和分析能力。
对于基础生态学实验教材的编写,需要考虑到学生的实际水平和实验条件,尽可能选择简单易操作、直观易懂的实验内容,以促进学生的学习和理解。
同时,教材的编写还应注重实验的安全性和环保性,确保实验操作过程中学生和环境的安全。
总之,基础生态学实验教材在内容上应涵盖生态学的基本理论知识、实验操作步骤、数据分析和讨论等方面,旨在帮助学生全面理解生态学原理,并培养其科学思维和实验操作能力。
研究生态系统的物种相互关系实验设计引言:生态学是研究生物与环境之间相互关系的科学,而研究生态系统中物种之间的相互关系是生态学领域中关注的重点之一。
本实验旨在探究生态系统中不同物种之间的相互作用以及它们对环境的影响,为深入理解物种相互关系提供实验数据和依据。
实验设计:实验主题: 探究生态系统的物种相互关系及其环境影响实验目的: 研究生态系统中物种之间的相互作用,分析物种对环境的影响,揭示生态系统的稳定性及其恢复能力。
实验材料与设备:1. 实验室宽阔的生态箱(可调整光照、温度和湿度等环境参数)2. 不同物种的植物(如短草、高草、低矮灌木等)3. 不同物种的动物(如食草动物、食肉动物等)4. 环境监测仪器(如温湿度计、光照计、二氧化碳测定仪等)5. 测量工具(如尺子、天平等)6. 数据记录表格实验步骤:1. 确定实验参数:- 设定生态箱的初始环境参数,如光照、温度和湿度等,以模拟特定生态环境。
- 确定实验时长,以保证观察到物种相互关系的变化。
2. 选择物种:- 选取不同的植物种类,确保它们具有不同的生长特点和生态习性。
可选植物包括短草、高草、低矮灌木等。
- 选择不同的动物种类,包括食草动物、食肉动物等。
3. 实验组设置:- 将不同的植物物种组成实验组,如仅由短草组成的群落、仅由高草组成的群落等。
- 设置不同的动物物种组成实验组,如仅包含食草动物的群落、仅包含食肉动物的群落等。
4. 数据记录与分析:- 在实验开始前,记录每个实验组的起始数量和初始环境参数。
- 定期观察并记录各实验组中物种的数量和生长情况,同时监测环境参数的变化。
- 根据实验结果,分析各物种之间的相互作用以及它们对环境的影响。
实验结果与讨论:通过实验观察和数据分析,可以得到以下结果:1. 物种之间的相互作用:不同植物物种之间存在竞争与合作关系,动物物种与植物物种之间存在捕食和被捕食关系。
2. 物种对环境的影响:植物物种的生长状况对环境因素如土壤湿度、阳光利用等有影响。
生物课实验设计方案一、引言生物课实验是培养学生科学观察力和实践能力的有效途径。
本文将设计一个生物课实验方案,旨在通过实验研究,探讨植物的光合作用及其影响因素。
二、目的本实验旨在探究植物光合作用的原理及影响因素,并通过实验数据分析和结果展示来验证理论。
三、实验材料和设备1. 水生植物(如水葱、水蕹等)2. 透明水槽3. 钳子4. 过滤纸5. 滤水瓶6. 光照设备(如荧光灯或日光灯)7. pH试纸8. 温度计四、实验步骤1. 准备水生植物,将其根部洗净并去除多余的叶片。
2. 将透明水槽中注满适量的水,并放置于光照设备下。
3. 将水生植物放置在透明水槽中,确保它们浸没在水中。
4. 用钳子夹起一片水生植物的叶片,并将其通过滤水瓶的塞子部分悬于水中,确保叶片表面不接触水。
5. 将透明水槽放置在光照设备下,并给予适当的光照强度。
6. 记录实验开始时的光照强度(Lux)和水的pH值。
7. 在适当的时间间隔内,记录叶片颜色变化,并检测水的pH值和温度。
8. 实验结束后,记录实验结束时的光照强度(Lux)和水的pH值。
五、数据处理1. 统计实验过程中叶片的颜色变化,并根据变化程度对光合作用进行分类。
2. 对实验过程中得到的水的pH值和温度进行统计和比较分析。
3. 根据实验数据分析光照强度对植物光合作用的影响,并进一步探究其他因素对光合作用的影响。
六、结果展示1. 制作表格或图表展示不同光照强度下植物光合作用的结果。
2. 制作折线图展示实验过程中水的pH值和温度的变化。
七、讨论1. 分析实验结果,总结不同光照强度对光合作用的影响。
2. 探讨水的pH值和温度对光合作用的影响及可能的机制。
八、实验改进和展望1. 分析实验中可能存在的误差和不足,并提出改进措施。
2. 展望后续实验,可以研究其他影响因素,如二氧化碳浓度、光照周期等对植物光合作用的影响。
九、实验风险和安全注意事项1. 使用钳子时要小心操作,避免伤及手指或其他身体部位。
第32卷 第4期草 原 与 草 业2020年12月V o l .32 N o .4G r a s s l a n d a n d P r a t a c u l t u r e D e c .2020生态学区组试验设计的方差分析及P 值探讨吕世杰1,闫宝龙1,2,王忠武1,李治国*,1,康萨如拉1,刘红梅3(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室/农业农村部饲草栽培㊁加工与高效利用重点实验室/内蒙古自治区草地管理与利用重点实验室,呼和浩特010019;2.内蒙古民族大学农学院,通辽028043;3.内蒙古自治区林业科学研究院,呼和浩特010010) 摘要:为保证生态学区组试验设计数据分析的科学性,对区组试验设计的方差分析进行了比较全面的阐述,并对P 值进行了初步探讨㊂认为单因素区组试验设计的方差分析模型应该是双因素固定效应方差分析模型,且不能考虑试验处理效应与区组效应的交互作用;在方差分析过程中,如果存在区组效应干扰时,可调整为单因素方差分析模型;这一过程均需要对指标数据进行正态性㊁方差同质性检验,结合样本容量和线性拟合率综合分析方差分析的可靠性和科学性㊂在进行多重比较时,需要给定具体的P 值,对应的方差分析模型㊁处理效应检验可以根据研究情况对P 值做出合理的调整;建议方差分析模型㊁处理效应检验和多重比较检验的P 值最好一致㊂关键词:生态学;单因素区组设计;方差分析运用;P 值选用中图分类号:Q 141 文献标识码:A 