地下水总量的估计值相差很大。它位于地表以下和海底以下，大多存在于地表以下1m左右的岩土孔隙裂缝之中。地下水的停留时间一般为10～100年，自然更新一次需300年左右，但部分较深层地下水可停留106年。土壤层水的更替周期约为1年，生物水更替周期以几小时计。
全球水循环系统是开放系统，它有地球内部原生水的补给，以及岩石圈板块运动所带来的地球表层水量的得失。地球内部原生水通过火山喷发和温泉途径补给地球表层。如果按稳定累积速度计算，在过去的3.5亿年内，地球内部原生水补给总量可达2.31×1011km3，已是地球表层总水量的150多倍，但这些水的大部分又通过板块运动回归到地球内部，参与地球内部与地球表层之间的水循环，只有大约0.6%保留在地表，即相当于地球表面的总水量。
全球水循环使水圈成为一个开放性动态系统。对人类生存和社会生产十分重要的淡水资源，成为全球水循环开放动态系统中的一个“站”，它除了包含作为暂时停留的静储量之外，还包含水分循环过程中的动储量。全球河流总贮水量为1250km3，而全年河流总径流量达38000km3，其交替率为0.032年。由此可见，水分循环的强弱不仅与实际有效循环水量有关，而且与循环速度有关。有人估计，全球广泛修筑的水库，实际上就是增加实际有效水量，它还无意间削弱了本世纪以来全球平均海平面的上升。
全球水分循环中的通量存在着年内季节性的与多年年际间的变化。在冬季，大陆地表水分的净输入来自于海洋；而在夏季，热对流是降水的主导机制，蒸发使土壤水分耗竭并成为大气水分的主要来源之一。对这种变化的了解，既有助于我们解释水分循环中异常现象产生的部位和程度，也可使我们更清楚地认识地表变化的环境影响。
（三）水资源与生态环境
水资源是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一，同时又是战略性资源，是一个国家综合国力的重要组成部分。我国水资源的人均占有量低是不争的事实，而且时空分布变异性大，水土资源的匹配状况不理想，生态环境相对脆弱。
目前，北方缺水地区的水资源开发利用程度已很高，生态环境已受到明显影响，水资源问题十分严峻。因此，评价我国水资源开发利用现状、分析水资源未来变化趋势，是实现水资源可持续发展战略的重要内容。
水资源是生态环境的基本要素，是生态系统结构与功能的组成部分。水以其存在形态与系统内部各要素之间发生着有机联系，构成生态系统的形态结构；水以其运动形式作为营养物质和能量传递的载体，不停地运转，逐级分配营养和能量，从而形成系统的营养结构；水在生态系统中的运动必然产生系统与外部环境之间的物质与能量交换，形成生态系统功能。水在生态系统中的地位与作用，是其他任何物质所无法替代的。
水是可再生的自然资源，通过水循环往复于陆地、海洋之间，支持物质循环和能量转换及信息的传递。在生生不息的生物圈中，生物地球化学循环也是靠水的运动和调节进行的。总之，地球表面各圈层之间以及生物圈内所有物质虽以不同形式进行着循环运动，但任何形式的物质循环过程都离不开水的参与和水的特殊作用。水是自然界中构成环境的重要因素，没有水的自然环境是不可设想的，没有水就没有生命。为了保护环境、维持生态平衡，必须保持河川水环境的正常水体流动和水体自净能力，维持江河、湖泊等天然水体的生存和演化，发挥其正常的环境功能。
水资源的开发利用可以改变环境状态。若开发合理得当，能使环境保持自然秀丽，无限生机；开发利用不当，则会造成环境恶化和污染。环境（自然和人文）的优劣也能制约或影响水资源开发的难易，但是一旦开发得当，环境的潜在资源价值就可以变成可贵的现实资源。因此，正确开发利用水资源，可以使生态环境朝着有利于人类的方向发展，但是，若忽略了生态环境问题，就会不利于人类社会生存和发展。我们对此必须有足够的认识。
1.2.3岩石圈及其表层系统
