初級生產力是生態系功能的核心指標，整合了光合生理、營養鹽動態、氣候驅動與碳循環。
光合生理與模型
葉片尺度的光合以 Farquhar-von Caemmerer-Berry（FvCB）模型（Farquhar et al., 1980, Planta 149:78）描述：淨光合速率 A = min(Ac, Aj, Ap) − Rd，其中 Ac 為 Rubisco 限制、Aj 為 RuBP 再生限制、Ap 為磷酸三碳糖利用限制，Rd 為暗呼吸。此模型是所有地球系統模型（ESM）陸域碳模組的基礎。
海洋初級生產力與限制因子
海洋 NPP 約 50 Pg C/yr（Field et al., 1998, Science 281:237），主要由浮游植物驅動。Liebig 最低限制律決定不同海域的限制因子：(1) 高營養鹽低葉綠素區（HNLC，如南大洋、赤道東太平洋）受鐵限制——Martin 的「鐵假說」（Martin, 1990, Paleoceanography 5:1）指出冰期大氣粉塵鐵輸入增加→海洋生產力上升→CO₂ 被固定→冰期降溫的正回饋。多次人工鐵施肥實驗（SOIREE, SOFeX）證實短期增加了矽藻生物量，但碳輸出效率與生態風險仍爭議。(2) 亞熱帶環流受氮、磷限制。(3) 沿海上升流區營養鹽充足→高 NPP 與漁業產量。
衛星遙測與全球 NPP 估算
MODIS 的 NPP 產品（MOD17A3）使用光能利用效率模型 NPP = ε × APAR × f(T) × f(VPD) − Ra（Running et al., 2004, Remote Sensing of Environment 91:27），其中 ε 是光能利用效率係數，APAR 是吸收光合有效輻射。全球陸域 NPP 約 53 Pg C/yr。衛星數據顯示 1982–2020 北半球有明顯 greening trend（Zhu et al., 2016, Nature Climate Change 6:791），主因 CO₂ 施肥、增溫延長生長季。
NPP 與生物多樣性
物種豐富度與 NPP 常呈單峰關係（hump-shaped，Rosenzweig & Abramsky, 1993）：極低 NPP 環境資源不足、極高 NPP 環境競爭排除增強。但此關係在不同尺度與生態系間差異極大（Adler et al., 2011, Science 333:1750 挑戰此普遍性）。
前沿議題
(1) CO₂ 施肥效應的飽和——FACE（Free-Air CO₂ Enrichment）長期實驗顯示氮磷可用量終將限制 CO₂ 增產（Jiang et al., 2020, Nature 580:227）。(2) 海洋暖化導致分層加劇→營養鹽混合減少→海洋 NPP 可能在 21 世紀下降 3–10%（Bopp et al., 2013, Biogeosciences 10:6225）。(3) 微生物碳泵（microbial carbon pump, Jiao et al., 2010, Nature Reviews Microbiology 8:593）重新定義海洋碳儲存路徑——微生物代謝產物形成的 RDOC 可在深海儲存千年。