文章编号:2095-5952(2020)04-0040-06在生态学野外或田间试验中,我们常用到区组试验设计[1~3],原因是区组试验设计操作相对简单,数据分析相对容易掌握,研究者更愿意接受并用于揭示研究对象的变化特征和变化规律[4~6]㊂然而,事实上试验设计的操作简单不等于数据分析的科学运用㊂尽管有什么样的试验设计就会有什么样的数据分析方法,但数据分析方法受试验设计种类㊁样本容量㊁取样方法和模型参数等多方面的影响[4,5,7]㊂区组试验设计的数据分析方法首先考虑到的就是方差分析[4,5]㊂然而,方差分析模型的选取并不是单因素和双因素这么简单,也不是固定模型和随机模型这么容易,而是一个综合考量过程[5,6]㊂方差分析结果判断出显著差异之后,需要进一步做多重比较[5,6]㊂可是,我们在文献中经常会看到多重比较结果等同于方差分析[1~3]㊂因此,方差分析模型选取以及其与多重比较的关系有必要详细阐明㊂特别值得注意的是,近些年对于P值问题的争论引起了统计学界高度重视,对其他学科的影响也具有深远的意义[8~10]㊂本研究立足于生态学单因素区组试验设计,采用实例解析的方法对方差分析模型选取㊁多重比较㊁差异显著性(P值)逐一探讨,为生态学区组试验设计的数据分析提供科学合理的解决途径,也为生态学科学问题的阐释给予比较全面的理论支撑㊂1 材料和方法试验数据来源于内蒙古农业大学草原与资源环境学院四子王旗放牧试验基地,放牧试验基地采用区组试验设计[11]㊂2016年8月份,在每一个试验处理区随机选择10个50c mˑ50c m 的样方,测定短花针茅植物种群的高度㊁盖度㊁密度和地上现存量以及植物群落地上现存量,并以该试验设计下的取样数据(高度㊁密度)展开方差分析相关问题的讨论㊂数据分析采用S A S9.2软件,其中正态性检验调用U N I V A R I A T E 过程,方差分析调用G L M 过程,多重比较选用D U N C A N 关键字,方差同质性选用HO V T E S T 关键字㊂2 方差分析相关问题探讨2.1 样本容量如何确定从表1看出,每一载畜率下样本容量为27或30个观测数据,这一样本指的是观测样本容量,而04 收稿日期:2020-10-13基金项目:国家自然科学基金项目(32060384);教育部草地资源可持续管理科技创新项目(I R T _17R 59) 作者简介:吕世杰(1978-),男,内蒙古赤峰人,博士研究生,从事草地生态与管理研究;*为通讯作者,E -m a i l :n m n d l z g@163.c o m .不是试验设计样本容量㊂试验设计的样本容量由4个载畜率和3个区组构成,也就是总样本容量为12个数据㊂这一点可以从单因素区组试验设计的模型[4]中可以看到:x i j =μ+αi +βj +εi j (1)式中,x i j 为观测数据(每一载畜率每一区组内短花针茅种群高度或密度);μ为总体(短花针茅种群高度或密度)均值;αi 为载畜率导致短花针茅种群高度或密度的差异;βj 为区组试验设计中区组导致短花针茅种群高度或密度的差异㊂因此,每一载畜率每一区组内10个观测样方的观测数据不能直接用于方差分析,原因是违背了单因素区组试验设计数据分析的统计模型㊂那么每一载畜率每一区组内短花针茅种群高度或密度观测数据(表1中7或10个样本容量)还有没有意义,原因是生态学野外或田间试验空间异质性大,观测数据波动性大,需要增加观测重复来弥补数据的波动性,从而使获得的观测数据均值更稳定,更具有代表每一载畜率每一区组内短花针茅植物种群高度或密度指标的集中情况㊂表1 不同载畜率下短花针茅植物种群高度和密度样本数据描述载畜率区组高 度样本容量最小值最大值平均值标准偏差密 度样本容量最小值最大值平均值标准偏差对照(围封区)11010.0018.0013.452.44101189.505.1321012.6024.5017.504.481041711.303.773105.0027.0018.156.69102125.603.31轻度放牧11011.5022.0018.453.291013113.2010.062711.0022.2015.464.3376169.433.743107.0026.3014.765.00102179.205.33中度放牧1109.1031.2016.257.161023921.4010.592105.0016.7013.233.471082514.605.9531013.0018.0015.451.771052312.404.67重度放牧1106.5017.1013.092.881013118.508.052105.5012.0010.002.1710113216.706.113108.0015.0010.702.18103.83418.5810.992.2 正态性检验确定了样本对象和样本容量,我们才能进入正态性检验环节,这是方差分析的前提条件之一㊂在荒漠草原,短花针茅高度属于数量性状数据(连续型变量),而密度属于质量性状数据(非连续性变量),所以有必要先假设荒漠草原短花针茅这一总体的高度㊁密度服从正态分布[5]㊂短花针茅高度㊁密度数据的样本容量均为12个,高度经S h a pi r o -w i l k 检验[4,6]统计量W=0.9524,P =0.6730;K o l -m o go r o v -s m i r n o v 检验[4,6]结果显示,D =0.1098,P >0.1500;所以高度属于正态分布数据㊂密度经S h a pi r o-w i l k 检验统计量W =0.9679,P =0.8872;K o l m o g o r o v-s m i r n o v 检验结果显示,D=0.1275,P>0.1500;所以密度也属于正态分布数据㊂因此,高度和密度指标可以进行下一步数据分析过程㊂2.3 方差同质性检验方差同质性检验调用S A S 的G L M 过程,一般在M E A N S 关键字后的待比较变量进行指定,格式为 M E A N S C H L /HO V T E S T D U N C A NA L P H A=0.05,其中C H L 代表载畜率变量,其余属于S A S 