岩石圈（Lithoshpere）是人-地复合系统的有机组成部分，它既是固体地球的外壳，又是地表环境系统的重要物质基础，同时还是外力与内力持续交互作用的场所。这一圈层通过长期发展演化，形成了现今的地球物理场、化学场，与资源、能源分布形式。岩石圈与其他自然子系统之间持续地进行着物质交换、能量流动与信息传输，从而构成相互渗透、相互制约、错综复杂的各种非线性关系。岩石圈在这一复合系统中“承上启下”，具有独特的地位与作用。
岩石圈表层是包括人类在内的生物的生活场所和活动空间，它为人类经济、社会发展提供必需的资源与能源。当人类以超越自然承载力的强度或其他不合理方式开发、利用岩石圈时，会导致熵增，造成不利于社会可持续发展的反响。因此，有必要深入掌握岩石圈的组成、性质、动力学过程及其在自然与人为作用下演化的时空格局，通过有序人类活动，为环境与资源的保护与可持续利用提供基础。
（一）岩石圈：地球表层系统的重要物质基础
在地球表层系统中，岩石圈与大气圈、水圈、生物圈等其他自然圈层紧密交错，它们之间存在着极为多样的非线性相互作用，整合形成复杂的自然综合体，并且从赤道到极地覆盖整个地球，构成地理壳（或称景观壳）。地理壳以大洋底部和陆地基岩为界与地球内部相接，其范围一般深到沉积岩所及深度，即10km。
在地球表层系统中，岩石圈是最重要的物质基础。岩石圈的物质质量远大于其他圈层的质量。根据兰卡玛（Rankama）和萨哈玛（Sahama）的估计，如果生物圈的质量是1个单位，那么，大气圈的质量就是300个单位，水圈（主要是海洋）是69000个单位，而岩石圈上层的质量可达到106个单位。岩石圈中储存着丰富多样的元素与化合物，它们通过地质大循环与其他圈层进行着物质和能量的交换，从而显着地影响着环境中其他要素的物质组成。
岩石圈上部表现为复杂多样的地貌类型——形态各异、切割深度不同的山地、丘陵、山原、高原与平原，使地表的水热重新分配，并在不同地貌部位分布着物理性质与化学组成各异的物质。可以说，以岩石圈为基底的地貌是使其他环境要素中物质与能量再分配与分异的基础。
岩石圈上部的物质组成与地貌，对整体地理壳以及区域地理环境具有重要作用，在有的条件下，甚至会成为主导性因素，而这种物质组成与地表形态特征就是在上述内力因素与外力因素叠加、交互作用下，通过各种动力过程造成的。
岩石圈表层为人类提供了生存与发展的空间场所，其中所包含的许多天然形成物质与能量，是人类可以利用的生产资料、生活资料和劳动的对象。这一圈层对人类活动与社会经济发展起主要作用（Trofimov，2001）。
综上所述，岩石圈是人-地复合系统中具有一定结构与功能，并且对人类生存、发展有着多方面重要作用的子系统。不断提高与深化对这一圈层及其在自然、人为因素影响下演化过程的认识，有助于通过人类有序活动，合理安排和组织，优化调控环境中的物质流、能量流，使自然环境能在长时期、大范围内发生明显退化，甚至能持续好转，同时又能满足当时社会经济发展对自然资源和环境的需求（叶笃正等，2001）。
（二）地球内、外营力作用对地表环境系统的影响
1.地球内营力作用对地表系统有着重要的、多种类型的效应，从而显着地影响着人类生存环境。其主要作用有以下几个方面：
（1）地表环境系统的重要能量来源
地热通过多种途径传输到地球表面，据估计，由此可以使岩石圈表层每年获得167～210J／cm2的热量。这一能量的平均水平虽远低于地表从太阳辐射获得的热量，但它在局部地区高度富集，会对一定区域范围内的能量流及环境特征构成重要的影响。另一方面，地球内部热量及其流动为内营力的各种作用提供了动力，这些作用（板块运动、火山活动等）对地表环境系统产生显着效应。
（2）构造地貌形成与演化的主要动力：
由于内营力的作用，地表形成大陆与海洋、构造山系与凹陷盆地等基本地貌构造。可以说，大型地貌单元与基本轮廓是内营力作用的结果。
（3）土地质量的构成因素
