Γεωργικοί Πειραµατισµοί Χωριστού Σχεδίου: Οµάδες µε Υποοµάδες (Split-plot plot designs) ρ. Γεώργιος Μενεξές

Transcript

1 Γεωργικοί Πειραµατισµοί Χωριστού Σχεδίου: Οµάδες µε Υποοµάδες (Split-plot plot designs) Επιστηµονική Επιµέλεια: ρ. Γεώργιος Μενεξές Τοµέας Φυτών Μεγάλης Καλλιέργειας και Οικολογίας Εργαστήριο Γεωργίας Viola adorata

2 Πειραµατικός Σχεδιασµός Αναφέρεται: στη διαδικασία ή στο µεθοδολογικό σχέδιο σύµφωνα µε το οποίο οι διαθέσιµες πειραµατικές µονάδες εντάσσονται σε διάφορες πειραµατικές συνθήκες (µεταχειρίσεις ή αγωγές) στην κατάλληλη στατιστική ανάλυση των δεδοµένων Αποσκοπεί: στον έλεγχο και περιορισµό των ανεπιθύµητων πηγών παραλλακτικότητας (διακύµανσης) και αποτελεί αποδεκτό µηχανισµό παραγωγής δεδοµένων για τον έλεγχο σχέσεων αιτίας- αποτελέσµατος

3 Βασικές Αρχές Πειραµατισµού α) Σύγκριση των µεταχειρίσεων β) Τυχαία επιλογή ή τυχαία ανάθεση των πειραµατικών µονάδων στις µεταχειρίσεις γ) Επανάληψη των µετρήσεων για όλους ή για µερικούς από τους δυνατούς συνδυασµούς των µεταχειρίσεων

4 οµηµένη πορεία στο σχεδιασµό ενός πειράµατος Σαφής διατύπωση µιας ή περισσότερων στατιστικών υποθέσεων που αντιστοιχούν σε ερευνητικές υποθέσεις Καθορισµός µεταβλητών (ανεξάρτητες, εξαρτηµένες, θορύβου) Καθορισµός του πληθυσµού και του µεγέθους δείγµατος (επαναλήψεις) Καθορισµός της διαδικασίας τυχαιοποίησης των πειραµατικών µονάδων στις µεταχειρίσεις Καθορισµός της στατιστικής ανάλυσης

5 Πειραµατισµοί Χωριστού Βασική Αρχή: Σχεδίου Ολόκληρα πειραµατικά τεµάχια (whole plots), στα οποία εφαρµόζονται µεταχειρίσεις ενός ή περισσότερων παραγόντων, διαιρούνται σε υποτεµάχια (subplots), στα οποία εφαρµόζονται µεταχειρίσεις ενός ή περισσότερων επιπρόσθετων παραγόντων

6 Παράδειγµα Παράγοντας Α(3 επίπεδα), Whole Plots Παράγοντας Β(2 επίπεδα), Subplots Οµάδα i α3 α1 α2 Οµάδα i α3 β2 α1β1 α2β2 α3 β1 α1β2 α2β1

7 Χαρακτηριστικά Πειραµατισµών Χωριστού Σχεδίου Είναι παραγοντικοί σχεδιασµοί Η αντίστοιχη τυχαιοποίηση είναι δύο σταδίων Κάθε µεταχείριση του παράγοντα Α (ολόκληρο πειραµατικό τεµάχιο-whole plot) καθίσταται οµάδα (block) για τις µεταχειρίσεις του παράγοντα Β (υποτεµάχια-subplots), αλλά ατελή οµάδα (Incomplete block) σε σχέση µε το σύνολο των µεταχειρίσεων (συνδυασµοί επιπέδων των δύο παραγόντων)

8 Πότε χρησιµοποιούνται Οι µεταχειρίσεις ενός ή περισσοτέρων παραγόντων απαιτούν µεγαλύτερη ποσότητα πειραµατικού υλικού απ ό,τι οι µεταχειρίσεις άλλων παραγόντων Όταν αναµένονται µεγαλύτερες διαφορές µεταξύ των επιπέδων συγκεκριµένων παραγόντων σε σχέση µε τις διαφορές µεταξύ των µεταχειρίσεων κάποιων άλλων παραγόντων Όταν είναι επιθυµητή η σύγκριση των µεταχειρίσεων συγκεκριµένων παραγόντων µε µεγαλύτερη ακρίβεια απ ό,τι η σύγκριση κάποιων άλλων παραγόντων Όταν ένα Πείραµα είναι σε εξέλιξη και είναι επιθυµητή η εισαγωγή επιπλέον παραγόντων

