初级生产

在生态学中，初级生产是从大气或二氧化碳水溶液中合成有机化合物。 它主要通过使用光作为能量来源的光合作用过程发生，但也通过使用无机化合物的氧化或还原作为能量来源的化学合成发生。 地球上几乎所有的生命都直接或间接地依赖初级生产。 负责初级生产的生物被称为初级生产者或自养生物，构成了食物链的基础。 在陆地生态区中，这些主要是植物，而在水生生态区中，藻类占主导地位。 生态学家将初级生产区分为净产量或总产量，前者解释了细胞呼吸等过程的损失，后者则不然。

初级生产是指生物体在有机化合物中产生化学能。 这种能量的主要来源是阳光，但初级生产的一小部分是由岩石营养生物利用无机分子的化学能驱动的。

无论其来源如何，这种能量都用于从更简单的无机化合物（例如二氧化碳 (CO_{2) 和水 (H2O)）合成复杂的有机分子。 以下两个方程式是光合作用（上）和化学合成（一种形式）（下）的简化表示：}

CO_{2 + H2O + 光 → CH2O + O2}CO_{2 + O2 + 4 H2S → CH2O + 4 S + 3 H2O}

在这两种情况下，终点都是还原碳水化合物 (CH2O)n 的聚合物，通常是葡萄糖或其他糖类分子。 然后，这些相对简单的分子可用于进一步合成更复杂的分子，包括蛋白质、复合碳水化合物、脂质和核酸，或通过呼吸进行工作。 动物等异养生物消耗初级生产者，然后将这些有机分子（以及储存在其中的能量）转移到食物网上，为地球上所有的生命系统提供燃料。

初级生产总值 (GPP) 是初级生产者在给定时间内创造的化学能总量，通常表示为碳生物量。 这种固定能量的一部分被初级生产者用于细胞呼吸和维持现有组织（即生长呼吸和维持呼吸）。 剩余的固定能量（即光合产物的质量）被称为净初级生产（NPP）。

NPP = GPP - 呼吸[植物]

净初级生产是生态系统中所有自养生物产生净有用化学能的速率。 净初级生产可用于初级生产者的生长和繁殖。 因此它可供食草动物食用。

总初级生产量和净初级生产量通常以每单位时间间隔每单位面积的质量单位表示。 在陆地生态系统中，每年每单位面积的碳质量 (g C m−2 yr−1) 是最常用的测量单位。 请注意，有时生产和生产率之间存在区别，前者是生产的材料数量 (g C m−2)，后者是生产率 (g C m−2 yr−1)，但这些 术语通常可以互换使用。

在陆地上，几乎所有的初级生产现在都由维管植物完成，一小部分来自藻类和非维管植物，如苔藓和地钱。 在维管植物进化之前，非维管植物可能发挥了更重要的作用。 陆地上的初级生产力是许多因素的函数，但主要是当地的水文和温度（后者在一定程度上与光，特别是光合作用的能量来源光合有效辐射（PAR）共同变化）。 虽然植物覆盖了地球表面的大部分区域，但在极端温度或必要的植物资源（主要是水和 PAR）有限的地方，如沙漠或极地地区，它们会受到强烈限制。

水通过光合作用（见上文）和蒸腾过程在植物中消耗。 后一个过程（约占用水量的 90%）是由植物叶子中水分的蒸发驱动的。 蒸腾作用使植物能够将水和矿物质养分从土壤输送到生长区域，并使植物降温。 水蒸气从叶子中扩散出来，即驱动蒸腾作用的力，由称为气孔的结构调节。 这些结构还调节二氧化碳从大气扩散到叶子中，从而减少水分流失（通过部分关闭气孔）也减少二氧化碳的增加。 某些植物使用替代形式的光合作用，称为景天酸代谢 (CAM) 和 C4。