【正文】 假重復(fù)和野外生態(tài)學(xué) 試驗(yàn) 的設(shè)計(jì) 摘要 ：假重復(fù)是指“ 進(jìn)行推論統(tǒng)計(jì)以檢驗(yàn)處理效果 時(shí) , 使用的 數(shù)據(jù) 來自于未設(shè)置 重復(fù) 的試驗(yàn) (盡管可能存在多個(gè)抽樣 ) 或者 來自于 雖然 存在 重復(fù)但統(tǒng)計(jì) 上 不獨(dú)立 的實(shí)驗(yàn) ”。 在 方差分析 中 ，它是 指使用不適宜假說的誤差項(xiàng) 來 檢驗(yàn) 處理 效果 。 通過查看 1960 ～ 1984 年發(fā)表的 176 個(gè) 試驗(yàn) 研究 ， 我們 發(fā)現(xiàn)在全部 試驗(yàn) 中有 27%，或者說在使用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的文章之中有 48%存在“假重復(fù)”。在研究海洋底棲生物和小型哺乳動(dòng)物時(shí) ， 假重復(fù)的發(fā)生率特別高。本文 總結(jié) 了控制 試驗(yàn) 的關(guān)鍵特性 。 ―偶然事件干擾 ‖（ Nondemonic intrusion） 是指 在一個(gè) 試驗(yàn) 進(jìn)行中偶然事件的影響。 作為 對(duì) 偶然事件 干擾和漸變 干擾 的預(yù)防 ， 處理的 布局 被認(rèn)為是良好試驗(yàn)設(shè)計(jì) 的 必 要 特性 。尤其是在小 規(guī)模 試驗(yàn) 中 ，有時(shí) 僅通過 避免 嚴(yán)格的隨機(jī)化程序 就能保證恰當(dāng) 的試驗(yàn) 布局 。區(qū)分預(yù)布局 (或常規(guī) )和特定布局 可以輔助理解 試驗(yàn) 布局 和隨機(jī)化之間的 沖突 (I 類錯(cuò)誤 :即本來 零 假設(shè)是正確的，而根據(jù)樣本得出的統(tǒng)計(jì)量的值落入了拒絕域，根據(jù)檢驗(yàn)拒絕了正確的 零 假設(shè) )。 本文章為統(tǒng)計(jì)人員和生態(tài)學(xué)學(xué)術(shù)期刊的編輯加深對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理解 ， 同時(shí)也提出了改善這個(gè)問題的建議 。 沒有人會(huì)想到通過比較 2 個(gè) 試驗(yàn) 組（一個(gè)處理，一個(gè)未處理）來檢驗(yàn)對(duì) 一個(gè) 試驗(yàn) 處理的響應(yīng)。. Fisher amp。 J. Wishart (1930) 野外生態(tài)學(xué)試驗(yàn) (通常 )要么沒有重復(fù)， 要么 只有很少 的 重復(fù)， 因此 不能很好的解決問題 ?? . Eberhardt (1978) 我不知道為什么一些人提倡一個(gè)不受歡迎的 原因 ，除非這個(gè)人是被刺激過的或沒用的。 Bertrand Russell (Clark 1976： 290) 簡介 下面的 論述 是批判生態(tài)學(xué)家們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)和分析他們的野外試驗(yàn)的。 也可以 作為一個(gè) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的勘探基礎(chǔ)。我的方法是： (1)討論一些常見的 試驗(yàn) 方法和統(tǒng)計(jì) 誤區(qū) ， (2)引用大量的研究 ，對(duì)這些問題進(jìn)行舉例 ， (3)提出一些現(xiàn)在 缺乏特定分類的新的 術(shù)語 和 概念， (4)提倡將處理布 局 作為一個(gè)好的設(shè)計(jì)的必 要 特點(diǎn)， (5)給 編輯 一些 可以很快的改善 這個(gè) 問題的方法。 我認(rèn)為大多數(shù)關(guān)于 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)或統(tǒng)計(jì) 方面 的書籍 ， 根本沒有 或者 只有一些簡單的 基礎(chǔ) ， 極少 有 關(guān)于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)的例子 以及 關(guān)于 種群、群落或生態(tài)系統(tǒng)水平的 系統(tǒng) 的 實(shí)驗(yàn)方法 的例子 。 