Основы научных исследований в агрономии

Задание № 1.

1. Кратко охарактеризовать основные методы исследования, применяемые в научной агрономии.

Методы агрономических исследований могут быть разделены  на две группы: биологические и  лабораторные, используемые совместно  и взаимно дополняющие друг друга. 
Биологические методы включают полевой опыт, вегетационный и лизиметрический методы. 
Полевой опыт - это метод исследования, проводимого в природной (полевой) обстановке на специально выделенном участке для определения воздействия условий или приемов возделывания (отдельно взятых или в сочетании) на урожай сельскохозяйственных растений. В полевых опытах с удобрениями определяют действие удобрения на величину урожая и его качество, а также на плодородие почвы. Полевой опыт - основной метод изучения эффективности удобрений (отдельных их видов и сочетаний, форм, доз и т. д.) в различных почвенно-климатических условиях в зависимости от агротехнических и других факторов. 
Стационарные опыты проводят на специально приспособленных постоянных участках. Эти опыты, как правило, сопровождаются дополнительными наблюдениями и лабораторными исследованиями для объяснения выявленных различий в действии удобрений и других факторов. В стационарных опытах изучают систематическое внесение удобрений в севообороте в течение ряда лет. Чаще всего такие опыты бывают многолетними. Результаты стационарных опытов служат надежной основой для разработки рекомендаций по применению удобрений в зоне их проведения. 
Производственные опыты, закладываемые непосредственно в хозяйствах, позволяют установить действие удобрений на урожай и его качество в производственных условиях. Они служат для проверки и уточнения результатов, полученных в стационарных опытах, применительно к конкретным условиям хозяйства и используются для определения не только агрономической, но и экономической эффективности удобрений. Такие опыты в широких масштабах проводят агрохимические центры и станции химизации в хозяйствах, имеющих типичные в пределах зоны обслуживания природные и организационно-экономические условия. 
Вегетационный метод позволяет выделить и исследовать воздействие отдельных факторов на рост, развитие, обмен веществ, питание и урожай растений. В вегетационных опытах растения выращивают в специальных стеклянных вегетационных домиках или под сеткой на искусственных средах в сосудах с водой, песком или почвой. Вегетационные опыты дают возможность строго контролировать и регулировать условия питания растений и в определенной мере условия внешней среды - режим увлажнения, освещенности, температуры и т. д. 
Лизиметрический метод позволяет в природных условиях с помощью специальных устройств - лизиметров - изучать передвижение и просачивание воды сквозь слой почвы. В агрохимических исследованиях лизиметрический метод используют для изучения водного режима в опытах с удобрениями, размеров выщелачивания минеральных солей из почвы и удобрений, количественной оценки баланса питательных веществ в почве - сопоставления их поступления с выносом растениями и потерями. 
Лабораторные методы агрономического анализа растений, почв и удобрений включают химические, биохимические и микробиологические методы, а также метод изотопных индикаторов (стабильные и радиоактивные изотопы). Ведущая роль среди лабораторных методов принадлежит химическому анализу агрономических объектов. 
Агрохимический анализ растений, почв и удобрений позволяет изучить баланс питательных веществ в земледелии и дать научное обоснование регулированию питания сельскохозяйственных культур с помощью удобрений. 
В агрохимических исследованиях широко используют математические методы для оценки точности опытов и достоверности полученных результатов, выявления зависимости между удобрениями и урожаем, моделирования процессов поглощения растениями, превращения в почве и потерь питательных веществ из почвы и удобрений, прогнозирования изменений почвенного плодородия и потребности в удобрениях, для энергетической и экономической оценки применения удобрений с использованием современной вычислительной техники. 
На основе результатов полевых и производственных опытов с обязательной агроэкологической и экономической оценкой изучаемых удобрений и приемов их внесения даются практические рекомендации производству, которые позволяют эффективно использовать разнообразные местные и промышленные удобрения. 
2. Написать определения полевого опыта и сельскохозяйственного производственного опыта. Если между ними имеются различия, то в чем их суть?

Полевой опыт – исследование, осуществляемое в полевой обстановке на специально выделенном участке. Основной задачей полевого опыта является установления различий между вариантами опыта, количественная оценка действия факторов жизни, условий или приемов возделывания на урожай растений и его качество.  
Производственный сельскохозяйственный опыт - это комплексное, научно поставленное исследование, которое проводится непосредственно в производственных условиях и отвечает задачам самого материального производства, его постоянного развития и совершенствования. 
Таким образом, цели производственного эксперимента значительно шире, чем полевого опыта. В задачу производственного сельскохозяйственного опыта входит изучение агротехнической и экономической эффективности системы агрономических и организационно-хозяйственных мероприятий, а не отдельных приемов или элементов этой системы. 
3. Перечислить основные методологические требования к полевому опыту.

