Come scegliere il disegno sperimentale

Nella ricerca agricola è importante scegliere il giusto disegno sperimentale all'inizio della sperimentazione, in modo che le analisi prodotte alla fine della stagione siano statisticamente significative. Prima di approfondire i diversi tipi di disegno, vale la pena di capire perché ne abbiamo bisogno.

Supponiamo che un selezionatore di piante scelga due appezzamenti di terreno il più possibile simili e semini la stessa varietà in ogni appezzamento. Anche se l'allevatore tratta ogni appezzamento con un'agricoltura identica, quando misura la resa di ogni appezzamento, questa sarà diversa.

Questa differenza è chiamata errore sperimentale. Affinché l'allevatore possa prendere una decisione valida sulle prestazioni di due o più varietà, deve avere una stima dell'errore sperimentale nella prova. Se la differenza misurata tra le varietà è maggiore dell'errore sperimentale, si può essere certi che una varietà sia superiore all'altra. L'allevatore ha a disposizione due strumenti per misurare l'errore sperimentale: replica e randomizzazione.

La replica aiuta a fare stime più precise dell'errore sperimentale e la randomizzazione impedisce a qualsiasi altra fonte di variazione non controllata di influenzare i risultati.

Insieme, la replicazione e la randomizzazione definiscono il disegno sperimentale. e ci sono diversi tipi comuni che sono stati sviluppati per essere utilizzati dai ricercatori agricoli:

- Disegno completamente randomizzato
- Blocco completo randomizzato
- Quadrati latini
- Design a trame divise
- Progettazione di trame a strisce

per citarne alcuni.

Il disegno più appropriato per una particolare prova dipenderà dai vari vincoli della prova, quali: il numero di varietà da testare, le dimensioni dei macchinari utilizzati per applicare i trattamenti, l'entità delle differenze rilevabili tra i trattamenti e le risorse necessarie (tempo, spazio e denaro) per gestire la prova.

Il disegno completamente randomizzato è il più semplice di tutti i disegni. In un disegno completamente randomizzato, ogni trattamento ha la stessa probabilità di essere assegnato a un appezzamento. Il disegno completamente randomizzato presenta molti vantaggi: è possibile gestire qualsiasi numero di trattamenti e repliche; l'analisi è semplice e può facilmente far fronte a parcelle mancanti; i gradi di libertà dell'errore sono maggiori rispetto a qualsiasi altro disegno con lo stesso numero di trattamenti, consentendo una stima più accurata dell'errore sperimentale.

I disegni completamente randomizzati hanno uno svantaggio: richiedono che le parcelle siano più o meno completamente uniformi. Se c'è un alto grado di variabilità nelle parcelle, per esempio a causa della variazione del suolo, la stima dell'errore sperimentale sarà meno precisa e le vere differenze tra i trattamenti potrebbero non essere rilevabili.

In genere, i disegni completamente randomizzati vengono utilizzati quando si sa che il sito di sperimentazione è particolarmente uniforme. Possono anche essere molto utili in scenari in cui si prevede che un gran numero di parcelle fallisca durante la sperimentazione, poiché l'analisi delle parcelle sopravvissute rimane semplice.

Il disegno a blocchi completi randomizzati è di gran lunga il disegno sperimentale più comune tra i ricercatori agricoli di oggi. Gli appezzamenti vengono raggruppati in blocchi in base alla loro somiglianza, ad esempio per quanto riguarda i tipi di suolo. Alle parcelle vengono poi assegnati i trattamenti in modo tale che ogni trattamento si verifichi una sola volta in ogni blocco. Pertanto, ogni blocco contiene tutti i trattamenti possibili, da cui il disegno "a blocchi completi".

Quando si pianifica un disegno a blocchi completi, il ricercatore deve assicurarsi che la variabilità all'interno del blocco sia ridotta al minimo, mentre la variazione tra i blocchi deve essere massimizzata. Se la variabilità del sito di sperimentazione è minima, i blocchi possono essere collocati uno accanto all'altro. Tuttavia, se esiste un gradiente di variabilità nel luogo in cui si trova la prova, i blocchi devono essere disposti in linee perpendicolari al gradiente. In realtà, non è necessario che i blocchi siano adiacenti l'uno all'altro, se non per motivi pratici di attività di misurazione e trattamento.

