При решении некоторых лесохозяйственных задач применяют так называемые однофакторные и многофакторные эксперименты. Такими задачами могут являться исследования влияния отдельных экологических факторов и различных доз удобрений на выращивание посадочного материала в питомниках.

Самый простой по подготовке - однофакторный эксперимент, в котором изучаемый фактор изменяется под воздействием одного переменного фактора. Примером такого эксперимента может быть исследование изменения выхода стандартного посадочного материала в лесном питомнике при различных дозах удобрения. Основными параметрами стандартности посадочного материала являются высота сеянца и длина его корневой системы, поэтому главным в изучении будут именно эти показатели.

В общем виде влияние любого удобрения с увеличивающейся дозой на рост посадочного материала выглядит как выпуклая кривая со своим максимумом и двумя минимумами.

На лимитирующей области кривой удобрение способствует росту в высоту, тогда как дальнейшее увеличение дозы удобрения не увеличивает существенно рост. Еще большее увеличение дозы приводит к подавлению роста (ингибирующая область кривой). Если же экспериментатор пропустит градации доз в отрезке максимума, получится неверное представление о влиянии доз удобрений на рост сеянцев.

Таким образом, успешное решение поставленной перед экспериментатором задачи зависит от удачного выбора основной градации (центра эксперимента) и единицы варьирования (шага) изучаемого фактора.

Если неправильно установлен центр эксперимента и приняты незначительные различия в градациях, то экспериментальные точки могут охватить только лимитирующую или стационарную область. Следовательно, на основании такой информации нельзя установить оптимальный уровень для изучаемого в опыте фактора.

Другая опасность возникает в том случае, если шаг варьирования выбран слишком большим и можно «проскочить» точку максимума.

Точные рекомендации по выбору величины шага дать невозможно, и многое здесь зависит от квалификации и интуиции исследователя.

В общем виде схему однофакторного опыта по изучению градаций фактора А можно представить так: А0, А1, А2, ... , Аk. Индексами 0, 1, 2, …k обозначены градации фактора А в условных единицах, где 0 - наименьшее значение фактора А, k - наибольшее.

Например, при изучении влияния доз азотного удобрения на выход посадочного материала взяты пять градаций: 0 - без удобрения, 1 - N 120 кг/га, 2 - N 140 кг/га, 3 - N 160 кг/га, 4 - N 180 кг/га. В общем виде схема опыта будет такой: А0, А1, А2, А3, А4. Конкретная схема выглядит несколько по-иному:

1.Сосна об. Без удобрений (контроль-А0).

2.-«- -«- + N 120 кг/га (А1).

3.-«- -«- + N 140 кг/га (А2).

4.-«- -«- + N 160 кг/га (А3).

5.-«- -«- + N 180 кг/га (А4).

В отличие от однофакторных, многофакторные опыты дают возможность установить действие изучаемых факторов, характер и величину их взаимодействия при совместном применении.

Чтобы на основе данных многофакторного эксперимента можно было вычислить эффект действия и взаимодействия факторов, при планировании его схемы необходимо выдержать принцип факториальности.

Суть принципа факториальности заключается в том, что схема должна предусмотреть испытание всех возможных сочетаний намеченных к изучению факторов и их градаций. Здесь нулевая градация фактора обозначает его отсутствие.

В качестве примера наиболее простой факториальной схемой может служить опыт с использованием двух факторов А и В, каждый из которых испытывается в двух градациях - 0 и 1.Такой факториальный опыт обозначается 2х2. Количество вариантов в схеме этого опыта определяется произведением 2х2=4, где число сомножителей - это число градаций данного фактора.

При изучении влияния доз двух видов удобрений (N и P) в двух градациях на высоту сеянцев схема факториального опыта будет: O, N, P, NP. Этот опыт позволяет определить эффекты N, P, NP. Если в схему опыта включить третий фактор, допустим K, и тоже в двух градациях, то получим факториальную схему 2х2х2. В этом опыте будет уже восемь вариантов (2х2х2=8): O, N, P, K, NP, NP, NK, PK, NPK. Такие схемы называются полными факторными, так как в них есть все возможные сочетания из трех видов удобрений. Эта схема позволяет определить эффект от каждого удобрения в отдельности, их парные и тройные взаимодействия.

Полная многофакторная схема дает возможность получить из эксперимента максимум информации. Поэтому там, где нет особых препятствий к проведению опыта по факториальной схеме, ей нужно отдать предпочтение.

В лесоводстве могут возникать такие явления, когда факторы, действующие по отдельности на результат положительно, в сочетании приводят к отрицательному результату, а значит, при планировании многофакторных экспериментов в комплекс надо включать разноименные факторы.

Планирование полного факторного плана (ПФП) облегчается использованием специальной символики вариантов. Изучаемые факторы обычно обозначаются заглавными буквами латинского алфавита: А, В, С, Д и т. д. , а их градации - цифрами 0, 1, 2, 3 ... .

Кодирование позволяет все разнообразие схем многофакторных опытов свести к ряду стандартных таблиц, получивших название матриц планирования. Число столбцов в таблице соответствует числу факторов, а число строк - числу вариантов (табл. 4.1, 4.2).

