巴丹吉林沙漠地处内蒙古高原的西部（图1），面积为5.2万km2，是世界上沙丘高度最大、我国仅次于塔克拉玛干沙漠的第二大沙漠。2005年被《中国国家地理》评为中国最美的沙漠，2009年入选世界地质公园。20世纪60 年代以来，巴丹吉林沙漠逐渐受到国内外相关研究者的广泛关注。但是，由于沙漠面积广大，自然条件严酷，加之研究手段的局限性，对巴丹吉林沙漠本身的探索不够全面、系统和深入，还有很多问题依然停留在感性认识阶段，其内在的机理未能得到透彻的阐明。例如，对于各种复杂形态的沙丘，特别是巴丹吉林沙漠中广泛分布的高大沙山的起因和增长、湖泊群水源补给和沙山-湖泊耦合机制等问题还不十分清楚。
1. 沙漠的起源和年龄
沙漠是在干燥气候和丰富的沙源物质等自然条件下形成的，一般而言，风成沙的出现是确定沙漠形成的直接标志。关于巴丹吉林沙漠的起源和年龄，这是一个长期以来争论颇多的问题。过去认为，世界上许多沙漠是在最近地质历史时期才形成的。例如，直到20世纪70年代前半期，人们还一直认为南亚的塔尔沙漠是非常年轻的，可能是在冰后期（即距今1万年以来），甚至是在中世纪时期，由于人类的不合理活动形成的。然而日益增加的大量证据表明，塔尔地区在距今800万年前即已出现稀树草原景观，在全新世以前至少已经历过两次大的气候干燥和沙漠扩展的时期。再如原苏联学者E·N谢里万诺夫在1960年曾认为我国西北沙漠开始于第四纪末期或更晚的时期。国内学者对此提出质疑，并通过对古地貌、古气候和古水文网的分布及其变迁等分析研究后得出结论，指出现代沙漠的规模是从中更新世（距今73万至12.5万年前）以来直到今日不断发展的结果。另外一些学者，从历史地理学和对文化层、古城址的研究，认为我国部分沙漠是在人类历史时期才形成的。尤其对于贺兰山以东地区的风沙地貌形成问题，特别注意到人为因素所造成的环境退化，提出了人类活动是促使沙漠或沙地出现和扩大的主要因素。他们认为沙漠不断扩大的途径，不是沙漠的前移，而是在原来并不存在沙漠的地方，在人类活动的影响下，出现了新的沙漠，并称这种现象为“人造沙漠”。
尽管上述有关沙漠形成时代的各家观点存在很大分歧和争论，但无可置疑的是：巴丹吉林沙漠早在有文字记载以前的第四纪就已存在，且经历了一个漫长的自然演变过程。从其东南边缘起沿西北方向至沙漠中部，沙山（丘）类型变化非常有规律，其排列次序是缓起伏沙地、新月形沙丘、格状沙丘链、综合型星状沙山、复合型链状沙山。由于形成沙山的主导风向是西北风，沙漠是从西北方向逐渐向东南方向扩张，这表明越往东南边缘沙丘越年轻，越往西北方向沙山年龄越老。有学者认为，巴丹吉林沙漠中的复合型链状沙山（丘）可能经过了几万年至几十万年时间。例如，巨大复合型沙山（丘）的下覆地层，不少地方发现有砂质钙胶结层，下部的钙质胶结层可能是中更新世气候变化的产物。
2. 高大沙山的堆积过程