Questo può essere utile, ad esempio, quando un'area di sperimentazione si trova a cavallo tra diversi tipi di terreno.

Come suggerisce il nome, questo disegno forma un quadrato diviso in un numero uguale di righe e colonne. Ogni trattamento o varietà è posizionato in modo da comparire esattamente una volta in ogni riga e colonna.

Il principale vantaggio del disegno a quadrati latini è che può tenere conto di due fonti di variazione nel sito di sperimentazione. Per esempio, il campo in cui viene condotta la prova può avere un gradiente di fertilità in una direzione e una pendenza in un'altra.

I disegni a quadrato latino non sono utilizzati di frequente nelle sperimentazioni agricole, poiché presentano diversi svantaggi rispetto ad altri disegni. In primo luogo, poiché il numero di parcelle è il quadrato del numero di trattamenti, le prove possono diventare molto grandi e costose da condurre. In secondo luogo, eventuali errori commessi durante la sperimentazione, come l'errata applicazione dei trattamenti, possono rendere difficile l'analisi dei dati.

In terzo luogo, se i trattamenti sono pochi (meno di 4) i gradi di libertà dell'errore sono bassi, il che si traduce in una stima dell'errore sperimentale più ampia.

È comune per le prove agricole avere più fattori di trattamento, ad esempio testare tre diversi tassi di azoto combinati con tre diversi tipi di coltivazione. Questo potrebbe essere realizzato con un disegno a blocchi completi randomizzati, in cui ogni combinazione dei due fattori si verifica in ogni blocco. Tuttavia, alcuni trattamenti possono essere difficili o impossibili da applicare in questo modo.

Le attrezzature per la coltivazione sono tipicamente a scala di azienda agricola commerciale e richiedono appezzamenti di grandi dimensioni, mentre l'azoto può essere applicato manualmente in appezzamenti di dimensioni molto più ridotte.
Per far fronte a queste complicazioni, il ricercatore agricolo può ricorrere al disegno a parcelle divise. In questo disegno, un fattore viene assegnato a grandi appezzamenti in un disegno a blocchi completi randomizzati. Questi grandi appezzamenti vengono poi suddivisi in appezzamenti più piccoli, ai quali vengono applicati in modo casuale i trattamenti dell'altro fattore.

Come descritto in precedenza, il vantaggio principale dei disegni a parcelle divise è quello di consentire una gestione più efficiente dei fattori di trattamento che richiedono parcelle di dimensioni diverse. I disegni a parcelle divise consentono inoltre di aggiungere nuovi trattamenti a un esperimento in corso, semplicemente aggiungendo ai blocchi altre parcelle di grandi dimensioni.

Poiché ci sono due dimensioni di parcella, i disegni a parcella divisa producono due errori sperimentali, uno per ciascuna dimensione. Questo può spesso significare che sono necessarie grandi differenze nelle osservazioni per mostrare una differenza significativa. I disegni a parcella divisa hanno anche lo svantaggio di richiedere un'analisi più complessa.

Un'utile variante del disegno a parcelle divise è il disegno a strisce. Nelle circostanze in cui ogni fattore di trattamento è più facile da applicare in passaggi o strisce, si possono usare i disegni a strisce. In questi disegni, un fattore viene assegnato alle strisce che corrono all'interno di ogni blocco e ogni blocco ha la sua randomizzazione. Il secondo fattore viene quindi applicato in strisce perpendicolari al primo, sempre con una randomizzazione unica per ogni blocco.

Il risultato è una scacchiera di trattamenti. I disegni a strisce presentano vantaggi e svantaggi simili a quelli dei disegni a parcelle divise, soprattutto per consentire un'impostazione efficiente della sperimentazione.