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土库曼斯坦是中亚五国中地势最为平坦的国家，国土面积的五分之四是沙漠，其余为山脉和山麓，平均海拔为100～200米。国家地形整体上呈东南—西北走向，由东南向西北方向倾斜。沙漠与绿洲相间，是这个中亚内陆国度最典型的地形地貌特色。
高地和中高山地：国土南部是一片狭长的高地和中高山地，其东端耸立着全境最高山脉库吉唐套山脉（为吉萨尔山脉的支脉），最高峰为阿伊雷巴巴峰，海拔3 139米。库吉唐套山脉西面，是帕鲁帕米苏斯山脉（位于阿富汗境内）北麓嵌入土库曼斯坦境内形成的巴特赫兹高地（海拔1 267米）和卡拉比尔高地（海拔984米），两者被穆尔加布河分开。再向西是土库曼斯坦境内最大的山脉科佩特山。大巴尔汗山（海拔1 881米）和小巴尔汗山（海拔777米）沿西北走向展布在国土西部，并与科佩特山脉西北方向上的终段相邻。
平原：科佩特山前平原呈东西走向，并从山脚开始向北延伸到卡拉库姆沙漠，其西南与滨里海低地平原连接。在滨里海低地平原内分布有涅比特达格、库姆达格、蒙朱克雷等高地，并有很多泥火山。克拉斯诺沃高原（海拔308米）展布在国土西部，乌斯蒂尔特高原（南端）延伸到土库曼斯坦西北部，乌斯蒂尔特高原以南分布的是后乌兹博伊褶皱区。
沙漠：土库曼斯坦80％的国土被卡拉库姆大沙漠覆盖。在科佩特山前平原的东北部、北部分布着中卡拉库姆沙漠（地势低）和外温古兹—卡拉库姆沙漠，东南卡拉库姆沙漠横卧在阿姆河与捷詹河之间。整个卡拉库姆沙漠内，分布有沙丘、沙垅、沙脊、盐碱地。外温古兹—卡拉库姆沙漠中的阿赫恰卡亚洼地为土库曼斯坦境内最低点。
广袤的沙漠为土库曼斯坦提供了无尽财富。在沙漠腹地，有一个巨大的火坑，它已经燃烧了40多年，被当地人形象地称为“地狱之门”。看着火坑内熊熊燃烧的大火，不禁使人联想起科幻电影中外星飞船入侵时的恐怖场景。
“地狱之门”位于卡拉库姆沙漠德维泽村（Derweze），距离首都阿什哈巴德大约260千米，村里一共有约350名居民。其发出的金黄色火光在几千米外都能看得见。“地狱之门”充分展示出土库曼斯坦沙漠之下丰富的天然气资源。1971年，苏联地质学家在当地勘探时钻入一个存在大量天然气的大型地下洞穴。由于钻探设备下方的土壤塌陷，形成了一个宽70米的巨坑。地质学家担心这个巨坑会向外释放有毒气体，于是决定实施“火攻”。原以为会在几天内燃烧殆尽的天然气，却连续烧到现在也丝毫未见停歇的迹象。土库曼斯坦总统库尔班古力·别尔德穆哈梅多夫曾经到此视察并下令灭掉大火，填埋巨坑，但该计划一直未能付诸实施。
绿洲：土库曼斯坦的绿洲，镶嵌在沙漠的边缘，独具特色。绿洲孕育着农耕和游牧的生机，是土库曼人繁衍生息的地方。土库曼斯坦全国绿洲覆盖率仅占国土总面积的7％左右，却集中了全国全部的人口。著名的绿洲有穆尔加布绿洲、捷詹绿洲、阿哈尔绿洲、马雷绿洲等。
土库曼人不断通过自身努力改变不利自然条件，努力将荒漠变为绿洲，在沙漠边缘营造适宜人居住的家园。沿卡拉库姆沙漠东缘的阿姆河沿岸，是土库曼斯坦最主要的灌溉农业区。横贯全境的卡拉库姆大运河，源源不断地将阿姆河河水运输到阿什哈巴德等地。这条长1 480千米的运河，是世界上最大的灌溉和通航运河之一，保障了土库曼斯坦重要工业城市如阿什哈巴德、马雷、土库曼巴希等的用水和大约100万公顷农田的灌溉用水
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土库曼斯坦位于亚欧大陆腹地，远离海洋，沙漠辽阔，为典型的温带大陆性气候，是世界上最干旱的地区之一。夏季炎热漫长，冬季寒冷少雪，春秋季节较短。
