田间试验设计在作物育种中的应用

陈敏康，李金玲

(1.贵州农业职业学院，贵阳 551400；2.贵州大学，贵阳 550025)

农作物种子是农业生产的起点，种子产业的发展是科技水平的综合体现，习近平总书记今年在海南考察时再次强调“种子是我国粮食安全的关键”，为巩固粮食安全体系，需要通过改良品种来提高产量。作物育种是研究选育与繁育作物优良品种的理论与方法的一门科学，促进作物高产、优质、高效农业的发展[1]。

田间试验与统计分析起源于遗传育种，也是作物育种研究的工具，提供作物育种的方法，在作物育种的资源鉴定评价、育种方法选择、区域试验、新品种配套种植技术以及种子生产各环节应用。但是田间试验方法较多，各方法在作物育种中的应用报道较少，仅见于格子设计在育种中的应用[2]，植物育种程序中早期鉴定筛选的田间试验[3]，未见田间试验设计各方法在作物育种中应用的系统报道，为此本研究对田间试验设计的顺序排列和随机排列各方法在作物育种中的应用进行系统归纳，并将各方法的适用范围、优点、弊端等进行详细阐述，为作物育种工作者品种选育各环节提供参考，也为我国粮食高质量发展和粮食安全生产提供技术保障。

田间试验设计包括顺序排列和随机排列，顺序排列有对比设计和间比设计，随机排列有完全随机试验设计、随机区组试验设计、拉丁方试验设计、裂区试验设计等[4-6]，本研究将对上述试验设计方法进行详细阐述。

1 顺序排列设计在作物育种中的应用

顺序排列设计在育种试验前期阶段运用较多，该设计是在重复区内各品种按照其成熟期早晚、植株的高矮、抗性的强弱等一定的顺序排列试验小区，对于育种工作者而言设计简单，操作方便，还能够减少试验小区间的边际效应和生长竞争，但是由于重复区内各处理没有随机排列，品比试验时易在品种间产生系统误差，所以在估计试验误差时有偏差，导致不能无偏估计试验误差，尤其是当土壤肥力存在明显差异时，理论上不能应用统计的显著性检验进行分析。一般在试验实施比较方便，品种多，试验精确度要求不高，在不做统计推断的早期试验或者预备试验时采用此方法。顺序排列包括对比设计和间比设计两种，分别介绍两种试验设计在作物育种中的应用。对比设计是重复区内各品种按照一定顺序排列，每个供试品种均排列在对照区旁，即每隔两个品种设置一个对照，方便各品种与对照直接比较，对于狭长形小区，土壤肥力相似，可获得较精确的试验结果，而且有利于试验的实施与观察。不同重复区内品种可排列成逆向式或阶梯式，逆向式便于田间观察和记录，阶梯式避免同一品种的小区排列在一条直线上。对比设计的对照区多，占了试验地的三分之一，品种比较不宜过多，一般10个品种以内。对比设计主要运用相邻小区土壤肥力差异小来减少试验的误差。

间比设计是重复区内各品种按照一定顺序排列，第一个小区和最后一个小区一定是对照区，每两个对照间排列相同数目的品种，通常为4个或9个。各重复区可排列成一排，也可排列成多排。排列多排时，不同重复区内品种的排列可采用逆向式或阶梯式。如一块土地上不能安排整个重复小区，则可在另一块土地上接着安排，但开始一定要设置对照小区，成为额外对照。对照占的试验地较对比设计少，适宜大量的品种比较，如玉米育种初筛[7],一般在新品种选育中原始材料观察、早期的品系选择、鉴定圃多株系鉴定中使用。

2 随机排列设计在作物育种中的应用

随机排列试验是各品种随机排列在重复区内的各小区上，可合理估计试验误差，能够对试验结果进行精确的统计分析并推断，试验结果的可靠性高，因此，一般适用于精确度要求较高的育种试验，如杂交育种[7-10]、自交试验[11-12]等。随机排列设计方法较多，包括完全随机试验设计、随机区组试验设计、拉丁方试验设计和裂区试验设计等。

