37
Så används statistiska metoder i jordbruksförsök Svenska statistikfrämjandets vårkonferens den 23 mars 2012 i Alnarp Johannes Forkman, Fältforsk, SLU

Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

  • Upload
    clover

  • View
    25

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Så används statistiska metoder i jordbruksförsök. Svenska statistikfrämjandets vårkonferens den 23 mars 2012 i Alnarp Johannes Forkman, Fältforsk, SLU . Agricultural field experiments. Experimental treatments Varieties Weed control treatments Plant protection treatments Tillage methods - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Så används statistiska metoder i jordbruksförsökSvenska statistikfrämjandets vårkonferens den 23 mars 2012 i AlnarpJohannes Forkman, Fältforsk, SLU

Page 2: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Agricultural field experimentsExperimental treatments

• Varieties• Weed control treatments• Plant protection treatments• Tillage methods• Fertilizers

Page 3: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Experimental designAllocate Treatments A and B to eight plots...

A A A A B B B B

A B A B A B A B

A B B A A B B A

Option 1:

Option 2:

Option 3:

Page 4: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Systematic error

• The plots differ...• The treatments are not compared on equal terms.• There will be a systematic error in the comparison

of A and B.

Page 5: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Randomise the treatments. This procedure transforms the systematic error into a random error.

R. A. Fisher

Page 6: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

ExampleTreatment Yield (kg/ha) Mean (kg/ha)A 8165A 7792A 8397A 7764 8029.3B 8483B 8602B 8641B 8783 8627.2

The difference is 598

Page 7: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Randomisation test

• The observed difference is 598 kg/ha.

• There are 8!/(4! 4!) = 70 possible random arrangements.

• The two most extreme differences are 598 and -598.

• P-value = 2/70 = 0.029

Page 8: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

t-test

6339164

598

415298

493438

598 ..

t

Compare with a t-distribution with 6 degrees of freedom

P-value = 0.011

Page 9: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

The randomisation model

is the number of available plots.

Page 10: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

The approximate model

When is infinitely large

.

For statistical tests, we assume further that

𝐲=𝐗𝛃+𝐞 , E (𝐲 )=𝐗𝛃

Page 11: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

A crucial assumption

Unit-Treatment additivity:

• Variances and covariances do not depend on treatment

Page 12: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Heterogeneity

A B

Page 13: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Inference about what??• Randomisation model: The average if the

treatment was given to all plots of the experiment.• The approximate model: The average if the

treatment was given to infinitely many plots?

Sample Population

Page 14: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Variance in a difference

When then

.

When then

.

Page 15: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Independent errors• Randomisation gives approximately independent

error terms• Information about plot position was ignored• This information can be utilized

B A B A A B B A

Page 16: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Tobler’s law of geography

“Everything is related to everything else, but near things are more related than distant things.”

Waldo Tobler

Page 17: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Random fieldsThe random function Z(s) is a

• stochastic process if the plots belong to a space in one dimension

• random field, if the plots belong to a space in two or more dimensions

Page 18: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Semivariogram

|| h ||

(||

h ||

)

practical range

95%sill

Page 19: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Spatial modelling• Can improve precision.• Still rare in analysis of agricultural field experiments.• There are many possible spatial models and

methods.• Can be used whether or not the treatments were

randomized...• Which is the best design for spatial analysis?

Page 20: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

G H D E F B C A

A C G B D E H F

E F C D G A H B

I

II

III

Gradient

Randomised block design

Page 21: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Incomplete block design

1

2

III IV II I

I J K L P O M N F E H G A D C B

V VIII VII VI

M I A E L P D H G O C K J B N F

Strata

• Replicates• Blocks• Plots

Page 22: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Ofullständiga block

Page 23: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

D A C B B C A D C B D A B D C A C B A D B C A D

1 3 2 2 1 3

Replicate I Replicate II

Strata• Replicates• Plots• Subplots

Split-plot design

Page 24: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

D A C B B C A D C B D A B D C A C B A D B C A D

1 3 2 2 1 3 Replicate I Replicate II

D A C B B C A D C B D A B D C A C B A D B C A D

D A C B B C A D C B D A B D C A C B A D B C A D

D A C B B C A D C B D A B D C A C B A D B C A D

D A C B B C A D C B D A B D C A C B A D B C A D

1a

1b

2a

2b

3

Comparison

Page 25: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

sown conventionally sown with no tillage

cultivar 2cultivar 1cultivar 3

Mo applied Mo applied

Each replicate:

A design with several strata

Bailey, R. A. (2008). Design of comparative experiments. Cambridge University Press.

Page 26: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök
Page 27: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

The linear mixed model

y = Xb + Zu + e

X: design matrix for fixed effects (treatments)Z: design matrix for random effects (strata)

u is N(0, G) e is N(0, R)

Page 28: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Bates about error strata“Those who long ago took courses in "analysis of variance" or "experimental design" that concentrated on designs for agricultural experiments would have learned methods for estimating variance components based on observed and expected mean squares and methods of testing based on "error strata". (If you weren't forced to learn this, consider yourself lucky.) It is therefore natural to expect that the F statistics created from an lmer model (and also those created by SAS PROC MIXED) are based on error strata but that is not the case.”

Page 29: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Approximate t and F-tests

The number of degrees of freedom is an issue.SAS: the Satterthwaite or the Kenward & Roger method.

𝑡= 𝑳 ��√v a r (𝑳 ��)

when L is one-dimensional, and

otherwise.𝐹=(𝐋 �� ) ′ ( var (𝐋 �� ))−1 (𝐋 �� )

rank ( var (𝐋 �� ))

Page 30: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Likelihood ratio test

Full model (FM): p parameters

Reduced model (RM): q parameters

is asymptotically c2 with p – q degrees of freedom.

)()(log

yy|L|L

RM

FM2

Page 31: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Bayesian analysis

y = Xb + Zu + eu is N(0, G) e is N(0, R)

G is diag(Φ) R is diag(σ2)

Independent priori distributions: p(b), p(Φ)Sampling from the posterior distribution: p(b,Φ | y)

Page 32: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

P-values in agricultural research

• Only discuss statistically significant results

• Do not discuss biologically insignificant results (although they are statistically significant).

• “Limit statements about significance to those which have a direct bearing on the aims of the research”. (Onofri et al., Weed Science, 2009)

Page 33: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Shrinkage estimators

Galwey (2006). Introduction to mixed modelling. Wiley.

Page 34: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Fixed or random varieties?

Fixed varieties (BLUE)• Few varieties • Estimation of differences

Random varieties (BLUP)• Many varieties

• Ranking of varieties

Page 35: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Conclusions based on a simulation studyi. Modelling treatment as random is efficient for

small block experiments.ii. A model with normally distributed random effects

performs well, even if the effects are not normally distributed.

iii. Bayesian methods can be recommended for inference about treatment differences.

Page 36: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Summary• Fisher’s ideas about randomisation and blocking

are still predominant.• Strong focus on p-values.• Linear mixed models are used extensively.• Spatial and Bayesian methods are used less often.• The question is what is random and fixed, and how

to calculate p-values.

Page 37: Så används statistiska metoder i jordbruksförsök

Tack för uppmärksamheten!