系统关键字[12]㊂在这里需要明白一点,当进行多重比较时不管因素变量存在几个,只是针对其中的一个因素变量进行比较,其余因素变量均变为重复㊂所以,多因素变量的方差分析在进行方差同质性检验时模型只能指定一个因素变量㊂在本研究中,多重比较的因素变量为载畜率,相应的区组变量成为重复变量㊂也就是说,当进行方差同质性检验时,涉及的待比较因素只有一个,那就是C H L ,即载畜率变量㊂当方差同质性检验通过时(一般要求P >0.05),说明不同载畜率下3个区组的观测数据来自同一总体,即荒漠草原不同载畜率下短花针茅高度㊁密度来源于同一总体,其差异仅是由载畜率和区组差异引起㊂经检验发现,短花针茅高度F =0.80,P =0.5294;密度F =2.26,P =0.1587;P 值均大于0.05,认为不同载畜率下的高14 吕世杰 闫宝龙 王忠武等生态学区组试验设计的方差分析及P 值探讨度㊁密度指标没有因载畜率不同而产生差异,也就是说不同载畜率下高度㊁密度数据具有方差同质性,来源于同一个总体㊂2.4 线性可加性检验获得的样本数据,正态性和方差同质性检验通过后还需要进行线性可加性检验[5],即公式(1)的模型检验㊂在进行线性模型线性可加性检验时,研究者往往过于看重F 值和P r >F 值㊂看重F 值的原因是根据相对大小进行变量取舍,以便在多因素模型中进行模型优化;看重P r >F 值的原因是判断是否继续进行多重比较的标准㊂然而,这种做法是欠妥当的,因我们线性可加模型是基于试验设计对观测数据的数学表述,所以拟合率的大小也是影响线性可加模型是否成立的关键指标[6]㊂本研究案例线性可加模型检验结果显示,高度F =2.36,P=0.1633,R 2=0.6625;密度F =6.67,P =0.0194,R 2=0.8475;所以高度方差分析检验没有通过,拟合率也比较低;而密度方差分析检验通过(P <0.05),拟合率高达84.75%㊂2.5 区组效应算不算一个因素区组效应是不是一个因子,不同研究者具有不同的理解㊂茆诗松等[4]在编著的‘试验设计“中指出,在进行线性可加模型检验时,观察区组效应是否显著大于误差效应是进行判别的依据,如果区组效应显著大于误差效应(P <0.05),就要考虑区组效应的价值,当区组效应与误差效应无显著差异,则可直接划归为误差效应㊂然而,盖钧镒[7]在主编的‘试验统计方法“中指出,区组效应可以看成另一个因素㊂本研究认为,区组试验设计前提要求区组内不同试验处理的基本条件尽可能一致,不同区组间的差异可以大一些,同时在野外或田间生态学实验中经常涉及山坡大小㊁水文条件甚至植被状况等自然条件限制,在安排试验时就应该尽可能考虑区组间差异,可以采用区组试验设计进行单向控制[7]㊂如果没有考虑,也不能进行补救的情况下,区组效应属于随机效应,如果进行单向控制,区组效应属于固定效应,这时无论是随机效应还是固定效应,方差分析线性模型不会改变,均属于双因素方差分析模型,对于试验处理的检验不再是简单的取舍问题,而是固定模型㊁随机模型和混合模型的问题[5]㊂这样随之而来会带来另外的问题,单因素区组设计当考虑区组设计为因素时,不能考虑交互作用(没有重复,缺少自由度),所以也就不能判断处理因素强弱;进而考虑区组因素为随机因素时,不能对处理因素进行有效的检验(缺少自由度)㊂因此,这也成了单因素区组试验设计的缺点㊂3 方差分析结果的呈现3.1 方差分析表呈现在方差分析结果呈现时,研究者对方差分析结果进行了精简(只有F 值和P r >F 值),我们只能看到因素的方差效应是否大于误差效应,难以看到因素效应的方差贡献,更看不到线性可加模型对原始数据的拟合效果,所以对于数据分析结果的科学性和可信性存在质疑㊂同时,对于存在随机因素的多因素方差分析模型,我们也无法判断采用的是固定模型㊁随机模型或混合模型中的哪一类㊂因此,综合来说方差分析结果应该采用表2的样式㊂对于单因素随机区组试验设计,其方差分析模型应该是双因素无交互作用方差分析模型(表2)㊂对于高度数据,其更符合单因素方差分析模型,此时区组效应属于随机效应,且对因素载畜率(C H L )具有干扰作用,因此采用单因素方差分析模型更为合适(此时区组效应成为随机误差效应)㊂尽管模型选择是以损失拟合率为代价,但是拟合率下降幅度不大,且能够表征载畜率因素对短花针茅高度的影响,所以结合多重比较结果(图1),单因素方差分析模型更为准确㊂对于密度指标,采用双因素固定效应方差分析模型更为合理,此时具有较高的拟合率(R 2=84.75%,即0.8475),且载畜率对密度的影响也能够得到真实体现㊂所以,单因素区组试验设计的方差分析本质是双因素方差分析模型,而且处理效应与区组效应划归为固定效应,模型为固定效应模型,即全称应该为双因素固定效应方差分析模型㊂然而,在分析数据时受区组效应的影响,究竟是采用单因素方差分析模型还是双因素固定效应模型,需要通过检验结果进行判定㊂3.2 多重比较结果呈现在进行方差分析时,当方差分析检验结果显著时(P <0.05)需要对样本均值进行多重比较,且在概率水平下(一般P =0.0500或P=0.0100)进行差异显著性标记[5]㊂从多重比较结果来看,高度指标在不同载畜率下存在显著性差异(重牧的H G 处理区短花针茅种群的高度显著低于C K 和L G ,P <0.05),且伴随载畜率增大具有下降的变化趋势,因此多重比较结果印证了单因素方差分析模型24 草原与草业 2020年 第32卷 第4期的合理性(表2)㊂从密度比较结果来看,C K 和L G 处理区短花针茅密度显著低于MG 和H G 处理区(P<0.05),结合拟合率,所以选用双因素固定效应模型更适合㊂表2 荒漠草原短花针茅高度和密度方差分析表模型分类指标变异来源自由度方差均方F 值显著性拟合率单因素模型高度模 型350.9616.994.410.04140.6233处 理350.9616.994.410.0414误 差830.803.85总变异1181.76密度模 型3170.7156.906.210.01750.6994处 理3170.7156.906.210.0175误 差873.369.17总变异11244.06双因素模型高度模 型554.1610.832.360.16330.6625处 理350.9616.993.690.0813误 