Особенность полевого опыта, отличающая его от других методов исследования, состоит в том, что культурное растение изучают вместе со всей совокупностью  почвенных, климатических и агротехнических  факторов, очень близких к производственным, или непосредственно в производственных условиях.  
Только полевой опыт может установить связь между урожаем и средствами воздействия на него. Кроме того, существуют вопросы, которые вообще не могут быть изучены вне полевой обстановки, вне полевого опыта, например система обработки почвы и ухода за растениями, севооборот, применение удобрений в севообороте, сочетание удобрений и гербицидов с другими агротехническими приемами, механизация уборки и т. д.  
Ценность результатов полевого опыта зависит от соблюдения определенных методологических требований. Важнейшие из них следующие: 
1) типичность опыта;  
2) соблюдение принципа единственного различия;  
3) проведение опыта на специально выделенном участке;  
4) учет урожая и достоверность опыта по существу.  
Под типичностью, или репрезентативностью, полевого опыта понимают соответствие условий его проведения почвенно-климатическим (природным) и агротехническим условиям данного района или зоны. Любой полевой опыт должен отвечать требованию почвенно-климатической типичности.  
При постановке полевых опытов необходимо соблюдать единство всех условий, кроме одного - изучаемого. Это очень важное и обязательное требование методики называют принципом единственного различия. Он должен строго соблюдаться в опытной работе. Например, в полевом опыте с дозами азотных удобрений единственным различием по вариантам будут дозы. Все остальные условия опыта (почвенные условия, предшественник, способы обработки почвы, сорт, посев, уход и т. д.) во всех вариантах должны быть тождественными, одинаковыми. Без соблюдения этого требования методики нельзя правильно установить эффективность изучаемых доз удобрений.  
Требование проведения полевого опыта на специально выбеленном участке с хорошо известной историей - это логическое следствие требования принципа единственного различия. Оно также обязательно для любого полевого опыта. В практике опытного дела это требование методики нередко игнорируют, опыты закладывают на участках, история которых неизвестна, в связи с чем результаты таких опытов невозможно понять, интерпретировать и тем более использовать.  
Требование учета урожая и достоверности опыта. Урожай и качество сельскохозяйственных растений - главный объективный показатель при характеристике изучаемых в опыте вариантов.  
Под достоверностью опыта, по существу, понимают логически правильно построенную схему и методику проведения опыта, соответствие их поставленным перед исследованием задачам, правильный выбор объекта и условий проведения данного опыта.  
При проведении опыта экспериментатор обычно, встречается с тремя видами ошибок - случайными, систематическими и грубыми. Ошибка -это расхождение между результатами выборочного наблюдения и истинным значением измеряемой величины.  
Для математической обработки и обоснованных выводов можно использовать лишь те результаты полевых опытов, которые не содержат грубых и систематических односторонних ошибок.  
4. Классификация полевых опытов. Какие опыты целесообразно проводить в колхозах и совхозах? Их краткая характеристика и применяемость в хозяйстве, где работаете?

