МОДУЛЬ 1. Планирование полевого опыта

Практическое занятие 2

Планирование элементов методики полевого опыта

Цель занятия: ознакомиться с основными элементами методики опытного дела, уяснить их влияние на точность и достоверность опыта при проведении сельскохозяйственных исследований.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Установление числа вариантов в эксперименте

Число вариантов в схеме опыта зависит от темы опыта и определяется из целей и задач эксперимента. Однако при планировании исследований нужно помнить, что число вариантов оказывает заметное влияние на точность опыта. В частности, установлено, что с увеличением числа вариантов ошибка опыта возрастает. При малом числе вариантов (2-3) нельзя дать полную характеристику изучаемым факторам. Тогда как с увеличением числа вариантов возрастает число делянок, а, следовательно, и общая площадь опытного участка. В связи с этим, при разработке схемы эксперимента необходимо стремиться к тому, чтобы в опыте было от 4 до 8 (максимум 12) вариантов.

Влияние площади (размеров делянок) на точность опыта

Размер опытных делянок, их минимальная величина устанавливается в зависимости от:

1. пестроты почвенного плодородия;
2. рельефа участка, назначения опыта;
3. изучаемых вопросов, определяющих применение в опыте агротехнических приемов;
4. свойств подопытного растения.

Предел, меньше которого не должна быть площадь делянки, определяется возможностью проводить все агротехнические мероприятия.

Чем крупнее высеваемое растение, тем больше должна быть минимальная площадь делянки. При этом следует учитывать, что точность опыта, обусловливаемая пестротой плодородия почвы, повышается с увеличением величины делянки до тех пор, пока общая площадь всего опыта укладывается в пределах сравнительно однородного участка. Как только часть опыта или части делянок выйдут за пределы однородного участка, так изучаемые, варианты будут находиться в несравнимых условиях, и поэтому точность опыта, заметно снижается. Устранить этот фактор несравнимости можно при сближении делянок, т.е. при уменьшении их ширины и одновременно увеличении длины.

При установлении размера опытной делянки следует учитывать особенности биологии и агротехники сельскохозяйственных растений (ширину междурядий, густоту стояния), так как требуется иметь на делянке достаточное число растений, чтобы сгладить индивидуальные различия в их развитии. Так, густота стояния культур сплошного посева (яровая пшеница, ячмень, овес) обычно составляет 500 и более растений на 1м2, то можно ограничиться меньшим размером делянок. Совершенно в ином положении находятся пропашные культуры, выращиваемые широкорядно или квадратно-гнездовым способом (кукуруза, картофель, овощи), когда на 1м2 размещаются 2-6 растений.

Общее правило такое – чем больше выращивается растений на единице площади, тем меньше может быть площадь делянки!

Чтобы получить достоверные данные о продуктивности и урожайности этих культур оптимальный размер делянок (учетная площадь – Sуч.):

- для культур сплошного посева 50-100 м²

- для пропашных 100-200 м².

Делянки площадью менее 10 м² обычно применяют в опытах по селекции растений в целях экономии посевного материала; в многолетних опытах размеры делянок увеличивают до 300 – 500 м2.

Устанавливая площадь делянки, необходимо учитывать особенности почвенных условий, рельеф местности и другие причины, обусловливающие появление ошибок. В районах с выровненным рельефом и большими однородными по плодородию почвы участками (в условиях степной зоны, частично лесостепной) увеличение площади делянок может давать положительные результаты.

В регионах с холмисто-увалистым, бугристым рельефом и значительной пестротой почвенного плодородия (подтаежная и таежная зоны) при увеличении размеров делянок часть их будет выходить за пределы однородных участков и вследствие этого точность опыта понижается. Поэтому точность опыта здесь должна повышаться не за счет увеличения площади делянки, а с помощью других способов уменьшения ошибки – увеличении повторности, выбора рациональной формы делянки.

Таким образом, при планировании опыта следует стремиться к минимальному размеру делянок, обеспечивающему возможность проведения сельскохозяйственных работ и размещение достаточного числа растений для того, чтобы исключить влияние их индивидуальной изменчивости.

Учетная и посевная (общая площадь делянки – S_общ.)