差23.211.600.350.7190总变异627.594.60模 型1181.76密度处 理5206.8541.376.670.01940.8475误 差3170.7156.909.170.0117总变异236.1418.072.910.1306模 型637.216.20处 理11244.06图1 不同载畜率下短花针茅高度和密度对比4 讨论4.1 方差分析和多重比较的合理性选择多数情况下,研究者认为方差分析最简单,其最善于利用方差分析解决问题㊂然而,事实上方差分析最不简单,主要体现在以下几个方面:首先,方差分析3个前提假设(正态性㊁同质性和线性可加性均)需要进行严格的检验[5];其次,方差分析的线性可加模型依赖于试验设计,有什么样的试验设计就会有什么样的数据分析方法,主要针对的就是方差分析[4];第三,方差分析模型[5]存在单因素模型㊁双因素模型(又分有重复模型和无重复模型)和多因素模型(也分为有重复模型和无重复模型);第四,按照因素是否为固定效应和随机效应,方差分析模型又分为固定模型㊁随机模型和混合模型[5];第五,综合前四项条件,选择合理的方差分析模型并对数据进行科学分析是很困难的,甚至有时候方差分析这一方法不能应用㊂综上所述,方差分析需要考察样本容量对象㊁前提假设检验㊁试验设计种类㊁试验因素类别判定㊁线性可加模型及其拟合效果等诸多因素,期待在以后的研究中能够看到基于多方面考量的方差分析运用过程,进而保证数据分析佐证科学问题的可靠性和科学性㊂4.2 方差分析结果呈现的发展趋势方差分析结果更多的是以多重比较结果呈现[13~15],但随着数据可视化理念的提倡,表格呈现方式逐渐被图形呈现方式替代㊂图形呈现方式伴随着计算机技术的提高,也存在发展趋势,即柱形图ң柱形图+误差线ң箱线图㊂目前,柱形图+误差线表示方法最多,但是值得注意的是误差线究竟是用标准偏差还是用标准误差,不同的研究者具有不同标注方法[16]㊂在统计学中,如果误差线采用的是标准偏差,表示获得样本数据为大样本数据(样本容量n ȡ30),此时代表的统计学意义为样本容量中有95%或99%的样本观测数据在此区间;如果误差线采用的是标准误差,此时代表的统计学34 吕世杰 闫宝龙 王忠武等生态学区组试验设计的方差分析及P 值探讨意义为样本均值有95%或99%的概率下在此区间内波动㊂由于是样本均值的多重比较,且在野外或田间区组试验设计中大样本数据很难获得,所以标注标准误差更为合理[16]㊂除了多重比较结果,还有方差分析结果,这一结果最初研究者是采用全表放置[17~19],但是随着国际交流与合作的发展,简表形式出现;原因是在生态学领域不是研究统计学结果,而是利用统计学表征生态学专业研究结果㊂这一想法或说法并没有错,但是读者很难在多重比较结果和简表中读到数据拟合信息㊁模型选用信息,从而导致研究者在数据分析相互借鉴中产生偏差㊂因此,如果能交代清楚数据分析方法,建议尽可能交代清楚,比如单因素方差分析㊁简单的双因素方差分析;如果交代不清楚,建议将方差分析全表放上(如表2),以便为读者提供更为全面的数据分析信息,也方便研究者之间的相互借鉴㊂4.3 关于P 值的界定和使用在进行方差分析和多重比较时,均涉及P 值的界定,且近几年关于P 值的争论比较激烈[8,20~23];首先是P=0.0490和P=0.0500的问题,其次P 值是否合理的问题,最终可以归结为一个问题:P 值究竟该怎么用,有没有必要用㊂这一争论最终以美国统计协会2019年给出的建议逐渐平息[9]:其认为在涉及概率统计的时候,标注P 值的具体数值,不要过于强调是P =0.0500还是P =0.0100㊂本研究认为,P 值是概率统计下的产物,是小样本推测总体特征的保障,因此不能因P=0.0490和P =0.0500区别否定整个概率统计;其次,P 值显著临界点的定义是根据小概率事件是否发生定义的[5],所以P=0.0500和P=0.0100仍然可以沿用;第三,临界点的定义从来都不是一成不变的,比如方差分析采用的临界点是P =0.0500和P =0.0100,而回归分析引入变量的临界点一般是P =0.1500,所以临界点的使用可以根据研究的专业内容进行合理的调整,比如张金屯[24]就有过相关的尝试和实例㊂综合来看,P 值是进行概率检验的保障,不同的分析方法可以有不同的概率水平进行界定㊂比如方差分析,常用的临界点P=0.0500和P =0.0100仍可沿用,视具体情况也可适当调整,比如P=0.1000;但也不可能无限制的增大临界值,否则统计学的弃真和纳伪错误发生概率就会发生变化,毕竟增大了概率临界值也就增加了弃真错误的概率区间[5]㊂在S A S 等统计软件中,P 值并不是固定的,数据分析者可以根据研究内容进行指定,也就是说统计软件或统计学家也认为P 值是可以调整的,从而适合不同研究专业和不同研究方向㊂结合美国统计学会针对P 值的建议,方差分析还是要强调临界值选用的具体数值(毕竟多重比较结果是在特定临界值下计算的结果),其他分析方法可以标注P 值,然后根据自己的研究内容具体情况具体分析㊂此外,以后的数据分析,贝叶斯统计越来越受到统计学家的支持,生态学领域的数据分析也应该倾向于此㊂5 结语单因素区组试验设计的方差分析模型应该是双因素固定效应方差分析模型,且不能考虑试验处理效应与区组效应的交互作用;在方差分析过程中,如果存在区组效应干扰时,可调整为单因素方差分析模型;这个过程均需要对指标数据进行正态性㊁方差同质性检验,结合样本容量和线性拟合率综合探讨方差分析的可靠性和科学性㊂在进行多重比较时,需要给定具体的P 值;对应的方差分析模型㊁处理效应检验可以根据研究情况,对P 值可做出合理的调整;建议方差分析模型㊁处理效应检验和多重比较检验的P 值最好一致㊂参考文献:[1] 唐佐芯,赵静,孙筱璐,等.氮添加和凋落物处理对油松-辽东栎混交林土壤氮的影响[J ].生态学杂志,2018,37(1):75-81.[2] 王磊,董树亭,刘鹏,等.水氮互作对冬小麦田氨挥发损失和产量的影响[J ].2018,29(6):1919-1927.[3] 吕昊峰,王亚芳,李国元,等.施氮量和土壤灭菌对根结线虫侵染番茄根系的影响[J ].