肥料効果の主張をどこまで信じるか
農業体験実習で、Tさんは肥料の効果を確かめる実験を行った。同じ育苗トレイの6つのポットに肥料あり、別のトレイの6つのポットに肥料なしで、同じ品種の種をまいた。2つのトレイは温室の同じ棚に置いたが、肥料ありのトレイは窓側、なしは通路側であった。発芽後、各ポット1本に間引いた。温室は昼25°C、夜18°Cに設定し、肥料は市販の液肥を週1回、同量ずつ与えた。4週間後、草丈を定規で0.1 cm単位で測った。結果は、肥料なし: 12.1, 14.8, 15.0, 15.2, 16.9, 27.4 cm、肥料あり: 17.9, 18.3, 18.5, 18.8, 19.1, 19.4 cm であった。27.4 cmの個体はトレイの端にあり、測定時に他のポットの葉に隠れていた。肥料ありのポットは水やりの際に土が沈みやすく、草丈は土の表面から測っていた。測定はTさん一人が行い、どちらの処理かを知った上で記録した。ポットの位置は実験中動かさなかった。Tさんは平均値だけを計算し、「肥料は草丈を約1.8 cm伸ばす」と結論した。
1. この実験計画の欠陥を3つ以上挙げ、それぞれが肥料の効果を過大評価するか過小評価するか、向きを述べよ。
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① 光条件との交絡:肥料ありのトレイだけが窓側にあり、光量が多い。成長差が肥料のせいか光のせいか分離できない。これは効果を過大評価する向きに働く。
② 処理がトレイ単位で、真の反復がない(pseudoreplication):同じトレイ内のポットは土・水・光を共有するので独立な6反復とはみなせない。有効な反復数は事実上1で、ばらつきを過小に見積もり、有意差を出やすくする。
③ 無作為化と位置のローテーションがない:ポットの位置を固定したため、棚の端・窓際・通路際の微環境差がそのまま処理差になる。
④ 盲検でない測定:Tさんが処理を知った上で測っているので、期待に沿った読み取り(0.1 cm単位の切り上げ・切り下げ)が入りうる。これも過大評価の向き。
⑤ 土の沈下による基準のずれ:肥料ありのポットは土が沈みやすく、草丈を土表面から測ると相対的に高く出る。過大評価の向き。
⑥ 端の個体の外れ値:27.4 cmはトレイ端の個体で、隠れていたことによる測定誤差や、端効果の可能性がある。
以上から、ほぼすべての偏りが効果を大きく見せる向きに働いており、1.8 cmという値は上限とみるべきである。
2. 平均値と中央値を計算し、27.4 cmの個体の扱いを論じよ。その上で、肥料の効果はデータから支持されるか判断せよ。
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肥料なし:合計 12.1+14.8+15.0+15.2+16.9+27.4 = 101.4、平均 16.9 cm、中央値 (15.0+15.2)/2 = 15.1 cm。27.4を除くと合計74.0、平均14.8 cm、中央値15.0 cm。
肥料あり:合計 17.9+18.3+18.5+18.8+19.1+19.4 = 112.0、平均 18.67 cm、中央値 (18.5+18.8)/2 = 18.65 cm。
平均の差は 18.67 − 16.9 = 1.77 cm、中央値の差は 18.65 − 15.1 = 3.55 cm。平均の差が小さいのは、27.4 cmという1個体が対照区の平均を約2 cm押し上げているためである。中央値はこの外れ値に影響されにくく、効果をより大きく示す。
効果の支持:27.4を除けば、肥料なしの最大16.9 cmに対して肥料ありの最小は17.9 cmで、すべての肥料あり個体がすべての肥料なし個体より高い(完全な分離)。順位検定(Mann–Whitney)では両側p ≈ 2/924 ≈ 0.002となり、効果は支持される。しかしこのp値はポットが独立であることを前提にしており、実際はトレイ単位の処理で交絡があるため、p値は見かけより楽観的である。結論としては「肥料区が高いというパターンは頑健だが、1.8 cmという大きさの推定と因果の主張はできない」。
3. この実習を改善して、肥料の効果を因果的に推定できる計画を具体的に述べよ。
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① 処理をポット単位で無作為化する:1つのトレイに肥料あり・なしのポットを混ぜ、配置を乱数で決める。棚の位置効果を均すため、トレイを複数用意し、各トレイ内で両処理を配置する(ブロック化)。
② 真の反復を確保する:処理あたり最低6トレイ(合計12トレイ)とし、トレイを反復単位として解析する。サンプルサイズは予備データの標準偏差から power analysis で決める。
③ 交絡の除去:トレイの位置を週1回ローテーションし、光量を照度計で記録する。水やり量と液肥の量・濃度を全ポットで同一にし、土の沈下量を測って基準面をそろえる(植え付け時にポットの縁から一定の深さに印をつける)。
④ 盲検化:処理をコード化したラベルを貼り、測定者にはコードを知らせない。測定は定規を垂直に当て、0.05 cmまで読むか、写真解析で測る。
⑤ 解析:平均±標準偏差と95%信頼区間を報告し、必要なら混合効果モデル(トレイをランダム効果)で処理効果を推定する。外れ値は除外せず、事前に定めた基準で扱いを決めておく。