土库曼斯坦年降水稀少，一般在300 mm以下，里海附近和西北面沙漠为75～100mm，东南山区为240mm。由于国土主要位于图兰低地南部，来自印度洋和太平洋的暖湿气流受到阻隔，海洋水汽很难到达，水成为土库曼斯坦宝贵的财富。在这个国家，水比油贵是很容易被理解的。
充足的阳光为土库曼斯坦提供了丰富的光热资源。这里阳光辐射强烈，日照时间长，地表每平方厘米每年获得的热量达160大卡，全年平均气温为14～16 ℃。在炎热的夏季，土库曼斯坦各地普遍气温高于35 ℃，在东南卡拉库姆的列佩捷克，最高气温纪录为50 ℃，而沙漠中的沙子温度可达80 ℃。到了冬季，来自西伯利亚的寒流毫无遮挡地南下，直抵土库曼斯坦南部，给整个国家带来寒意。全国的最低气温可以达到-32.8 ℃。土库曼斯坦的冬季时间短，全年无霜期有220～270天。
春天是土库曼斯坦最好的季节，一般始于2月底3月初，北部地区始于3月底，科佩特山区始于4月初。大陆性气候的特点是春天气温回升较快，但天气状况并不稳定，常常伴有倒春寒，也易发生短暂降雪。5月下旬，气温快速升高，降雨量急剧减少，草木开始落色，但科佩特北麓山腰部草地的绿色一直会持续到7月。
夏季酷暑是土库曼斯坦气候中最突出的特点，可以用火热形容，温度常常超过40 ℃，最高气温甚至高达50 ℃。土库曼斯坦的夏季炎热少雨，部分地方甚至不会降雨，只有在里海沿岸、科佩特山和巴尔汗山区才有降雨，这些地方温度略低一些。到8月底，夜间温度才会下降，但是白天温度很高的天气会一直持续到9月中旬。9月底，大部分地区白天温度在25～30 ℃，山区夜间会出现霜冻。到10月份，天气会发生巨大变化，开始降雨，白天气温可以降到10 ℃以下，山区会降雪。
土库曼斯坦的冬季非常寒冷，只有北极冷空气不能到达的西南地区会有温暖天气。冬天，随着北极寒流来袭，北方气温可以下降到-30 ℃，南方则下降到-20 ℃。寒流具有持续性特点，给当地农牧业生产带来了一定影响。
土库曼斯坦地势平坦，境内山脉不多，主要有库吉唐套山、巴特赫兹高地和卡拉比尔高地、科佩特山脉、大巴尔汗山和小巴尔汗山等。
库吉唐套山位于帕米尔高原的外阿莱山脉东南部，大部分坐落在乌兹别克斯坦南部，小部分坐落在土库曼斯坦东部阿姆河右岸。库吉唐套山脉拥有很多深度超过700米的峡谷，山脉东坡地势陡峭，西坡分布有土库曼斯坦国家自然保护区大量农用地和工业采矿场等。
库吉唐套山从阿姆河河谷开始，一直延伸到谢拉巴特河峡谷，长约100千米，阿伊雷巴巴峰为土库曼斯坦境内山脉最高峰，海拔3 139米，山体为沉积岩，地层以石灰岩和膏岩为主，喀斯特岩溶地貌发育，山中发现有生活在1.5亿年前的高原恐龙的足印化石。
库吉唐套山山前地带为半荒漠，山脚以上为亚热带山地草原，生长着旱生灌木、阿月浑子树和稀疏的土库曼杜松等。
库吉唐套山脉地下溶洞发育，景观瑰丽，有“地下花园”“天然花园”“地下天然博物馆”的美称。著名的土库曼斯坦卡尔尤克洞穴群就位于其中。
库吉唐套山矿产资源丰富，品种繁多，是土库曼斯坦重要的采矿基地。这里盛产钾肥、盐岩、石膏、天青石、重晶石、大理石及各种有色金属矿和建材等，其中重要的矿产是自然硫。
巴特赫兹高地和卡拉比尔高地是帕鲁帕米苏斯山脉（位于阿富汗境内）支脉延入土库曼斯坦境内的终端部分，穆尔加布河将其划分成两部分。穆尔加布河以西、捷詹河以东部分为巴特赫兹高地，穆尔加布河以东、阿姆河以西部分为卡拉比尔高地。巴特赫兹和卡拉比尔高地从南向北地势逐渐降低，最后嵌入卡拉库姆沙漠。
巴特赫兹高地地形呈山丘状，山丘中央有一些潜火山洼地和低矮长岗隆起。最大洼地是叶罗伊兰杜兹洼地，其深度超过400米，底部蕴含储量巨大的食盐，洼地内有涸湖以及古火山残积物。
