Primärproduktion

Bedeutung und Grundlagen

Primärproduktion ist in der Ökologie die Bildung von Biomasse durch Produzenten: Pflanzen, Algen, Cyanobakterien und andere autotrophe Bakterien. Autotrophe Organismen stellen mithilfe von Licht oder chemischer Energie aus anorganischen Substanzen organische Stoffe her. Die wissenschaftliche Disziplin zur biologischen Produktion heißt Produktionsbiologie.

Rund 1 % der Energie der Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht, wird in Biomasse umgesetzt. Primärproduktion ist die Grundlage des organischen Kohlenstoffkreislaufs und liefert die Energie- und Biomassebasis für heterotrophe Organismen, also Lebewesen, die organische Stoffe aufnehmen müssen.

Primärproduktion in Lebensräumen

In Ozeanen und Süßgewässern produziert Phytoplankton Biomasse durch Photosynthese unter Nutzung von Nährstoffen. Es wird von heterotrophen Konsumenten erster Ordnung wie Wimpertierchen, Copepoden und Krill gefressen. Damit bildet es die Basis allen Lebens im pelagischen, also landfernen, Bereich der Ozeane.

Am Meeresboden, dem marinen Benthal, etwa bei Black Smokers am mittelozeanischen Rücken, beruht die Nahrungsgrundlage auf Chemosynthese. Dabei wird Energie durch die Zerlegung anorganischer Verbindungen wie Schwefelwasserstoff gewonnen; geothermische Energie ist dort letztlich die Energiequelle der Lebensprozesse. In terrestrischen Ökosystemen erfolgt Primärproduktion dagegen durch die Photosynthese von Pflanzen, beispielsweise Waldbäumen; Chemotrophie spielt dort keine Rolle.

Die Produktivität wird in Gramm Trockengewicht pro Quadratmeter und Jahr gemessen. Die höchste Primärproduktion findet in Wattenmeeren und tropischen Regenwäldern statt. Der größte Teil der produzierten Biomasse wird durch Konsumenten und Destruenten wieder in anorganische Substanzen umgesetzt. Ein Überschuss kann Torf und Gewässerschlamm bilden, aus denen unter geeigneten Umständen über geologische Zeiträume Kohle, Erdgas und Erdöl entstehen.

Brutto- und Nettoprimärproduktion

Die Bruttoprimärproduktion (gross primary production) ist die gesamte Menge Kohlenstoff, die autotrophe Organismen in einem Ökosystem fixieren. Sie hängt vom Klima ab, weil dieses die Photosyntheserate und den Blattflächenindex beeinflusst. Die bei der Photosynthese umgewandelte Energie wird entweder für die Atmung (Respiration) der Pflanzen oder für ihr Wachstum genutzt.

Die Nettoprimärproduktion (NPP) ergibt sich, wenn von der Bruttoprimärproduktion die Respiration der autotrophen Organismen abgezogen wird. Sie beschreibt die durch Photosynthese gewonnene Biomasse und ist zugleich ein Kohlenstofflager im Kohlenstoffzyklus. Kohlenstoff kann in Pflanzenteilen unterschiedlich eingesetzt werden: In nährstoffarmen Gebieten wird beispielsweise stärker in Wurzeln investiert. Die NPP ist eine wichtige Ökosystem-Funktion und die grundlegendste Energiequelle heterotropher Organismen.

Messung und Berechnung

Die NPP kann in der Natur nicht genau gemessen, aber geschätzt werden. Eine Möglichkeit ist die Messung der Biomassezunahme. Diese Methode ist jedoch ungenau und bei großen, sehr vielfältigen Ökosystemen unpraktisch.

Dort wird vor allem die Chlorophyll-Konzentration gemessen. Chlorophyll besitzt eine charakteristische spektrale Signatur: Es absorbiert Licht im roten und blauen Spektralbereich und reflektiert infrarote Strahlung stärker als Wasser oder trockener Boden. Satelliten können diese Eigenschaften erfassen und daraus Schätzungen ableiten. Außerdem lassen sich Bruttoprimärproduktion und Respiration messen; die Respiration wird über die veränderte CO_{2}-Konzentration in einem abgeschlossenen System bestimmt.

Die Nettoprimärproduktion wird berechnet aus Nettoassimilationsrate (NAR), Blattflächenindex (LAI) und Produktionsperiodendauer (t):

NPP = NAR * LAI * t