試論生物統(tǒng)計在農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗中的應(yīng)用

郝嘉琪

摘 要：生物統(tǒng)計是數(shù)理統(tǒng)計在生物中的應(yīng)用，尤其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著日益重要的作用。文章對生物統(tǒng)計與農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗的聯(lián)系，以及在農(nóng)業(yè)試驗中的分析、應(yīng)用和數(shù)據(jù)的處理等方面進行了論述。

關(guān)鍵詞：生物統(tǒng)計 農(nóng)業(yè) 試驗設(shè)計 應(yīng)用

中圖分類號：F32

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4914（2017）06-224-02

一、生物統(tǒng)計學(xué)概況

生物統(tǒng)計學(xué)是建立在數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合生物科學(xué)的基本原理，利用數(shù)據(jù)分析解釋生物的各種現(xiàn)象，從而興起的一門交叉性學(xué)科。早在1889年《自然的遺傳》一書中就提及“相關(guān)”、“回歸”等有關(guān)統(tǒng)計的概念。從記錄統(tǒng)計學(xué)開始，經(jīng)過描述統(tǒng)計學(xué)，一直發(fā)展到現(xiàn)在的推斷統(tǒng)計學(xué)，生物統(tǒng)計學(xué)逐漸發(fā)展了起來。隨著社會的進步和科技的發(fā)展，生物統(tǒng)計在植物界如農(nóng)業(yè)、林業(yè)，動物界如養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)，微生物界如發(fā)酵產(chǎn)業(yè)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域均有很大的影響力，甚至在人類疾病及遺傳等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要性也愈加顯著。

世間萬物都是相互聯(lián)系的，運用生物統(tǒng)計可研究其相互之間的關(guān)系以預(yù)測其活動規(guī)律。目前，許多國家的相關(guān)大學(xué)都開設(shè)生物統(tǒng)計科目，主要講授方差分析、回歸分析、簡單矩陣等課程，以及生物統(tǒng)計在植物育種、作物栽培、作物生產(chǎn)、農(nóng)林經(jīng)濟管理、養(yǎng)殖業(yè)等方面的應(yīng)用，還有如何利用電腦軟件整理、分析相關(guān)數(shù)據(jù)等內(nèi)容{1}。

二、農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗的過程

生物科學(xué)研究，尤其農(nóng)業(yè)科學(xué)研究是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，為了提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量、減少田間害蟲群體的數(shù)量、合理施用農(nóng)藥化肥等方面，需要提前對試驗進行正確、科學(xué)且周密的設(shè)計，從而達到預(yù)期的效果。

對于農(nóng)業(yè)科學(xué)中的各項研究，大部分都需要經(jīng)過若干年的試驗周期，而且還必須選擇多個地方進行，從而使研究的結(jié)果趨于平均化，最后得到具有代表性的結(jié)論。這些試驗都要運用到“八性”統(tǒng)計思維中的隨機性、概括性與代表性等理論{2}，在試驗過程中搜集、調(diào)查得來的數(shù)據(jù)再做進一步的統(tǒng)計分析、處理，從而得出適宜于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的有效結(jié)論。

三、統(tǒng)計與科學(xué)試驗的關(guān)系

試驗所得數(shù)據(jù)只是所有研究對象的一部分，具有變異性，同時觀察的數(shù)據(jù)也可能存在誤差，如果直接將其應(yīng)用于生產(chǎn)中必定會帶來難以估計的嚴(yán)重后果。而生物統(tǒng)計能在部分個體的基礎(chǔ)上，推斷出總體的相關(guān)參數(shù)，為農(nóng)業(yè)人員提供理論依據(jù)，有效解決生產(chǎn)中存在的疑難問題。生物統(tǒng)計是農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗的理論基礎(chǔ)，而良好的科學(xué)試驗設(shè)計可以為統(tǒng)計推斷帶來準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源。

一是生物統(tǒng)計能將試驗調(diào)查的數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、條理化，從而便于分析研究；二是生物統(tǒng)計能夠分析出農(nóng)業(yè)試驗各變量間的相關(guān)性；三是生物統(tǒng)計是科學(xué)試驗方案的原則與依據(jù)。生物統(tǒng)計和科學(xué)試驗二者之間相輔相成，將其相互結(jié)合必然成為今后農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的理論指導(dǎo)體系。

