CC BY
11УДК 633.11
ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДА БЛОКОВ В МНОГОФАКТОРНЫХ ПОЛЕВЫХ ОПЫТАХ С ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЕЙ В УСЛОВИЯХ КРЫМА
Изотов А. М., доктор сельскохозяйственных наук, профессор; Тарасенко Б. А., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Дударев Д. П., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Показано, что применение метода блоков в многофакторных полевых опытах с большим числом вариантов позволяет выделить значительную часть локального фактора пестроты почвенного плодородия внутри повторения и существенно снизить ошибку эксперимента: при анализе показателей структуры и продуктивности посева - в среднем в 4..6раз, при анализе элементов продуктивности колоса и качества зерна - в 2,5...2,6раза.
Ключевые слова: многофакторный полевой опыт, метод блоков, дисперсия, урожайность озимой пшеницы, качество зерна.
EFFICIENCY OF THE METHOD OF BLOCKS IN MULTIFACTORY FIELD
EXPERIMENTS WITH WINTER WHEAT IN CRIMEA CONDITIONS
Izotov A. M., Doctor of Agricultural Science, Professor;
Tarasenko B. A., Candidate of Agricultural Science, Associate Professor; Dudarev D. P., Candidate of Agricultural Science, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
It is shown that the application of the block method in multifactorial field experiments with a large number of variants allows to isolate a significant part of the local factor of variegated soil fertility within the repetition and significantly reduce the experimental error: when analyzing the parameters of the structure and productivity of inoculation, on average, 4..6 times, elements of spike productivity and grain quality - 2.5 ... 2.6 times.
Keywords: multifactorial field experiment, block method, variance, winter wheat yield, grain quality.
Введение. Одним из важных средств обеспечения дальнейшего подъёма отрасли растениеводства является повышение её наукоёмкости. В сфере актуальных задач научного обеспечения агрономической практики одно из первых мест занимает разработка адаптивно-ландшафтных, координатных (точных) технологий выращивания полевых культур. Критичным, зонально зависимым звеном таких технологий является агроиформационная поддержка оптимизации и оперативного управления параметрами агротехники в соответствии с комплексом изменяющихся условий произрастания сельскохозяйственных рас-
тений, в том числе с внутрипольными неоднородностями элементов почвенного плодородия, биометрических и фитосанитарных показателей состояния посевов. Решение таких задач возможно на основе моделирования элементов продукционного процесса посевов зерновых, масличных, зернобобовых, кормовых и др. полевых культур. Для создания таких моделей необходимо располагать достаточным объёмом данных отзывчивости конкретной культуры на изменения значительного числа условий роста и развития растений. Основным источником информации являются многофакторные полевые опыты. В них существует возможность определения количественных эффектов не только отдельных поставленных на изучение факторов, но и их взаимодействий [2]. Как правило, схемы таких экспериментов представлены сравнительно большим числом вариантов. Так, полная факториальная схема относительно небольшого трехфакторного опыта с четырьмя изучаемыми уровнями каждого фактора (4x4x4) составляет 64 варианта. При учетной площади элементарной делянки 50 м2 повторения с защитными полосами в таких опытах будут занимать довольно значительную площадь - порядка 0,6...0,7 га. В этом случае в пределах повторения пестрота почвенного плодородия будет, как правило, существенно выше, чем в повторениях относительно компактных опытов (в пределах 15-16 вариантов), рекомендуемыми общепринятой методикой [1, 3]. В громоздких повторениях значительная пространственная удаленность делянок с отдельными вариантами ухудшает их сопоставимость, существенно возрастает ошибка опыта за счет роста локального компонента пестроты почвенного плодородия. Это обстоятельство может свести практически на нет ожидаемые преимущества потенциально высокоинформативного многовариантного опыта [4].
Возможный выход из этого затруднения состоит в применении таких методов планирования эксперимента, которые позволяют учесть и исключить влияние локального фактора пестроты плодородия почвы не только в масштабах повторений, но и более дробно, в пределах специальных, в определенном отношении равноценных компактных блоков, на которые разбивают повторения. В этом случае требуемую информацию получают из внутриблоковых сравнений на фоне более однородных почвенных условий. В силу особенностей полевого опыта взаимодействия высоких порядков обычно не выходят за границы ошибки опыта и не имеют практического значения. Поэтому такими взаимодействиями можно пренебречь без существенного ущерба информативности опыта. В связи с этим варианты повторений распределяются по блокам таким образом, чтобы их различия совпадали с этими практически несущественными взаимодействиями [4]. Такой подход был в своё время с успехом апробирован в агрохимических исследованиях, преимущественно в условиях Нечерноземной зоны СССР. Вместе с тем вопрос обоснованности использования метода блоков в опытах с агротехническими факторами применительно к специфике почвенно-климатических условиях юга России, и в частности Крымского полуострова, остаётся невыясненным.