土地是存在于地表环境中的一种重要资源。作为地球陆地表面一定立体空间内复杂的自然经济综合体，其质量受到多种因素影响。从内营力对岩石圈的作用来看，构造地貌与岩石性质对土地质量有影响。
由于构造地貌造成的势位高差、地层倾角等，可以影响到水土流失的程度，从而影响到土层的厚度，而土层厚度是土地质量的限制性因素。在平原区，依据其上沉积物的性质、堆积形式的特点，可区分土地的资源质量等级。
岩石类型是作用于土地资源质量的原生性因素，不同性质的岩石风化过程与风化产物各异，常影响发育于其上的土壤。在山地和丘陵区，岩石原地风化并残留下来，这对土地资源质量的影响尤为明显。
（4）环境灾害与人体健康效应
岩石圈在内营力作用下的各种运动，还会导致多种环境灾害，其中尤以地震与火山影响显着。地震是岩石圈破裂的表现；火山是岩浆沿薄弱地带从地球内部向地球表层系统喷出的结果。这些灾害威胁着人类社会的安全。与此同时，地球内部多种营力与多种性质的交换与重叠，还会导致重力场、磁场等地球物理场的时空格局变化，其中有些变化会对人体健康产生影响。
2.地球的外营力以太阳辐射为主要驱动力，并通过大气、水体、生物对地球表面发生作用。各种外营力使岩石圈发生以风化、剥蚀、搬运、沉积和成岩为主要方式的能量转化与物质迁移过程，在这些过程中均包含物理作用、化学作用以及生物作用。
（1）外营力作用对地貌及对资源、环境质量的影响
风化作用及其产物对于环境质量和人类社会经济发展中所需要的资源有多方面的影响。在风化过程中，地壳表层含矿母岩及原生矿产内一些稳定的有用组分，在原地或原地附近富集成矿，即风化矿床。风化作用对铁矿、铝土矿、镍矿等的形成有较重要意义。据统计，与风化作用有关的铝土矿可占世界总储量的85%，为工业发展提供了重要资源。
风化产物又是土壤的母质，从而影响到土地资源的质量。风化壳中多种常量营养元素与微量营养元素的集散，对土地的肥力水平有重要影响。风化作用使坚硬岩石块体的强度减弱，透水性增加，因此对在其上进行的工程建设有不利影响。
以风化壳为基础建设大型工程时，应掌握风化层的厚度、风化产物的强度等，为采取适宜措施、保证工程质量提供依据。
此外，一定地域内风化作用的特征对污染物迁移的方向与强度有着显着影响。
标型元素或化合物不同的风化壳，对因人为作用进入环境的污染物的迁移特征、毒性效应具有不同的作用。因此，在制定污染物的环境基准、环境容量时，以及在拟定污染防治对策时，均应考虑到所在地风化壳的类型。
（2）地貌发育及其对土地资源质量的影响
在地貌发育过程中，外营力与内营力密切相联系。以外营力为主的地貌包括流水、冰川、风沙、波浪等作用下形成的地貌。随着人类社会经济活动的日益广泛与深化，人为活动对于地貌的影响日益明显。人们或直接作用于地貌形态的变化，或通过加剧或减缓自然界外力作用的速度，改变一种或一种以上外力作用的方向，从而使地貌发生变化。
总之，在外力作用下所发生的地貌变化，对于土地资源及水资源的质量以及工环境、生态与可持续发展程建设、农业生产等，有着多方面的重要影响。
1.2.4土壤圈与人类
土壤是地球表层的一圈脆弱薄层，它关系到人类的生存与死亡（GarrisonSpositoard 和Robert J.Regint，1995）。土壤圈是人类赖以生存与发展的重要资源与生态环境条件。在地球演化特别是地表圈层系统形成历史过程中，它是继原始岩石圈、大气圈、水圈和生物圈之后，最后出现和形成的独立自然圈层。土壤圈处于上述圈层的交接面上，是地圈与生物圈共同作用的结果。土壤圈的特殊空间位置，使其成为地球表层系统中物质与能量交换、迁移、转化最为复杂、频繁和活跃的场所。同时，土壤圈又是自然界中有机界与无机界相互连接的纽带、陆地生态系统的基础，土壤与依赖于它生存的动、植物更是息息相关。因此，它在维持生物圈的生命过程和生物多样性，在调控全球变化和人类社会可持续发展中，扮演着重要而独特的角色。