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。

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。