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27.3: Primärproduktion
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27.3: Primary Production

27.3: Primärproduktion

The total amount of energy acquired by primary producers in an ecosystem is called gross primary production (GPP). However, of this energy, producers use some for metabolic processes, and some is lost as heat, decreasing the amount of energy available to the next trophic level. The remaining usable amount of energy is called the net primary productivity (NPP). In terrestrial ecosystems, NPP is driven by climate, while light penetration and nutrient availability drive NPP in aquatic ecosystems.

Gross Primary Production

Energy can be acquired by organisms in three ways: photosynthesis, chemosynthesis and by the consumption of other organisms. Autotrophs, or producers, synthesize their food. Chemoautotrophs occur in ecosystems where sunlight is unavailable and use chemicals as an energy source—like hydrogen sulfide, H2S, from deep ocean hydrothermal vents—while photoautotrophs transform energy from sunlight into usable energy for the rest of the organisms in an ecosystem. The rate at which these producers obtain and transform this energy is known as the ecosystem’s gross primary production (GPP), which is also a measure of the total amount of energy accumulated by primary producers in an ecosystem.

Net Primary Production

However, not all of the energy obtained by producers is available for use by other organisms in the ecosystem. During both chemosynthesis and photosynthesis, energy is used by primary producers to fuel their cellular respiration, and some is lost as heat as a byproduct of metabolic processes. The energy left over after respiration and metabolism by primary producers is known as net primary production (NPP), which is then available to primary consumers on the next trophic level.

NPP of Ecosystems

Ecosystems with the highest NPP are tropical wet rainforests and estuaries influenced by warm temperatures, high humidity and an influx of nutrients. Low productivity ecosystems include deserts and the Arctic, which are dry and either too hot or too cold for high rates of plant growth.

In aquatic ecosystems, quantities of both light and nutrients control primary production. The depth of light penetration drives high primary productivity in both shallow coastal waters, and at the surface of deep-ocean and lakes. Phytoplankton, which produces almost 40% of the earth’s oxygen, thrives at the surface of deep marine and fresh waters, while in shallow waters, vastly diverse coral reefs and aquatic plants thrive.

Areas of nutrient inflow have exceptionally high levels of primary production. Examples are estuaries where nitrogen-rich freshwater mixes with saltwater, or ocean upwellings where the organic matter of the deep ocean circulates to the surface. The inflow of macronutrients, such as phosphorus and nitrogen, increases primary production as these are otherwise limiting factors in the growth of photosynthesizing organisms. An excessive influx of these nutrients from agricultural runoff can cause exponential growth in algal and phytoplankton populations, depleting the water of oxygen, and negatively affecting the aquatic flora and fauna—a process known as eutrophication.

Die Gesamtmenge an Energie, die von den Primärproduzenten in einem Ökosystem erworben wird, wird als Brutto-Primärproduktion (BPP) bezeichnet. Von dieser Energie verwenden die Produzenten jedoch einen Teil für Stoffwechselprozesse, während ein Teil als Wärme verloren geht. Dadurch sinkt die verfügbare Energiemenge auf die nächste Trophieebene. Die verbleibende nutzbare Energiemenge wird als Netto-Primärproduktion (NPP) bezeichnet. In terrestrischen Ökosystemen wird die KKW durch das Klima angetrieben, während in aquatischen Ökosystemen die Lichtdurchdringung und die Nährstoffverfügbarkeit die KKW antreiben.

Brutto-Primärproduktion

Energie kann von Organismen auf drei Arten erworben werden: Fotosynthese, Chemosynthese und durch den Verbrauch anderer Organismen. Autotrophe oder Produzenten synthetisieren ihre Nahrung. Chemoautotrophe treten in Ökosystemen auf, in denen Sonnenlicht nicht verfügbar ist. Sie nutzen Chemikalien als Energiequelle, wie z.B. Schwefelwasserstoff H2S, aus hydrothermalen Quellen in der Tiefsee, während Fotoautotrophe die Energie des Sonnenlichts in nutzbare Energie für den Rest der Organismen in einem Ökosystem umwandeln. Die Geschwindigkeit, mit der diese Produzenten diese Energie gewinnen und umwandeln, wird als die Brutto-Primärproduktion (BPP) des Ökosystems bezeichnet, die auch ein Maß für die Gesamtmenge der von den Primärproduzenten in einem Ökosystem akkumulierten Energie ist.

Netto-Primärproduktion

Die von den Produzenten gewonnene Energie steht jedoch nicht vollständig für die Nutzung durch andere Organismen im Ökosystem bereit. Sowohl bei der Chemosynthese als auch bei der Fotosynthese wird die Energie von den Primärproduzenten für ihre Zellatmung verwendet, während ein Teil als Nebenprodukt von Stoffwechselprozessen als Wärme verloren geht. Die Energie, die nach der Atmung und dem Stoffwechsel durch die Primärproduzenten übrig bleibt, wird als Netto-Primärproduktion (NPP) bezeichnet, die dann den Primärkonsumenten auf der nächsten trophischen Ebene zur Verfügung steht.

NPP der Ökosysteme

Die Ökosysteme mit dem höchsten NPP sind tropische Feuchtregenwälder und Flussmündungen, die durch warme Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit und einen Nährstoffeintrag beeinflusst werden. Zu den Ökosystemen mit geringer Produktivität zählen Wüsten und die Arktis, die trocken und entweder zu heiß oder zu kalt für hohe Pflanzenwachstumsraten sind.

In aquatischen Ökosystemen steuern sowohl die Licht-als auch die Nährstoffmengen die Primärproduktion. Die Eindringtiefe des Lichts treibt eine hohe Primärproduktion sowohl in flachen Küstengewässern als auch an der Oberfläche von Tiefsee und Seen an. Das Phytoplankton, das fast 40% des Sauerstoffs der Erde produziert, gedeiht an der Oberfläche von Tiefsee -und Süßwasser, während in seichten Gewässern die unterschiedlichsten Korallenriffe und Wasserpflanzen gedeihen.

Flächen mit Nährstoffzufluss haben ein außergewöhnlich hohes Niveau der Primärproduktion. Beispiele dafür sind Ästuare, in denen sich stickstoffreiches Süßwasser mit Salzwasser vermischt, oder Ozeanauftriebsgebiete, in denen die organische Substanz des tiefen Ozeans an die Oberfläche zirkulieren. Der Zufluss von Makronährstoffen wie Phosphor und Stickstoff erhöht die Primärproduktion, da diese sonst das Wachstum der fotosynthetisierenden Organismen einschränken. Ein übermäßiger Zufluss dieser Nährstoffe aus dem landwirtschaftlichen Abfluss kann ein exponentielles Wachstum der Algen -und Phytoplanktonpopulationen verursachen, wodurch das Wasser an Sauerstoff verarmt und die Wasserflora und-fauna negativ beeinflusst wird—ein Prozess, der als Eutrophierung bekannt ist.


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