Под редакцией чл.-корр. РАН Г.С. Розенберга и д.б.н. Д.Б. Гелашвили

Составление и комментарий д.б.н. В.К. Шитикова

Институт экологии Волжского бассейна РАН, stok1@list.ru,
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского,
- Тольятти СамНЦ РАН; Кассандра, 2008 - 274 с.

В сборнике обсуждаются логико-статистические основы планирования экологических полевых исследований. Включены перевод статьи С. Хелберта (1984 г.) о "мнимых повторностях" и дискуссионные публикации, важные для понимания методов рандомизации и репликации. Описаны основные проблемы и способы их разрешения при организации наблюдений и анализе пространственно-временной изменчивости различных наземных и водных сообществ. Сделан подробный литературный обзор и приведены примеры использования статистических методов обработки мониторинговых данных: оценка погрешностей, составление математических планов эксперимента, мета-анализ, численный ресамплинг, эволюционное моделирование и т.д.

Сборник предназначен для специалистов-экологов и студентов, изучающих и специализирующихся по экологии.

Табл. 35, ил. 29. Библиогр. 423 назв.

445003, Россия, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10
Институт экологии Волжского бассейна РАН
Тел., факс: (8428) 489-504; E-mail: ievbras2005@mail.ru

Ó ИЭВБ РАН, 2008 г.
Ó Г.С. Розенберг, Д.Б. Гелашвили, В.К. Шитиков, 2008 г.

Скачать полный текст книги в формате PDF (3.5 Мбайт)

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПРОБЛЕМА "МНИМЫХ ПОВТОРНОСТЕЙ" В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
1.1. Хелберт С. Мнимые повторности и планирование экологических полевых экспериментов
1.2. Дискуссия в российских и зарубежных журналах (публикации приведены с некоторыми сокращениями)

Глава 2. СТРАТЕГИЯ И ТАКТИКА ПЛАНИРОВАНИЯ МОНИТОРИНГОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ РАЗЛИЧНОГО ТИПА
2.1. Шитиков В.К., Цейтлин Н.А., Якимов В.Н. Мифы и реальность мнимых повторностей С. Хелберта
2.2. Татарников Д.В. О значении правильной терминологии и вреде от подмены понятий
2.3. Розенберг Г.С., Миркин Б.М. Организация наблюдений за фитоценотическими сообществами: основные задачи, методологические проблемы и способы их разрешения
2.4. Шитиков В.К., Зинченко Т.Д. Анализ пространственно-временной изменчивости водных экосистем при статистической обработке данных мониторинга
2.5. Гелашвили Д.Б., Солдатов Е.Н., Чупрунов Е.В. Меры сходства и разнообразия в оценке флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков
2.6. Розенберг Г.С., Шитиков В.К. Рефераты статей, представленных в выпусках учебного пособия “Методы экологического мониторинга”

Несмотря на то, что возникновение современных статистических методов планирования эксперимента связано с работами Р. Фишера (R. Fisher), проведенными в 20-х годах прошлого века на Ротамстедской агробиологической станции, долгое время математическая статистика в экологии применялась только для обработки конечных результатов измерений. Математики не вмешивались в постановку эксперимента, а процесс принятия решений по планированию мониторинговых или экспедиционных наблюдений осуществлялся на интуитивном неформализованном уровне.

Работами 20-60 годов, связанными с именами Дж. Бокса (G. Box), Ф. Иетса (F. Yates), Дж. Кифера (J. Kiefer), Г. Кокса (H. Cox), В. Кохрена (W. Cochran), Г. Шеффе (H. Scheffe) и других, было показано, что наибольший эффект математическая статистика может принести, если ее аппарат используется на самом первом этапе - при планировании эксперимента или организации наблюдений. Математические методы планирования эксперимента позволяют:

• уменьшить ошибку эксперимента и сократить количество опытов;


• получить математические модели, обладающие оптимальными прогнозирующими свойствами;


• принимать решения на основе четких формализованных правил.