生态学杂志,2019,38(8):2450-2455.[4] 茆诗松,周纪芗,陈颖.试验设计[M ].第2版,北京:中国统计出版社,2012.[5] 李春喜,姜丽娜,邵云,等.生物统计学[M ].第5版,北京:科学出版社,2013.[6] 吕世杰,运向军,刘红梅,等.数量研究方法实证解析[M ].北京:科学出版社,2019.[7] 盖钧镒.试验统计方法[M ].北京:中国农业出版社,2012.[8] W a s s e r s t e i nR L ,L a z a rN A .T h eA S As t a t e m e n to n p -v a l u e s :C o n t e x t ,p r o c e s s ,a n d p u r po s e [J ].T h eAm e r i c a 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a 1,L i uH o n gm e i 3(1.C o l l e g e o fG r a s s l a n d ,R e s o u r c e s a n dE n v i r o n m e n t /K e y L a b o r a t o r y ofG r a s s l a n dR e s o u r c e s o f t h eM i n i s t r y o fE d u c a t i o n /K e y L a b o r a t o r y o f F o r a g eC u l t i v a t i o n ,P r o c e s s i n g a n dH i ghE f f i c i e n t U t i l i z a t i o no f t h eM i n i s t r y o fA g r i c u l t u r e a n dR u r a lA f f a i r s /I n n e rM o n g o l i aK e y L a b o r a t o r y of G r a s s l a n d M a n ag e m e n t a n dU t i l i z a t i o n ,I n n e rM o n g o l i aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,H o h h o t 010019;2.C o l l e g e o fA g r i c u l t u r e ,I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t y f o rN a t i o n a l i t i e s ,T o n g l i a o 028043;3.I n n e rM o n g o l i aA c a d e m y o fF o r e s t r y Sc i e n c e ,H o h h o t 010010,C h i n a ) A b s t r a c t :I no rde r t o e n s u r e t h e s c i e n t if i c v a l i d i t y o f d a t a a n a l y s i s o f b l o c k e x p e r i m e n t a l d e s i gn i n e -c o l o g y ,t h i s s t u d y e l a b o r a t e dac o m p r e h e n s i v e m e t h o df o rv a r i a n c ea n a l y s i s i nb l o c ke x p e r i m e n t a ld e -s i g n ,a n d p r o v i d e d a p r e l i m i n a r y d i s c u s s i o no n t h eP -v a l u e .I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h ea n a l y s i so f v a r i -a n c em o d e l f o r s i n g l e -f a c t o r b l o c k t e s t d e s i g n s s h o u l db e a t w o -f a c t o r f i x e d -e f f e c t s a n a l ys i s o f v a r i -a n c em o d e l ,a n d t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n t h e t e s t t r e a t m e n t e f f e c t a n db l o c k e f f e c t c a nb e i g n o r e d .I n t h e p r o c e s s o f a n a l y s i s o f v a r i a n c e ,i f t h e r e i s b l o c k e f f e c t i n t e r f e r e n c e ,i t c a n b e a d j u s t e d t o a s i n g l e f a c t o r a -n a l y s i so f v a r i a n c em o d e l .T h i s p r o c e s s r e q u i r e s n o r m a l i t y a n d v a r i a n c e h o m o g e n e i t y t e s t s o n t h e i n d i c a -t o r d a t a ,c o m b i n e dw i t ha n a l y s i s