Делянки в опытах являются единицами изучения – сравнения, т.е. вариантами. Поэтому делянки надо защищать от нежелательных влияний. При сплошной обработке опытов на границах смежных делянок постоянно происходит некоторый перенос почвы, а с ней и внесенных удобрений с одной делянки на другую. Кроме того, сами растения, расположенные по краю делянки, могут использовать питательные вещества не только со своей, но и с соседней. Поэтому по краям делянок, граничащих с лучше обеспеченными питательными веществами, всегда имеется полоса растений, развитых лучше, чем во внутренней части делянки.

Краевые растения, соприкасающиеся с засеянными дорожками по краю поля, также развиваются сильнее остальных растений, так как они дополнительно используют влагу и питательные вещества с этих дорожек и, кроме того, находятся в лучших условиях освещения. Влияние такого усиленного развития краевых растений на общий урожай с делянки тем сильнее, чем меньше ее площадь.

Для устранения такого влияния соседних делянок необходимо выделять продольные защитные полосы. Ширина этих полос по боковым (продольным) сторонам в опытах с пропашными культурами, имеющими широкие междурядья (70-90 см), равна ширине одного междурядья. Таким образом, в каждой делянке защитная полоса состоит из одного крайнего рядка растения. При ширине междурядья равного 50 см в защитные полосы выделяют не один, а два рядка. Защитные полосы в этом случае равны ширине двух междурядий. В опытах с культурами сплошного рядового посева защитные полосы устанавливают шириной 5-6 рядков (65-75 см). Следовательно, ширина продольных защитных полос должна изменяться в зависимости от ширины применяемого междурядья.

Качество обработки концевых частей (концевые защитные полосы) делянок всегда бывает хуже, чем в середине. Происходит это потому, что на концах делянок орудия поворачивают, включают и выключают рабочие части плугов, сеялок; плуги не сразу берут заданную глубину вспашки, а сеялки не сразу начинают высевать установленную норму семян, поэтому на концах делянок часто наблюдаются или недосевы или пересевы.

По концевым (поперечным) сторонам делянок, где заканчиваются рядки высеянных растений:

- концевые защитные полосы устанавливаются шириной 2м,

- в опытах с внесением удобрений, изучением предшественников, применением химических препаратов (фунгициды, гербициды, инсектициды) и обработками увеличивают до 3-5 м.

Кроме обозначенных защитных полос, следует выделять разворотную защитную полосу вокруг всего опыта. Ее необходимость обусловлена, заездов тракторов и сельскохозяйственных машин при вспашке, посеве, уходе за посевами и при уборке урожая. В связи с этим, ширина разворотной защитной полосы должна быть увеличена до размеров, обеспечивающих сохранность опытных посевов от таких заездов, она доводится до 10-20метров.

В делянках с защитными полосами необходимо различать общую (посевную) и учетную делянки. В посевную площадь входит делянка вместе с защитными полосами, а в учетную – только учитываемая площадь без защитных полос.

Рассмотрим пример расчета общей и учетной площади делянки занятой яровой пшеницей:

Устанавливают ширину и длину учетной делянки

Ширину делянки (h) определяют с учетом имеющейся в распоряжении с.-х. техники. В этом случае, h следует брать не менее 4 м, что дает возможность проводить механизированный посев и уборку урожая. Таким образом, при 4-х метровой ширине и общей площади учетной делянки 100 м2, длинная ее сторона составит 25 м.

Установка продольных и концевых защитных полос

Так как в примере рассматривается культура сплошного посева, то ширина продольной защитной полосы составит от 0,6 м до 1 м. В итоге, между двумя соседними делянками общая ширина защитной полосы будет равна от 1,2 м до 2 м (см. рис. 1).

Рис. 1. Опытная и учетная делянки и защитные полосы

Далее выделяется концевая защитная полоса по обеим сторонам делянки. Ее ширина составляет 2 м.

В опытах с орошением защитные полосы, отделяющие опытные делянки от постоянных оросителей, должны быть не уже 6-8 м. Если в опыте предусмотрены неполивные делянки, то их окаймляют боковыми защитными полосами шириной не менее 3 м. В опытах с дождеванием ширину боковых защитных полос увеличивают до 4-5 м и более с каждой стороны делянки, чтобы исключить перенос ветром водяных струй на соседние участки.

Ширину защитных полос и опытных делянок необходимо увеличивать при закладке опытов на почвах с близкими грунтовыми водами, чтобы устранить влияние подъема грунтовых вод в случае разновременного полива соседних делянок.

При поливе по бороздам длина их определяется размером посевных делянок, уклоном местности и водопроницаемостью почвы.