Выбор наилучшего плана эксперимента (оптимального в стратегическом смысле) позволяет во много раз повысить к.п.д. исследования и снизить ресурсно-временные затраты. Такой подход особенно важен, когда эксперимент проводится в условиях неоднородностей, чтобы на фоне мощных стохастических процессов корректно выделить эффект влияния факторов, действие которых интересует ученых. Поскольку для экологических исследований в подавляющем большинстве случаев характерно наличие сильных источников неоднородностей, то анализ экспериментальных данных, полученных без четко продуманного плана, часто может оказаться ошибочным.

Очевидно, что необходимым начальным этапом внедрения любой передовой идеологии является разработка научной теории до той стадии, когда предлагаемые рекомендации уже можно использовать на практике. Основной результат этого этапа - методические разработки и образцы внедрения. Как известно, локомотивом работ по планированию эксперимента в нашей стране являлся "незримый коллектив" под руководством В.В. Налимова, который опубликовал целую серию прекрасных монографий, где излагались основные научные идеи и примеры их практического использования. Таким образом, в области планирования эксперимента первый этап в основном завершился к началу 70-х годов ХХ века и была создана методическая база для массового внедрения.

Успешно был пройден и следующий этап - пропаганда возможностей методов планирования эксперимента, преподавание и подготовка кадров. В нашей стране была развернута целая программа создания сети мероприятий и организаций, а ученые со стажем, участники постоянных научно-методологических семинаров, помнят о многочисленных акциях 60-70-х годов в этом направлении. Казалось, что дальше все пойдет самотеком. Но этого не получилось. Широкого потока внедренческих работ не последовало, а блестящие работы не стали образцами для подражания. К тому же в ходе экономических "реформ" 90-х годов глобальные планы внедрения методов прикладной статистики в государственном масштабе остались нереализованными, а обучение приемам оптимального планирования эксперимента стало личным делом каждого ученого.

Судя по приведенным в сборнике публикациям, зарубежные ученые-экологи второй половины прошлого века не имели столь организованной методологической поддержки, которая была в нашей стране, а энтузиасты-любители математических методов встречались далеко не столь часто (Oksanen, 2004). Ведущие научные журналы захватил "мутный поток" публикаций, где сама логика проведения эксперимента страдала очевидной ущербностью, а попытки использовать приемы математической статистики в большинстве случаев приводили к явным ошибкам того или иного рода. Определенное оздоровление ситуации в последние десятилетия (Altman, 2000) произошло под влиянием двух факторов: широкого распространения компьютерных пакетов прикладных программ, помогающих исследователю найти наиболее корректный способ расчетов, и неуклонного повышения действенности "контроля статистического качества" публикуемых работ на этапе их рецензирования или последующего обсуждения.

Анализ статистических ошибок в статьях биологического профиля имеет давнюю историю. В одной из первых зарубежных публикаций Г. Данн (Dunn, 1929) сообщил, что примерно половина статей, появившихся в журнале Physiological Reviews, содержит примеры ошибочного использования статистики. Результаты более общих исследований периодически публиковались и позднее (Greenwood, 1932; Боярский, 1955; Altman, 1980; Underwood, 1981). Несомненным научным событием в этом направлении явилось и появление статьи С. Хелберта (1984), которая по свидетельству современников и самого автора (Hefner et al., 1996; Hurlbert, 2004) имела большое воспитательное и "санитарно-регламентирующее" значение.

Все дискуссионные статьи, несмотря на возможные возражения и отсутствие подобной практики, даны с сокращениями. Нам показалось целесообразным уберечь читателя от чтения повторных взаимных цитат, весьма многочисленных и обширных, коль скоро все цитируемые тексты присутствуют в нашем сборнике. Сокращению также подверглись длинные технические описания проведенных экспериментов, используемых в качестве примеров, и очевидные многочисленные повторы одной и той же аргументации, характерные для стиля зарубежной научной журналистики. В любом случае, мы стремились честно и бережно сохранить весь набор уникальных аргументов, приводимых каждым автором, тем более, что любой сомневающийся вполне сможет сверить изложенные нами тезисы с оригиналами публикаций.