药用植物栽培田间试验设计

【目的要求】　田间试验是科学实验的主要形式。根据试验研究思路和研究目的，通过进行田间试验，观察药用植物生长中外界生态环境变化与作物本身生理变化的关系，摸索药用植物的生长发育及其与环境条件关系的规律，学习并掌握常用的田间试验设计方法。

【田间试验的设计原理】　田间试验是在人为控制条件下，在田间研究药用植物的生长发育及其与生态环境条件关系，找出药用植物的生长发育规律，通过人为的控制措施达到提高药用植物产量和改善品质的目的，使药用植物更好地服务于人类。为了控制试验过程中的土壤差异，降低试验误差，在田间试验设计中要遵照以下3个基本原则：

1．设置重复　田间试验中同一处理种植的小区数即为重复次数。如每一处理种植一个小区，则为一次重复；如每一处理只有两个小区，称为两次重复，一般田间试验需要3～4次重复。

重复的主要作用是估计试验误差。试验误差是客观存在的，但只能由同一处理的几个小区间的差异估计得到。同一处理有了2次以上重复，就可以从这些重复小区之间的产量（或其他性状）的差异估计误差。如果试验的各处理只种一个小区，则同一处理将只有一个数值，无从求得差异，亦就无法估计误差。

设置重复的另一主要作用是降低试验误差，因而可提高试验的精确度。在统计分析中，标准误与标准差的关系是：

即误差的大小是与重复次数的平方根成反比的。故重复多，则误差小，有4次重复的试验，其误差将只有一次重复的同类试验的一半。此外，通过重复也能更精确地估计处理效应。因为单一小区所得的数值易受特别高或低的土壤肥力的影响，多次重复所估计的处理效应比单个数值更为可靠，使处理间的比较更为有效。

2．随机排列　随机排列是指一个重复中的某一处理如何安排，不要有主观成见。设置重复固然提供了估计误差的条件，但是，为了获得无偏的试验误差估计值，也就是误差的估计值不夸大和不偏低，则要求试验中的每一处理都有同等的机会设置在任何一个试验小区上。随机排列能够满足这个要求。因此，用随机排列与重复结合，试验就能提供无偏的试验误差估计值。进行随机排列，可用抽签法或随机数字表。

3．局部控制　局部控制就是分范围分地段地控制非处理因素，使对各处理的影响趋向于最大限度的一致；因为在较小地段内，影响误差因素的一致性较易控制，这是降低误差的重要手段之一。田间试验设置重复能有效地降低误差，但是根据土壤差异通常所表现的邻近区肥力比较相似的特点，如试验田增大，土壤差异亦要随之增大。因此，增加了重复，由于相应增加了试验田的面积，必然会增大土壤差异。如果同一处理的各个重复小区完全随机种植则由于土壤差异的增大，重复的增加将不能最有效地降低误差。为了克服这种困难，可将试验田按重复次数或处理数目划分小区，一个小区安排一个药用植物的不同品种或处理。由于每一重复（即区组）的不同处理设置在较小面积的试验田而相邻在一起，处理间的差异就较少受土壤差异影响，而受土壤差异影响较大的区组间的差别则可以应用适当的统计方法予以分开。因此，能影响试验误差的只是限于区组内较小块地段的土壤差异，而与增加重复因而扩大试验田而可能增大的土壤差异无关。这种布置就是田间试验的“局部控制”原则。

采用上述3个基本原则而作出的药用植物的田间试验设计，配合应用适当的统计分析，就既能准确地估计试验处理效应，又能获得无偏的、最小的试验误差估计，因而对于所要进行的药用植物试验各处理间的比较能作出可靠的结论。

选择田间试验地块要有代表性，能够代表研究区域的土壤与生态环境。所获得的试验结果要精确，在试验设计中，特别是因子试验，如试验小区面积、形状、田间排列方式、边行影响、重复次数与对照区的设置等都是提高试验精确性的途径，田间试验小区排列要体现随机性，以便统计分析试验结果，从样本中找出规律，作出正确的结论。通过正确的田间小区试验设计，可减少土壤差异引起的试验误差，获得研究需要的试验结果。

【实验材料与仪器设备】　田间试验需要的地块要能够代表当地的土壤类型，土壤肥力条件均匀一致，反映当地的土壤肥力水平，选择的试验地块种植前茬作物要一样，在安排试验之前，有采样分析试验地块的土壤肥力基础，以便排除因土壤肥力的不足影响试验研究结果。

试验地在进行区划之前，应做好充分准备，以保证各处理有较为一致的环境条件。试验地应按试验要求均匀施用基肥。厩肥必须是充分腐熟并充分混合的；施用时最好采用分格分量的方法，以达到均匀施肥。总之要尽力设法避免施基肥不当而造成土壤肥力上的差异。