以 技術(shù)數(shù)學(xué)和機(jī)械方面 為 主題 的書 占據(jù) 大部分 ， 這是 應(yīng)當(dāng) 的，但 它們 也只是分散在那些只尋 基本原則的書中。我在這里省略所有數(shù)學(xué)的討論。 引用特定研究對(duì)本文的有效性是至關(guān)重要的。 避免 提及具體的負(fù)面例子相當(dāng)于放棄一個(gè)強(qiáng)大的 教學(xué)法 。過去的評(píng)論太過于禮貌甚至是歉意的，以下例子可以說明： 野外試驗(yàn)中還有很多要改進(jìn)的地方 。 關(guān)于正確的方法我將列出我的觀點(diǎn) ，而不是批評(píng)特定實(shí)例 ?? (Connell, 1974) 在此綜述中，作者通常避免批評(píng) 實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì) 、 缺乏研究 性的 引用 以及 結(jié)論中 作為結(jié)果的統(tǒng)計(jì) 缺 點(diǎn)，這足夠說明大多數(shù)研究在這些方面是有缺陷的。 (Hurlbert, 1975) 當(dāng)我寫我的評(píng)論時(shí)，我似乎只挑剔細(xì)節(jié)，這必然會(huì)有 被大家責(zé)罵的總效應(yīng) ?? 我希望那些我 作為 例子 引用 的作品會(huì)原諒我。我真誠地欣賞這些論文的質(zhì)量 ?? (Hayne, 1978) 在 查閱的 151篇 論文中，遇到了一些常見的問題 ?? 這些討論對(duì)于個(gè)人的論文可能是 不利的 甚至是 不友好的 ?? (Underwood, 1981) 因?yàn)槲以谶@里既不 是 匿名 的批判 也不是盲目 的 贊賞， 我只是表明一個(gè)顯而易見的事實(shí) ——調(diào)查的質(zhì)量不僅僅取決于良好的 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)，所以良好的 試 驗(yàn)設(shè)計(jì)本身并不 能 保證研究的價(jià)值。本評(píng)論不評(píng)估任何作品的總體質(zhì)量。他們中的大多數(shù)，盡管有設(shè)計(jì)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上的錯(cuò)誤，然而都包含有用的信息。 另一方面，當(dāng)評(píng)論 人員 試圖通過特定領(lǐng)域的研究 而 強(qiáng)調(diào)評(píng)論的積極性時(shí)，他們的選擇有時(shí)似乎是不合適的。例如， Connell(1974)引用了 Boaden(1962)的 ―控制野外試驗(yàn)的最好例子之一 ‖； 和 Chew(1978)引用 Spitz(1968)的 ―關(guān)于 植物 對(duì) 小型哺乳動(dòng)物捕食 的反應(yīng) 的最好例子 ‖。然而 兩 篇 被引用的文章的實(shí)驗(yàn) 處理都沒有設(shè)置重復(fù) ，因此兩個(gè) 實(shí)驗(yàn) 都不受隨機(jī)因素的控制（ Spitz, 1968） 。 此外，誤用統(tǒng)計(jì)、處理 重復(fù) 的 樣 方 就猶如 它 們 代表了 重復(fù) 的 試驗(yàn) 單位。 這里 所提 出 的新術(shù)語都是精心挑選的。也許數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)家會(huì) 認(rèn)為 他們是不雅的，但我覺得他們至少對(duì)生態(tài)學(xué)家 以及其 他 與 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)有關(guān)的人是有幫助的。統(tǒng)計(jì)和 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)是一個(gè)詞匯貧 乏 的科目。這篇文章的大部分是關(guān)于一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)家稱之為 ―隨機(jī)化 ‖、 ―重復(fù) ‖、 ―獨(dú)立 ‖或―誤差項(xiàng) ‖的問題，但這些概念可以應(yīng)用在一個(gè) 試驗(yàn) 中的許多方面，他們以不同的方式運(yùn)用到不同類型的 試驗(yàn) 中。