巴丹吉林沙漠地质构造属阿拉善古老台块中的拗陷盆地。地势总的变化规律是南高北低，东高西低，由南部海拔1800～2000m、东部海拔1300～1900m，分别向北、向西逐渐降低至海拔970～1200m。由于研究者关于沙漠的定义、面积量算使用的方法等不同，导致其确切范围和面积大小的数据比较凌乱，究竟属于我国第三大沙漠还是第二大沙漠存在颇多分歧。本研究团队根据遥感影像和实地考察获得的数据资料，确定巴丹吉林沙漠的面积为5.2万km2，属于我国仅次于塔克拉玛干沙漠的第二大沙漠。从20世纪50年代的4.43万km2，1981年的4.71万km2，1995年的4.92万km2，1998年的5.05万km2，再到2010年的5.2万km2，可见巴丹吉林沙漠周边沙漠化趋势依然严重（未考虑不同数据源的可比较性）。
“巴丹吉林”是蒙古语的译音，蒙古语名其为“巴代吉朗爱勒沁”。“巴代”系蒙古喇嘛名，“吉朗”意为六十，“爱勒沁”意为沙山。据说，巴代对于沙山兴趣极大，曾数过三百六十大沙山，将三百省去，故有此名。巴丹吉林沙漠以沙丘高大著称，相对高度一般为200～300m，最高可达450m。长度一般为5～10km，宽度1～3km不等。例如，海拔1609m、相对高差435m的必鲁图峰，沙山迎风坡较和缓，斜坡长约2.2km。迎风坡约2/3 处有一坡折，其下部坡度在10°以下，中部坡度10°～15°，中上部坡度24°～27°，顶部28～ 33°；背风坡较陡，长约0.52 km，坡度一般介于25°～33°之间。关于高大沙山的起因和增长问题，可谓众说纷纭、莫衷一是。目前主要有4种解释：一是认为高大沙山与下覆地层起伏有关，如流沙直接覆盖于山岗之上可形成高大沙山，或沙丘在移动过程中受残留石质低岗阻挡，而后继的接踵而来覆于前面的沙丘上，层层叠置，愈堆愈高所成；二是认为近地层盛行西北风在向东南运行过程中，携沙气流受到雅布赖山的阻挡，其阻滞作用导致沙丘沙大量堆积，形成巨大复合型沙山，且愈靠近山体沙山愈高大；三是认为高大沙丘是不同时期的新老沙丘相互叠加所形成的，其依据是沙漠南缘高大沙丘上普遍保留了4层不同时期所形成的钙质胶结层（气候相对湿润期形成）；四是深部断裂带地下水上涌，水分向上运移产生CaCO3沉淀，对沙丘具有固定作用，从而使得沙丘沙能够不断加积成为高大沙山。
3. 鸣沙发声的机理
巴丹吉林沙漠典型高大沙山的粒度组成是粗粉砂、极细砂、细砂、中砂、粗砂，平均粒径为0.53mm。其中细砂含量最高，中砂次之，粗砂、极细砂和粗粉砂含量均较少，比我国其它以细砂为主的大沙漠粒度为粗。巴丹吉林沙漠有世界著名的鸣沙现象，被称为“鸣沙王国”。野外考察发现，鸣沙普遍出现在坡度25°～32°的高大沙丘背风坡，并且斜坡长度越大，沙丘沙的响声越大。实验分析表明，鸣沙比普通沙丘沙的形态更均匀，粒径更一致，更容易产生共振。鸣沙丘可分为3种类型：一是发出低沉有力隆隆声的Booming sand dunes；二是发出短促吱吱叫的Squeaking sand dunes；三是混合型的Squeaking and booming sand dunes。尽管现在可对鸣沙进行分类，但这些研究还只是揭开了巴丹吉林沙漠鸣沙谜题中的冰山一角而已。
4. 湖泊群的维持机制及其变化
