森林經(jīng)營(yíng)試驗(yàn)樣地設(shè)計(jì)新方法

王偉

傳統(tǒng)田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法如順序設(shè)計(jì)、拉丁方設(shè)計(jì)以及隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)方法在很大程度上考慮了林分立地、土壤或肥力等方面的差異，但沒(méi)有關(guān)注立地之上的“試驗(yàn)對(duì)象即林分”的狀態(tài)差異，加上其有限的隨機(jī)過(guò)程和缺失量化的目標(biāo)函數(shù)等缺陷，從而談不上是優(yōu)化的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，無(wú)法保證試驗(yàn)開(kāi)始前處理間林分狀態(tài)特征的一致性。

現(xiàn)存的森林通常分布在山地，且所處的環(huán)境復(fù)雜多樣，即使在同一山坡上也存在立地條件、樹(shù)種組成和林分結(jié)構(gòu)的差異。在這種復(fù)雜多樣的山地劃分小區(qū)后，通常忽視了安排試驗(yàn)時(shí)處理間林分狀態(tài)的差異分析，造成各個(gè)處理問(wèn)的林分差異增大，使試驗(yàn)在開(kāi)始前已經(jīng)存在誤差；而這種試驗(yàn)前的誤差使開(kāi)始的試驗(yàn)條件不一致，最終導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。消除這種誤差較為普遍的做法是設(shè)置對(duì)照與處理固定試驗(yàn)地并進(jìn)行一定的重復(fù)，也可以使用降低變異誤差的田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如為了降低土壤差異可以使用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)；但至今還沒(méi)有一種能比較并縮小試驗(yàn)林分各處理間林分狀態(tài)特征（特別是林分空間結(jié)構(gòu)）差異的田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。本研究試圖找到這樣一種田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在試驗(yàn)開(kāi)始前，通過(guò)找到小區(qū)最合理的排列，盡可能消除各個(gè)處理間的林分狀態(tài)差異，盡可能地縮小試驗(yàn)前各處理間的差異。

完全隨機(jī)設(shè)計(jì)要求其將同質(zhì)的受試對(duì)象隨機(jī)地分配到各處理中進(jìn)行同期平行觀察。研究效率通常不高，小樣本時(shí)可能均衡性較差，抽樣誤差大。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)只能控制一個(gè)方向的土壤差異，且要求區(qū)組內(nèi)受試對(duì)象數(shù)與處理數(shù)相等，處理數(shù)過(guò)多時(shí)局部控制的效率降低；而且完全隨機(jī)設(shè)計(jì)與隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)中隨機(jī)的次序由抽簽法、查隨機(jī)數(shù)表或計(jì)算機(jī)模擬得到一次的試驗(yàn)方案。這種隨機(jī)抽取的次數(shù)是有限次的，且沒(méi)有考慮到各個(gè)處理間的林分狀態(tài)差異，因此，無(wú)論是完全隨機(jī)設(shè)計(jì)還是隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，都不能保證試驗(yàn)設(shè)計(jì)完成后各個(gè)處理間的林分狀態(tài)一致。

若試驗(yàn)有n個(gè)處理（經(jīng)營(yíng)措施），每個(gè)處理m個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（重復(fù)），一共可劃分n×m個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。對(duì)全部小區(qū)編號(hào)，共有1～n·m個(gè)數(shù)字。編寫(xiě)R語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)程序，將這個(gè)數(shù)字序列打亂并重新排列組成新的數(shù)列。將這個(gè)新數(shù)列依次劃分為n組，也就是n個(gè)新的處理，每組仍為m個(gè)數(shù)字，則這m個(gè)數(shù)字就是新處理中的全部小區(qū)（重復(fù)）編號(hào)。例：假設(shè)試驗(yàn)有3個(gè)處理，每個(gè)處理有5個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（重復(fù)），即n=3，m=5；則首先將15個(gè)小區(qū)編號(hào)為1～15號(hào)；然后隨機(jī)生成由這15個(gè)數(shù)字組成的新排列；最后重新劃分為3組，每組生成一個(gè)新的處理，仍為5個(gè)數(shù)字，則得到了新試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。這個(gè)過(guò)程重復(fù)一遍類似于經(jīng)典的隨機(jī)化方法。

順序設(shè)計(jì)和拉丁方設(shè)計(jì)既不能保證林分空間結(jié)構(gòu)特征的差異最小，也不能保證林分基本特征相一致；隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)雖然能保證處理問(wèn)的林分空間結(jié)構(gòu)特征相似，卻不能保證林分基本特征相似，其中斷面積的最大差值達(dá)14.10%。只有完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的差值都控制在5%以內(nèi)。因此認(rèn)為，順序設(shè)計(jì)、拉丁方設(shè)計(jì)、隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)都不能保證天然林處理組與對(duì)照組間的林分狀態(tài)特征的一致性。只有完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以確保試驗(yàn)前的林分狀態(tài)條件相似從而達(dá)到提高試驗(yàn)精度的目的。

傳統(tǒng)田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法如順序設(shè)計(jì)、拉丁方設(shè)計(jì)以及隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)雖定性的考慮了林分立地、土壤或肥力等方面的差異，但這些方法都不能保證試驗(yàn)開(kāi)始前處理間林分狀態(tài)特征的一致，且隨機(jī)設(shè)計(jì)方法都是有限次的隨機(jī)過(guò)程。本研究首次提出基于林分狀態(tài)特征的完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并構(gòu)造了相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。在進(jìn)行實(shí)際林分的田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，只需將試驗(yàn)地分為若干小區(qū)，利用計(jì)算機(jī)程序可得到最佳的試驗(yàn)方案，使每組處理的林分分布差異和樹(shù)種組成差異降到最低。這種完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法普遍適用于森林經(jīng)營(yíng)田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)。將基于林分狀態(tài)特征的完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到森林經(jīng)營(yíng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，同時(shí)與傳統(tǒng)方法，如順序設(shè)計(jì)法、拉丁方設(shè)計(jì)法以及隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)法進(jìn)行了對(duì)比分析，并采用了最優(yōu)小區(qū)排列方案。結(jié)果表明，這種方法完全可以保證試驗(yàn)地各個(gè)處理間或處理與對(duì)照間的林分狀態(tài)差異小于5%，從而確保試驗(yàn)前處理間林分狀態(tài)的一致性；而應(yīng)用順序設(shè)計(jì)、拉丁方設(shè)計(jì)與隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)不論是林分基本特征還是林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)其差異都遠(yuǎn)大于完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

在完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)中，林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與林分基本參數(shù)合并在一起計(jì)算，為避免量綱、單位不一致的問(wèn)題，必須對(duì)基本參數(shù)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。鑒于田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)不同，本研究認(rèn)為，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行類似的完全隨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)試驗(yàn)偏重于優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)時(shí)，則以林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)為主，使試驗(yàn)地處理組與對(duì)照組的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)基本保持一致。因此，在優(yōu)化時(shí)，可采用優(yōu)先比較各處理間的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，再比較基本特征參數(shù)的方法。計(jì)算1 000組不同小區(qū)排列方案得到的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異，得到具有最小值的小區(qū)排列方案，再在這些最小值的小區(qū)排列方案中找到基本參數(shù)差異最小的排列方式。這種方法更有利于衡量不同處理間林分空間結(jié)構(gòu)特征的一致性。