（一）土壤圈
土壤是人类须臾不可或缺的自然资源和环境条件，因此对于人类甚至陆地生态系统来说，土壤首先的基本功能是具有生产性能，其本质属性是具有肥力，即可同时不断地供给植物生长所需水分、养分、空气和热量，及其调节、控制生态环境条件的能力。土壤的第二个基本功能是净化作用，即土壤通过土壤生物对有毒有机和无机物质的迁移、转化（生物降解作用），土壤黏粒的离子吸附与交换，土壤水分和空气的稀释、扩散，溶液溶解与沉淀，土体的过滤作用，以及因土壤的酸碱反应和氧化还原条件的改变而致有毒物质赋存形态的改变，减少或降低、缓解土壤中有毒物质的浓度、毒性（或活性），这些作用称为土壤的净化作用。将土壤作为生活垃圾及生产废弃物的处理场所，古已有之。随着现代化社会的发展和人口增长，“三废”
物质日益增多，环境污染日趋严重。人们不但关注土壤的生产功能、土壤的承载力和食物保证，同时把目光转向了土壤的净化功能，以保证农业产品的质量、健康与安全。第三，土壤圈是一个开放、复杂的耗散系统，是地表系统整体的组成部分。
它不但通过界面与其他圈层之间进行物质、能量与信息的迁移、转化和交换，接受其他圈层对它的作用和影响而不断发展和变化，而且，它对其他圈层的作用和影响，导致它们也不断地发展变化。因此，土壤圈对整个地表系统起着重要的缓冲与稳定作用。土壤的多样性还是生物多样性的基础，某一土壤类型和特性的消失，就意味着依赖于该土壤生存的植物和土壤生物的濒危。这是土壤圈的第三个基本功能——生态功能。
土壤和土壤圈的基本功能是通过土体中的物理、物理化学、化学和生物特性及其变化过程之间的互动与协同，以及土壤圈与其他圈层之间的物质、能量与信息的迁移、转化、交换来实现的。
（二）土壤圈与全球变化的响应和反馈
土地利用／覆被变化（LUCC）是土壤圈和全球环境变化的综合反映与标志。
所谓土地覆被是指地球陆地地表土地景观类型组成、空间构型、分布与面积，如冰川、沙漠、植被、气候、土壤、地貌等。同时，它们也代表着影响全球气候系统的陆地下垫面。土地利用／覆被变化，包括其类型、数量（面积）及其空间位置变化，深刻地反映了自然环境变化以及人为活动对土壤圈发展变化发生的影响。
专栏3LUCC
IGBP与IHDP于1992年正式确立共同的核心计划——LUCC，其思想与认识的基础包括以下要点：
礄认识过去和未来土地覆被变化的影响，是研究全球环境变化及其人类驱动力和影响的核心，包括天文学、气候系统、生物地球化学循环、生态复杂性和土地退化及其对农业和居住地的影响。
礄土地覆被建模需要更新的土地利用资料。不真正懂得土地利用和土地利用变化因素的知识，就不可能预测未来土地覆被的状态。
礄土地利用的主要决定因子是人口统计学因素，如人口的数量和密度、技术、富裕程度、政治结构、经济因素。
礄一个重要的基础研究是认识这些因子怎样相互作用从而驱动土地覆被变化的，或土地覆被的设计怎样才能用来规划将来的土地利用格局、将来土地覆被率变化的速率及将来土地覆被的状态。
礄为了加深我们对土地利用变化及其对全球系统贡献的认识，必须结合有关的实例研究对土地覆被变化及相关的社会-政治-经济条件进行分类。
礄必须通过分类及实例研究所获得的知识发展区域的和全球的土地利用／土地覆被变化模型。
因此，LUCC的研究内容涉及“土地覆被与全球环境”、“土地利用与全球变化”、“土地利用变化的人为原因及可能驱动力”、“土地利用与土地覆被变化的关系”，并以亚马逊河的森林采伐作为典型案例深入剖析。
LUCC的研究计划将围绕环境、生态与可持续发展
4个交叉而又有内在联系的问题进行：①过去300年间，土地覆被是怎样被人类利用改变的？②未来50年土地利用变化将怎样改变土地覆被？③在不同地理和历史背景下，土地利用变化的主要人为原因是什么？④全球环境变化怎样影响土地的利用和土地覆被？目前已确定的有关研究重点是：①土地覆被变化状况的评估；②全球土地利用与土地覆被变化的建模与预测；③全球、区域和局地不同空间尺度土地利用和土地覆被变化的不同驱动力之间的联系；④数据开发活动与数据信息系统（DIS）。