巴丹吉林沙漠没有地表河流，在高大沙丘之间的低地分布有众多TDS各异（包括淡、微咸、咸、盐、卤5个类型）的内陆湖泊，特别是在沙漠的东南部，湖泊分布密度在所有的沙漠中是最大的，且依一定的方向展布。长期以来，有关巴丹吉林沙漠湖泊群的数量问题，仅是前人对巴丹吉林沙漠的湖泊做过资料记载，认为在沙漠地区共有144个湖泊。但因进行实地考察困难，未对湖泊进行全面、深入调查研究，其得出的湖泊数量是不准确的。兰州大学冰川与沙漠研究中心通过实地考察和遥感影像解读，发现前人关于湖泊的记载还有许多需要补正。调查结果表明，沙漠腹地常年积水湖泊约110个，湖泊面积一般小于1km2。现存湖泊中面积最大的是布尔德，其面积为2.32km2。水最深的是诺尔图（1.5km2），达16m深。沙漠腹地的湖泊长轴明显地呈北西走向，在湖盆周围，草甸植被环湖岸呈带状分布。由于沙漠腹地湖泊面积较小的原因，迄今未发现典型的类似同心圆状或近于平行的多级砂砾质岸堤。但在湖泊扩张期仍普遍存在代表湖泊相对稳定阶段的湖岸线证据，诸如粉细砂组成的湖成阶地、环带状钙华等。研究发现，近几十年来湖泊数量与面积整体表现为减小，同时也存在少量湖泊面积增大与湖泊新增现象。
沙漠降水稀少和强蒸发量形成了巨大反差，而众多湖泊却能够长期存在，这其中的水循环过程及其维持机制无疑是一个核心而迄今未完全明晰的科学问题。过去对巴丹吉林沙漠湖泊补给来源的探讨，主要采用地球化学的手段和地质外推的方法进行，由于缺少必要的综合观测数据支持，关于沙漠中的众多湖泊是如何形成的，至今说法不一，主要有5种理论或假说。一是大气降水和凝结水说，认为沙层水分主要以薄膜水的形式存在, 并具有向下运移的特点，有可能成为湖泊和地下水的来源之一。但降水入渗沙层进入到潜水需要相当长的过程，很多降水在还没有进入到潜水层之前就被完全蒸发了，而且无法合理解释同一气候环境下湖泊TDS差异巨大以及钙华和泉水的成因。二是湖泊萎缩残留古水说，此说无法合理解释该沙漠湖泊TDS差异巨大、近数十年来出现新湖泊而另一些湖泊却萎缩干涸等自然地理事实。三是区域深层（约60～100m以下）和浅层地下水补给说，认为是冰后期古水混合现代水通过沙漠下部隐伏式网格断裂补给湖泊，东南部多淡水湖、微咸水湖以及地下水位相早于腹地等可指示补给来源，且地下水补给与大气降水约为8: 1。四是南部山区泉水和河流补给说，认为湖泊形成的水源补给主要是沙漠东南缘山区的降水沿沙漠下覆冲积扇砾岩层潜流至沙山间的低洼地带形成湖泊，但雅布赖山等花岗岩、变质岩石质山地降水能否汇聚足够的水量维持数量众多、盐度不一的沙漠湖泊群并形成钙华，不啻缺乏科学观测支持。五是远程深部循环次现代地下水补给说，即湖泊水通过沙漠深部断裂构造从青藏高原冰川冻土区输送而来。
5. 钙华岛与钙华泉水的成因
钙华，又称石灰华，矿物为方解石与文石，主要成分是CaCO3，包括大气成因类钙华（tufa，表生钙华）和热成因类钙华（travertine，内生钙华）。前者主要出现于温暖湿润的南方，而在寒冷和干旱的地区则很少；后者出现在地质构造或火山活跃的地热地区。二者的区别在于沉积过程中水溶液的CO2来源不同，表生钙华起因于大气和土壤成因CO2对碳酸盐岩的溶解和再沉积；而内生钙华的CO2来自地球深部的变质成因或地幔成因。钙华的主要成分是碳酸钙，其沉积受气候、地质地貌、水动力条件和生物等多因素的影响，具有“与水共存亡”的特性，若失去饱和岩溶水滋养，钙华会变黑、剥落、砂化、跨塌。