o f s a m p l e s i z e a n d l i n e a r f i t r a t e ,t o c o m p r e h e n s i v e l y a s s e s s t h e r e l i a -b i l i t y a n d s c i e n t i f i c v a l i d i t y o f a n a l y s i s o f v a r i a n c e .W h e n p e r f o r m i n g m u l t i p l e c o m p a r i s o n s ,s pe c if i c P -v a l u e s n e e d e d t ob eg i v e n .Th e c o r r e s p o n di n g a n a l y s i so f v a r i a n c em o d e l a n d p r o c e s s i n g ef f e c t t e s t c a n m a k e r e a s o n a b l e a d j u s t m e n t s t o t h e P -v a l u e a c c o r d i n gt o t h e r e s e a r c h s i t u a t i o n .I t i s r e c o mm e n d e d t h a t t h e a n a l y s i s o f v a r i a n c em o d e l ,t r e a t m e n t e f f e c t t e s t a n dm u l t i p l e c o m p a r i s o n t e s t s s h o u l dh a v e t h e s a m e P -v a l u e .K e y wo r d s :E c o l o g y ;S i n g l e f a c t o r b l o c kd e s i g n ;A n a l y s i s o f v a r i a n c e ;S e l e c t i o no f P -v a l u e54 吕世杰 闫宝龙 王忠武等生态学区组试验设计的方差分析及P 值探讨。
生态趋势研究实验报告引言生态趋势研究是生态学中重要的领域之一,用于了解和预测生态系统中的演替和变化。
本实验旨在通过模拟环境中的生物群落变化,探讨不同条件下生态系统的稳定性和演替规律。
材料与方法实验设备和材料- 8个透明玻璃容器(高度10cm,直径15cm)- 植物种子(草种、树种各两种)- 土壤(共6000g)- 水(共6000ml)- 光照设备实验流程1. 准备土壤和水,保证每个玻璃容器的土壤湿润。
2. 在每个容器中均匀撒播4个不同的植物种子。
3. 设置四组实验条件,分别为高温低湿、高温高湿、低温低湿和低温高湿,每组两个重复。
4. 定期测量和记录每个容器中的植物个体数量和生物体积。
5. 维持适宜的光照和温湿度条件。
结果与讨论初始阶段在实验开始时,我们观察到各组实验中的植物个体数量和生物体积差异不大。
这可能是由于实验初期,植物的生长处于同步状态,尚未出现明显的竞争。
高温低湿组在高温低湿条件下,我们发现植物个体数量和生物体积都显著减少。
高温和低湿对植物的生长产生了负面影响,导致植物生长缓慢,甚至死亡。
这表明高温和低湿对生态系统的稳定性构成了威胁。
高温高湿组在高温高湿条件下,植物个体数量和生物体积相对较多。
高温和高湿可能提供了适宜的生长环境,促进了植物的繁殖和生长。
然而,在实验持续一段时间后,我们观察到植物个体数量开始下降,可能是过高的温度和湿度导致植物生长受到限制。
低温低湿组在低温低湿条件下,植物个体数量和生物体积也较少。
低温和低湿度可能限制了植物的光合作用和生长。
这一结果与高温低湿组的现象相似,说明温度和湿度是影响生态系统稳定性的重要因素。
低温高湿组在低温高湿条件下,植物个体数量相对较多,但生物体积较小。
低温和高湿度可能抑制了植物的生长,导致植物个体数量增加而生物体积减小。
这可能是由于湿度过高阻碍了植物的水分吸收和营养元素吸取。
结论通过这个模拟实验,我们得出了一些关于生态系统稳定性的结论。
首先,高温和低湿度对生态系统稳定性产生了负面影响。
高中生物生态环境实验生态环境实验是高中生物学课程中不可或缺的一环。
通过实际操作和实验观察,学生可以深入了解生态系统的运作原理,探索生物与环境之间的相互关系。
本文将以高中生物生态环境实验为主题,从实验设计、操作流程和实验结果等方面进行讨论。
一、实验设计在进行生态环境实验前,首先需要明确实验目的和实验方法,然后根据实验目的和方法,设计出合适的实验方案。
实验目的:探究不同环境因素对生物生态系统的影响。
实验方法:选择适合高中生进行的实验方法,如调查、观察、记录、数据分析等。
二、实验操作流程1. 实验材料准备:- 生态箱或温室- 不同种类的植物和动物标本- 测量工具:温度计、湿度计、pH测试纸等2. 实验操作步骤:a) 设置不同环境条件的实验组,比如控制组、温度组、光照组、湿度组等。
b) 在每个实验组中放置相应的生物标本。
c) 对每个实验组的环境因素进行定期测量和记录。
d) 观察生物标本的生长情况,记录相关数据。
3. 数据分析和结果呈现:a) 对实验数据进行整理和分析,比较不同实验组之间的差异。
b) 统计和图表可以用来直观地展示实验结果。
c) 结果讨论,包括环境因素对生物生长的影响等。
三、实验结果及其分析根据不同实验组的设置和实际观察,可以得出以下实验结果及其分析:1. 温度实验:- 结果:温度对生物生长有显著影响,过高或过低的温度会导致生物生长受阻或死亡。
- 分析:生物对温度的适应范围有限,超出适应范围将会产生不利影响。
2. 光照实验:- 结果:光照对光合作用和生物节律具有重要影响,过强或过弱的光照都会影响生物的正常生长发育。
- 分析:不同生物对光照的需要有所差异,需要根据具体生物的特性来确定适宜的光照条件。