9 Εφαρµογή Σε ένα ποολίβαδο οριοθετήθηκαν 8 blocks (οµάδες). Κάθε οµάδα είχε 3 πειραµατικά τεµάχια στα οποία έγιναν οι εξής χειρισµοί : Μάρτυρας (χωρίς προσθήκη θρεπτικών στοιχείων), Ν (προσθήκη αζώτου) και Ρ (προσθήκη φωσφόρου). Πάρθηκαν από κάθε πειραµατικό τεµάχιο ρίζες από τα εξής εννέα φυτικά είδη : τα αγρωστώδη Agrostis ostis, Poa και Festuca, τα µη ψυχανθή πλατύφυλλα Prunella, Fragaria, Plantago και Galium και τα ψυχανθή Trifolium και Dorignium. Στις ρίζες εκτιµήθηκε ο αποικισµός µε θυσανώδεις µυκόρριζες (µύκητες οι οποίοι συµβιώνουν στις ρίζες των φυτών και προσφέρουν διάφορες ωφέλειες στα φυτά) ο οποίος εκφράσθηκε ως ποσοστό των ριζών µε υφές θυσανωδών µυκορριζών.

10 Ζητούµενα Να διερευνηθεί η επίδραση των θρεπτικών στοιχείων και των ειδών στον αποικισµό των θυσανωδών µυκοριζών Να τεκµηριωθεί εάν µπορούµε να συµπεράνουµε για τον Μάρτυρα εάν τα αγρωστώδη, τα µη ψυχανθή πλατύφυλλα και τα ψυχανθή ως οµάδες φυτικών ειδών διαφέρουν σηµαντικά ως προς τον αποικισµό τους µε µυκόρριζες

11 Τα δεδοµένα ίνονται σε φύλλο εργασίας του Excel Εφαρµόζεται ο µετασχηµατισµός: arcsin( Y ) Επιτυγχάνεται καλύτερη προσαρµογή στην Κανονική Κατανοµή και ως ένα βαθµό η οµοιογένεια της διακύµανσης Παραµετροποίηση: r=8 Blocks (Οµάδες( Οµάδες) α=3 µεταχειρίσεις για τον παράγοντα Α (whole plots) Λιπάνσεις b=9 µεταχειρίσεις για τον παράγοντα Β (subplots) είδη

12 Η τυχαιοποίηση τυχαιοποίηση σε σε µία µία από από τις τις 8 Οµάδες Οµάδες Agrostis Agrostis Trifolium Trifolium Poa Poa Fragaria Fragaria Prunella Prunella Festuca Festuca Plantago Plantago Galium Galium P Dorignium Dorignium Poa Poa Dorignium Dorignium Prunella Prunella Galium Galium Fragaria Fragaria Plantago Plantago Trifolium Trifolium Festuca Festuca N Agrostis Agrostis Dorignium Dorignium Galium Galium Plantago Plantago Festuca Festuca Agrostis Agrostis Trifolium Trifolium Fragaria Fragaria Prunella Prunella C Poa Poa

13 Πίνακας Ανάλυσης ιακύµανσης Split plot design Source of Variation df SS Mean squares F Blocks r-1 Nutrients (factor A) a-1 Error (a) (a-1)(r-1) Species (Factor B) b-1 Interaction, AB (a-1)(b-1) Error (b) a(r-1)(b-1) Total abr-1

14 Πίνακας Ανάλυσης ιακύµανσης Factorial (RCBD) Source of Variation df SS Mean squares F Blocks r-1 Nutrients (factor A) a-1 Species (Factor B) b-1 Interaction, AB (a-1)(b-1) Error ab(r-1) Total abr-1