野外考察发现，巴丹吉林沙漠湖泊区的湖岸周围及岸边湖底、湖心均有钙华沉积，多系大孔隙具海绵状结构的次生碳酸钙，以及薄层壳状、块状构造钙华。岸边钙华多呈板状，如车日格、乌尔塔·布拉格、巴彦诺尔等均有湖岸带状钙华分布。湖底钙华以哈拉木格图、准苏力图、苏木巴润吉林等为典型，前二者湖泊干涸后出露的钙华层厚约0.5m左右，分布面积广而连续。湖心钙华岛，则以音德尔图、诺尔图、哈布特诺儿等为典型，钙华岛内有许多泉眼分布。通过显微镜的观察，泉水钙华表面一般为白色，具有明显分层，表层之下多未完全固结。
巴丹吉林沙漠分布钙华的湖泊都是咸水湖，湖水的pH值一般为7.5～8.2。实测数据表明，泉水氢氧稳定同位素具幔源特征，且钙离子含量大于湖水，而湖水中二氧化碳分压大于泉水，二者的混合效应有利于碳酸钙沉积。如诺尔图湖水的碳酸钙饱和指数是其泉水的12倍，碳酸钙的普遍过饱和为钙华的生长提供了广泛的环境基础。沙漠内部分布钙华的泉水不仅具有承压性质，而且水位和温度变化特征与浅层地下水存在明显差异，泉水温度平均为17℃左右，且在一年内的变化不大，指示其水源可能是沙漠外围远距离输送的深层地下水。山区降水、高山冰雪融水下渗形成地下潜流，这些地下潜流在达到一定深度后，由于地热增温的影响，温度逐渐升高，地下化学侵蚀作用强烈，使地下水中含有大量的重碳酸钙。这些富含钙离子的地下水，在巴丹吉林沙漠沿裂隙溢出地表，由于压力和温度发生变化，水中过饱和的重碳酸钙不断分解成碳酸钙而沉积下来，形成具有特色的钙华湖泊。
6. 气候“暖岛现象”的热源
巴丹吉林沙漠在自然地带上处于阿拉善荒漠的中心，属典型大陆性气候。《居延汉简》概括其气候特点为“地热、多沙、冬大寒”。本研究团队将巴丹吉林沙漠分为湖泊区、沙漠外围区和沙漠周边区3个区域，利用2012年12月至2013年2月的MODIS地表温度数据对3个区域的白天和夜晚地表温度进行研究对比，结果显示湖泊区冬季白天和夜晚平均地表温度为6.10℃～-14.37℃，沙漠外围区分别为4.25℃～-15.44℃，沙漠周边区分别为4.07℃～-14.29℃，存在沙漠腹地湖泊区地表温度明显高于沙漠其它区域的“暖岛现象”。同时，利用巴丹吉林沙漠腹地自动气象观测站和沙漠外围气象站的日平均温度数据，结合其周边21个基本气象站同期的日平均温度资料，对比分析沙漠腹地与周边地区≥0℃积温与负积温的差异。结果表明，巴丹吉林沙漠腹地较周边地区≥0℃积温存在起始日期提前、终止日期延后及持续时间变长、积温升高的“暖岛现象”。根据相对绿度指数的季节变化趋势及对数字照片的观察分析，发现沙漠腹地湖泊区落叶期和休眠期的初日要比沙漠外围地区晚约5天，而在春季植被萌芽展叶开始期要比沙漠外围地区早至少9天。
巴丹吉林沙漠腹地和湖泊区存在“暖岛现象”是不争的气候事实，但传统的干旱区湖泊“绿洲效应”（包括冷岛、湿岛效应）理论无法给予合理解释。其形成机制，是与独特下垫面引起的地-气能量收支有关，还是与湖泊群地下水携带的热量有关，这其中的关键无疑是开展定位观测实验，提供更为准确的能量、水量平衡数据。
7. 全新世初埋藏泥炭的气候背景