试验地在犁地、耙地时要求做到犁耕深度一致，耙匀耙平。犁地的方向应与将来作为小区长边的方向垂直，使每一重复内各小区的耕作情况最为相似。犁地、耙地工作应延伸到将来试验区边界外几尺，使试验范围内的耕层相似。

根据试验研究的要求，在试验前准备试验中观察记载和试验中的测定仪器。

【内容与方法】

1．确定试验方案

（1）拟定方案时，首先应根据对试验提出问题的多少而决定用简单的或复杂的方案。例如进行黄芪品种比较试验，评定若干不同品种的丰产性，可用单因素方案。如果试验要包括品种与施氮量2个因素，就需较复杂的方案。如确定施氮量为每666．7m2施用氮肥2．5kg、5kg、15kg　3个水平，以N1、N2、N3表示，品种也有3个，以V1、V2、V3表示，则按均衡方案共有3× 3＝9个处理组合（V1N1，V1N2，V1N3，V2N1，V2N2，V2N3，V3N1，V3N2，V3N3，）。根据试验任务的要求，也可以有更复杂的方案。如在上述方案中，还要加入种植密度因素的3个水平D1、 D2、D3，以研究不同品种对不同密度和不同施氮量的反应以及品种、密度、施氮量间的交互作用，则均衡方案就要有3×3×3＝27个处理组合（V1N1D1，V1N1D2，V1N1D3，V1N2D1，V1N2D2，V1N2D3，V1N3D1，V1N3D2，V1N3D3，V2N1D1，V2N1D2，V2N1D3，V2N2D1，V2N2D2，V2N2D3，V2N3D1，V2N3D2，V2N3D3，V3N1D1，V3N1D2，V3N1D3，V3N2D1，V3N2D2，V3N2D3，V3N3D1，V3N3D2，V3N3D3），处理数目太多。所以应注意，凡可以用简单方案的试验，不要用复杂方案；必须采用复杂方案时，要考虑做到不要过于复杂，以免对试验设计、统计分析和结果解释带来一定的困难。

（2）试验方案中的处理水平应力求简明，水平间的差异须适当，使处理的效应容易表现。如在施肥量试验中，如果各个施用量水平相差过小，就难于得出有指导性的结果，各水平的反应也难于表现显著差异，亦不易找出最有效和最高限的施肥量。又如，单纯的探索性试验，如在某种土壤上探索磷肥有无效应，则只要不施磷与施磷两个处理即已足够。如果施磷有效应，需要作进一步的试验以研究施磷反应曲线的性质以及经济效益时，则最少需要3个水平。而水平间有相等的间距，可便于分析试验结果。

（3）试验方案中应包括作为比较标准的处理，这个处理称作对照。如黄芪品种对比试验，若无对照同时进行试验，某一品种即使表现出高产性状，也无法判明其丰产性究竟是遗传型优良还是由于栽培条件优越；如认为这个品种比原来的黄芪好，亦难以有说服力。

（4）在拟定试验方案时，必须在所比较的处理之间应用单一差异的原则。这是指在进行处理比较时，其区别仅在于某一因素水平之间，所有其他条件应当完全一致。这在一般情况下易于作出正确的方案，但有时亦可由于对研究的问题不够明确以致未能作出完全的方案。例如进行丹参品种比较试验时，可能各品种在株高等形态上有较大差异而要求不同的株行距，因而感到难于应用单一差异的原则。但是，在不同品种的单因素试验中，如采用不同的株行距，则将对试验结果的分析产生困难。这种对栽培技术上有显著不同要求的品种最好能分组进行试验；如一定要在同一试验中进行比较，应当采用多因素试验。又例如拟定叶面喷施磷肥的试验方案，只包括喷施与不喷施磷肥中，肥料本身有作用，溶解肥料的水亦可能有影响。如果喷施有效果，只能表示叶面喷施液体磷肥有效果，但不能知道磷肥或清水各有多少作用。因此，如果研究的目的只是要明确叶面喷施磷肥是否有效，则两个处理的方案是完全的；如果试验的目的是要明确磷肥的作用，那么上一方案就是不完全的。正确的方案应该包括3个处理：①不喷施（对照）；②用溶解肥料同样多的水喷施；③喷施磷肥溶液。

（5）着手制订试验方案时，应在某种程度上对预期的试验结果有一些概念。因此，应查阅国内外文献，收集有关研究资料，请教有经验的技术员和种植户，进行研究讨论，使方案内的处理有其科学依据及必要性。这样就能更好地、更有把握地完成试验研究的任务。

2．田间试验的布置与管理　在明确了试验的目的要求、拟定了试验方案并进行了试验设计后，接着就应做好田间试验的布置与管理。这方面的主要内容是正确地、及时地把试验的各处理按要求布置到试验田块，并正确贯彻执行对试验田的各项田间管理和观察记载，以保证田间供试作物的正常生长，掌握生长过程中的发展动态、获得可靠的最后产量和试验结果。

