Quali sono le dimensioni, la forma e il numero ottimale di parcelle per le prove sul campo?
Tutto sulle trame
Quando si progettano gli aspetti fisici di un esperimento colturale, il ricercatore deve fare molte scelte per quanto riguarda le parcelle:
- Quante trame deve avere il mio esperimento?
- Quali sono le dimensioni e la forma delle mie parcelle?
- Come si possono evitare le interazioni tra le trame?
Fortunatamente per i ricercatori oggi esistono soluzioni semplici a questi problemi e QuickTrials può aiutare a realizzarle.
Numero di parcelle
Il numero di parcelle di un esperimento è determinato esclusivamente dal numero di trattamenti che vengono testati e dal numero di volte in cui ciascuno di questi trattamenti viene replicato. La relazione è semplice: il numero totale di parcelle è il numero di trattamenti moltiplicato per il numero di repliche.
Tuttavia, nonostante questa apparente semplicità, esiste una relazione matematica di fondo (Hathaway, 1963) che collega il numero di repliche, la dimensione dell'appezzamento (area) e la capacità di rilevare differenze statistiche. La derivazione di questa relazione si basa sull'utilizzo di osservazioni dirette di esperimenti precedenti, come la resa, per calcolare un indice di variabilità unico per ogni campo per una dimensione fissa dell'appezzamento. L'indice di variabilità varia da 0 a 1, con 0 che rappresenta un campo completamente eterogeneo (variabile) e 1 un campo completamente omogeneo (uniforme).
Assumendo che il numero di trattamenti nell'esperimento sia fisso, per determinare il numero di repliche necessarie il ricercatore deve avere un'idea della più piccola differenza tra i trattamenti che deve essere misurabile, dato l'errore sperimentale sottostante. Questa differenza è nota come differenza rilevabile e di solito viene riportata come percentuale della media di un'osservazione, come la resa.
Ad esempio, se il ricercatore deve essere in grado di rilevare una differenza di 15% nella resa tra trattamenti che hanno parcelle di 20m2 , leggendo il grafico della Figura 1, avrà bisogno di almeno 6 repliche per raggiungere questo obiettivo.
La spiegazione e il calcolo dell'indice di variabilità e la corrispondente relazione tra dimensione dell'appezzamento, repliche e differenza rilevabile sono troppo dettagliati per essere spiegati in questo articolo, ma i lettori interessati possono seguire i riferimenti alla fine dell'articolo.
Figura 1: Relazione tra differenza rilevabile, numero di repliche e dimensione dell'area di osservazione
Dimensione dell'appezzamento
In teoria, è possibile calcolare matematicamente la dimensione ottimale dell'appezzamento dal punto di vista economico, come formulato da Smith (1938), che è:
Dove b è l'indice di variabilità, calcolato su una dimensione fissa dell'appezzamento, K₁ è un costo indipendente dalla dimensione dell'appezzamento, K₂ è un costo dipendente dalla dimensione dell'appezzamento e xopt è il fattore che, moltiplicato per la dimensione dell'appezzamento associata all'indice di variabilità, calcola la dimensione dell'appezzamento più economica per quel campo.
In pratica, però, capita spesso che altri vincoli limitino la libertà del ricercatore di scegliere le dimensioni delle parcelle. Per esempio, nello sviluppo di nuove varietà, un selezionatore lavorerà con una serie di parcelle di diverse dimensioni, dalle piante cresciute da un singolo seme in vaso, alle piccole parcelle da vivaio cresciute dal seme di una singola pianta, fino alle parcelle di grande resa progettate per produrre semi in quantità. In genere, più è avanzata la fase della ricerca, più grandi sono gli appezzamenti.
Anche la specie di coltura è un fattore importante che influenza le dimensioni dell'appezzamento. Gli appezzamenti devono contenere un numero sufficiente di piante per tenere conto dell'errore sperimentale, ma anche lasciare spazio sufficiente alle piante per crescere al meglio senza sovraffollamento. I cereali, come il grano e l'orzo, possono utilizzare parcelle più compatte grazie all'elevato numero di piante per unità di superficie, mentre le colture a file, come ad esempio la barbabietola da zucchero, necessitano di parcelle più grandi per ospitare un numero adeguato di piante. Anche gli esperimenti sugli alberi da frutto richiedono appezzamenti ancora più grandi per consentire uno spazio adeguato tra gli alberi.
L'altro fattore determinante per la dimensione dell'appezzamento è la macchinari utilizzato per implementare la sperimentazione. In pratica, questo determinerà almeno la dimensione minima dell'appezzamento. La maggior parte degli appezzamenti sono in genere seminati o piantati con macchinari e i trattamenti sono applicati con attrezzature di dimensioni fisse. Pertanto, la dimensione minima dell'appezzamento è solitamente quella dell'attrezzatura più grande coinvolta nell'esperimento. In alcuni tipi di esperimenti, come la ricerca sui sistemi agricoli, le parcelle possono diventare molto grandi perché utilizzano attrezzature agricole commerciali. In questi casi, non è raro che le parcelle siano grandi fino a 50 m x 50 m, per consentire la sovrapposizione dei macchinari.