例如， 在設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，重復(fù)可以在不同的層次 (如樓群、 試驗(yàn) 單位、樣本 、 亞 樣本等 )上設(shè)置 ，在許多 時(shí)候重復(fù) 可能是多余的或 可做可不做的 ，但通常有至少一個(gè)試驗(yàn)單位 的 重復(fù) 是必須的，至少在假設(shè)顯著性測定中 會(huì) 使用。同樣的，術(shù)語 ―誤差 ‖是用于許多不同 地方 或概念的 的簡單方法 ，包括： I 型和 II 型錯(cuò)誤、隨機(jī)和 試驗(yàn) 者引起的系統(tǒng)誤差、組內(nèi) 的變異，樣本中的變異， p 和 x的差異，等等。稍微擴(kuò)大詞匯量，尤其是 為 各種類型 的錯(cuò)誤 提供 術(shù)語 ， 就可以為我們提供方便 。 我 從 初級(jí)水平開始 討論，假設(shè)讀者已經(jīng) 有 相當(dāng)于一學(xué)期課程 的 統(tǒng)計(jì) 基礎(chǔ)， 但沒有 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 。事實(shí)上，用這種方法會(huì)使整個(gè)文章顯得太初級(jí)而不像生態(tài)學(xué)家寫的。但是我希望我的前提和論點(diǎn)是明確、清晰的，如果有錯(cuò)誤也是易于被攻擊的。并且，這是 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)的基本原理，而不是先進(jìn)或深?yuàn)W的以及頻繁和嚴(yán)重違反了生態(tài)學(xué)家的東西。 試驗(yàn) 方法 一個(gè) 試驗(yàn) 有五個(gè)組成部分：假設(shè)、 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)、 試驗(yàn) 執(zhí)行，統(tǒng)計(jì)分析和解釋。顯然這個(gè)假設(shè) 是最重要的， 因?yàn)?如果 假設(shè) 按照 的 一些 “ 標(biāo)準(zhǔn) ‖不是‘好’的， 甚至一個(gè) 做的很好的 試驗(yàn)都是沒有什么 價(jià)值 的。 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)也就是 ―試驗(yàn) 的邏輯結(jié)構(gòu) ‖(Fisher1971： 2)。 一個(gè) 試驗(yàn) 目標(biāo)的完整描述應(yīng)該指定試驗(yàn)單位的性質(zhì)，數(shù)量和處理的類型 (包括“控制”處理 )，測量的 試驗(yàn) 單位的屬性或響應(yīng)。一旦這些已經(jīng)決定，一個(gè) 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)就明確了哪個(gè)試驗(yàn)單位怎么處理，試驗(yàn)單位的重復(fù)數(shù)目。試驗(yàn)單位的物理布局。什么時(shí)間對(duì)不同的試驗(yàn)單位怎么處理 。 一個(gè) 試驗(yàn) 的執(zhí)行是試驗(yàn)設(shè)計(jì)中所有步驟和操作的實(shí)施。 成功的執(zhí)行取決于 試驗(yàn) 者的藝術(shù)性、洞察力和良好的判斷力，以及他的技術(shù)技能。當(dāng)眼前的目標(biāo)是簡單的技術(shù)操作行為的 試驗(yàn) 時(shí)， 想要 成功的執(zhí)行 試驗(yàn) 者 就要 避免引入系統(tǒng)誤差 (偏見 )，減少隨機(jī)誤差 。 比如說檢驗(yàn) DDT 的影響，那么 DDT 必須不 能 含有硫 、 磷。如果 檢驗(yàn) 一個(gè)潮間帶的捕食者的效果 ， 通過使用排除籠子 來檢測 ， 那么 籠子必須在系統(tǒng)變量中除了捕食者外沒有直接的影響。如果研究 營養(yǎng)對(duì) 池塘浮游生物的影響， 必須用 相關(guān) 設(shè)備 對(duì)其進(jìn)行 取樣，此 技術(shù) 不依賴于浮游生物 豐富度 。 如果 在 處理 、 取樣或測量過程中出現(xiàn) 試驗(yàn) 誤差， 試驗(yàn) 將是無效或不確定的 。 試驗(yàn)單元之間的異質(zhì)性到什么程度 是允許的或者可行的 ， 或者在試驗(yàn)過程中環(huán)境因子的調(diào)節(jié)限度也 存在 主觀判斷的問題 。