卡拉比尔高地比巴特赫兹高地要低一些，海拔980米，地形呈山丘状，依稀可见河床和古溪谷的残迹。这些河床和古溪谷的残迹从卡拉比尔高地中心开始向北和向南分布，在北坡溪谷比较浅，但在南坡比较深、陡峭，个别呈峡谷状。
巴特赫兹和卡拉比尔高地为致密的沙石、沙壤土等，地理景观上跟草原相似。这里有一望无际的茂密草地，春天来临时，青草遍布，适宜牧放。土库曼斯坦在此设有自然保护区。
科佩特山脉为土库曼—伊朗呼罗珊褶皱造山带的一部分，大部分在伊朗境内，仅北部的一小部分支脉在土库曼斯坦境内。山脉大致呈东南—西北走向，长约650千米，东南段宽仅40千米、中段宽80～95千米、西北段宽达200千米，脉系间呈平行分布。山脉海拔3 117米。山脉中的各山脊、山梁之间呈平行展布，且被河流与峡谷纵横切割，喀斯特地貌发育，地下矿泉、温泉发育，盛产汞、砷、重晶石等矿产。
科佩特褶皱山脉春季降雨量大，东北部山麓与阿哈尔捷金绿洲、阿捷克绿洲相连。海拔300～600米高的山坡为荒漠、半荒漠，生长着稀少的蒿属植物和多年生植物；海拔100～1 500米为山地草原、灌木和荆棘丛生的林地；海拔2 000米以上为高山草甸。西部山谷地带为湿地，生长着大量的核桃、石榴、无花果、杏仁、枸杞、梨、山楂、山葡萄等亚热带野生果树和灌木。山区可见动物有箭头蛇、蝮蛇、仓鼠、红鼠兔、山猫、野生山羊、野猪、金钱豹、黑秃鹫等。土库曼斯坦在科佩特山区设有自然保护区。
巴尔汗山脉坐落在土库曼斯坦西部，位于克拉斯诺沃高原和西科佩特山脉之间，分为大巴尔汗和小巴尔汗两支山脉，它们彼此相对独立。地质构造上两支山脉均位于新生代特提斯褶皱带。有一种地质成因观点认为它们是科佩特山脉的延续部分。
大巴尔汗山脉长约70千米，宽约20千米，乌兹博伊古河道将其与小巴尔汗山脉、科佩特西端余脉分割开来，域内最高峰为阿尔兰峰，海拔1 880米。山体是一个北坡陡峭、南坡平坦的背斜。山体的西端嵌入里海平原以下。山坡几乎完全裸露，南坡被峡谷切割。海拔800米以下基本上为荒漠地貌，800米以上为半荒漠、山地草原地貌，生长着旱生植物和稀疏的杜松。峡谷中的阴凉地带生长着灌木。山中局部地段被平整为耕地。大巴尔汗山脉附近还发现了很多油田。
小巴尔汗山脉坐落在大巴尔汗山脉与科佩特西端余脉之间，为低山隆起，长约30千米，海拔777米。山体岩石主要为石灰岩。山麓地带岩性为泥灰岩、石膏、黏土，因受强烈剥蚀和地下水侵蚀，呈岩溶地貌。山坡为生长着蒿属和猪毛菜属植物的荒漠。
在山系、高地与沙漠、绿洲之间，是土库曼斯坦赖以生存的水源。土库曼斯坦是整个中亚水资源最为匮乏的国家，水是国家最宝贵的财富，不但具有经济意义，更具有战略意义。
土库曼斯坦气候干燥，降水蒸发快，地表径流微乎其微。国土西部和中部没有河流，几条规模不大的河流分布在东部和南部边缘地带，其在夏季变浅或干枯。所有河流都没有流向大洋，河水除了用于灌溉外，或消失于荒漠，或注入内陆湖泊。土库曼斯坦的河流主要有阿姆河、捷詹河、穆尔加布河、阿特列克河以及卡拉库姆大运河等。
阿姆河是土库曼斯坦境内最大、最重要的河流，同时也是中亚最长的河流，因河水泥沙含量大，经常发生河床淤积、河道变更等现象，所以又被流域内居民称为“疯狂的河流”。
阿姆河起源于帕米尔高原南部兴都库什山北坡、海拔4 900米的山岳冰川，向西流入帕米尔河。其始为喷赤河，再曲折西流，汇合瓦赫什河后称阿姆河，向西北注入咸海。