在技术操作方面，田间试验的布置和管理应基本上与药用植物栽培所采取的措施相似，但是有一突出的特点，就是必须注意控制误差。在田间试验的整个过程中，技术操作的不一致所引起的差异是造成试验误差的一个来源，控制误差就是要求在试验的布置和管理的各项有关技术方面尽可能一致，从而减少试验误差。为了达到这个目的，总的要求就是必须贯彻以区组为单位的局部控制原则。在同一区组内的各种田间管理、工具、方法、数量、质量等都要力求相同。在观察记载方面亦有同样要求，对观察时间、标准、工具以及观察人员等都要相同。

在进行田间试验之前，必须制订试验计划，明确规定试验要达到的目的、试验过程中的要求、采用的方法以及各项技术措施的规格要求，确定田间试验计划的内容，以便试验的各项工作按计划进行和便于在进程中检查执行情况，保证试验任务的完成。田间试验计划一般包含以下项目：①试验名称；②试验目的及其依据，包括现有的研究成果、发展趋势和存在问题，以及预期的试验效果；③试验需要的年限和地点；④试验地的土壤、地势等基本情况和轮作方式及前作状况；⑤试验处理方案；⑥试验设计，包括小区排列、重复次数等；⑦整地播种及田间管理措施；⑧田间观察记载和室内分析测定项目及方法；⑨试验资料的统计分析方法和要求；⑩收获计产方法和取样方法；试验需要的土地面积、需要经费、人力及主要仪器设备；计划书编制人及执行人。

制订试验计划书后，还要编制田间种植计划书，目的是为把试验处理种植到大田做好准备，并可作为试验记载簿之用。肥料、栽培、品种比较等试验的种植计划书一般比较简单，内容只包括处理种类（或代号）、种植区号（或行号）、田间记载项目等；药用植物育种工作各阶段（除品种比较）的试验，则由于材料较多，而试验是多年继续的，一般应包括今年种植区号（或行号）、去年种植区号（或行号）、品种或品系。

不论哪种试验，都应按其应包括的项目依上述次序划出表格。材料较多时，为了避免编写区号时发生遗漏或重复，可用打号机顺次登记区号。

试验计划书是十分重要的，应该备有复本，一本计划书可用于田间种植，并绘有田间种植排列图，以后又经常用来观察记载。这些以后都应抄写在另一份种植计划书上，存档妥善保管。

田间种植图应在试验布置到田间后绘下，附于试验计划书前面。

试验地准备工作初步完成后，即可按田间试验设计与种植计划进行试验地区划。通常可先计算好整个试验区的总长度和总宽度，然后再划分重复、小区、走道和保护行等。在不方整的田地里设置试验时，整个试验地的边界线先要拉直，不能简单采用与田畦（或地边）平行的方法，否则试验区可能不成方形或长方形，面积就不准确了。为使试验区形状方整，可先在试验地的一角用木桩定点，用绳索把试验区的一边固定，再在定点处按照勾股弦定律划出一直角。在此直角处另拉一根绳，即为试验区，然后可按试验设计要求和田间种植计划去规划重复、小区、走道、保护行等，最终绘制出田间布置图，其准确度要达到实际布置试验时可完全依循它进行操作。

田间排列是确定区组和小区的排列组合关系和组合方式，常用的试验设计方法有多种，这里主要介绍顺序设计、随机区组设计法和正交设计法。

（1）常用试验小区的田间排列：试验小区排列也称为试验小区的设计。只有对试验小区进行合理的排列组合才能降低试验误差和估计试验误差。排列是指在同一区组内对各处理小区的在田间的排列位置。常用试验小区的排列方法有顺序排列法、随机区组排列法。

①顺序排列法：顺序排列法根据试验的目的可以再分为对比法和间比法。

a．对比法：适合单因子试验，例如要进行同一种药用植物的不同品种（或不同产地）的比较试验，比较不同品种或不同产地的药用作物的生物学特性，如抗病性、早熟性或品质等，就可以采用这种方法。但这种方法对于结果不能进行数理统计学的处理，难以说明产量与品种的关系。因此主要用于品种数量较少的比较试验或示范性试验。具体的排列方法是把每一个试验品种直接排列在对照区旁边，即每隔2个试验品种设立一个对照区。这样每一个试验小区都可以和其相邻的对照区进行比较。因此称为对比法。例如有4个品种的试验，可以按图2－1排列。再如有8个品种3次重复则可以按图2－2排列。