通过对巴丹吉林沙漠湖泊群的实地考察、湖泊遗迹测量及14C、OSL定年，本研究团队获得了全新世湖泊群变化的地貌学、沉积学、生物遗迹和泥炭证据。测年结果表明，巴丹吉林沙漠泛湖期开始于10 cal kyr BP，大致在8.6～6.6 cal kyr BP，湖泊群达到全新世最大高湖面，并于晚全新世(约3.5 cal kyr至今)普遍出现退缩乃至干涸。在巴丹吉林沙漠腹地发现的泥炭为埋藏芦苇泥炭，其埋藏深度约2.4～5.2m，泥炭层厚度约20～62cm。这些埋藏泥炭不仅埋藏浅、泥炭层较薄，而且其理化性质分析结果具有草本泥炭的特点，大部分泥炭发热量小于8360J g-1，为低热值泥炭。在气候地层学方面，泥炭层不仅具有冰后期开始的“金钉子”意义，而且为开展气候环境变化研究提供了新的古环境信息源。
研究表明，全球泥炭分布呈纬度地带性，主要集中在3个相对潮湿的气候带里：一是北纬50°～65°附近的副寒带，即针叶林带；二是赤道附近的热带雨林带；三是南半球的副寒带。同时，沿海地区泥炭分布较内陆多，高山、高原上的泥炭沼泽分布具有一定的垂直变化规律。这些泥炭集中地带的共同特点是气候潮湿，或冷湿或暖湿。我国泥炭类型多样，是世界上泥炭资源丰富的大国之一。全国泥炭分布总面积约5.0×104km2，以全新世泥炭分布最多。在气候条件上，中国泥炭主要分布在年平均气温-5℃～5℃、年降水量300～700mm的区域，最大泥炭分布区是东北和西南地区，次级分布区是新疆和长江口区。巴丹吉林沙漠虽然不在上述3个全球泥炭带，该沙漠腹地却发育了埋藏泥炭。它们是什么时代形成的？对应于何成炭期？在何种气候背景下发育？又是怎样沉积和被埋藏的？探明这些问题，不仅具有地理学意义上的自然发现之意义，而且可望填补泥炭地学研究和沙漠地区14C年代数据缺乏的区域空白，有利于基于泥炭记录进一步开展沙漠环境演变研究。
8. 巴丹吉林的“黄金时代”与游牧业起源
中国古代文明主要由农耕文明和游牧文明构成。探索中国文明的起源、形成和早期发展过程，一直是国内外考古学界、地学界的热点问题。从与农耕文化相对应的角度看，对中华民族文化孕育与发展同样做出重要贡献的北方游牧文化，国内外考古学界对其研究甚少，需要系统地了解和研究其发展、演变的历史轨迹，将游牧业起源的时代和地域问题给予应有的重视加以解决。地处内蒙古西部的阿拉善高原，尤其是巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和乌兰布和沙漠，是中国境内人迹罕至、人口密度最小的地区之一，通过近十年来的区域系统考古调查，业已发现这里可能是新石器时代中晚期至青铜时代游牧业（包括游牧文化的标志——岩画）的起源地之一。早在1927年，袁复礼教授沿上达驼道去额济纳旗时，曾在日记中写道：“于平滩北端寻得石器时代之陶片少许。盖证古人足迹之普遍，此为穿沙漠唯一之成绩，梢可慰怀”。
近年，在当地文物普查基础上，本研究团队又进行了全覆盖式区域系统调查，业已发现考古遗存150余处（包括保存比较完整的细石器加工遗址3处）。出土石器包括石磨盘、石磨棒等石制农具，但无标型器—耒耜的发现，石核、石镞、石片等则进一步体现了狩猎、畜养业为主要生业方式。地表散布的陶片主要有红陶、夹砂红陶、夹砂红褐陶、粗砂灰陶等，出土的标型器包括陶双耳罐、四耳彩陶罐、三足陶鬲等。器物表面打磨光滑，普遍施红衣、紫红衣，绘黑彩弧线、直线、三角纹、网格纹等几何纹饰，线条流畅、宽大，并有口沿饰内彩者。根据器物类型特征和14C测年结果，主要是新石器中晚期至青铜时代的马家窑文化、四坝文化等，未见具有齐家文化特征的双大耳罐、高领折肩罐等。距今3000年左右，具“游团”生业特性的人类活动逐渐从沙漠退出，并造成先秦、汉唐文化缺失现象（沙井文化可能是其族群迁出沙漠后的活动遗迹），西夏（元）及以后复又出现人类活动。