Цель и задачи. Цель исследований состояла в оценке эффективности использования метода блоков при постановке многофакторных полевых опытов с такими количественно нормируемыми факторами, как срок посева, норма высева семян и доза минеральных удобрений при разработке адаптивных агро-технологий в условиях Крыма. На основе анализа данных полевых опытов с озимой пшеницей, ориентированных на регрессионный анализ, определить эффективность блокировки вариантов при оценке действия изучаемых факторов на показатели структуры агрофитоценоза, элементы структуры урожая, урожайность и показатели качества зерна.
Материал и методы исследований. Для оценки эффективности метода блоков применительно к экспериментам с многовариантными схемами агротехнических факторов были использованы данные по структуре фитоценоза, элементам структуры урожая, урожайности и показателям качества зерна, полученные в трёхфакторном полевом опыте с озимой пшеницей за три года исследований. В нём были поставлены на изучение четыре срока сева (25.09, 10.10, 25.10 и 9.11), четыре нормы высева семян (1,5; 3,5; 5,5 и 7,5 млн шт./га) и четыре дозы азотного удобрения (0, 34, 68 и 102 кг/га д.в.). Полная факториальная схема опыта составила 64 варианта. Опыт проводили по предшественнику озимая вико-пшеничная смесь на зеленый корм на опытном поле Крымского агротехно-логического университета, ныне Академия биоресурсов и природопользования (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В. И. Вернадского». Варианты опыта с целью удобства ведения записей и выполнения расчетов были закодированы трехзначными числами, где первая цифра представляла код градации срока сева, вторая - нормы высева семян, третья - дозы внесения азота. Каждая из четырех градаций изучаемых факторов обозначалась в порядке возрастания цифрами от 0 до 3. Территориально каждое из двух повторений было разделено на блоки, различающиеся между собой по составу вариантов, но при этом остающиеся сопоставимыми в пределах главных эффектов изучаемых факторов и их парных взаимодействий. По техническим причинам повторения разбивали на четыре блока-столбца по 16 вариантов в каждом и на восемь блоков-строк по восемь вариантов на делянках, размещённых в два яруса. В полученном квазилатинском прямоугольнике провели двойную блокировку вариантов для учёта локального фактора пестроты почвенного плодородия в двух направлениях. Размещение блоков внутри повторений и вариантов внутри блоков при сохранении их целостности - рендомизированное. Примерный состав блоков одного повторения показан в таблице 1.
В связи с тем, что рассматриваемый полевой опыт был ориентирован на проведение регрессионного анализа, а в качестве модели действия изучаемых факторов на результативный признак выбран неполный трехфакторный квадратичный полином, контролем однородности блоков служит сумма квадратов кодов входящих в них вариантов, которая должна быть одинаковой в пределах системы блокировки. В связи с однородностью состава блоков в пределах ожидаемо
значимых главных эффектов изучаемых факторов и их парных взаимодействий блоковые суммы значений поделяночных учётов результативных признаков по системам блокировки теоретически должны быть одинаковы. Однако на практике их величина зачастую значительно отличается как по блокам-строкам, так и по блокам-столбцам. Эти различия характеризуют вариабельность локального фактора плодородия почвы внутри повторения опыта в двух направлениях и могут быть использованы для вычленения систематической части неконтролируемого варьирования с целью снижения ошибки эксперимента. Эффективность метода блокировки оценивали по соотношению остаточных дисперсий: первичной (без блокировки) и при блокировке вариантов в пределах повторений.
Таблица 1. Состав блоков (коды вариантов) повторения опыта (4x4x4)
Блоки-строки Блоки-столбцы Контроль состава строк (£х2)
1 2 3 4
1 211 000 330 121 322788
222 033 303 112
2 221 003 300 111 322788
212 030 333 122
3 320 232 102 023 322788
313 201 131 010
4 100 322 021 230 322788
133 311 012 203
5 002 110 213 301 322788
031 123 220 332
6 001 120 223 302 322788
032 113 210 331
7 103 312 022 233 322788
130 321 011 200
8 323 231 132 020 322788
310 202 101 013
Контроль состава столбцов (£х2) 645576 645576 645576 645576
Результаты и обсуждение. В результате дисперсионного анализа полученных в ходе исследований данных трёхфакторного полевого опыта без блокировки установлено с высокой степенью ответственности доказуемое действие вариантов (срок посева * норма высева семян * доза азотного удобрения) на содержание сырой клейковины в зерне озимой пшеницы (табл. 2).
