1차 생산

생태계에서 1차 생산자(primary producer; 생산자)가 획득한 총 에너지양을 1차 총 생산력(gross primary production, 줄여서 GPP)이라고 합니다. 하지만, 이 에너지 중 일부는 생산자의 물질대사 과정을 위해 사용되고, 일부는 열로 손실되어 다음 영양단계에서 사용 가능한 에너지의 양을 감소시킵니다. 이에 따라 남은 사용 가능한 에너지양을 순 1차 생산력(net primary productivity, 줄여서 NPP)이라고 합니다. 육지(terrestrial) 생태계에서 NPP는 기후에 의해 움직이지만, 빛 투과와 영양 공급은 수생(aquatic) 생태계에서 NPP를 주도합니다.

총 1차 생산력

에너지는 광합성, 화학합성, 그리고 다른 유기체의 소비, 이 세 가지 방법으로 유기체에 의해 획득될 수 있습니다. 독립영양생물(autotroph; 자가영양생물), 즉 생산자는 자신의 양분을 합성합니다. 화학독립영양생물(chemoautotroph)은 햇빛을 이용할 수 없는 생태계에서 발생하며, 황화수소(hydrogen sulfide; H₂S)와 같은 심해 열수 분출구에서 나오는 화학 물질을 에너지원으로 사용하는 반면, 광독립영양생물(photoautotroph)은 햇빛에서 나오는 에너지를 생태계의 나머지 유기체가 사용할 수 있는 에너지로 변환합니다. 이러한 생산자들이 에너지를 얻고 변화시키는 비율은 생태계의 총 1차 생산력(GPP)으로 알려져 있으며, 이는 1차 생산자들이 생태계에서 축적한 총 에너지의 측정치이기도 합니다.

순 1차 생산력

하지만, 생산자가 얻은 모든 에너지가 생태계의 다른 유기체에 의해 사용될 수 있는 것은 아닙니다. 화학 합성과 광합성 모두에서 에너지는 세포호흡을 촉진하기 위해 1차 생산자들에 의해 사용되고 일부는 대사 과정의 부산물인 열로 손실됩니다. 1차 생산자가 호흡 및 물질대사를 수행한 후 남은 에너지를 순 1차 생산력(NPP)이라고 하며, 다음 영양단계에서 1차 소비자들이 사용할 수 있습니다.

생태계의 NPP

NPP가 가장 높은 생태계는 따뜻한 온도, 높은 습도, 그리고 영양분의 유입이 높은 열대 우림(rainforest)과 어귀(estuary)입니다. 낮은 생산력을 가진 생태계에는 사막과 북극인데, 높은 식물 성장률을 가지기엔 너무 건조하고, 또 너무 덥거나 너무 춥습니다.

수생 생태계에서 빛과 영양소의 양은 1차 생산을 제어합니다. 빛의 투과 깊이는 얕은 해안과 심해 및 호수 표면에서 높은 1차 생산성을 발휘합니다. 지구 산소의 거의 40%를 생산하는 식물성 플랑크톤(phytoplankton)은 깊은 해양과 담수의 표면에서 번성하는 반면 얕은 물에서는 다양한 산호초와 수생식물이 번성합니다.

영양소 유입 부위는 1차 생산력이 유난히 높습니다. 예를 들어 질소가 풍부한 담수가 소금물과 섞이는 어귀, 또는 깊은 바다의 유기물이 표면으로 순환하는 해양 용승(upwelling)이 있습니다. 인(phosphorus), 질소(nitrogen)와 같은 대량영양소(macronutrient)는 광합성 유기체의 성장에 제한적인 요소이기 때문에 해당 영양소 유입은 1차 생산을 증가시킵니다. 농업 유출(agricultural runoff)로 인한 이러한 영양분의 과도한 유입은 녹조 및 식물성 플랑크톤 개체군의 폭발적인 증가를 유발하여 물의 산소를 고갈시키고 수생 식물과 동물에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 부영양화(eutrophication)라고 알려진 과정입니다.