四、生物統(tǒng)計分析

（一）推斷統(tǒng)計

推斷統(tǒng)計是由樣本統(tǒng)計量推斷總體參數(shù)的統(tǒng)計方法，可分為總體的假設(shè)性檢驗和總體的參數(shù)估計兩部分。

1.總體的假設(shè)性檢驗。研究的總體是無限的，而有限的樣本可以推斷出總體是否滿足所研究的問題。例如：農(nóng)業(yè)科學(xué)中經(jīng)常涉及肥料品種對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量影響的研究，施用肥料的面積是有限的，此時就可以運用推斷統(tǒng)計的總體假設(shè)性檢驗，對施用不同品種肥料的產(chǎn)量進行收集、整理、分析，做進一步的推斷。而推斷需要對總體做出假設(shè)，首先，假設(shè)幾個總體參數(shù)之間或總體參數(shù)與一個確定值是相等的，此為無效假設(shè)；其次，做出對應(yīng)于無效假設(shè)即相等關(guān)系的備擇假設(shè)，也就是互不相等關(guān)系，并確定顯著水平。對于上例，無效假設(shè)為施用不同肥料對產(chǎn)量的影響沒有顯著差異。之后，認為無效假設(shè)是正確的，計算其概率并與顯著水平比較，比較過程中，規(guī)定小概率事件在實際中是不可能發(fā)生的，由此判斷是否接受無效假設(shè)。若上述例子中計算得到的概率小于顯著水平，認為不可能發(fā)生，則否定無效假設(shè)，即不同品種肥料對產(chǎn)量的多少有顯著影響。

2.總體的參數(shù)估計。在農(nóng)業(yè)研究中，需要對新引進品種的種子千粒重、發(fā)芽率、肥料利用率等問題進行一個區(qū)間范圍的估計。由樣本的調(diào)查結(jié)果預(yù)測總體相關(guān)參數(shù)在符合一個特定概率時的區(qū)間，便于挑選優(yōu)良品種，有針對性地投入生產(chǎn)，達到省時省力的作用。

（二）方差分析與回歸、相關(guān)分析

1.方差分析與田間試驗。方差分析適用于存在多種處理、多個重復(fù)的試驗中，其基本方法為計算多個處理觀察值的偏差平方和（SST）及其自由度（fT），再分解為多種影響因子的偏差平方和（SSA、SSe）與自由度（fA、fe），從而計算相關(guān)統(tǒng)計量（F0），在顯著水平下做出統(tǒng)計推斷，并列出方差分析表，直觀表明所研究問題的顯著性。例如：分別用多種不同的藥劑處理小麥種子，比較苗高，檢驗藥劑的品種對小麥苗高影響有無顯著性差異。此研究中的變異來源為藥劑不同品種間引起的變異，以及試驗誤差引起的變異。通過方差分析表可看出藥劑的品種對苗高是否有影響，哪種藥劑更有利于種子生長。

田間試驗中，由于同一塊試驗地的各個區(qū)域存在不同的自然環(huán)境，如土壤肥力、鹽堿性、水分等，且需要設(shè)置多個重復(fù)，因此將試驗地隨機劃分為多個小區(qū)，每個小區(qū)的處理各異，這種設(shè)計方法叫做隨機區(qū)組法。例如：對小麥6個品種（1-6）進行比較，每種重復(fù)3次（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），設(shè)計的田間排列如下：

而有些田間試驗中，由于條件的限制，所有處理不能完全在小區(qū)內(nèi)隨機排列，這時就可以將小區(qū)劃分為不同的級別：主級小區(qū)與次級小區(qū)。需要大片土地的處理作為主級小區(qū)，其內(nèi)包含剩余處理的各個水平。如有A1、A2兩個玉米品種，B1、B2、B3三個水平的施肥量，重復(fù)試驗2次（Ⅰ、Ⅱ），設(shè)計的田間排列如下圖。這種設(shè)計能有效地利用試驗地與材料，節(jié)省資源且實施方便。方差分析需要對主因素即玉米品種間、副因素即施肥量水平間、主副因素間的互作效應(yīng)進行差異顯著性檢驗。

