Mô phỏng Sinh thái học và môi trường

Năng lượng mặt trời được sinh vật sản xuất cố định rồi truyền qua các bậc dinh dưỡng; ở mỗi bậc phần lớn năng lượng mất qua hô hấp, nhiệt, chất thải, chỉ khoảng 10% chuyển lên bậc kế tiếp nên tháp năng lượng luôn có đáy rộng. Học sinh đổi số bậc, hiệu suất sinh thái, chuỗi thức ăn (đồng cỏ, ao hồ), bấm từng bậc để xem năng lượng vào – mất – truyền, và quan sát dòng carbon quay vòng qua quang hợp, tiêu thụ, phân giải, hô hấp và đốt nhiên liệu hoá thạch.

Quần thể thỏ tăng trưởng theo mô hình logistic dN/dt = rN(1 − N/K) hướng tới sức chứa K của môi trường; khi có cáo, hai quần thể dao động lệch pha theo mô hình Lotka–Volterra: thỏ tăng → cáo tăng → thỏ giảm → cáo giảm. Đồng cỏ hiển thị mật độ hai loài, đồ thị số lượng theo thời gian và đồ thị pha; học sinh thả thêm thỏ hoặc cáo, đổi r, K, hiệu quả săn mồi và quan sát điểm cân bằng.

Một hồ và lưu vực của nó: thêm phân bón rửa trôi từ đồng ruộng, nước thải của thị trấn, đồng từ mỏ hoặc mưa acid, rồi theo dõi chuỗi phú dưỡng hoá: nitrate và phosphate tăng, tảo nở hoa, ánh sáng bị chắn, cây thuỷ sinh chết, vi khuẩn phân giải làm BOD tăng, oxygen hoà tan giảm và cá chết. Đồ thị oxygen theo từng giờ, BOD, nitrate, phosphate, độ đục, pH; mẫu động vật không xương sống cho chỉ số sinh học. Thử các giải pháp: dải đệm cây xanh, xử lí nước thải, kết tủa phosphate, bón vôi.

Mô hình hộp của chu trình nitrogen trong đất một đồng cỏ: cố định N₂ nhờ vi khuẩn Rhizobium ở nốt sần cây họ Đậu, vi khuẩn sống tự do, sấm sét và phân bón theo quy trình Haber; hấp thụ, ăn, chết và bài tiết; amon hoá, nitrate hoá (Nitrosomonas, Nitrobacter), phản nitrate hoá và rửa trôi. Đổi độ thoáng khí, cho đất ngập nước, bón phân, trồng cây họ Đậu hoặc cày đất để thấy lượng nitrogen ở từng kho và từng dòng (kg/ha/năm) thay đổi, theo dấu một nguyên tử N qua chu trình và thấy nitrate, phosphate rửa trôi gây phú dưỡng hồ. Phần chu trình phosphorus cho thấy P đi từ đá vào DNA, ATP rồi lắng xuống trầm tích.

Một cảnh quan gồm các mảnh rừng xen đất nông nghiệp với 11 loài. Học sinh dùng ngân sách có hạn để khoanh khu bảo tồn, trồng hành lang xanh nối các mảnh rừng, làm dải đệm che bìa rừng, kiểm soát loài săn mồi ngoại lai, hạn chế săn bắt và nhân nuôi loài quý hiếm, rồi chạy vài thập kỉ để theo dõi độ phong phú loài, chỉ số đa dạng Simpson, mức đe doạ của từng loài, quan hệ loài – diện tích và các dịch vụ hệ sinh thái.

Hai loài với sáu kiểu quan hệ chuyển được: cạnh tranh khác loài theo Lotka–Volterra dN₁/dt = r₁N₁(K₁ − N₁ − α₁₂N₂)/K₁, vật ăn thịt – con mồi, kí sinh – vật chủ, hỗ trợ (cộng sinh, hợp tác), hội sinh và ức chế – cảm nhiễm. Đồ thị số lượng theo thời gian, mặt phẳng pha có đường dN/dt = 0 và điểm cân bằng, đồ thị ổ sinh thái trên trục nguồn sống cho thấy loại trừ cạnh tranh, cùng tồn tại khi phân li ổ sinh thái, ổ sinh thái cơ bản và ổ sinh thái thực tế; thí nghiệm trùng đế giày của Gause là ví dụ kinh điển.

Tua nhanh hàng trăm năm trên đá trơ, bãi đá sau khi sông băng rút, đụn cát ven biển, ruộng bỏ hoang hoặc rừng sau cháy: loài tiên phong, cỏ, cây bụi, cây gỗ tiên phong rồi rừng cao đỉnh lần lượt thay nhau, kèm đồ thị độ dày đất, mùn, nitrogen, số loài và sinh khối. Chọn chăn thả, cắt cỏ hoặc đốt có kiểm soát để giữ quần xã ở đồng cỏ hay truông cây bụi (plagioclimax); ngừng tác động hoặc gây cháy rừng để thấy diễn thế tiếp tục hoặc bắt đầu lại.

Một đàn cá tăng trưởng logistic, bị nhiều chủ tàu cùng khai thác. Học sinh chọn số tàu của mình, cơ chế quản lí (tự do khai thác, hạn ngạch tổng, hợp tác xã cùng quyết định), cỡ mắt lưới, mùa cấm và khu bảo tồn biển, rồi theo dõi trữ lượng cá, sản lượng mỗi năm so với sản lượng bền vững tối đa rK/4 tại N = K/2, lợi nhuận của mình so với cả đội tàu, cá non và sinh vật bị bắt nhầm.