广泛分布的史前（人类使用文字之前的时代）文化遗存，显示人群由域外不断向巴丹吉林沙漠逐步转移，且古人的活动空间远超过现今牧民居住点的分布范围。由此使人产生无限的遐想，巴丹吉林一定有过一次伟大的游牧文化阶段，我们不妨称之为巴丹吉林的“黄金时代”。人类近水生息是干旱半干旱地区的普遍现象，在巴丹吉林沙漠史前人群分布即具有逐湖岸而居的特点，无不分布在湖泊的高阶地或相对平缓之处。巴丹吉林沙漠史前人类活动的兴衰与迁移，对于探讨游团扩散及行为适应、沙漠湖泊群变迁具有重要的学术价值。
9. 手形岩画的社会内涵及其时代
岩画是人类借助某种工具和颜料，雕刻或者绘制在不可移动的岩石上的图画或者符号。它是史前某些没有文字的部落或族群的主要交流形式，主要表达了史前或者特定范围内人们的生产、生活、思想以及艺术。中国岩画的密集区主要分布在400mm等降水线以西以北，占全国岩画总量的2/3。与贺兰山以东草原岩画以拟人形为主的特点明显不同，主要分布于曼德拉山和雅布赖山的巴丹吉林岩画，多群猎、围猎、放牧、骑者、动物与家畜、狩猎活动图画，亦即畜群以耐旱的骆驼、山羊为主，沙漠特点突出。巴丹吉林岩画生动地记录了远古及中古阿拉善地区的经济文化，社会生活的形态、自然环境风貌，其题材之广泛、内容之丰富，堪称中国西北古代艺术的画廊。中国著名岩画研究专家盖山林曾赞赏巴丹吉林岩画为“美术世界的活化石”。在今天极端干燥的巴丹吉林沙漠，为什么会出现如此丰富多彩的古代艺术品呢？我们认为，要解开这个谜就必须立足于考察阿拉善沙漠全新世气候和水资源的变异。
手形岩画曾在世界的许多地方有所发现，而且延续过漫长的历史时代。早期的手形岩画，在法国、西班牙、澳大利亚等原始洞窟中都发现过，而且多为旧石器时代晚期的作品，并认为它的产生年代比最古老的动物画还要早。近十年在巴丹吉林沙漠东南缘的雅布赖山洞窟中，先后发现手形岩画洞窟6处。这一发现不仅为我国手形岩画和史前文化艺术研究提供了可贵的实物资料，而且对游牧文明起源的研究也具有重要意义。前苏联考古学家诺夫格罗多娃在《蒙古的古代艺术》一书指出：“考古学者们在考证大型岩画的年代时认为，最古老的岩画是用赭石刻绘的壁龛中的岩画”。见于雅布赖山洞窟中的手形岩画，正是用暗棕红色的赭石（赤铁矿）、石墨及添加少量无定型碳的黑色颜料，并且可能是在石膏层上使用这些颜料制作的。雅布赖手形岩画的表现形式和特征，与国外手形岩画比较，既具有某些相同的世界性特征（如大多数是左手），也具有地域性差异。诸如洞窟较浅，岩画有手指不分开的双手叠合手形，伴有几何符号而无大型动物等。凡此均说明，不能将雅布赖山手形岩画与法国比利牛斯山区加加斯洞窟中的手形岩画简单类比，从而得出两者可能在时代上是相近的结论。表现群体性的手形岩画，显示了远古人类对手的重视和崇拜，是群体亲和、生殖崇拜的心理表现或原始宗教，反映了游牧的生存模式。关于手形岩画的断代和解读，可谓是国内外史前考古学世界级的科学难题。但我们有理由相信，根据手形岩画与巴丹吉林沙漠史前考古遗存的共存关系，以及洞窟古人遗留下来的骨块14C测年，通过考古综合比较的方法当可对雅布赖山手形岩画得出较为科学的初始年代。