1.2.5生物圈——地球生命的维持系统
生物圈（Bioshpere）是地球上的生物（包括人类）及其所生活的环境的总称。它占据了包括大气圈对流层下部、几乎整个水圈与岩石圈表层的薄层范围。
生物圈包括陆地和海洋以及所有的生态系统和生物。通过生物圈的生物过程与物理和化学过程的强烈相互作用，可以产生维持地球上生命系统赖以生存的环境。
生物圈对大气成分有重要影响，例如生物过程通过海洋大量吸收CO2，并以此控制着长期的大气CO2浓度，如通过浮游植物的光合作用减少海洋表层的CO2含量，以此使大气中更多的CO2溶解于海洋中。其中，大约25%的碳又沉入海洋底部。在那里，它不再与大气接触，而是储存在深海达几百或几千年甚至更长时间。这种“生物泵”与CO2的溶解过程，控制着海气和CO2的交换与分布，因而生物圈在碳循环中起着核心作用。陆地生物群也是气候系统中的一个重要部分，其功能很多。例如，陆地植被类型影响蒸发到大气的水分以及对太阳辐射的吸收或反射，植被根部的状况与活动也对碳与水的储存以及陆气通量有重要作用，叶面指数是描述植物群冠作用的一个重要指数，它与全球和区域气候变化有密切的关联。陆地生态系统的生物多样性影响着关键生态系统过程的量级，对生态系统的长期稳定有重要作用。
迄今，在茫茫宇宙的探索中，人们尚未发现其他存在生命的星球，因此可以确认，生物圈是地球环境特有的组成成分。人类生存及生产活动所需要的自然资源，无不依赖于生物圈的总体系统功能。然而，现代工业社会的物质生产过程以及人口膨胀，已使生态环境破坏，且其程度已超出了生物圈资源恢复、再生和环境自净能力的弹性限度。值得庆幸的是，它给人类带来的现实危害和潜藏着的深远威胁已经引起了人们的警觉。
生物的活动使环境发生改变，为适应变化的环境又引起生物的进化。正是生物与环境的相互作用使得两者共同进化，其结果是在地球上形成无数生物物种和生态系统，而通过生态系统，可使物质循环达到平衡。与其他星球相比，地球之所以能保持稳定的环境，正是物质循环平衡的结果。从中可以看到地球系统进化的两种流向，即地质学的物质循环进化和与此相辅的生物进化。在两者相互影响下，生物系统不断向功能更高的层次进化。
一方面，生物与环境相互作用、共同进化，首先表现为自养生物的出现使大气组成发生了变化，O2的含量增加。大气O2的存在改变了生物的生存条件，为生物进行有氧呼吸创造了条件。有氧代谢促使生物进化加速，使生命更活跃，高等植物和高等动物在这个基础上得以发展起来。大气充氧所形成的O3层能吸收大部分太阳紫外辐射，从而成为地球生物的屏障，为生物的大繁荣开辟了道路。生物圈发展的另一重大事件是植物的登陆和与之相伴的土壤层形成。陆生植物的繁荣又为陆地动物提供了栖息地和食物，充氧的大气层保证了动物的呼吸需求，所以生物登陆对生物圈的发展具有重大意义。由于陆地环境更加复杂多样，陆生生物物种受到比水生生物更大的选择压力，物种分化更快。现在的全部动物物种中有93%是陆生动物，水生动物仅占7%；全部植物中陆生植物占92%，水生植物仅占8%。生物扩展到陆地只用了将近4亿年的时间，但它所创造的新物种却远远超过了前30亿年的总和。
另一方面，生物圈的环境条件也在不断发生变化。地壳处于不断运动之中，气候发生着周期性的波动。环境条件的变迁对生物圈的物种演替和生物群落的改组发生了重大影响，生物圈正是在生物与环境相互影响的过程中发展起来的。
生物圈仅仅是大自然中一个渺小的组成部分，但是它在自然界中却处于非常特殊的地位。它与地圈、水圈和大气圈共同构成了人类的生态环境。能量和物质在各圈层内部及圈层间的流通与交换，赋予整个环境系统某些反馈和调节的功能，并维系着系统的平衡与稳定。
生物圈是地球上最大的生态系统，它是由众多类型生态系统组成的有机整体，是由生命控制的完整的动态系统。各种生态系统是在生物与环境协同进化中，因要素差异而形成的，而特有的结构保持了系统的稳定性，并依靠系统的稳定性，在外界干扰下保持系统的有序性和恒定性。