這些決定會(huì)影響隨機(jī)誤差的大小和 試驗(yàn) 的靈敏度。他們也會(huì)影響到具體的結(jié)果解釋，但他們無法通過自身影響 試驗(yàn) 的形式有效性。 從前面所講的來看，很明顯， 試驗(yàn) 設(shè)計(jì)和 試驗(yàn) 執(zhí)行對(duì)一個(gè) 試驗(yàn) 的有效性和靈敏度具有同等的責(zé)任。然而在實(shí)際意義上，相對(duì)于設(shè)計(jì)而言，執(zhí)行是一個(gè) 試驗(yàn) 更關(guān)鍵的方面。在 試驗(yàn) 執(zhí)行中的錯(cuò)誤通常 在試驗(yàn)中 以 更大數(shù)量的形式 出現(xiàn) ，這往往比設(shè)計(jì)錯(cuò)誤更精細(xì)。因此， ， 對(duì)試驗(yàn) 者和 其 報(bào)告的讀者而言 ， 執(zhí)行錯(cuò)誤一般比設(shè)計(jì)錯(cuò)誤更難被發(fā)現(xiàn) 。 正 是 由于 這些未被發(fā)現(xiàn) 的或發(fā)現(xiàn)不了的 潛在 錯(cuò)誤 的影響 ， 試驗(yàn) 的執(zhí)行 才 至關(guān)重要。盡管 執(zhí)行錯(cuò)誤 作為 問題的來源有很重要的地位， 但 在這里不再 對(duì)其做 進(jìn)一步考慮。 在 試驗(yàn) 工作中，統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要功能是 使 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)清晰、簡潔及客觀， 給 出 結(jié)果 并解釋。統(tǒng)計(jì)分析和解釋是 試驗(yàn) 最不重要的方面，如果 只是 純粹的統(tǒng)計(jì)或解釋所犯的錯(cuò)誤，這些數(shù)據(jù)可以被再分析。另 外 ， 對(duì) 設(shè)計(jì)或執(zhí)行錯(cuò)誤的 唯一完整的 補(bǔ)救是 做 重復(fù) 試驗(yàn) 。 測定性試驗(yàn) 試驗(yàn)可以分為 測定性試驗(yàn)和控制性試驗(yàn) 兩種。 測定性試驗(yàn)只涉及一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)在空間或時(shí)間里的測量，空間和時(shí)間是唯一的 ―試驗(yàn) ‖變量或 ―處理 ‖。測試的重要性可能不會(huì)被 認(rèn)可 。測定性試驗(yàn)通常不涉及 對(duì) 試驗(yàn) 室 試驗(yàn) 人員 的一些外部因素的強(qiáng)加。如果他們確實(shí)涉及這樣一種強(qiáng)加 (比 如，比較了高海拔的橡樹與低海拔的橡樹對(duì) 試驗(yàn) 中 落葉的反應(yīng) )，所有 試驗(yàn) 單位將被 視為一樣的 ）。 例 1。 為了 確定在湖底 1 米 深處槭樹葉分解 速度 ， 我們做了八個(gè)尼龍網(wǎng)小袋，每個(gè)都用槭樹葉填滿，將它們以小組形式 放置 在 水下 l米等深線 處 。一個(gè)月后 檢查這些袋子， 測 定每個(gè)袋子中有機(jī)物質(zhì) 量 損 失 了 多少 (―分解 ‖)，并計(jì)算平均分解率。就 實(shí)驗(yàn) 本身而言這個(gè)過程是令人滿意的。然而， 他 沒有 注意 到沿著 l米等深線從一個(gè)點(diǎn)到另一 點(diǎn)分解 速度會(huì)有不同的信息 ； 平均速度 可以 用 八 個(gè) 葉 袋 計(jì)算。概括關(guān)于 ―在湖的 l米等深線的分解率 ‖這是很草率的。 僅僅 由于測量過程很 復(fù)雜 ， 這樣一個(gè)過程通常 就被 稱為試驗(yàn) ，經(jīng)常涉及系統(tǒng)的干預(yù)或 “ 刺激 ” 。如果我們 在 無脊椎動(dòng)物 試驗(yàn)中測量了 八個(gè)溫度或八 個(gè)海泥 樣本，很少人會(huì)認(rèn)為這些過程和他們的結(jié)果是 ―試驗(yàn) ‖。 語義改革上的努力將是徒勞的。從歷史 的角度看 ， ―試驗(yàn) ‖總是以 ―困難 ‖、 ―復(fù)雜 ‖和 ―干涉 ‖作為其共同的含義，并不可避免地將會(huì)繼續(xù)這樣。這個(gè)測定性試驗(yàn)可以幫助我們記住 其 和控制 試驗(yàn) 的區(qū)別。