3. 湿度实验:- 结果:湿度对水分生态系统的维持至关重要,过高或过低的湿度都会对生物的生长与繁殖产生负面影响。
- 分析:水分对生物体的正常功能与稳定性具有重要作用,保持适宜的湿度可以促进生物体的健康发展。
生态学实验设计题调查生态因子对山上植物的影响在植物的生长发育过程中,光和水是极其重要的生态因子。
根据植物与其生境中水分的的关系,把植物分为水生植物、陆生植物〈包括了中生植物和旱生植物)。
水生植物依据其生活型乂可分为沉水植物、浮水植物和挺水植物。
生长在不同环境中的植物,在演化过程中会形成一些适应环境的结构特征,其中以叶的结构变化最为显著。
叶子是植物的重要器官,它有两大生理功能,光合作用和蒸腾作用。
蒸腾作用是根系吸收水分的动力之一,植物根系吸收的矿物质主要是随蒸腾液流上升并转运到植物体的其他部位。
另外,蒸腾作用也能降低叶片的表面温度,从而使叶子在强烈的日光照射下,不至于因温度过分升高而受损伤。
但蒸腾作用会消耗很到植物体内的水分,因而植物根系吸收的水分和叶片蒸腾作用消耗的水分之间需达到一个等量的状态,即水分平衡状态。
植物在长期的进化过程中,逐渐形成了防止水分散失的结构,如叶表面的角质层,密生绒毛,气孔下陷或形成气孔窝,叶片内储水组子发达等,都是为了适应保持水分,减少水分蒸腾的特征。
植物生活于不同的生态环境中其叶片的这些适应性结构不同,形态变化也较大。
阳光是植物光合作用的能量来源,但是由于植物长期适应不同的环境条件,不同植物需要的光强不同。
根据植物对光强的不同要求,把它们分为阳性植物、阴性植物、耐阴植物三大类。
第十三章生态学实验设计生态学测量不仅必须具备足够的精度和准确性,而且应该在一个好的一般性实验设计框架下进行。
因为随着野外实验的增加,工作中的困难和陷井也开始出现。
第一节、生态学实验与实验设计1、生态学实验的3个阶段●实验设计●实验的实施●实验结果分析2、概念:实验与实验设计2.1 实验:实验是对一个假设的检验。
2.2 假设:就生态学来讲,假设是对生态格局与过程的一种解释。
2.3 实验设计实验设计是对实验的逻辑结构的描述。
以概率论与数理统计为基础,经济、科学地安排实验的一项技术,主要内容是讨论如何合理地安排实验和正确地分析数据,从而尽快获得优化方案。
2.4实验单元:实验单元是生态学实验设计中的基本操作单元。
它是实验材料的最小划分,因而不同的单元可能采取不同的处理,但实验单元不同于研究单元。
下列研究实例中实验单元是什么?●在一个火生态研究中,一块10ha的草地将被火烧,而另一块10ha的草地不加处理。
生态学家将在两块草地中分别测量50个1m2的样方。
因此在该实验中,实验单元是?●在一个植物种植实验中,要在上述两块草地中对50个1m2的小样方随机进行4种施肥处理(无, N, N+P, N+P+K)。
●为了检验树木的生长速度是否随海拔而降低,生态学家设计了一项沿海拔高度监测树木生长的实验。
2.5 重复重复即指在每一种处理中的实验单元数。
实验统计中出现的假重复是指实验测量之间不独立,往往就是没有正确地确定实验单元所至。
2.6 实验指标一组被测量用来反映实验单元状态特征的等级或定量指标。
2.7 实验因素——对实验指标值可能有影响的因素,包括以下几类:●可控因素:实验研究主要的调查对象;●标示因素:一般不能轻易改变或选择的因素,即维持环境与使用条件的水平,但不能选择水平的因素。
对这些因素的研究主要着眼于它们与可控因素交互作用的关系。
包括不同的时间、品种、设备、人员等;●区组因素:影响实验结果的几个方面,每个方面都可设置几个水平的因素;●信号因素:对实验目标的取值具有控制作用的可调整水平的关键因素;●误差因素:包括系统误差和随机误差2.8 水平实验中采用对实验因素变化采用的各种状态和条件,各水平之间通常是等间隔的。
3、生态学实验的两种基本类型3.1 测量性实验(Measurative experiments):涉及对生态学单元的一些测量。
无需对有机体或样方进行任何处理,而只是测量现存的事实。
∙优点在于:1)取样在空间尺度和对象的选择上有较大余地,减轻了管理和实验成本的限制;2)实验时间的约束较小,可避免因实验和观测时间不足而得出错误结论;3)实验条件受人为操控影响小,对自然状况有最好的代表性和普遍性。
4)对于一些大尺度、的频率现象和过程来说,对比观测实验也许是目前唯一可行的研究途径,如森林火烧干扰状况(disturbance regime)的景观生态效应∙致命缺陷是:1)缺乏处理前观测和空间上可靠的对照;2)由于受空间异质性的影响而难以重复;3)非观测因子的影响及多因子之间的交互作用难以排除。
这些不足降低了基于野外观测实验结果的统计推断的可靠性。
3.2操作性实验(Manipulative experiments):涉及对实验单元或样方的一些处理;并且至少需要两个以上的处理。
∙优点在于:1)要求实验单元的均质性和一致性,实验结果的差异可直接归因于处理的效果;2)不同实验单元接受不同处理;每一种处理的实验单元有足够重复;3)安排时、空对照来排除外来因素的干扰;4)处理对实验单元的操作是随机或分散安排的;5)实验设计的景观大小适合研究对象的时空尺度;6)处理后的取样时间足够长,以确保观测到实验的滞后效应。
∙野外实验操作的限制:1)实验单元内部和彼此之间的空间异质性难以保证真正的重复;2)在野外很难控制多个独立的变量;3)研究对象的大尺度可能给实验操作带来难以克服的困难。
4、实验设计的意义●科学合理地安排实验,减少实验次数,缩短实验周期,提高工作效率和经济效益;●通过选择合适的设计模型,达到分清影响因素的主次、了解因素间交互作用的目的;●可以帮助选择优化的实验方案;5、实验设计与分析的几个常用统计量●和与平均值:S、x●偏差(或离差):x-x0或x-x●偏差平方和与自由度:S T=∑(x i-x)2; f=n-1●方差与标准差:V=S T/f;√V●极差:R=x max-x min●变异系数:CV=√V/x6、实验设计的发展简史●问世于1920年代,由英国生物物理学家R.A. Fisher首创,发展成为统计数学的一个重要分支●早期应用于农业、生物学和遗传学研究中●30~40年代在英美各国发展推广,并广泛应用于工业生产中的技术革新,产生了巨大的经济效益和社会效益。