10. 何处是居延与为何沙漠化
“居延城外猎天骄，白草连山野火烧”是盛唐边塞诗人王维《出塞作》一诗的首联，另一首《使至塞上》则更为著名：“单车欲问边，属国过居延。征蓬出汉塞，归雁入胡天。大漠孤烟直，长河落日圆。萧关逢候骑，都护在燕然”。诗中描写的“空碛”、“大漠”，无疑是当时居延地理景观的真实描述。此时的“居延”主要泛指弱水（今额济纳河）下游地区，原是匈奴居延部所居住的地方，在汉代被称作居延地区。公元前102年西汉王朝为了保障河西走廊的畅通，在弱水三角洲的中下部设立了居延都尉，建立了长城、烽燧等一系列军事设施，同时从内地移民万余人来此屯田，开凿了纵横交织的灌溉网络，绿洲农业得以发展。“居延县”是汉武帝驱逐匈奴后在河西所设的边县之一，属张掖郡。其地理位置与历史上许多重大政治、军事活动具有紧密的联系，是20世纪五大考古发现之一的“居延汉简”出土地（已出土汉简30000余枚，占我国出土汉简总数的70%），一直为国内外考古学家、历史地理学家所关注和寻觅。然而，“居延城”的確切位置，自1927年中国西北科学考查团调查额济纳河（弱水）流域诸遗址以来，始终没有定论。1930年中国西北科学考查团发现居延汉简之初，瑞典考古学家贝格曼（Folke Bergman, 1902～1946）曾推测K710城（遺址100）为“居延地区的行政中心”，从而开启了学界关于“居延城”地望的不断讨论。从已有的讨论来看，主要有K710说、K688说、黑城说（K799）和绿城说，四座城址与古居延泽的相对位置都合乎传世文献记载。从居延出土的新旧汉简来看，居延城中有许多“里”，居延县也应当在居延城中。今后如欲确定“居延城”的确切地望，应基于传世文献与简牍材料（关键的几座城址尚无简牍出土）的互证，并分析遗址与地理环境的空间关系。
位处巴丹吉林沙漠西北缘的古弱水下游冲积扇，原是生态环境良好的绿洲，被后人称作居延绿洲。在居延垦区，留下许多古代遗迹，著名的居延城、黑水城（又作黑城，蒙语作哈刺浩特）、马圈城、绿城，都在居延垦区范围内，于历史地理研究具有重要价值。居延绿洲分布在额济纳河东支（纳林河）东岸的古三角洲上，明中叶以前曾数度开发、盛极一时，而且还分布有烟波浩渺的“居延泽”。古居延泽位处黑河（弱水）下游，是弱水积聚而成的终端湖。黑河尾闾的居延海（包括古居延泽、索果诺尔和嘎顺诺尔），历史上最大面积曾达数千平方公里之大。现在，弱水下游河道和古居延泽均已干涸，昔日灿烂辉煌的居延垦区，如今却是满目沙漠、戈壁，成为风沙之源。古代重镇居延城、黑水城、绿城，均深陷沙漠之中，城墙多被流沙掩埋。如此巨大的环境变化向人们提出了诸多问题，需要通过研究两千来黑河流域的人类活动和自然环境及其变迁，才能对此做出科学的说明。
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