2.回歸、相關(guān)分析與試驗結(jié)論。統(tǒng)計學(xué)中的關(guān)系有因果關(guān)系與平行關(guān)系兩種。施肥量與作物產(chǎn)量間是因果關(guān)系，研究因果兩者之間的關(guān)聯(lián)程度叫回歸分析，而施肥量與種植密度間就為平行關(guān)系，共同決定產(chǎn)量，關(guān)于平行關(guān)系間密切程度的探討就是相關(guān)分析。為了使結(jié)果更加明顯，通常建立直線回歸模型并計算相關(guān)系數(shù)來表達各因素間的聯(lián)系。利用以上方法便于研究者對日后的農(nóng)事勞作進行預(yù)測，并制定出一系列的優(yōu)良決策。

五、生物統(tǒng)計在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)科學(xué)從過去的定性研究到現(xiàn)在逐漸趨向于定量化研究{3}，這一過程中不可缺少的是數(shù)學(xué)工具。生物與數(shù)學(xué)相互融合產(chǎn)生的生物統(tǒng)計學(xué)在農(nóng)業(yè)科學(xué)的多方面研究中發(fā)揮著巨大作用。

為了提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與產(chǎn)量，我國新引進多種糧食品種。但新品種適宜在什么樣的環(huán)境下生長、利于作物生長的肥料品種以及施肥量的多少等問題都需要事先用生物統(tǒng)計學(xué)進行分析研究。除此之外，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的各種害蟲、雜草的生長也會對作物產(chǎn)生不利的影響，農(nóng)業(yè)勞作者一般通過簡單噴灑農(nóng)藥的方法來控制。而施用何種農(nóng)藥以及藥劑量的多少，既能有效消滅作物天敵又能盡量降低對農(nóng)作物的損害，同時降低經(jīng)濟損失等等問題，也要依靠生物統(tǒng)計學(xué)進行預(yù)測和預(yù)報。

另外還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，具備生物統(tǒng)計學(xué)知識可以預(yù)測一些生物現(xiàn)象的發(fā)生，而且準(zhǔn)確率較高，然而很多人對此卻并不了解{4}。因此在相關(guān)人群中普及生物統(tǒng)計學(xué)的知識勢在必行。

六、數(shù)據(jù)處理

對農(nóng)業(yè)試驗中的調(diào)查數(shù)據(jù)做進一步的分析處理時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗雜繁瑣的現(xiàn)象，這就需要一些統(tǒng)計軟件加以輔助運算。其中使用最多的是SPSS（Statistical Package for the Social Science）與SAS（Statistical Analysis System）軟件。SPSS與SAS是世界上廣為流行的統(tǒng)計軟件，在農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、人文、醫(yī)學(xué)、教育、自然科學(xué)等科研活動中必不可少。它的功能既全面又強大，這是其被廣泛使用的重要原因之一。非專業(yè)人士也能很快掌握其操作方法并熟練應(yīng)用。

通過統(tǒng)計軟件可以將研究人員所需要的結(jié)果完美展示出來，既方便又快捷。但是，完全依靠軟件也并不科學(xué)，只有生物統(tǒng)計工作者利用軟件分析出的結(jié)果，再結(jié)合生物科學(xué)有關(guān)理論對其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中所帶來的影響作出總體的分析研究判斷，這樣才能得出最后的正確結(jié)論，從而指導(dǎo)人們的生產(chǎn)活動，最終達到事半功倍的效果。

注釋：

{1}彭先恐，張汝斌，王福亭.生物統(tǒng)計在農(nóng)業(yè)科學(xué)上的應(yīng)用[J].河南農(nóng)學(xué)院學(xué)報，1980（3）：96-105.

{2}胡良平，劉惠剛.統(tǒng)計學(xué)思想與三型理論在生物醫(yī)學(xué)科研中的應(yīng)用[J].中西醫(yī)結(jié)合學(xué)報，2007，5（2）：216-219.

{3}周季維.應(yīng)用生物統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)（一）[R].云南：云南省農(nóng)科院情報室.

{4}Oluwatosin Akinsola， Olutayo James， Adebayo Lbikunle， Wasiu Adeyemo. Understanding biostatistics： A study of Nigerian dental resident doctors [J]. Nigerian Journal of Experimental and Clinical Biosciences， 2014：100-104.

（作者單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院2014級農(nóng)學(xué)2班 陜西楊凌 712100）

（責(zé)編：若佳）