Агрономические опыты объединяют в две большие группы: агротехнические  и опыты по сортоиспытанию. Кроме  того, опыты подразделяют на полевые - проводимые в естественных условиях, и на проводимые в искусственных  условиях (в теплицах, вегетационных домиках, фитотронах и даже в космосе). Промежуточное положение занимают опыты в лизиметрах.  
Полевые опыты для удобства их использования подразделяют по месту проведения; по длительности; по числу изучаемых факторов; по географическому охвату объектов исследований. Подразделение опытов по месту проведения. Выделяют опыты, проводимые в научных учреждениях или учебных заведениях, и те, которые проводят в условиях производства. 
Опыты в научных учреждениях или учебных заведениях подразделяют на мелкоделяночные, лабораторно-полевые и полевые. Мелкоделяночные опыты проводят на опытных делянках площадью до 10 м , лабораторно-полевые - 11-50 и полевые - 51-200 м  и более. 
Опыты на производстве подразделяют на опыты-пробы, точные сравнительные опыты, опыты по учету эффективности новых агроприемов, демонстрационные и производственные. 
Опыты - пробы закладывают на производственных посевах, где выделяют полосы шириной в один проход жатки или комбайна. Длина таких делянок должна быть в 5-10 раз больше ширины. 
По характеру различают положительное взаимодействие, когда прибавка от совместного применения факторов - больше, и отрицательное, когда она меньше арифметической суммы прибавок от их раздельного применения. К краткосрочным относят опыты продолжительностью от 3 до 10 лет. Они могут быть нестационарными и стационарными. Первые закладывают ежегодно по неизменной схеме с одной и той же культурой на новых участках и повторяют во времени обычно 3 - 4 года. Этого периода считается достаточно для учета влияния условий погоды на эффективность какого-либо приема. Вторые закладывают на стационарных участках и проводят в течение 4 - 10 лет.  
Установить величину и характер взаимодействия позволяют только те многофакторные опыты, которые спланированы по схеме полного факториального эксперимента (ПФЭ), которая предусматривает наличие всех возможных сочетаний изучаемых факторов и их градаций (доз). Поэтому не всякий опыт, включающий несколько факторов, можно назвать многофакторным.  
К многолетним относят однофакторные и многофакторные стационарные полевые опыты продолжительностью 10 - 50, к длительным - более 50 лет. Основная задача многолетних и длительных стационарных экспериментов - изучение действия, взаимодействия и последействия систематически осуществляемых агротехнических приемов или комплексов их на плодородие почвы и качество продукции. По месту проведения подразделяют полевые опыты, заложенные на специально организованных и приспособленных для этих целей участках или опытных полях, и полевые опыты, проведенные в производственной обстановке - в колхозах и совхозах на полях хозяйственных севооборотов. 
5. Перечислить основные элементы методики полевого опыта. Каково их влияние на точность полевого эксперимента?

Под методикой полевого опыта подразумевают  совокупность слагающих ее элементов:  
- число вариантов,  
- площадь делянок, их форму и направление,  
- повторность, систему размещения повторений, делянок и вариантов на территории,  
- метод учета урожая,  
- организацию опыта во времени. 
Число вариантов в схеме любого опыта - обычно заранее заданная величина, которая всецело определяется его содержанием и задачами. Число вариантов, очевидно, не может оказать влияния на типичность опыта, но может существенно сказаться на его ошибке, так как при прочих равных условиях опыт с большим числом вариантов будет занимать большую площадь. Увеличение числа вариантов в опыте сверх 12-16 на пестрых и выравненных участках с закономерной территориальной изменчивостью плодородия почвы значительно увеличивает ошибку эксперимента. При случайном варьировании пестроты плодородия, т.е. на участках, где территориальная изменчивость выражена слабо, независимо от величины коэффициента вариации ошибка опыта при увеличении числа вариантов с 6 до 50 также возрастает, но в значительно меньшей степени.  
С увеличением числа вариантов увеличивается площадь под опытом, возрастает пестрота почвенного плодородия и расстояние между сравниваемыми вариантами, так как в этом случае труднее уложить опыт или его отдельные повторения в пределах однородной по почвенному плодородию площадки. Все это и ведет к увеличению ошибки опыта. 
Точность полевого эксперимента и надежность средних по вариантам в большой степени определяются повторностью опыта на территории и во времени.  
Повторностью опыта на территории называют число одноименных делянок каждого варианта, а повторностью опыта во времени - число лет испытаний новых агротехнических приемов или сортов. Территориальная повторность дает возможность полнее охватить каждым вариантом опыта пестроту земельного участка и получить более устойчивые и точные средние, а повторность во времени позволяет установить действие, взаимодействие или последействие изучаемых факторов в разных метеорологических условиях.  
При увеличении повторности заметно снижается ошибка опыта. Особенно сильно ошибка снижается при увеличении повторности до 4-6-кратной; дальнейшее повышение повторности сопровождается менее значительным уменьшением ошибки.  
6. Описать методы размещения на опытном участке делянок, повторений и вариантов. Подробнее охарактеризовать два случайных метода размещения вариантов на делянках.