15 Έλεγχοι Υποθέσεων µέσω της ANOVA Η 01 : εν υπάρχει επίδραση του παράγοντα Α (µ C =µ P =µ Ν Λιπάνσεις) Η 02 : εν υπάρχει επίδραση του παράγοντα Β (µ i =µ j, i, j=1, =1,,9,9 Είδη) Η 03 : εν υπάρχει αλληλεπίδραση ΑΒ µεταξύ των δύο παραγόντων Με εναλλακτικές Η 11,Η 12, Η 13 : όχι η Η 0 Σε επίπεδο σηµαντικότητας α

16 Τυπικά Σφάλµατα των ιαφορών για τις Συγκρίσεις Μέσων Όρων (Split plot design) ιαφορές µεταξύ ύο µέσων όρων του παράγοντα Α ύο µέσων όρων του παράγοντα Β ύο µέσων όρων του παράγοντα Β στο ίδιο επίπεδο του παράγοντα Α ύο µέσων όρων του παράγοντα Α στο ίδιο ή σε διαφορετικά επίπεδα του παράγοντα Β Τιµή t κατά προσέγγιση t = Τυπικό Σφάλµα της ιαφοράς ( 1) ( 1) b b 2E a rb ( ) b E t + E t b E + E 2E b ra 2E b r 2 b 1 Eb + Ea rb b a a a

17 F F F Αποτελέσµατα ANOVA Πηγές Μεταβλητότητας β.ε. Αθροίσµατα Τετραγώνων Μέσα Τετράγωνα Οµάδες 7 957, ,775 Λιπάνσεις (παράγοντας A) , ,058 16,236 0,000 Σφάλµα (a) ,474 87,462 Είδη (Παράγοντας B) , ,968 71,052 0,000 Αλληλεπίδραση, AB , ,647 4,438 0,000 Σφάλµα (b) ,167 73,608 Σύνολο ,256 ( ) = F ( ) = ( ) = F ( ) = ( ) F ( ) 2;14 3, 739, 2;14 6,515, ;168 1,994, 8;168 2, ;168 = 1, 704, 16;168 = 2, F p

18 Επιµέρους Υπολογισµοί Ι ιορθωτικός Όρος (Correction Term): C 2 2 Y... (9150,601) = = = ,1 rab 216 = 35, K + 68, ,1= 64454, Yijk C i, j, k 2 SS(total)= ( ) ( ) 2 Y 2 2 ij. ( 344,114) + K+ ( 355,569) i, j SS(whole units) = C= ,1= 5022,017 b 9 2 Y 2 2 i.. ( 1067,162) + K+ ( 1104,180) i SS(blocks) = C= ,1= 957, 426 ab 27 2 Y 2 2. j. ( 2948,823) + K+ ( 2793, 422) j SS(A) = C= ,1= 2840,117 rb 72 SS[error(a)]=SS(whole units)-ss(blocks)-ss(a)=1224,474

19 Επιµέρους Υπολογισµοί ΙΙ 2 Y k ( 1446,220 ) + K+ ( 9150,601 ) k SS(B) = C= ,1 = 41839,747 ra 24 Y 2. jk j, k = C SS( A) SS( B) = r ( ) ( ) ,974 + K+ 482,704 SS(AB) = ( ,1 ) ( 2840,117 ) ( 41839,747 ) = 8 = 5226,352 SS[error(b)]=SS(total)-SS(whole units)-ss(b)-ss(ab)=12366,167

20 Υπολογισµός των Τυπικών Σφαλµάτων των ιαφορών για τις συγκρίσεις των Μέσων Όρων ιαφορές µεταξύ ύο µέσων όρων του παράγοντα Α ύο µέσων όρων του παράγοντα Β ύο µέσων όρων του παράγοντα Β στο ίδιο επίπεδο του παράγοντα Α ύο µέσων όρων του παράγοντα Α στο ίδιο ή σε διαφορετικά επίπεδα του παράγοντα Β ( ) Τυπικό Σφάλµα της ιαφοράς 2E a 2 87, 462 = = 1,559 rb 72 2E b 2 73,608 = = 2,477 ra 24 2E b 2 73,608 = = 4,290 r 8 2 b 1 Eb + Ea 2(8 73, , 462) = = 4,334 rb 72 t = 1,996

