Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng sinh vật sản xuất sơ cấp cố định carbon với tỷ lệ tương tự nhau trong các hệ sinh thái khác nhau.[14] Các cơ chế chi phối dòng năng lượng đến các bậc dinh dưỡng cao hơn sẽ khác nhau giữa các hệ sinh thái. Trong các hệ sinh thái thủy sinh và trên cạn, những mô hình đã được nhận diện có thể giải thích cho sự biến đổi này và được chia làm hai con đường kiểm soát chính: từ trên xuống và từ dưới lên.[21][22] Các cơ chế hoạt động ở mỗi con đường điều chỉnh cấu trúc bậc dinh dưỡng và quần xã trong một hệ sinh thái với những mức độ khác nhau.[23] Con đường kiểm soát từ dưới lên liên quan đến các cơ chế dựa trên chất lượng và tính sẵn có của tài nguyên, kiểm soát năng suất sơ cấp, dòng năng lượng và sinh khối từ bậc dinh dưỡng thấp đến các bậc dinh dưỡng cao hơn.[22] Con đường kiểm soát từ trên xuống liên quan đến các cơ chế dựa trên mức tiêu thụ của sinh vật tiêu thụ.[22][23] Những cơ chế này kiểm soát tỷ lệ vận chuyển năng lượng từ bậc dinh dưỡng này sang bậc dinh dưỡng khác khi động vật ăn cỏ hoặc loài săn mồi ăn các bậc dinh dưỡng thấp hơn.[21]

So sánh dòng năng lượng trong hệ sinh thái thủy sinh và hệ sinh thái trên cạn

Dòng năng lượng sẽ khác nhau trong các hệ sinh thái khác nhau, tạo ra thách thức trong việc xác định khác biệt giữa các loại hệ sinh thái. Theo nghĩa chung, dòng năng lượng là một hàm của năng suất sơ cấp với nhiệt độ, lượng nước và ánh sáng.[24] Ví dụ, ở hệ sinh thái thủy sinh, sản xuất sơ cấp cao hơn thường được tìm thấy ở những dòng sông lớn và hồ cạn hơn là ở hồ sâu và các dòng chảy đầu nguồn nước trong.[24] Ở hệ sinh thái trên cạn, đầm lầy cỏ, đầm lầy cây thân gỗ và rừng mưa nhiệt đới có hiệu suất sản xuất sơ cấp cao nhất, trong khi các hệ sinh thái vùng lãnh nguyên và núi cao có tỷ lệ thấp nhất.[24] Mối quan hệ giữa sản xuất sơ cấp và điều kiện môi trường đã giúp giải thích sự biến đổi trong các loại hệ sinh thái, cho phép các nhà sinh thái học chứng minh rằng dòng năng lượng qua hệ sinh thái thủy sinh hiệu quả hơn so với hệ sinh thái trên cạn do có nhiều cách kiểm soát từ dưới lên và từ trên xuống.[22]

Từ dưới lên

Sức mạnh của các biện pháp kiểm soát từ dưới lên đối với dòng năng lượng được quyết định bởi chất lượng dinh dưỡng, quy mô và tỷ lệ tăng trưởng của sinh vật sản xuất sơ cấp trong hệ sinh thái.[14][21] Chất liệu quang hợp thường giàu nitơ (N) và phosphor (P), bổ sung N và P cho nhu cầu cao của động vật ăn cỏ trong mọi hệ sinh thái.[25] Sản xuất sơ cấp thủy sinh chủ yếu là thực vật phù du đơn bào và nhỏ, chủ yếu bao gồm chất liệu quang hợp, cung cấp nguồn hiệu quả các chất dinh dưỡng này cho động vật ăn cỏ.[21] Ngược lại, thực vật đa bào trên cạn chứa nhiều cấu trúc cellulose hỗ trợ lớn có hàm lượng carbon cao nhưng giá trị dinh dưỡng thấp.[21] Do sự khác biệt về cấu trúc này, sinh vật sản xuất sơ cấp thủy sinh có ít sinh khối trên mỗi mô quang hợp lưu trữ trong hệ sinh thái thủy sinh hơn là trong rừng và đồng cỏ của hệ sinh thái trên cạn.[21] Sinh khối thấp này so với chất liệu quang hợp trong hệ sinh thái thủy sinh cho phép tỷ lệ tuần hoàn hiệu quả hơn so với hệ sinh thái trên cạn.[21] Khi thực vật phù du bị động vật ăn cỏ tiêu thụ, tỷ lệ tăng trưởng và sinh sản của chúng được tăng cường đủ để lấp đầy sinh khối bị mất và cùng với chất lượng đậm đặc dinh dưỡng của chúng, hỗ trợ sản xuất thứ cấp lớn hơn.[21]

Những yếu tố bổ sung tác động đến sản xuất sơ cấp gồm có các đầu vào của N và P, xuất hiện ở mức độ lớn hơn trong hệ sinh thái thủy sinh.[21] Những chất dinh dưỡng này rất quan trọng trong việc kích thích phát triển thực vật và khi được chuyển đến các bậc dinh dưỡng cao hơn sẽ kích thích sinh khối và tỷ lệ phát triển của sinh vật tiêu thụ.[22][24] Nếu một trong hai chất dinh dưỡng này bị thiếu hụt, chúng có thể hạn chế sản xuất sơ cấp tổng thể.[15] Ở các hồ, P có xu hướng là chất dinh dưỡng hạn chế lớn hơn, trong khi cả N và P đều hạn chế sản xuất sơ cấp ở sông.[22] Do những tác động hạn chế này, các chất dinh dưỡng đầu vào có thể làm bớt đi những hạn chế đối với sản lượng sơ cấp ròng của một hệ sinh thái thủy sinh.[23] Chất liệu allochthonous bị cuốn vào hệ sinh thái thủy sinh, mang lại N và P cũng như năng lượng ở dạng phân tử carbon mà sinh vật sản xuất sơ cấp dễ dàng hấp thụ.[15] Đầu vào lớn hơn và nồng độ chất dinh dưỡng tăng lên hỗ trợ tỷ lệ sản xuất sơ cấp ròng cao hơn, từ đó hỗ trợ sản xuất thứ cấp lớn hơn.[25]