Forma della trama
Idealmente, la forma dell'appezzamento dovrebbe essere il più compatta possibile per ridurre al minimo l'impatto della variabilità del suolo sottostante. In pratica, gli appezzamenti sottili e rettangolari sono più comodi per la semina, l'irrorazione e il raccolto. In effetti, con la maturazione dell'industria della ricerca sulle colture e la possibilità di una maggiore meccanizzazione, le dimensioni degli appezzamenti per alcune colture, come il grano e l'orzo, si sono sviluppate fino a raggiungere una larghezza standard di circa 2 metri, con lunghezze variabili a seconda dello scopo dell'esperimento.
Orientamento della trama
Assumendo una tipica forma rettangolare, le parcelle devono essere orientate con il bordo lungo parallelo alle linee di variazione. Poiché la maggior parte degli esperimenti si svolge in campi gestiti commercialmente, gran parte della variazione potenziale che le parcelle possono subire deriva da operazioni sul campo come la coltivazione, la semina e l'irrorazione. Ne consegue che gli appezzamenti dovrebbero essere orientati perpendicolarmente alla direzione di lavoro (cioè perpendicolarmente alle linee guida del campo, Figura 2), poiché il potenziale gradiente di variabilità è probabilmente lungo la lunghezza dell'attrezzatura (ad esempio, ugello o coltro bloccati).
Anche l'orientamento degli appezzamenti paralleli alle linee del tram ha un impatto sulla lunghezza dell'appezzamento. Anche in questo caso, a causa della standardizzazione delle macchine agricole, le linee guida sono solitamente distanziate di 24 metri (anche se 30 metri stanno diventando più comuni con la tendenza a utilizzare attrezzature più grandi). Le parcelle possono quindi avere una lunghezza di 6, 12 o 24 metri, il che consente di posizionarle in modo uniforme tra le linee guida. Questo fatto sta portando alla standardizzazione delle lunghezze degli appezzamenti all'interno della comunità di ricerca sulle colture.
Effetti di bordo e bordi della trama
Gli appezzamenti adiacenti hanno di solito piccole aree non piantumate tra di loro, spesso indicate come carreggiate o vicoli(Figura 3). Questi spazi sono utili perché consentono alle persone e alle attrezzature di spostarsi liberamente all'interno dell'esperimento senza danneggiare le parcelle. Inoltre, delimitano chiaramente le aree dell'appezzamento per aiutare a mantenere la separazione degli appezzamenti durante attività importanti come la raccolta. Tuttavia, questi spazi possono causare problemi quando le piante ai margini dell'appezzamento crescono molto di più di quelle all'interno dell'appezzamento stesso, a causa della minore competizione per l'acqua, i nutrienti e la luce solare. Questo fenomeno è noto come effetto bordo e la soluzione consiste nell'evitare di effettuare osservazioni ai margini degli appezzamenti, oppure nel piantare piante aggiuntive che fungano da cuscinetto per l'appezzamento, solitamente chiamate scartare o proteggere le file. Nel caso del primo caso, i bordi dell'appezzamento vengono spesso rimossi (ad esempio, falciati) prima del raccolto.
Allo stesso modo in cui gli effetti dei margini nell'appezzamento si manifestano per mancanza di competizione, a volte gli appezzamenti adiacenti possono competere in modo tale da falsare l'esperimento. Per esempio, se un ricercatore ha una prova di varietà di mais in cui alcune varietà sono molto alte e altre molto corte, una varietà alta supererà una varietà corta per la luce solare.
In questo caso, il ricercatore ha a disposizione due soluzioni. In primo luogo, potrebbe modificare il disegno della prova in modo che i blocchi incompleti siano raggruppati in base all'altezza della varietà, in modo che le varietà basse non compaiano accanto a quelle alte. In secondo luogo, si potrebbe inserire una fila di protezione mista tra ogni parcella, in modo da poter ignorare con sicurezza eventuali effetti di competizione.
Figura 3: Ruotamenti o vicoli tra le parcelle
Conclusione
Come abbiamo visto, la scelta della dimensione e della forma giusta dell'appezzamento dipende da molti fattori: coltura, fase della ricerca, attrezzature da utilizzare e così via. Fortunatamente, con la maturazione del settore, sono emersi standard e metodi coerenti che consentono ai ricercatori di progettare esperimenti in modo efficiente ed economico all'interno di questi vincoli.
Il Software QuickTrials è in grado di adattarsi a diverse configurazioni di sperimentazione, rendendo facile definire il numero di parcelle, le dimensioni e la disposizione per evitare interazioni tra le parcelle e ottenere i risultati ottimali per la sperimentazione.
Riferimenti
Hathaway, W. H., 1963. Dimensioni convenienti dell'appezzamento. Agronomy Journal 53:279-280.
Smith, H. F., 1938. Una legge empirica che descrive l'eterogeneità delle rese delle colture agricole.
Giornale di Scienze Agricole 28:1-23.
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