Полевой опыт ставят на делянках, имеющих  определенный размер и форму. Делянки  служат для размещения на них изучаемых  и контрольных вариантов.  
Размер опытной делянки для различных видов полевого опыта в каждом конкретном случае будет меняться в зависимости от назначения и задачи опыта, культуры, степени и характера пестроты почвенного покрова, агротехники и от того, какими орудиями, машинами предполагается пользоваться и возможна ли одновременная обработка всех делянок или их придется обрабатывать раздельно.  
В практике опытного дела в нашей стране наиболее широко используются делянки размером 50-200, а на первоначальных этапах исследовательской работы 10-50 м . Делянки меньше 10 м  обычно применяют в так называемых микрополевых опытах, например при селекции растений, когда очень важно экономить посевной материал.  
При установлении размера делянки следует учитывать особенности агротехники растений: ширину междурядий, густоту стояния и т. п. Общее правило таково, что чем больше выращивается растений на единице площади, тем меньше может быть площадь делянки. Так, у льна достаточно хорошая точность опыта достигается при площади учетной делянки 20...25 м , у зерновых - 40...60, а у пропашных - 50...100 м .  
Крупная делянка имеет преимущество перед небольшой только при проведении многолетних опытов, когда возникает необходимость изучать новые факторы или приемы, не предусмотренные при закладке опыта. В подобных случаях большую делянку можно разделить (расщепить) на несколько более мелких и заложить на них дополнительные варианты или ввести новый фон для изучения эффективности уже имеющихся вариантов. В связи с этим многолетние опыты целесообразно закладывать на делянках 200-300 м , с тем чтобы при необходимости расщепления каждая из них имела площадь 50-100 м . Различают боковые и концевые защитные полосы. Боковые защитки выделяют вдоль длинных сторон делянок для исключения влияния растений соседних вариантов, которое тем значительнее, чем больше растения различаются по своему развитию. Особенно сильно влияние соседних вариантов проявляется в опытах с удобрениями, способами обработки почвы, предшественниками и орошением. В большинстве случаев ширину боковой защитной полосы, которую убирают перед уборкой учетной площади, устанавливают в пределах 0,5-1,5 м.  
Концевые защитки шириной не менее 2 м выделяют для предохранения учетной части делянки от случайных повреждений.  
Кроме того, для разворота машин и орудий с обоих концов делянок выделяют защитные полосы шириной не менее 5 м. Говоря о форме делянки, обычно имеют в виду отношение ее длины к ширине. Делянки называют квадратными при отношении сторон, равном 10х10 м; прямоугольными - при отношении длины к ширине больше 1, но меньше 100х20 или 4х20 м ; удлиненными - при отношении более 10х40 м  или 4х60 м .  
Можно выделить три основные группы методов размещения вариантов по делянкам опытного участка: стандартные, систематические и рендомизированные (случайные).  
Стандартные методы характеризуются более частым, обычно через 1-2 опытных варианта, расположением контроля, стандарта. Систематические методы предусматривают неизменный порядок расположения вариантов в каждом повторении. При случайных методах порядок вариантов определяется путем рендомизации, т. е. размещения их внутри каждого повторения случайно по жребию, когда каждый вариант имеет равную вероятность, равный шанс попасть на любую делянку, тогда как при систематическом такая возможность исключена.  
Стандартные методы основаны на том, что плодородие опытного участка изменяется постепенно, и между урожаями ближайших делянок наблюдается корреляционная связь. В стандартных методах каждый изучаемый вариант сравнивают со своим контролем, урожай которого вычисляют способом линейной интерполяции, находя промежуточные значения функции на основании предположения о постепенном изменении плодородия почвы земельного участка.  
Систематическое размещение вариантов - это такое расположение опыта, когда порядок следования вариантов в каждом повторении подчиняется определенной системе. Имеется много способов размещения вариантов по этому методу. В нашей стране распространены два - последовательный в один ярус и шахматный, при расположении повторений в несколько ярусов. 
Наиболее простой способ рендомизации заключается в следующем. Варианты нумеруют или обозначают буквами, и эти обозначения пишут на одинаковых карточках. Затем карточки тщательно перемешивают, после чего вынимают по одной. Варианты в повторении размещают на делянках в последовательности, определенной жребием, случаем. Для каждого повторения проводится своя рендомизация.  
Случайность расположения цифр, составленных из чисел 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, заключается в том, что нет никакого закона в их расположении. Вместе с тем, каждое из этих чисел встречается на каждой странице приблизительно одинаковое число раз с вероятностью 0,1.  
Простейшим из современных методов размещения полевого опыта на территории является неограниченная, полная рендомизация сопутствующих условий, когда варианты по делянкам опытного участка распределяются совершенно случайно. Если, например, планируется заложить опыт с тремя вариантами четырехкратной повторности, то выделенный земельный участок разбивают на 12 делянок (3x4= 12) и по таблице случайных чисел размещают варианты по делянкам так, чтобы каждый вариант занял по 4 делянки.  
Метод неорганизованных повторений, т.е. неограниченная рендомизация условий эксперимента, в ряде случаев эффективен, например, при небольшом числе изучаемых вариантов (2 – 4), когда есть основания не ставить под контроль территориальное закономерное варьирование плодородия почвы. Такие условия часто встречаются при работе с многолетними плодовыми культурами, которые характеризуются сильной индивидуальной изменчивостью, а опытный участок достаточно однороден по плодородию и невелик по площади, и, следовательно, маловероятно увеличить точность опыта за счет вычленения варьирования организованных повторений.  
7. Перечислить основные этапы научного исследования, осуществляемого методом полевого опыта.