Таблица 4.1

Матрица ПФП 2х2

Таблица 4.2

Матрица ПФП 2х2х2

Существенный недостаток полных факторных планов при изучении влияний трех и более факторов в 4, 5 и более градациях - их многовариантность и связанная с этим трудность практического осуществления опытов. В трехфакторных опытах, например, увеличение количества градаций с двух до пяти увеличивает число вариантов с восьми (2х2х2) до 125 (5х5х5).

Тем не менее ПФП обладают рядом важных преимуществ перед однофакторными:

а) опытные данные показывают влияние каждого фактора в различных условиях, создаваемых изменением других факторов;

б) испытание различных сочетаний факторов позволяет получить более надежные основания для практических рекомендаций, остающихся пригодными и при изменяющихся условиях;

в) при независимом действии факторов один многофакторный опыт дает столько же информации о каждом из них, как если бы весь эксперимент был посвящен исследованию только одного фактора. Если же факторы взаимодействуют, то мы получаем большую дополнительную информацию о величине и характере их взаимодействия.

В области лесного хозяйства в настоящее время используются самые разнообразные методики исследований. Среди них имеются и общепризнанные, известные из курсов почвоведения, физиологии растений, лесоводства, таксации. Для поиска существующих методик по тем или иным вопросам научных исследований можно воспользоваться методическими рекомендациями, которые издаются всеми НИИ лесного хозяйства и системы АН. Отдельные методики и методические приемы публикуются в периодической литературе.

Контрольные вопросы

1. Что такое программа и методика исследований?

2. Какие требования предъявляются к формулировке темы исследования и её программных вопросов?

3. Почему к точности формулировок программы и методики всегда предъявляются повышенные требования?

4. Какие единицы наблюдений и учетные признаки в лесоводственных исследованиях встречаются наиболее часто?

5. Какие группы наблюдений выделяет М.Л.Дворецкий при обследовании объектов?

6. Какие выделяют способы механического отбора единиц наблюдений?

7. Какова цель закладки постоянных пробных площадей (ППП)?

8. Каковы требования для подбора участков для закладки ПП?

9. В чем заключаются различия между терминами «модельное дерево» и «учетное дерево»?

10. Какие факторы определяют необходимое количество деревьев на пробной площади?

11. Что такое планирование эксперимента и полный факторный план?

ОРГАНИЗАЦИЯ ПОЛЕВЫХ РАБОТ

Организация собственно полевых работ делится на подготовительные работы и технику безопасности.

Подготовительные работы

Целью подготовительных работ является формирование комплекса приборов, инструментов и формуляров (полевых журналов), необходимых для работы в лесу.

Подготовительные работы позволяют экономить время и средства при сборе полевого материала. В подготовительные работы входят: поверка приборов и инструментов, составление полевых журналов, составление и проработка маршрута, экипировка для полевых работ.

Поверка приборов и инструментов осуществляется согласно техническим указаниям или инструкциям к ним.

"Правильный" метод ведения записей и регистрации данных обсуждается в ряде статей. И хотя имеются значительные расхождения в этом вопросе, все сходятся на том, что не может быть никакой замены детальным записям в рабочем журнале. Цифровые данные и информация, которые держат в памяти, в сущности, бесполезны. Выдающийся путешественник и географ Н.М.Пржевальский говорил, что у путешественника-исследователя нет памяти.

Полевые журналы должны представлять собой обычные тетради в клеточку (12…96 листов) или аналогичные им блокноты. На клетчатой бумаге легче разграфить таблицы для записей, выполнить черновой вариант различных графиков, а при необходимости произвести и приближенные расчеты.

Существуют общие требования к ведению полевых записей:

1) при любом исследовании или наблюдении указывают дату, время, место наблюдения (как можно точнее, с привязкой к квартальной сети), номер пробной площади, азимуты линий и промер расстояния в метрах от квартального столба;

2) обязательно указываются наблюдаемый объект и решаемый в данном наблюдении вопрос;

3) описываются природные условия, в которых находится объект исследования, тип леса, тип лесорастительных условий, почва, по возможности, прошлое участка или объекта. Описываются условия эксперимента. В конечном итоге, лучше всего иметь на данный участок полную лесоводственно-таксационную характеристику;

4) при исследовании влияния хозяйственной деятельности человека на исследуемый объект необходимо указать на технологию воздействия, например, технология рубок главного пользования или рубок ухода и т.д.;

5) при взятии образцов для исследований в лабораторных условиях необходимо очень тщательно маркировать каждый образец. Расшифровка маркировки должна быть записана в журнале;

6) при записи в лесу необходимо использовать простые карандаши или шариковую ручку. Фломастеры, химические карандаши или перьевые авторучки непригодны - дождь, снег, капли воды могут уничтожить записи;

7) всякие исправления проводят только путем зачеркивания неверной цифры и записи рядом другой. Никакие исправления уже в камеральных условиях, по памяти, в результаты замеров не вносятся.