郝嘉琪

摘 要：生物統(tǒng)計(jì)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(duì)生物統(tǒng)計(jì)與農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)的聯(lián)系，以及在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)中的分析、應(yīng)用和數(shù)據(jù)的處理等方面進(jìn)行了論述。

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

中圖分類號(hào)：F32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4914（2017）06-224-02

一、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)概況

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(jì)的概念。從記錄統(tǒng)計(jì)學(xué)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)描述統(tǒng)計(jì)學(xué)，一直發(fā)展到現(xiàn)在的推斷統(tǒng)計(jì)學(xué)，生物統(tǒng)計(jì)學(xué)逐漸發(fā)展了起來(lái)。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，生物統(tǒng)計(jì)在植物界如農(nóng)業(yè)、林業(yè)，動(dòng)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(wàn)物都是相互聯(lián)系的，運(yùn)用生物統(tǒng)計(jì)可研究其相互之間的關(guān)系以預(yù)測(cè)其活動(dòng)規(guī)律。目前，許多國(guó)家的相關(guān)大學(xué)都開(kāi)設(shè)生物統(tǒng)計(jì)科目，主要講授方差分析、回歸分析、簡(jiǎn)單矩陣等課程，以及生物統(tǒng)計(jì)在植物育種、作物栽培、作物生產(chǎn)、農(nóng)林經(jīng)濟(jì)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(yàn)的過(guò)程

生物科學(xué)研究，尤其農(nóng)業(yè)科學(xué)研究是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(duì)試驗(yàn)進(jìn)行正確、科學(xué)且周密的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到預(yù)期的效果。

對(duì)于農(nóng)業(yè)科學(xué)中的各項(xiàng)研究，大部分都需要經(jīng)過(guò)若干年的試驗(yàn)周期，而且還必須選擇多個(gè)地方進(jìn)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(yàn)都要運(yùn)用到“八性”統(tǒng)計(jì)思維中的隨機(jī)性、概括性與代表性等理論{2}，在試驗(yàn)過(guò)程中搜集、調(diào)查得來(lái)的數(shù)據(jù)再做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)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(jì)與科學(xué)試驗(yàn)的關(guān)系

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)只是所有研究對(duì)象的一部分，具有變異性，同時(shí)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(huì)帶來(lái)難以估計(jì)的嚴(yán)重后果。而生物統(tǒng)計(jì)能在部分個(gè)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(wèn)題。生物統(tǒng)計(jì)是農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，而良好的科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以為統(tǒng)計(jì)推斷帶來(lái)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)源。

一是生物統(tǒng)計(jì)能將試驗(yàn)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(jì)能夠分析出農(nóng)業(yè)試驗(yàn)各變量間的相關(guān)性；三是生物統(tǒng)計(jì)是科學(xué)試驗(yàn)方案的原則與依據(jù)。生物統(tǒng)計(jì)和科學(xué)試驗(yàn)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(jì)分析

（一）推斷統(tǒng)計(jì)

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

1.總體的假設(shè)性檢驗(yàn)。研究的總體是無(wú)限的，而有限的樣本可以推斷出總體是否滿足所研究的問(wèn)題。例如：農(nóng)業(yè)科學(xué)中經(jīng)常涉及肥料品種對(duì)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(shí)就可以運(yùn)用推斷統(tǒng)計(jì)的總體假設(shè)性檢驗(yàn)，對(duì)施用不同品種肥料的產(chǎn)量進(jìn)行收集、整理、分析，做進(jìn)一步的推斷。而推斷需要對(duì)總體做出假設(shè)，首先，假設(shè)幾個(gè)總體參數(shù)之間或總體參數(shù)與一個(gè)確定值是相等的，此為無(wú)效假設(shè)；其次，做出對(duì)應(yīng)于無(wú)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(duì)于上例，無(wú)效假設(shè)為施用不同肥料對(duì)產(chǎn)量的影響沒(méi)有顯著差異。之后，認(rèn)為無(wú)效假設(shè)是正確的，計(jì)算其概率并與顯著水平比較，比較過(guò)程中，規(guī)定小概率事件在實(shí)際中是不可能發(fā)生的，由此判斷是否接受無(wú)效假設(shè)。若上述例子中計(jì)算得到的概率小于顯著水平，認(rèn)為不可能發(fā)生，則否定無(wú)效假設(shè)，即不同品種肥料對(duì)產(chǎn)量的多少有顯著影響。

