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研究区域时空范围的界定主要是根据区域自然地理特征的一致性和人类活动的特征时段来划分的。生态环境脆弱区是指环境要素发生变化，极易对人类居住条件、生活方式和对自然资源的利用产生较大影响的区域，它本身的变化既是全球变化的一部分，又受全球变化的直接影响。特别是在全球变化的背景下，它比其他地区更为敏感，甚至具有“预警”意义，通常被认为是开展全球环境变化研究的关键区域。天山北麓地区位于我国西北中温带干旱区，属于典型的生态环境脆弱区，为环境演变敏感地带，可以称之为开展人类活动与地球环境相互作用过程研究的典型区域。
人类的土地利用方式反映了人与自然之间的关系，也深刻影响了人类活动与自然环境变化之间的相互关系。与游牧活动方式相比，农业的出现和农业区的扩大是人类对自然环境作用加强的表现。在18世纪中期以前，新疆天山以北地区长期以来一直为游牧区，游牧是主要的土地利用方式，只在极少地方有粗放的农业耕种。但是，在乾隆二十四年（1759），清朝将新疆纳入版图之后，天山北麓的游牧民族大都向更西、更北部的地区退缩，清政府开始在天山北麓地区驻兵、屯田以达到巩固其政权的目的，从而使得农业土地利用方式取代游牧方式，农业绿洲迅速扩大，地理环境面貌为之一变。
自此之后，天山北麓地区进入农业土地利用为主的时期，人类活动与环境变化之间的相互关系和相互作用机制都发生了根本性的变化。因此本书以18世纪作为研究的时间起点，探讨土地利用方式如何由游牧转变为农业、农业土地开发如何在区域范围内逐步展开及其对区域环境变化产生影响的过程和机制。1949年以后，天山北麓的土地开发进入了一个新的阶段，其规模、程度、影响的深度等都远远超过前一时期，属于人类活动与环境变化之间相互关系的新时段。因此，本书研究的核心时段截至1949年，但是并不局限于这一时间点，在深入分析研究主题时，经常突破这一时间界限进行深入的对比分析。
历史地理学研究中，区域空间范围的界定既要考虑自然地理特征的整体性，又要考虑人类活动影响的相似性和一致性。
清代中期以前，北疆地区大多为游牧区。18世纪中期，清统一新疆以后，着重推行农业开发，天山北麓地区出现了大片的农业区，随着土地利用方式的转变，这里的自然面貌发生了巨大的改变。从18世纪中期至1949年，天山北麓农业开发的重点区域范围是清代设置州县制的地区，即本书界定的东起伊吾西至沙湾的天山北麓中东部地区，东西长约900千米，在行政区划上相当于今天的伊吾县、巴里坤县、木垒县、奇台县、吉木萨尔县、阜康市、乌鲁木齐市、昌吉市、呼图壁县、玛纳斯县、石河子市和沙湾县，地域面积总计15.9万平方千米。在18世纪至1949年间这一区域范围具有明显的区域整体性和发展的连续性。