Научные исследования и разработки, осуществляемые методом полевого эксперимента, включают три основных этапа: 

1. планирование;
2. проведение полевых опытов, наблюдений и учетов;
3. обработку и обобщение полученных данных.

Планирование – это  определение задачи и объектов (растений) исследования, разработка схемы эксперимента, выбор земельного участка и оптимальной  структуры полевого опыта. 
8. Кратко описать технику разбивки оформления полевого опыта на опытном участке.

После изучения и подготовки земельного участка необходимо нанести  намеченное расположение опыта на схематический  план, где указать точные размеры  всего опыта, повторений, делянок, номера делянок и номера вариантов по делянкам и т.п. (рис. 1). По схематическому плану затем размещают опыт в натуре, т.е. выделяют и фиксируют границы опыта, отдельных повторений и делянок. При этом очень важно, чтобы площадь повторений и делянок точно соответствовала принятым размерам, все делянки во всех повторениях обязательно должны быть одинаковой длины и ширины и иметь строго прямоугольную форму.  
Разбивку участка начинают с выделения общего контура опыта и контуров отдельных повторений. Опыт должен располагаться так, чтобы его или каждое повторение (при разбросанном размещении их) со всех сторон окаймляли защитные полосы шириной не менее 5 м. Общий контур и контур повторений выделяют с возможно большей точностью; допустимая невязка для общего контура не должна превышать 5-10 см на 100 м длины.  
 
Рис. 1. Схематический план полевого опыта 
Чтобы выделить контур опыта, поступают так. По одной из длинных сторон участка прокладывают, отмечая вешками или по шнуру, прямую линию, например A D  (см. рис. 1). Отступают от границы поля 5-10 м и забивают колышек А. Затем по линии A D  отмеряют требуемое по плану расстояние и ставят колышек D. В точках А и D восстанавливают перпендикуляры к линии AD. От точек А и D по перпендикуляру откладывают необходимое расстояние и фиксируют границы опыта колышками В и С. Если прямые углы были построены верно, то AD = BC и AB = CD, если же получилась невязка, превышающая допустимые пределы, то работу повторяют.  
После выделения общего контура опыта его разбивают на повторения и делянки по шнуру и мерной ленте или рулетке. Технически эта работа не представляет сложности, но должна быть выполнена очень аккуратно. Колышки на границах делянок нужно вбивать точно возле отметок, все время с одной стороны мерной ленты; по границам повторений ставят по два колышка или выделяют их особо. На колышках указывают номера делянок, повторений и делают другие обозначения. Надписи располагают на той стороне колышка, которая обращена внутрь соответствующей делянки, чтобы было ясно, к какой из них они относятся.  
При планировании и закладке опыта в натуре должны быть обязательно предусмотрены защитные полосы шириной не менее 5 м, окаймляющие весь опытный участок, а также между повторениями и по краям каждой делянки, чтобы устранить влияние соседних вариантов. В опытах с удобрениями, обработкой почвы и многолетних опытах минимальной шириной защиток следует считать 1-1,5 м около каждой делянки или 2-3 м между соседними делянками, а для краткосрочных опытов по изучению способов, норм посева и т. п. ширина защиток допускается в пределах 0,5-0,75 м для каждой делянки.  
Границы защиток вокруг делянок закрепляют чаще всего после появления всходов. В опытах по сортоиспытанию защитки вдоль делянок вообще не выделяют, так как допускают, что практически влияние сортов одной и той же культуры друг на друга незначительно и вряд ли может быть уловлено полевым опытом. В принципе это, конечно, неправильно, так как сильно развивающиеся сорта, безусловно, могут оказывать угнетающее влияние на краевые растения смежных, более слабых сортов.  
По окончании разбивки опыта необходимо надежно зафиксировать его основные границы, от которых в любое время можно было бы установить границы повторений и делянок. Для каждого опыта нужно обязательно закреплять по крайней мере четыре основные точки - А, В, С, D для двух линий, например АВ и ВС (рис. 1), которые продолжают по прямой до точек А , В , C , D  находящихся за пределами обрабатываемого участка и в этих точках устанавливают постоянные столбики (реперы, фиксированные колья). Расстояние от реперов до границы опыта тщательно измеряют и записывают, чтобы при утере угловых кольев, что часто происходит при обработках, их можно было быстро восстановить.  
9. Указать требования, предъявляемые к полевым работам на опытном участке.