В рассматриваемом примере подавляющая часть актуальной информации сконцентрирована в пределах главных эффектов факторов и их парных взаимодействий, контролирующих более 98 % колебаний массовой доли клейковины по вариантам опыта. Действие тройного взаимодействия было слабовыраженным и в условиях обсуждаемого полевого опыта статистически недоказуемым. Это
обстоятельство не противоречит теоретическим предпосылкам обоснования смешивания тройного взаимодействия с междублоковыми различиями. Следует отметить, что использование таких громоздких повторений без блокировки вариантов ведет в силу известных причин к ухудшению сопоставимости пространственно удалённых делянок и значительному росту остаточной дисперсии (512 = 2,319). В результате в обсуждаемом примере опыта без блокировки значение НСР05 для частных различий превысило 3,04 % содержания клейковины, что свидетельствует о неудовлетворительной разрешающей способности при оценке этого показателя качества зерна. Как известно, принципиальной разницей массовой доли клейковины в зерне пшеницы, ведущей к существенным технологическим последствиям, считается латитуда в 2,0 %. Следовательно, в случае изучения содержания клейковины в зерне информативность такого многовариантного опыта оказалась в значительной степени обесцененной.
Таблица 2. Сравнение точности опыта (4*4х4)-2 без блокировки вариантов и с блокировкой при оценке комплексного действия срока посева, нормы высева семян и дозы азота на массовую долю сырой клейковины в зерне озимой пшеницы
Опыт Источник дисперсии Степень свободы Сумма квадратов Средний квадрат ^ факт. Р-значе-ние
Делянки (общая) 127 1050,40 - - -
Повторения 1 0,95 - - -
Варианты 63 903,34 14,339 6,183 <0,0001
Без блоки- Главные эффекты и парные взаимодействия 36 891,06 24,752 10,673 <0,0001
ровки Тройное взаимодействие 27 12,29 0,455 0,196 0,9999
Остаток (ошибки опыта без блокировки) 63 146,11 2,319 - -
Блоки (строки+столбцы) 20 169,28 8,464 8,967 <0,0001
Варианты 53 827,13 15,606 16,535 <0,0001
Главные эффекты и парные взаимодействия 36 814,1 22,614 23,959 <0,0001
С блокировкой Несмешанные эффекты тройного взаимодействия 17 13,03 0,766 1,306 0,2784
Остаток (ошибки опыта с блокировкой) 53 53,04 1,001 - -
Остаток+несмеш. эффекты тройного взаимодействия 70 66,07 0,944 - -
Эффективность метода блокировки 70 - - 2,457 0
С другой стороны, при блокировке вариантов внутри повторений на основе смешивания с междублоковыми различиями статистически незначимого тройного взаимодействия значительная часть локального фактора - систематической составляющей пространственного варьирования почвенного плодородия - может быть определена и выведена из ошибки опыта без существен-
ной потери актуальной информации. В нашем случае остаточная дисперсия в опыте с блокировкой вариантов снизилась весьма существенно - с 2,319 до 1,001, или на 57 %. При этом часть эффектов тройного взаимодействия с 17 степенями свободы осталась не смешанной с различиями между блоками и, как отмечалось ранее, в принципе не отличалась от дисперсии ошибки. Это даёт основание для их объединения с целью получения более надёжной базы оценки значимости с 70 степенями свободы (я22 = 0,944). Рассчитанное по таким данным значение НСР05 для частных средних составило 1,94 %, что вполне приемлемо при анализе существенности различий содержания клейковины по вариантам опыта. Эффективность блокировки 64-вариантной схемы, выраженная через отношение остаточной дисперсии (без блокировки) к я22 (с блокировкой), составила доказуемую на 0,019 % уровне значимости величину - 2,46. Следовательно, опыт с блокировкой в двукратной повторно-сти был по точности практически равноценен аналогичному опыту без блокировки в пятикратной повторности.
Таким образом, блокировка в значительной степени снизила остаточную дисперсию в опыте, обеспечив приемлемую с практической точки зрения его разрешающую способность и более чёткое проявление действия изучаемых факторов и их парных взаимодействий на содержание клейковины в зерне. Вместе с тем, как отмечалось ранее, для исследователей в области растениеводства особый интерес представляет эффективность метода блоков в многофакторных опытах с агротехническими факторами применительно к показателям структуры фитоценоза, элементам структуры урожая, урожайности и качества зерна с учётом воспроизводимости результатов во времени. Обобщённые за три года данные эффективности метода блоков в трёхфакторном опыте с озимой пшеницей при изучении показателей структуры посева, его продуктивности и качества зерна представлены в таблице 3.