21 Συγκρίσεις Μέσων Όρων Ι Λιπάνσεις-Nutrients (Whole Plot Factor A) MO Μάρτυρας 40,956 Προσθήκη Ν 47,338 Προσθήκη P 38,798 LSD ,343 Είδη-Species (Sub Plot Factor B) MO Agrostis 27,541 Poa 28,843 Festuca 32,466 Prunella 40,278 Plantago 34,805 Fragaria 36,199 Galium 51,240 Trifolium 69,645 Dorignium 60,259 LSD ,889 LSD LSD = t = t a / 2 a / 2 2E a rb α=0,05, κρίσιµη τιµή της t-κατανοµής για 14 β.ε. 2E b ra α=0,05, κρίσιµη τιµή της t-κατανοµής για 168 β.ε.

22 Συγκρίσεις Μέσων Όρων ΙΙ Είδη Μάρτυρας Προσθήκη N Προσθήκη P Agrostis 29,622 36,680 16,319 Poa 30,102 32,266 24,160 Festuca 38,125 40,926 18,345 Prunella 36,887 43,722 40,225 Plantago 34,818 40,239 29,359 Fragaria 34,926 41,264 32,406 Galium 36,525 58,242 58,953 Trifolium 68,632 71,231 69,072 Dorignium 58,965 61,475 60,338 LSD ,469 LSD ,177 t ( 168) 0.05/ 2 1,974 t ( 168) 0.01/ 2 2,605 LSD = t a / 2 2E b r LSD για οριζόντιες συγκρίσεις =8,652 (α=0,05)

23 ιάγραµµα Αλληλεπίδρασης (πρώτη κατεύθυνση) 80 Είδη-Species 70 Agrostis 60 Poa Festuca 50 Prunella 40 Plantago 30 Fragaria Galium 20 Trifolium MO 10 Μάρτυρας Προσθήκη Ν Dorignium Προσθήκη P Λιπάνσεις-Nutrients (Whole Plot Factor A)

24 ιάγραµµα Αλληλεπίδρασης (δεύτερη κατεύθυνση) MO Agrostis Λιπάνσεις-Nutrients Μάρτυρας Προσθήκη Ν Προσθήκη P Festuca Plantago Galium Dorignium Poa Prunella Fragaria Trifolium Είδη-Species (Sub Plot Factor B)

25 Συγκρίσεις Οµάδων Μέσων Όρων (Planned comparisons) Q= cy µε c = 0 ( contrast ), Y αντιστοιχε ί σε άθροισµα mπαρατηρ ήσεων i i i. i i. i µπορε ίναδειχθε ί ότι E( Q) = m cy και σ = m c σ i τότετοστατιστικ ό SS( Q) F= = 2 s 2 Q m c i 2 i MS( error ) i i. Q i i µε 1 καιβε..( error ) βε.. µπορε ίνα χρησιµοποιη θείγιαναελεγχθε ίηυπόθεση : H 0 : cµ = 0 i i i

26 Συγκρίσεις Οµάδων Μέσων Όρων Προσθήκη Προσθήκη Οµάδες Ειδών Μάρτυρας N P Grasses (Αγρωστώδη) 32,616 36,624 19,608 Forbs (Μη Ψυχανθή πλατύφυλλα) 35,789 45,867 40,236 Legumes (Ψυχανθή) 63,798 66,353 64,705 Για τον Μάρτυρα: µ 1+ µ 2+ µ 3 µ 4+ µ 5+ µ 6+ µ 7 1. H0 : = H : 4µ + 4µ + 4µ 3µ 3µ 3µ 3µ = µ 1+ µ 2+ µ 3 µ 8+ µ 9 2. H0 : = H : 2µ + 2µ + 2µ 3µ 3µ = µ 4+ µ 5+ µ 6+ µ 7 µ 8+ µ 9 3. H0 : = H : µ + µ + µ + µ 2µ 2µ =