完全随机试验设计将各品种完全随机安排在各试验小区，品种和重复数量不受限制，各品种的重复数可相等也可不相等，这种设计的小区安排灵活，每个品种有同等机会安排在任何小区上，单因素试验或多因素试验均可，统计分析相对简单，在玉米[13]、水稻[14]育种上广泛运用。随机的方法可采用计算机随机或抽签法。但完全随机试验设计缺少局部控制的原则，要求试验环境因素差异小，否则试验精确度较低，因此一般应用在品种的小环境田间试验、盆栽试验[15-17]、温室盆钵试验、组培实验[18]等。

随机区组试验设计利用了田间试验设计的随机、重复和局部控制三个原则，既可控制试验误差，也可降低试验误差，获得了试验误差的无偏估计值，因此该方法是最常用、最基本的试验设计。随机区组试验设计适用范围广，单因素、多因素、综合性品比试验均可；同时该方法对试验地形条件要求不严，必要时不同区组可安排在不同地段上；另外统计分析方便，如果因不可控制因素导致某一个品种或者区组数据缺失，可去掉该品种或区组继续进行统计分析，在木本植物[19-20]、禾本科[21-24]以及蔬菜类[25-27]育种中广泛应用。但随机区组试验设计也存在不足，品种试验一般不超过20个，10个左右合适；同时，该试验局部控制只能控制一个方向的土壤差异。

拉丁方试验设计是将品种从纵横两个方向进行局部控制，每个品种在每一行和每一列上出现相同的次数，即有多少品种就有多少重复。由于该设计从两个方向进行环境条件的局部控制，双向消除环境条件差异，试验的精确度高。但是，品种数等于重复数，因此品种不能太多，否则试验地面积过大，试验误差增加，试验的精确度和品种间差异的灵敏度降低，一般常用5～8个品种试验，当然，也可采用更复杂的复拉丁方设计，根据所研究的品种试验而定。

裂区试验设计是多因素试验设计方法，一般运用在品种与栽培措施组合的试验中，并且因素有主次之分，希望对主要因素有较高的精确度。例如，品种与播期二因素试验，品种是主要因素，要求精确度高，而播期是次要因素，精确度要求较低。裂区设计的主区常按随机区组排列方法，也可按完全随机或拉丁方排列。裂区试验设计在作物育种上应用，品种的主效比栽培措施的主效更重要，对品种主效要求的精确度高，或者品种对面积的需要较栽培措施的更大，或者品比试验方案临时变更，如品比试验开展后，再加栽培措施试验。如在裂区试验设计基础上，再引入一试验因素，则可用更复杂的再裂区设计，根据育种者研究需要安排。

3 结论与讨论

对比设计和间比设计主要在作物育种试验前期阶段运用较多，如资源鉴定、大量品种初筛、品种预试验等。完全随机试验设计应用在品种比较的小环境田间试验、盆栽试验、温室盆钵试验、分子育种的组培试验等；随机区组试验设计应用在育种的单因素试验、多因素试验、综合性品比试验等；拉丁方试验设计适用于较少品种的比较，但对精确度要求较高的试验；裂区试验设计适用于已选育的品种的配套栽培措施相关试验，品种一般为主因素，栽培措施为副因素。

作物育种首先要设置作物育种目标，在一定的自然、栽培和经济条件下，计划选育的新品种应具备的优良特征特性，是对育成新品种在生物学和经济学性状上的具体要求[1]。明确育种目标是育种成败的关键，如高产、稳产、优质、抗虫、抗病、适宜机械化等育种目标，从原始材料、育种方法、适宜区域等开展田间试验，每个育种环节都依靠田间试验支撑，用科学试验设计方法，才能选育出达到育种目标的新品种。

田间试验设计贯穿作物育种各环节，但是不同的作物育种差异大，尤其是随着经济作物种植的种类增多、面积的扩大，如中药材，有根茎类、全草类、树皮类、一年生或多年生药材等；多年生的果树、油茶、木本植物；叶类、根茎类、瓜果类等蔬菜，在育种中会遇到各种问题，问题的解决靠一线科研工作者的经验与探索，在作物育种中需要科研工作者不断探讨与研究，分享更好的应用方法，推动作物育种产业发展，保证我国高质量农业产业快速发展。