В большинстве случаев она не должна превышать 150 м, так как при более длинной борозде почва увлажняется неравномерно и образуются затопляемые места. На сильно проницаемых почвах борозды делают короче – около 100 м.

Борозды нарезают в междурядьях растений. Глубина и ширина их определяются шириной междурядий, нормой полива, длиной борозды и свойствами почвы. На почвах со слабой водопроницаемостью лучше делать более глубокие борозды, чтобы вода скорее достигла корней растений, а на почвах с большой водопроницаемостью целесообразно делать борозды средней глубины – до 15 см. Расстояние между поливными бороздами на легких почвах должно быть не больше 60-70 см, а на тяжелых почвах с преобладанием горизонтальной фильтрации оно может быть увеличено до 1 м.

Рассчитываем общую (посевную) площадь делянки. С учетом ширины продольных защитных полос, ширина делянки увеличивается до 6м (4 м + 1м + 1 м), а с учетом ширины концевых защитных полос длинная сторона делянки возрастает до 29 м (25 м + 2 м + 2 м). Таким образом, общая посевная площадь делянки составит: Sобщ = 29 м ? 6 м = 174 м2.

Форма и направление делянки

Точность опыта может быть повышена также за счет правильного выбора формы делянки. Говоря о форме делянки, имеют в виду отношение ее длины к ширине. Делянки называют:

квадратными при отношении сторон, равном 1 (10*10м или 5*5);

прямоугольными – при отношении длины к ширине больше 1, но меньше 10 (5*20 или 4*20);

удлиненными – при отношении более 10 (2,5*40 или 4*60).

Форма делянки определяется видом опыта, особенностями проводимых на нем сельскохозяйственных работ и должна обеспечивать удобство выполнения этих работ.

Наилучшую для данного участка форму делянки можно определить непосредственно, комбинируя данные дробного учета. При отсутствии этих материалов следует исходить из следующих соображений: удлиненная форма делянки обеспечивает большую точность опыта, так как чем длиннее делянка, тем полнее она охватывает пестроту плодородия земельного участка и обеспечивает лучшую сравнимость вариантов опыта. Особенно необходима удлиненная форма при наличии явно выраженного систематического изменения плодородия полевого участка, в каком-либо одном направлении. При этом делянки должны быть вытянуты в том направлении, в котором изменяются свойства почвы на участке. Так, закладывая опыт на склоне делянки обязательно должны быть, вытянуты вдоль склона, равномерно захватывая все его части. При наличии на участке каких-либо полос различного плодородия делянки должны располагаться поперек этих полос.

Удлиненная форма делянки необходима в опытах, требующих раздельного применения на делянках сельскохозяйственных орудий и машин. Это, прежде всего, опыты по изучению обработки почвы, способов посева, опыты по сортоиспытанию и при изучении сельскохозяйственных машин и орудий, с механизированным внесением удобрений. Таким образом, в зависимости от типа опытов (обработка почвы, удобрение, севообороты, сортоиспытание) применяют делянки, длина которых превышает ширину в 5, 25, 50 раз. Ширина делянки делается в этом случае равной или кратной ширине захвата сеялки. Для широкорядных и пропашных культур ширина делянок должна быть согласована с шириной междурядий. В случае кукурузы и подсолнечника берут делянки шириной 6 рядков при междурядьях 70 см; для сахарной свеклы 10 рядков при междурядьях 45 см, а ширина делянки должна быть равна ширине захвата сеялки.

Однако удлиненная форма делянки применима лишь на делянках достаточно крупного размера. Небольшие делянки при удлиненной форме получаются настолько узкими, что не допускают выделения достаточных защитных полос. Поэтому удлиненную форму следует применять лишь при величине не менее 50 м2. Более мелким делянкам выгоднее придавать форму, приближающуюся к квадрату, добиваясь необходимой точности опыта за счет увеличения повторности.

В опытах с небольшим числом вариантов (8-10) и размером делянок около 100 м2 достаточно высокая точность получается и при прямоугольных и квадратных делянках.

Квадратная форма делянки предпочтительнее прямоугольной и удлиненной в опытах, где смежные варианты могут сильно влиять друг на друга. В связи с этим необходимо выделять большие боковые защитные полосы, чтобы устранить возможные искажения урожая. Искажения могут возникнуть в результате перемещения почвы с внесенными в нее удобрениями; с одной соседней делянки на другую во время обработки почвы; либо сноситься ветром. В этих случаях преимущество в экономии опытной полезной площади, безусловно, принадлежит делянкам квадратной формы.