27 Παράδειγµα Υπολογισµών (αντίθεση 1) Agrostis Poa Festuca Prunella Plantago Fragaria Galium Q= 304,581 Q 2 = 92769,83 2 ci = 84 i m= 8 MS( error ) = Eb= 73,608 2 Q 92769, ,83 138,050 m c = 8 84 = 672 = i 2 i Η πρώτη αντίθεση δεν είναι στατιστικά σηµαντική σε ε.σ. α=0,05, εποµένως η οµάδα «Αγρωστώδη» δεν διαφέρει στατιστικά σηµαντικά από την οµάδα «Μη Ψυχανθή Πλατύφυλλα», στο Μάρτυρα 138,050 F(1;168) = = 1,875, p= 0,173 > 0,05, F critical (1;168) = 3,897 73,608

28 Υπόλοιπα Αποτελέσµατα Η οµάδα «Αγρωστώδη» διαφέρει στατιστικά σηµαντικά, σε ε.σ. α=0,05 από την οµάδα «Ψυχανθή» (F(1;168)=126,811,(1;168)=126,811, p=0,000) Η οµάδα «Μη Ψυχανθή Πλατύφυλλα» διαφέρει στατιστικά σηµαντικά, σε ε.σ. α=0,05 από την οµάδα «Ψυχανθή» (F(1;168)=10,434, p=0,000)

29 Μετασχηµατισµός στις αρχικές µονάδες µέτρησης Λιπάνσεις-Nutrients (Whole Plot Factor A) Μάρτυρας Προσθήκη Ν Προσθήκη P Είδη-Species (Sub Plot Factor B) ΜΟ 1 Agrostis 23,375 2 Poa 24,000 3 Festuca 30,500 4 Prunella 42,167 5 Plantago 33,292 6 Fragaria 35,542 7 Galium 59,958 8 Trifolium 86,750 9 Dorignium 74,375 ΜΟ 42,889 b 53,139 a 40,625 b Λιπάνσεις-Nutrients (Whole Plot Factor A) Είδη-Species (Sub Plot Factor B) Μάρτυρας Προσθήκη Ν Προσθήκη P 1 Agrostis 24,625 c 36,375 9,125 2 Poa 25,750 c 29,375 16,875 3 Festuca 38,250 c 43,125 10,125 4 Prunella 36,375 c 47,750 42,375 5 Plantago 32,750 c 42,500 24,625 6 Fragaria 33,250 c 43,625 29,750 7 Galium 36,250 c 71,250 72,375 8 Trifolium 86,125 a 88,125 86,000 9 Dorignium 72,625 b 76,125 74,375 Προσθήκη Προσθήκη Οµάδες Ειδών Μάρτυρας N P Grasses (Αγρωστώδη) 29,542 b 36,292 12,042 Forbs (Μη Ψυχανθή πλατύφυλλα) 34,656 b 51,281 42,281 Legumes (Ψυχανθή) 79,375 a 82,125 80,188

30 Y ijk Ειδικά Θέµατα I Προσέγγιση GLM ijk = µ + α i + b j + (ab( ) ij + γ k + ( (αγ ) ik + ε ijk

31 Ειδικά Θέµατα ΙΙ Στατιστικές Προϋποθέσεις ANOVA Κανονική Κατανοµή Οµοιογένεια διασπορών-συνδυασπορών συνδυασπορών Παράτυπες τιµές Πολλαπλές Συγκρίσεις Μέσων Όρων Ανάλυση Ισχύος (a a priori, post-hoc hoc)

32 Επίδραση του µετασχηµατισµού Πριν το µετασχηµατισµό Μετά το µετασχηµατισµό

33 Βιβλιογραφία Steel, R. & Torrie,, J. (1986). Principles and Procedures of Statistics: A Biometrical Approach.. Singapore: McGraw-Hill Book Company. Gomez, K. & Gomez, A. (1984). Statistical Procedures for Agricultural Research.. Singapore: John Willey & Sons, Inc. Cochran, W. & Cox, G. (1953). Experimental Designs.. New York: John Willey & Sons, Inc. Kirk, R. (1995). Experimental Design: Procedures for the Behavioral Sciences.. Pacific Grove: Brooks/Cole Publishing Company. Mead, R. & Curnow, R. N. (1990). Statistical Methods in Agriculture and Experimental Biology.. London: Chapman and Hall. Kuehl,, R. (2000). Designs of Experiments: Statistical Principles of Research Design and Analysis.. Pacific Grove: Duxbury Thomson Learning.

34 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Viola adorata