图2－1　4个品种试验田间小区排列图

图2－2　8个品种试验田间小区排列图

这里需要说明是1、2、3次重复时，不同重复内的小区不能排列在同一直线上，而应该错开，不能像图2－3这种排列。

图2－3　8个品种试验小区错误排列图

b．间比法：对于不同地区同一种药用作物不同品种或同一种药用作物在不同产地的种子做试验时，往往会搜集到十多个甚至几十个样品，这样试验小区的数目就会很多。如果还是采用上述的对比法时，对照组会过多，此时我们可以采用间比法设计。这种设计是在一个条形地块上，设立了试验小区。此时排列在第一位和最末位的一定应该是对照组。在每2个对照组之间可以设立4个试验小区。一般可以重复2～4次。在进行重复排列时，可以采用逆向式。即第一重复和第二重复方向相反，如图2－4所示。

在试验结果分析时，是假定在两个对照区中的4个处理小区的土壤肥力是递增或递减的，由于这种想法与实际的土壤肥力差异局部有不少出入，这种设计主要用在种子量少、小区小而品种多的试验中。

②随机区组排列法：在药用植物田间试验研究中，除品种对比试验外，有时还需要进行药用植物其他特性的试验，如药用植物的需肥规律、综合农艺措施对药用植物产量和品质的影响等，特别是不同处理方法最后的结果以产量作为最终目标时，上述方法就显得不足，而且不适应生物统计分析原理，不能进行生物统计分析，此时就可以采取随机区组排列法。

图2－4　20个品种次重复间比法排列（逆向式）

随机区组设计主要是将部分的土壤变异分区而减少试验机会误差（简称“机误”）变量。设计方法是按所预试的重复数分为若干小区。每一小区种植一个品种或一个处理。随机区组排列有一种区域的限制，即每一个品种或每一处理在一区组内得发现一次。此外，纯用随机法排列，目的在于减少机误差异或变量。各区组的土壤虽有差异，但这种差异对品种间的变量毫无影响，因每品种都有同等机会分布于各区组而同样受该区组影响。区组方位确定后，可用抽签或查随机表的方法实现区组内不同处理小区排列的随机化。随机表的特点是数字在纵横两个方向上都是随机排列的，因而可以从表中任何一行或一列起，顺序抽取2位或3位随机数字，依数字大小顺序编号，并与处理号相对应，确定各处理在区组的位置。如图2－5有3个重复，5个处理可在随机表任意选定3组3位随机数，以大小序数作为处理号，于是列出下列随机数组：

图2－5　5个处理3个重复试验的随机田间排列

该组数字第4行有2个（4）号，即同号处理，为了避免可能造成的土壤系统误差，可将第3列的（2）、（4）对调，于是得出图2－6的小区排列设计方案。

图2－6　控制土壤肥力变化的随机区组设计

完全随机区组设计在田间试验中应用最为广泛。其主要优点是设计简单，重复数与区组数相同。根据土壤变异情况，不同区组可以组合在一起，也可以彼此分开，相当灵活。处理数的多少也比较灵活，但一般不超过10个，处理太多难以局部控制。由于该设计只能控制一个方向的土壤系统误差，所需要对土壤变化规律事先有初步了解，以便在设计时确定小区和区组的组合方式。

（2）正交试验设计

试验原理：正交设计是采用固定的正交表确定试验方案的一种设计方法，其主要目的是解决多因素试验中由于处理数太多而产生的试验因素与区组效应的混杂问题。如果在进行田间试验时要考虑多个因素（如施肥、灌溉、品种等），而每个因素又有不同的处理水平，简单的全因素试验处理太多，难以在田间进行。那么就需要考虑采用更加有效的试验设计来安排试验。

例如：在一个丹参生产基地，为了提高丹参的产量和改善品质，根据已有的研究资料和实践经验，设计了采用不同种植密度、不同的施肥量和不同的采挖次数3个因素来研究各个因素对丹参产量和品质的作用，而每个因素又有不同的水平，种植密度设3个水平、施肥量设3个水平、采挖次数设3个时期，如果将这些因素和水平完全组合进行试验，就必须做33＝27个试验处理的试验，这种试验叫做“完全试验法”。通过“完全试验法”我们可以选出最佳方案。但由于试验次数多，在人力物力上都消耗很大。如果有6个因素，每个因素取5个水平的话，那么试验处理就有56＝15　625，这在现实中显然难以做到。为了达到既可以减少试验处理数，又能达到完全试验法的预期效果，人们寻找出了一种试验方法，即“正交试验设计法”。

所谓“正交试验设计法”是利用已经制作的规格化表——正交表来安排试验。“正交表”是人们事先设计好的表格。利用它可以合理地安排试验，同时也作为数据进行统计分析的重要工具。例如，为了安排4个因素，3个水平的试验，一般是利用L9（34）正交表（表2－21）。L9（34）符号的含意，L代表正交表，9代表要进行的试验处理数，括号内的指数4表示可以安排的最多因素数，括号内的3表示因素的水平数。因此L9（34）可以读作四个因素三水平九个处理试验的正交表。

表2－21　L9（34）正交表