При изучении химических средств борьбы с болезнями и вредителями необходимо иметь в виду, что из центра делянки квадратной формы вредителям и грибам труднее мигрировать на соседние делянки, так как путь их длиннее, чем из центра прямоугольной и удлиненной делянки.

Установление числа повторностей. Наиболее действенным средством повышения точности является введение нескольких повторных делянок (повторностей) для каждого варианта опыта. Повторные делянки можно рассматривать как части одной более крупной делянки, размещенные в различных местах опытного участка.

Экспериментальные данные показывают, что при увеличении числа повторностей (при 4-6 кратной) точность опыта нарастает быстрее, чем при увеличении площади делянки. Дальнейшее увеличение числа повторностей нецелесообразно, так как объем работ при этом возрастает, а уменьшение ошибки опыта незначительное.

Повторность опыта определяется изменчивостью плодородия опытного участка и заданной величиной ошибки опыта. Поэтому при планировании исследований требуемую ошибку опыта определяют заранее, еще до закладки и проведения опыта, привлекая данные дробного учета урожая рекогносцировочных посевов. Для этого в качестве критерия изменчивости урожая используют стандартное отклонение. Необходимое количество повторений можно вычислить, если известен коэффициент вариации (V, %) и относительная ошибка (SX,%) полевого опыта:

n = (V/S_X)².

Или, известны стандартное отклонение (s) и ошибка средней (S_X):

n = (s/S_X)²

Причем, число повторностей прямо пропорционально коэффициенту вариации и находится в обратной зависимости от ошибки опыта. Точность опыта (допустимая величина ошибки), в свою очередь, определяется масштабом тех различий между вариантами, которые предполагается получить в опыте. Этот факт следует учитывать при постановке исследований.

Необходимо учитывать, что двукратная повторность не дает возможности, судить какой, из результатов находится ближе к истинной средней величине. Только при числе повторений больше двух можно отличить повторения, колеблющиеся около средней арифметической величины, от резких случайных отклонений.

Учитывая, что точность опыта при увеличении повторности нарастает быстрее, чем при увеличении площади делянки, то применяя малые делянки, но с большой повторностью, можно добиться большей точности при меньшей площади под опытами. Это способствует, во-первых, повышению точности, во-вторых, дает возможность при обработке данных пользоваться методами вариационной статистики.

В практике опытных учреждений, при делянках площадью 50-100 м² и выше удовлетворительной считается четырехкратная повторность. При площади делянок 20-50 м2 следует иметь шести-восьми кратную повторность. Меньшей величиной повторности можно пользоваться только в условиях степной зоны.

Методы размещения вариантов в опыте

Для правильного решения тех или иных вопросов в полевом опыте и получения достоверных результатов большое значение имеет способ размещения делянок на опытном участке. Метод расположения делянок в опыте должен обеспечить наибольший охват каждым вариантом пестроты почвенного плодородия опытного участка. Соблюдение этого требования способствует созданию условий сравнимости между вариантами и обеспечивает большую типичность, достоверность результатов и наименьшую ошибку опыта.

Выбор метода размещения вариантов в полевом опыте зависит от многих факторов – от числа вариантов в схеме, технических условий постановки и проведения опыта, общей площади участка и особенно от неоднородности его почвенного плодородия.

Нужно четко представлять всю сложность конкретной обстановки и хорошо знать основные закономерности территориальной изменчивости плодородия почвы, поскольку именно они являются основой для методов размещения вариантов на опытном участке.

При размещении вариантов опыта (делянок) на территории опытного участка используют три группы методов:

1) Стандартный;

2) Систематический;

3) Рендомизированный (случайный)

В зависимости от конфигурации и микрорельефа опытного участка, а также сложности схемы эксперимента опытные делянки располагают по одному из разработанных методов в опытном деле.

Стандартный метод размещения вариантов зародился и разработан на опытных станциях в России и Норвегии. Стандарт - с англ., означает «мерило». В отношении полевого опыта стандартный метод назван так, потому, что эффективность того или иного приема или сорта измеряется одним и тем же мерилом, т.е. стандартом. Для этого рядом с каждой делянкой либо через две размещают контрольный вариант (стандарт). В полевых опытах контролем называют тот вариант, с которым сравнивают изучаемые варианты. Поэтому, для каждой опытной делянки сравнение осуществляется со своим контролем. Таким сравнением или оценкой стремятся устранить влияние пестроты почвенного плодородия. Стандартные методы основаны на том, что плодородие участка изменяется в пределах опыта постепенно, а между исходными урожаями ближайших делянок наблюдается корреляционная зависимость. В связи с этим данный метод размещения вариантов применяют на опытных участках с закономерным варьированием плодородия почвы.