●1949年,日本研究人员进一步发展创造了正交实验设计法。
●50年代后期,信噪比设计法和三次设计法的提出使得实验设计理论方法走向成熟。
第二节、实验设计的一般原理通常存在至少6种变化的来源会干扰实验的解释,这些混乱可以通过3种统计途径加以澄清:随机化、重复和实验控制。
表1、实验误差的来源及其消除方法混淆的来源减少或消除混淆的实验设计的特点1、时间变化控制处理2、程序影响控制处理3、实验偏差不同处理之间实验单元的随机分配;其它程序操作的随机化;盲程序4、实验者造成的可变性处理的重复5、实验单元之间的内在或内禀变异重复处理;分散处理;同步观察6、偶然事故对实验的侵扰重复处理;分散处理所有科学实验的一个基本要求:每一个实验都必须有一个控制对比。
如果没有控制,从实验中将得不到任何确定性的结论。
对于生态学实验,由于系统年际的变化,必须采用更为严格的规则:每一个生态学野外实验必须有一个同时的控制对比。
因此,野外实验必须有至少两个控制或实验单元,而且多多益善;前后比较在统计学上是非常有力的,因为每一个实验单元都可以作为自己的控制。
生态学中问题重重的自然均衡模型时时被证明是无效的。
生态学过程在时空维度同时发生变化,需要复杂的控制,大多数实验都推荐这一途径(表1)。
生态学实验的BACI设计包括时间控制和空间控制两方面,即时间上的控制可以检验实验操作前后同一实验单元的变化;空间上的控制点与实验点并存可以检验不同地点的条件对操作前后系统状态的影响,从而得以排除系统自生的时变和空间差异的影响,提取单纯实验操作的效应。
这一方法在资料上仅以上述图解体现。
图中的小桶代表实验操作的作用,Flow 代表时间的流逝。
方框中的小点代表系统的状态。
1、随机化即对实验的顺序、步骤和对象的分配等按照随机性原则来安排。
绝大多数统计检验假设观察之间是相互独立的,但这如同绝大多数统计假设一样只是一种理想状况。
观察之间不相互独立,则不能得到真实的α值,即I类统计误差的概率(I类误差即应当接受的假设检验遭到拒绝;II类误差表示应当拒绝的假设检验没有被排除)。
达到独立观察的方法之一是尽可能的随机取样。
随机化还能降低因疏忽造成的实验偏差,从而提高估计的准确性。
尽管生态学实验不可能达到绝对的随机化,但应“尽可能随机化”。
系统取样通常是一种替代性选择。
尽管在思想上并不倾向,大多数生态学家仍然采取这种方法。
为了避免统计学上的问题,最可取的是一种半系统化的取样。
2、重复和假重复重复的必要性在于可以估计“实验误差”,这是评价统计显著性和确定置信区间的基本要素。
重复是增加统计学估计精度的一个办法。
因此它成为研究的一个信条:“尽可能多地取样”。
重复是生态学实验中防止机会事件的一种安全措施,机会事件是外来干扰或“噪声”的一个主要来源。
如样地中的昆虫爆发或失火。
重复是对付这类事件的唯一方法。
各种处理在时空中如何分散(或摆放)是比随机化更重要的问题。
对于一个两种处理的野外实验,比较6种分散模式:1)完全随机设计(Completely randomized):许多统计检验推荐的最简单设计。
但生态学的统计研究表明,在重复次数不太多时,这种设计可能较多地导致实验单元之间的随机空间聚集。
这对于反映空间梯度效应不利,因此,在此情况下不被推荐。
2)随机区组设计(Randmized block):实验单元在区组中聚集成群,块可能是生境面积、时间段或空间位置。
块内相对均值,块间差异或大或小,对于绝大多数野外实验而言是一个很好的设计。
既自动形成了不同处理之间的分散,又能较好地防止机会事件。
一个另外的好处是,这种设计中,即使一个组出了问题,也不会危及整个实验。
3)系统设计(Systematic):达到了对各处理的最大分散,但存在来自周期性环境的统计误差的危险。
空间周期性的环境在自然生态系统中并不多见,对于绝大多数生态学工作问题不大;但时间上的周期性是常见的,当采用的处理包含时间成分时,必须注意避免系统设计。
4)隔离设计(Segregated):简单隔离设计在生态学野外研究中罕用,而在实验室实验中常见。
如果各个处理彼此隔绝,即使实验的初始条件相同,随后的机会事件也可能产生不同的效果。
在另一种隔离实验设计中,重复在物理上是相互依赖的。
如不同处理在空间上可能是彼此分离的,但可能共用一个加热、供水或其它的系统。
5)假重复设计由于随机化和分散在野外实验中经常产生抵触。
Hurlbert(1984)引进一个有用的概念“假重复”(pseudoreplication)来描述一种统计误差,采用违反了分散原则的重复实验。
在这些实例中,基本的统计学问题是重复不是相互独立的。
因此统计推断的第一项假设就被违反了。
调查统计表明这种假重复带来的统计偏差存在于26~48%的已发表研究中。
因此,生态学研究中的实验设计有待改进。
有3种假重复:●最简单常见的假重复:是每一种处理只有一次重复。
例如:在两大块烧过或未被烧过的样地中分别取几个1m2的样方,这些样方不是重复而是亚样方,它们不能用于比较烧与未烧的t-检验中。
●牺牲的假重复:指有一个合理地重复的实验设计,但在统计分析之前,重复的数据就被汇集在一起。
●时间上的假重复:在一个时间系列中积累的数据,如我们在2个月内每周测量一次。
在一个实验单元中时序上的连续样本显然不是彼此独立的样本。
6)无重复设计:即两种处理或处理与对照各只有一次。
3、平衡和区组●平衡设计是指对每一处理采用相同数量的重复;●区组设计将处理的水平分成区组,来分配实验单元。
使得组间差异大,组内差异小。
4、改良实验的途径1)随机化2)使用更均质的实验单元:在实验室中适用,而在野外实验中可行性查差。
3)使用从每个实验单元可以测量的相关变量提供的信息,如协方差分析4)使用更多的重复。
只要你有足够的钱、时间和空间,它总是管用的。
5)局部控制:更多的区组;区组中有相同数量的重复。
在野外实验中应努力追求。
第三节、实验设计类型实验设计类型多样并且仍在不断增加,但其中适用于生态学研究的并不多。