區(qū)別主要是，在抽樣和狹義的 試驗(yàn) 中，關(guān)于測定性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)的建議在大部分的書籍中是可以找到的，如抽樣技術(shù) (Cochran1963)或進(jìn)行普查和調(diào)查的抽樣方法 (Yates 1960)，而不是在書中以單詞 ―設(shè)計(jì) ‖為標(biāo)題。 可以比較的 測定性試驗(yàn) 例 2。 繼續(xù) 使用 例 1 的 例子 ， 測試槭樹葉的分解率在 一 米和十米的等深線下是否 相同 。我們?cè)?一 米等深線設(shè)置八個(gè)葉包，在十米級(jí)等深線設(shè)置另 外 八 個(gè) 葉包，一個(gè)月 后 取回，并獲取數(shù)據(jù)。然后我們用統(tǒng)計(jì) 分析 (如 T 檢驗(yàn) 或 U 檢驗(yàn) )來看看這兩個(gè)位置是否有顯著 差異 。 我們可以稱之為一個(gè)比較測定性試驗(yàn)。雖然我們使用兩個(gè)等深線 (或 ―處理 ‖)和顯著性檢驗(yàn)，我們?nèi)詻]有進(jìn)行真正的控制 試驗(yàn) 。我們僅僅是測量 一個(gè) 系統(tǒng) 的 兩個(gè)點(diǎn)的特性并 觀察 在它們之間是否有一個(gè)真正的 差異 (―處理效果 ‖)。 在示例 1中為了實(shí)現(xiàn)我們的目的，也許這八個(gè)袋子在一米等深線下的任何類型的分布都是足夠的。在示例 2中，然而，我們已經(jīng)表明我們的目標(biāo)是兩個(gè)等深線 下 槭樹葉分解率的比較。因此我們不能把每個(gè)等深線的 樹葉 包放在一個(gè)單一的地點(diǎn)。這將不會(huì)給我們?nèi)魏侮P(guān)于沿著每個(gè)等深線分解率從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)的變化的信息。我們需要在能妥當(dāng)?shù)剡\(yùn)用推理統(tǒng)計(jì)學(xué)來測試前 ， 知道 我們的零假設(shè)（兩個(gè)等深線的分解率相同）。所以在每個(gè)等深線必須 安放 合適的葉包。有許多方式可以做到這一點(diǎn)。每個(gè)等深線的位置最好 是隨機(jī)挑選的，但 樹葉包 可以單獨(dú)放置 (八個(gè)地點(diǎn) )，一組兩個(gè) (四個(gè)位置 )，或 一組四個(gè) (兩個(gè)位置 )。此外，我們可能會(huì)決定這僅僅足以處理沿著湖的一側(cè)的等深線，等等。 確保野外樣品或測量是分散在空間 (或時(shí)間 )里的。用適合特定假設(shè)被測試的方法，是測定性試驗(yàn) 設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的方面。 在測定性試驗(yàn)里的假重復(fù) 例 3。由于懶惰，我們把所有八個(gè)包放在每個(gè)等深線的一個(gè)位置。它仍將是適用于結(jié)果數(shù)據(jù)的有意義的測試。然而，關(guān)鍵是在這 個(gè)試驗(yàn) 中，如果 一個(gè) ―碰巧 ‖是在 l m等深線處的一個(gè)點(diǎn)，第二個(gè) ―碰巧 ‖是在十米等深線的一個(gè)點(diǎn) ， 有 顯著差異， 這 兩個(gè)位置（點(diǎn)）之間差異 構(gòu)成證據(jù)。這樣一個(gè)顯著的差異不能被合理地解釋為 是 兩個(gè)等深線 間 區(qū)別的證 據(jù) ，即，作為 “ 處理效果的證據(jù) ” 。 我們都知道，如果兩套八個(gè)袋 子 被放置在同一個(gè)等深線 的 兩個(gè)點(diǎn)，這種觀察到的重要區(qū)別是不會(huì)大于我們的發(fā)現(xiàn)的。 如果我們堅(jiān)持將有明顯區(qū)別的例子 3作為 ―處理效 應(yīng) ‖或等深線間的真正區(qū)別 來 解釋，然后我們 說 假重復(fù)術(shù)語。在方差術(shù)語分析中，假重復(fù)被認(rèn)為是 假設(shè) 有誤差項(xiàng)的處理效果的測試。在例 3 中 ，基于八袋在一個(gè)位置的誤差項(xiàng)是不恰當(dāng)?shù)?。一般在測定性試驗(yàn)中，假重復(fù)往往是由于實(shí)際的采樣或測量的空間比隱含在被測試的假說中的推理空間小或者更受限制在控制試驗(yàn) 中，假重復(fù)通常是因?yàn)槭褂猛普摻y(tǒng)計(jì)來檢測處理效果