Стандартный метод является целесообразным приемом оценки на первых ступенях селекционной работы при выведении сорта, в питомниках и при предварительных испытаниях, когда имеют дело с очень ограниченным количеством семян для посева и невозможно воспользоваться нужной величиной и формой делянок (рис. 2).

Рис. 2. Стандартный метод размещения

При систематическом методе опытные варианты располагают на делянках внутри повторений в определенной последовательности. Данный метод предполагает несколько способов размещения вариантов. В настоящее время широко применяются:

последовательное размещение вариантов в один ярус, и

шахматное, при расположении повторений в несколько ярусов.

Наиболее простым является последовательное расположение делянок в один ярус. Варианты на делянках располагаются в той последовательности, которая заранее установлена исследователем на основании организационно-технических причин – удобства обработки почвы, внесения удобрений, посева, ухода, уборки. Так, например, если в первом повторении варианты опыта располагались в порядке 1, 2, 3, 4, 5, то такой же порядок размещения вариантов должен сохраняться во всех остальных повторениях (рис. 3).

Рис. 3. Последовательный систематический метод размещения

При шахматном размещении порядок следования вариантов в повторениях разных ярусов сдвигается (рис. 4). Чтобы определить число делянок, на которые необходимо сдвинуть размещение вариантов в последующих ярусах, количество вариантов опыта делят на число ярусов. Например, при шести вариантах и трехъярусном расположении повторений делянки во втором ярусе следует сдвинуть на 2 номера, а при двухъярусном – на три номера.

Рис. 4. Шахматный систематический метод размещения

Случайное (рендомизированное) размещение делянок. Этот способ размещения обосновывается тем, что случайное размещение делянок лучше охватывает пестроту участка и тем, что методы математической статистики применимы в полной мере к случайным явлениям. Поэтому статистическую обработку результатов опыта можно применять наиболее обоснованно при случайном расположении вариантов в пространстве.

Рендомизированное размещение вариантов предусматривает случайное расположение их на делянках каждого повторения. В практике опытного дела наиболее распространенными считают метод латинского квадрата и латинского прямоугольника.

Расположение вариантов по методу латинского квадрата при соответствующей обработке результатов опыта позволяет исключить изменение плодородия почвы в двух направлениях. Эта система расположения делянок может быть применена лишь при небольшом числе вариантов, причем число повторений должно обязательно равняться числу вариантов (4*4, 5*5, 6*6). На площади участка их располагают рядами и столбцами. В каждом ряду и столбце должен быть полный набор всех вариантов (при этом ни один из вариантов не должен повторяться дважды ни в ряду, ни в столбце). Делянки могут быть квадратными или с длиной, несколько большей их ширины. Одним из главных недостатков метода является требование, чтобы число вариантов и повторений было равным.

В случае, когда число вариантов более 8, применяют метод латинского прямоугольника. Эта система размещения вариантов предполагает, чтобы число вариантов было кратно числу повторений. Так, при трехкратной повторности эти методом можно разместить опыт с 6, 9, 12 вариантами, а при четырехкратной – с 8, 12,16 вариантами.

Частное от деления числа вариантов на число повторностей, показывает, на сколько делянок следует расщепить каждый вертикальный столбец соответствующего латинского квадрата. Следует помнить, что варианты по делянкам необходимо располагать случайно с таким расчетом, чтобы ряды и столбцы имели полный набор всех вариантов. Это устраняет влияние систематического варьирования плодородия почвы в двух перпендикулярных направлениях и путем математической обработки позволяет снизить ошибку эксперимента.

Задания по теме « Основные элементы методики полевого опыта»

Для выполнения данного задания необходимо использовать информацию из опытов, выбранных ранее (задание №1).

Опираясь на материалы теоретической части вам необходимо определить:

- Площадь и форму делянок;

- Число повторностей;

- Направление их размещения;

- Метод расположения вариантов на территории опытного участка;

Сформулировать обоснование выбранных элементов методики.