2.總體的參數(shù)估計(jì)。在農(nóng)業(yè)研究中，需要對(duì)新引進(jìn)品種的種子千粒重、發(fā)芽率、肥料利用率等問(wèn)題進(jìn)行一個(gè)區(qū)間范圍的估計(jì)。由樣本的調(diào)查結(jié)果預(yù)測(cè)總體相關(guān)參數(shù)在符合一個(gè)特定概率時(shí)的區(qū)間，便于挑選優(yōu)良品種，有針對(duì)性地投入生產(chǎn)，達(dá)到省時(shí)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(yàn)。方差分析適用于存在多種處理、多個(gè)重復(fù)的試驗(yàn)中，其基本方法為計(jì)算多個(gè)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(jì)算相關(guān)統(tǒng)計(jì)量（F0），在顯著水平下做出統(tǒng)計(jì)推斷，并列出方差分析表，直觀表明所研究問(wèn)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(yàn)藥劑的品種對(duì)小麥苗高影響有無(wú)顯著性差異。此研究中的變異來(lái)源為藥劑不同品種間引起的變異，以及試驗(yàn)誤差引起的變異。通過(guò)方差分析表可看出藥劑的品種對(duì)苗高是否有影響，哪種藥劑更有利于種子生長(zhǎng)。

田間試驗(yàn)中，由于同一塊試驗(yàn)地的各個(gè)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(gè)重復(fù)，因此將試驗(yàn)地隨機(jī)劃分為多個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的處理各異，這種設(shè)計(jì)方法叫做隨機(jī)區(qū)組法。例如：對(duì)小麥6個(gè)品種（1-6）進(jìn)行比較，每種重復(fù)3次（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），設(shè)計(jì)的田間排列如下：

而有些田間試驗(yàn)中，由于條件的限制，所有處理不能完全在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)排列，這時(shí)就可以將小區(qū)劃分為不同的級(jí)別：主級(jí)小區(qū)與次級(jí)小區(qū)。需要大片土地的處理作為主級(jí)小區(qū)，其內(nèi)包含剩余處理的各個(gè)水平。如有A1、A2兩個(gè)玉米品種，B1、B2、B3三個(gè)水平的施肥量，重復(fù)試驗(yàn)2次（Ⅰ、Ⅱ），設(shè)計(jì)的田間排列如下圖。這種設(shè)計(jì)能有效地利用試驗(yàn)地與材料，節(jié)省資源且實(shí)施方便。方差分析需要對(duì)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(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2.回歸、相關(guān)分析與試驗(yàn)結(jié)論。統(tǒng)計(jì)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(jì)算相關(guān)系數(shù)來(lái)表達(dá)各因素間的聯(lián)系。利用以上方法便于研究者對(duì)日后的農(nóng)事勞作進(jìn)行預(yù)測(cè)，并制定出一系列的優(yōu)良決策。

五、生物統(tǒng)計(jì)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)科學(xué)從過(guò)去的定性研究到現(xiàn)在逐漸趨向于定量化研究{3}，這一過(guò)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(jì)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(guó)新引進(jìn)多種糧食品種。但新品種適宜在什么樣的環(huán)境下生長(zhǎng)、利于作物生長(zhǎng)的肥料品種以及施肥量的多少等問(wèn)題都需要事先用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)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(zhǎng)也會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生不利的影響，農(nóng)業(yè)勞作者一般通過(guò)簡(jiǎn)單噴灑農(nóng)藥的方法來(lái)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(duì)農(nóng)作物的損害，同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)損失等等問(wèn)題，也要依靠生物統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。

另外還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，具備生物統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)可以預(yù)測(cè)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(duì)此卻并不了解{4}。因此在相關(guān)人群中普及生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)勢(shì)在必行。

六、數(shù)據(jù)處理

對(duì)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)中的調(diào)查數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗雜繁瑣的現(xiàn)象，這就需要一些統(tǒng)計(jì)軟件加以輔助運(yùn)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(jì)軟件，在農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、人文、醫(yī)學(xué)、教育、自然科學(xué)等科研活動(dòng)中必不可少。它的功能既全面又強(qiáng)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(guò)統(tǒng)計(jì)軟件可以將研究人員所需要的結(jié)果完美展示出來(lái)，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(jì)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(duì)其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中所帶來(lái)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(dòng)，最終達(dá)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(jì)在農(nóng)業(yè)科學(xué)上的應(yīng)用[J].河南農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1980（3）：96-105.

{2}胡良平，劉惠剛.統(tǒng)計(jì)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(bào)，2007，5（2）：216-219.

{3}周季維.應(yīng)用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)（一）[R].云南：云南省農(nóng)科院情報(bào)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(jí)農(nóng)學(xué)2班 陜西楊凌 712100）

（責(zé)編：若佳）