Từ trên xuống

Những cơ chế từ trên xuống tạo ra sự kiểm soát lớn hơn lên sinh vật sản xuất sơ cấp thủy sinh do sự luân chuyển sinh vật tiêu thụ trong một lưới thức ăn thủy sinh.[23] Ở sinh vật tiêu thụ, động vật ăn cỏ có thể làm trung gian tác động của các bậc dinh dưỡng bằng cách bắc cầu dòng năng lượng từ sinh vật sản xuất sơ cấp sang động vật ăn thịt ở các bậc dinh dưỡng cao hơn.[26] Trên khắp các hệ sinh thái, có một mối liên hệ nhất quán giữa sự phát triển của động vật ăn cỏ và chất lượng dinh dưỡng của sinh vật sản xuất.[25] Tuy nhiên, ở hệ sinh thái thủy sinh, sinh vật sản xuất sơ cấp bị động vật ăn cỏ tiêu thụ với tỉ lệ cao gấp bốn lần so với các hệ sinh thái trên cạn.[21] Mặc dù đề tài này đang được tranh luận nhiều, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng sự khác biệt trong kiểm soát động vật ăn cỏ là do một số lý thuyết, trong đó sinh vật sản xuất đến tỷ lệ kích cỡ sinh vật tiêu thụ và tính chọn lọc của động vật ăn cỏ.[7]

Một lưới thức ăn nước ngọt thể hiện sự khác biệt về kích thước giữa mỗi bậc dinh dưỡng. Sinh vật sản xuất sơ cấp có xu hướng là các tế bào tảo nhỏ. Động vật ăn cỏ có xu hướng là động vật không xương sống vĩ mô nhỏ. Động vật ăn thịt có xu hướng là cá lớn hơn.[27]

Mô hình kiểm soát từ trên xuống lên sinh vật sản xuất sơ cấp cho thấy rằng việc kiểm soát dòng năng lượng tốt nhất xảy ra khi tỷ lệ kích cỡ của sinh vật tiêu thụ tới sinh vật sản xuất sơ cấp đạt mức cao nhất.[28] Sự phân bố kích cỡ của các sinh vật được tìm thấy trong một bậc dinh dưỡng duy nhất trong các hệ thống thủy sinh hẹp hơn nhiều so với các hệ thống trên cạn.[21] Trên cạn, kích thước của sinh vật tiêu thụ dao động từ nhỏ hơn thực vật mà nó tiêu thụ (chẳng hạn như côn trùng) đến lớn hơn đáng kể (chẳng hạn như động vật móng guốc), trong khi ở các hệ thủy sinh, kích thước cơ thể của sinh vật tiêu dùng trong một bậc dinh dưỡng biến đổi đổi ít hơn nhiều và có mối tương quan chặt chẽ với các vị trí dinh dưỡng.[21] Do đó, sự khác biệt về quy mô giữa sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ trong môi trường thủy sinh lớn hơn so với trên cạn, dẫn đến khả năng kiểm soát động vật ăn cỏ mạnh hơn đối với sinh vật sản xuất sơ cấp thủy sinh.[21]

Động vật ăn cỏ có thể kiểm soát số phận của chất hữu cơ khi nó luân chuyển qua lưới thức ăn.[26] Động vật ăn cỏ có xu hướng chọn thực vật giàu dinh dưỡng đồng thời tránh thực vật có cơ chế phòng vệ cấu trúc [21] Giống như cấu trúc hỗ trợ, các cấu trúc phòng vệ bao gồm cellulose nghèo chất dinh dưỡng và có hàm lượng carbon cao.[26] Tiếp cận với các nguồn thực phẩm bổ dưỡng giúp tăng cường trao đổi chất và nhu cầu năng lượng của động vật ăn cỏ, dẫn đến việc loại trừ sinh vật sản xuất sơ cấp đông hơn.[14] Ở hệ sinh thái thủy sinh, thực vật phù du rất giàu dinh dưỡng và thường thiếu cơ chế phòng vệ.[26] Điều này dẫn đến khả năng kiểm soát từ trên xuống lớn hơn vì chất thực vật đã tiêu thụ nhanh chóng được thải lại hệ thống dưới dạng chất thải hữu cơ không bền.[15][26] Ở hệ sinh thái trên cạn, sinh vật sản xuất sơ cấp ít dinh dưỡng hơn và có nhiều khả năng chứa các cấu trúc phòng vệ.[21] Bởi vì động vật ăn cỏ thích thực vật giàu dinh dưỡng và tránh thực vật hoặc các bộ phận của thực vật có cấu trúc phòng vệ, nên một lượng lớn thực vật không được tiêu thụ trong hệ sinh thái.[26] Động vật ăn cỏ tránh chất thực vật chất lượng thấp có thể là do các hệ thống trên cạn thể hiện kiểm soát từ trên xuống yếu hơn so với dòng năng lượng.[21]