Таблица 3. Эффективность метода блоков в 64-вариантном (4x4x4)^2 опыте с
озимой пшеницей (в среднем за 3 года)
Показатель Единица измерения Остаточная дисперсия Эффективность блокировки (512/522)
*12 V 2
Густота стояния колосьев шт./м2 3839,780 401,280 9,569
Надземная масса сорняков г/м2 791,75 138,91 5,698
Надземная масса озимой пшеницы г/м2 74791,260 16617,449 4,501
Урожайность ц/га 18,22 4,501 4,048
Густота стояния растений шт./м2 980,394 276,227 3,549
Масса 1000 зёрен г 2,373 0,897 2,644
Число зёрен в колосе шт. 14,54 5,517 2,636
Массовая доля клейковины в зерне % 2,452 0,992 2,473
Для всех показателей, представленных в таблице, характерна достаточно высокая эффективность метода блоков. Её самые высокие значения наблюдались при анализе данных густоты продуктивного стеблестоя. Эффективность блокировки вариантов при оценке их влияния на урожайность зерна, надземную массу озимой пшеницы и сорных растений в фазу колошения была на 40...57 % ниже. Вариабельность густоты стояния растений была связана с систематическим компонентом пространственной изменчивости почвенного плодородия под опытом в ещё меньшей степени. Для неё эффективность метода блоков оказалась в 2,7 раза ниже по сравнению густотой стояния колосьев. Это обстоятельство объяснимо сравнительно низкой контрастностью факторов почвенного плодородия, определяющих полевую всхожесть семян и выживаемость растений, которые в основном связаны с пространственными различиями условий увлажнения почвы под опытом. С другой стороны, наиболее высокая неоднородность продуктивного кущения озимой пшеницы, накопления биомассы культурными и сорными растениями, уровня урожайности зерна определялась в первую очередь сильной пространственной изменчивостью содержания в почве подвижных форм элементов минерального питания с выраженным локальным компонентом. Применительно к показателям продуктивности колоса и технологического качества зерна эффективность метода блоков была самой умеренной -в 3,5...3,9 раз ниже максимума, но и в этом случае блокировка вариантов обеспечивала повышение точности опыта, эквивалентное увеличению его повторно-сти с двукратной до 4,9...5,29, то есть практически до пятикратной.
Выводы. Применение метода блоков в многофакторных полевых опытах с большим числом вариантов позволило выделить значительную часть локального фактора пестроты почвенного плодородия внутри повторения и в среднем за три года существенно снизить ошибку эксперимента: при анализе показателей структуры и продуктивности посева - в среднем в 4..6 раз, при анализе элементов продуктивности колоса и качества зерна - в 2,5...2,6 раза.
Список использованных источников: References:
1. Доспехов Б. А. Методика поле- 1. Dospekhov B. A. Methodology вого опыта (с основами статистической of field experience (with the basics of обработки результатов исследования). - statistical processing of research results). -М.: Агропромиздат, 1985. - 352 с. Moscow: Agropromizdat, 1985. - 352 p.
2. Иванова Т. И. Прогнозирование 2. Ivanova T. I. Forecasting the effec-эффективности удобрений с исполь- tiveness of fertilizers using mathemati-зованием математических моделей. - cal models. - Moscow: Agropromizdat, М.: Агропромиздат, 1989. - 236 с. 1989. - 236 p.
3. Литл Т. Сельскохозяйственное 3. Little T. Agricultural Experimen-опытное дело: Планирование и ана- tal Business: Planning and Analysis / лиз / Литл Т., Хиллз Ф. - М.: Колос, Little Т., Hills F. - Moscow: Kolos, 1981. - 319 с. 1981. - 319 p.
4. Перегудов В. Н. Планирование многофакторных полевых опытов с удобрениями и математическая обработка их результатов: Учебное пособие / В. Н. Перегудов. - М.: Колос, 1978. - 183 с.
Сведения об авторах:
Изотов Анатолий Михайлович -доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заместитель директора по научной работе Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского». E-mail: a.m.izotov@mail.ru, 295492, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского».
Тарасенко Борис Алексеевич -кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, доцент кафедры растениеводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского». E-mail: boris.tarasenko.58@mail.ru, 295492, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Дударев Дмитрий Петрович -кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, доцент кафедры растениеводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского». E-mail: kdime_80@mail.ru, 295492, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
4. Peregudov V. N. Planning of multifactorial field experiments with fertilizers and mathematical processing of their results: Textbook / V. N. Peregudov. - M.: Kolos, 1978. - 183 p.
Information about authors:
Izotov Anatoly Mikhailovich -Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Deputy Director for Scientific Work of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Ver-nadsky Crimean Federal University». E-mail: a.m.izotov@mail.ru, 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Tarasenko Boris Alekseevich - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the department of plant growing of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University». E-mail: boris. tarasenko.58@mail.ru, 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Dudarev Dmitry Petrovich - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the department of plant growing of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University». E-mail: kdime_80@mail.ru, 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