生物多样性是生物圈最显着的特性之一。地球生命系统作为自组织系统，首先体现在其构成成分数量级大，形式多样。从生命诞生开始，全球生命系统的物种多样性便逐渐增加。如今的生物多样性是地球几十亿年进化的结果，是地球生命支持系统的核心组成部分。
生物多样性的分布既不是随机的，也不是均一的，而是与环境因子和生物因子紧密相连的，且具有一定规律。生物地理学和生态学家注意到生物多样性有着明显的地区差异，某些地区要比其他地区有更多的种类，近年来的研究又发现了一些建立在不同尺度上和不同环境梯度上的格局。人们正努力探索这些格局的形成机制和动态变化。
生物圈中的能量流动与转化，是全球生命系统一切活动的基础。生命系统与环境系统在相互作用的过程中始终伴随着能量的传递与转化，环境中的能量不断输入和输出，内能与外能不断交换。
生态系统中流动着的物质是生命中化学能的运载工具，又是有机体维持生命活动所进行的生物化学过程的结构基础。生物地球化学循环是指各种物质在人-地复合系统各圈层之间的迁移和转化，它是在全球地质大循环和地球化学背景下，由生物活动驱动的物质循环。当今，大气成分、土地利用等全球变化的内容都是通过生物地球化学循环作用实现的，生物地球化学循环过程的变化，又影响大气成分和土地利用／覆被变化。
1.2.6冰冻圈对生态环境的影响和响应
地球表层冰包括大陆冰和海洋冰。大陆冰覆盖了全球地表约3%的面积，有线状分布的冰川（Glacier）、面状分布的冰盖（Ice sheet）和规模小的冰帽（Ice cap）；海洋冰面积占冰雪圈面积的7%，有面状分布海冰（Sea ice）和漂浮的冰山（Iceberg）。冰山是陆冰融化后漂浮在海洋上形成的，它仍属于陆冰性质。冻土分布在高纬和高山地区，有季节冻土和永久冻土，冻土占有陆地面积的24%。季节性冰雪在1月覆盖陆地面积的15%，在7月覆盖9%。冰与积雪、冻土一起，在地球上构成了冰雪圈，也称为冰冻圈。
冰冻圈对气候系统之所以重要，是因为它对太阳辐射有较高的反射率、较低的热传导率和较大的热惯性，以及在驱动深海环流中的关键作用。它能影响地表能量与水汽通量、云、降水、水文循环以及大气与海洋环流。而且，冰川的质量平衡对海平面的影响是直接的：如果包含近90%世界冰川的南极冰盖全部融化，那么全球海平面将可能升高70m；如果只是南极冰盖西部融化，也足以使海平面上升6m左右。近百年来海平面的高度上升一半左右，就是冰川融化的结果（如2002年3月南极冰盖的“拉森-B”冰架断裂与融化）。
冰冻圈（Cryoshpere）是以低温固态水形式存在的，由地表水（冰川、河／湖水、海水）、积雪、冻土（地下水）所构成的特殊圈层。冰冻圈的热力学特性（对太阳辐射的反射率高、热传导率低、热惯性大等）决定了它对全球气温变化的极其敏感性。
由于它主要分布于高纬两极地区和中、低纬地区的高原、高山和高海拔地带，从而使这些地带或地区成为全球的“冷库”或冷源；同时由于其空间位置介于大气-海洋、大气-陆地的界面以及因此产生的“界面效应”，使冰冻圈范围内的大气-海洋系统变为大气-冰-海洋系统，大气-陆地系统变为大气-冰雪-陆地系统，改变了原来大气、海洋和陆地系统的关系，从而制约和影响了全球的能量收支平衡，大气-海洋-陆地各圈层之间的相互作用，大气环流、海洋环流（包括深海环流）以及海面、地面能量、水汽通道、云、降水和全球水循环。可见，冰冻圈不但影响全球气候变化，它还是影响全球生态环境变化的重要因子。它制约着全球增温的动力过程，自然地带界限的水平移动和垂直移动，脆弱生态系统和生态脆弱带、自然环境系统的自组织临界性。特别是对气候变化的响应，冰冻圈显示了强烈的敏感性。
气候变暖使冰冻圈在全球范围内收缩，赤道与两极间的气温差减小，经向大气环流减弱，降水分布发生变化，地面蒸发增加，土壤水分减少，进而引起生态系统的扰动。苔原冻土是大气CH4的主要来源之一，全球变暖促使苔原冻土中储藏的CH4向大气释放，直接影响了冰冻圈与大气圈之间的物质交换，加剧了温室效应。
