初级生产是生物利用光或化学能量，将无机碳转化为有机物的过程。初级生产主要通过光合作用进行；在某些环境中，包括部分深海区域，化能合成也支持着初级生产。初级生产者将新合成的有机物引入生态系统，提供维系大多数食物网所需的物质和能量。“初级生产力”一词通常侧重于这一生产过程的速率。(oceanexplorer.noaa.gov)
生物学机制与生产者
进行光合作用的初级生产者捕获阳光，并利用光能驱动碳固定，将无机碳纳入有机化合物。在产氧光合作用中，生物利用二氧化碳和水生成有机物，同时释放氧气作为副产物。从全球尺度看，几乎所有初级生产都来自这一过程。在陆地上，植物是主要的生产者；在海洋中，初级生产则以浮游植物为主，即浮游生物中能够进行光合作用的部分。这些微小生物包括藻类和蓝细菌。(fsl.orst.edu)
化能合成生产者通过化学转化而非阳光获取能量。例如，在热液喷口处，一些细菌氧化硫化氢，并利用释放的能量将无机碳合成为有机物。在无法进行光合作用的地方，这类生产可以维系局部生物数量丰富的群落。不过，它在这些生境中的重要生态作用，并不意味着它对全球生产的贡献也同样大；后者实际上小得多。(oceanexplorer.noaa.gov)
总生产与净生产
总初级生产（GPP）是初级生产者将碳固定为有机物的总速率。生产者通过细胞呼吸消耗其中一部分物质，以维持生命活动和生长。净初级生产（NPP）则是扣除生产者呼吸损耗后剩余的部分：
NPP = GPP − Rₐ
其中，Rₐ 表示自养呼吸，即初级生产者自身的呼吸。因此，NPP 衡量的是可能用于生长、被消费者摄食或转入死亡有机物库的有机物生产量。以碳计的生产速率通常用克碳每平方米每年表示，但也可以采用其他时间间隔和空间尺度。(lpvs.gsfc.nasa.gov)
NPP 并不等同于现存生物量的增加。在生产持续进行的同时，新产生的物质可能被摄食、脱落，或因生物死亡而损失。NPP 也不能直接衡量长期碳储存量：消费者和负责分解作用的生物会通过呼吸将其中大量的碳释放回环境。净生态系统生产还需进一步扣除异养呼吸：
NEP = NPP − Rₕ
完整的碳收支还必须考虑扰动以及跨越生态系统边界的物质转移，例如采收和火灾。(research.fs.usda.gov)
环境控制因素与分布
初级生产随阳光、养分供应、温度以及陆地上的水分可利用性而变化。这些控制因素相互影响：如果必需养分或水分不足，即使光照充足，也无法维持快速生长。这些资源在空间和季节上的差异，使陆地和水域环境内部的初级生产都呈现显著变化。(escholarship.org)
水生生产者需要氮和磷，也需要较少量的铁及其他微量营养元素。硅藻还需要硅来构建细胞壁。过量的养分输入可能刺激藻类生长，并促成富营养化，这表明生产量较高并不一定意味着生态系统未受环境扰动。(aoml.noaa.gov)
在海洋中，光合作用集中于阳光能够照射到的上层水域。上升流将富含养分的深层海水输送至表层附近，支持着部分沿岸及赤道一带的高生产力区域。相比之下，许多副热带海域的养分可利用性较低。季节性混合可以补充表层养分，而温暖的表层海水与寒冷的深层海水之间的强烈分层则会限制这种补充。随着光照增加，高纬度地区通常在春夏季出现浮游植物大量繁殖的现象。(science.nasa.gov)
一项发表于 1998 年、被广泛引用的研究估计，全球 NPP 为每年 104.9 拍克碳，其中陆地与海洋的贡献大致相等。这一数值是基于模型得出的历史估计，而不是固定不变的地球常数；生产量的估计结果取决于观测覆盖范围、模型假设以及所考察的时期。(escholarship.org)
测量与估算
陆地初级生产可以通过测量植物生长、凋落物、根系以及呼吸造成的碳损失来研究。重复开展生物量调查时，必须考虑组织周转和损失，而不能仅将现存生物量视为生产量。森林研究综合这些观测，估算 GPP、NPP、呼吸量及生态系统碳收支。(research.fs.usda.gov)
涡度协方差法测量陆地生态系统与大气之间的二氧化碳净交换。由于这种交换同时包含光合作用吸收和生态系统呼吸释放两个部分，因此需要结合模型与观测，将二者分离后推算 GPP，而不能直接从净交换测量值中读出 GPP。(lpvs.gsfc.nasa.gov)
遥感使估算能够覆盖广大区域。陆地卫星产品将植被观测与环境信息、辐射利用效率模型及呼吸模型相结合。在水域系统中，海洋水色可用于估算叶绿素浓度，为生产力模型提供依据。叶绿素是光合生物的指示指标，而不是其生产速率的直接测量值。利用碳-14开展的海洋现场测量，是估算碳固定和评估模型的另一项重要依据。(viirsland.gsfc.nasa.gov)
生态意义
初级生产为更高营养级的消费者提供有机物，并将生物群落与碳循环联系起来。在海洋系统中，摄食活动和颗粒物沉降将表层生产者产生的物质带入更深的水域。最终保留下来的数量取决于后续的呼吸、输送和周转，而不只是生产本身。区分这些过程，既能说明初级生产在食物供应和碳循环研究中的核心地位，也能避免将其直接等同于碳封存。(noaa.gov)