阿姆河流经塔吉克斯坦、阿富汗、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦4个国家，在土库曼斯坦境内有1 000千米，有3个州的农田灌溉用水来自该河。阿姆河流域南北宽96千米，东西长1 400千米，河谷宽从数十米到三四千米，局部地区河床宽达2 000米，河水补给主要是高山冰雪融水和上游山区冬春降雨。每年有春夏两次汛期。阿姆河上游支流较多，主要有苏尔哈勃河、卡菲尔尼河、苏尔汉河和舍拉巴德河等，流入平原后，下游没有任何支流。阿姆河上很多地方兴建有水电站。
阿姆河是土库曼斯坦的生命之河。土库曼斯坦90％～95％的土地靠阿姆河河水灌溉，卡拉库姆大运河、布哈拉运河、卡尔希运河等均从阿姆河抽调河水，用于农业灌溉和城市用水。土库曼斯坦在阿姆河流域还兴建有诸多水渠和水库。从土库曼纳巴特市到阿姆河河口有450千米河段可以通航，是土库曼斯坦重要的内河水运航道。
捷詹河是土库曼斯坦第三大河流，发源于阿富汗兴都库什山脉中部、海拔3 000米的巴巴山；自源头由东向西流动，流经赫拉特谷地折向北流，成为阿富汗与伊朗的界河，此后继续北流，成为伊朗和土库曼斯坦的界河，在土库曼斯坦境内流经捷詹绿洲，最终在卡拉库姆沙漠中干涸消失。
捷詹河在土库曼斯坦境内长度约300千米，平均流量31立方米每秒，流域面积约7.1万平方千米。捷詹河水全靠雨水和阿富汗境内的融水补给，全年有半年以上干涸无水，在土库曼斯坦境内支流较少，水量匮乏。
捷詹河对伊朗和土库曼斯坦有着重要意义。土库曼斯坦境内的捷詹河上建有捷詹水库和霍尔水库。2004年，在土伊边界捷詹河上兴建了“土库曼斯坦—伊朗友谊大坝”，所蓄水供土伊两国使用。
穆尔加布河是土库曼斯坦第二大河流，发源于阿富汗西北部、海拔2 600米的白山，流域面积6万平方千米，全长978千米，在土库曼斯坦境内长350千米，流经穆尔加布市，在马雷附近与卡拉库姆运河交汇，最后在卡拉库姆沙漠中干涸消失。
在土库曼斯坦境内，穆尔加布河的支流有库什卡河和卡尚河。卡尚河即便在春天水量也很小，很难给穆尔加布河提供补给。每年七八月库什卡河还没有流到穆尔加布河就干涸了。穆尔加布河主要靠融水和降雨补给，因此每年只有春季汛期水量较多，夏季河水则干涸。为了储存汛期的水量，100年前人们就在穆尔加布河上建造了很多水库。
穆尔加布河是土库曼斯坦南部饮水和灌溉用水的重要来源之一。
阿特列克河发源于伊朗东北部科佩特山脉中海拔2 000米高的山区，向西流经伊朗后进入土库曼斯坦，最后注入里海（汛期时），全长669千米，在土库曼斯坦境内长约140千米，流域面积为2.7万平方千米。河水水流湍急，流量不大，含沙量大，主要用于灌溉。河水主要靠地下水和雨水补给。阿特拉克河大多地方河岸陡立、河床较深，每年有春汛，汛期水量较大。
阿特列克河有很多支流，最大的支流是松巴尔河。阿特列克河是世界上最浑浊的河流，其浑浊度是阿姆河的6倍，中游河水中含沙量高达22千克/立方米。
作为天然水系的补充，土库曼斯坦还通过人工开凿运河的方式为国家经济社会生活提供所需的水源，其中最著名的就是卡拉库姆大运河。
卡拉库姆大运河横贯土库曼斯坦全境，是世界上最大的灌溉及通航运河之一。整个运河东起阿姆河，西至里海，全长1 400千米，最大河水深度为7.5米，最宽处为150米，最窄处为30米。源头为阿塔穆拉特东南的博萨加镇，河口位于里海地区巴尔坎纳巴特附近。
卡拉库姆大运河主要用于农业灌溉，土库曼斯坦100多万公顷的耕地和牧场使用卡拉库姆大运河河水灌溉，同时卡拉库姆大运河也保证了土库曼斯坦重要工业城市如阿什哈巴德、马雷等的用水。卡拉库姆大运河使得土库曼斯坦东西之间有了便捷的航道，并给沿岸的生态带来了很大的变化。
此外，在土库曼斯坦境内也有一些湖泊，但数量不多，且绝大部分湖泊是咸水湖，淡水湖很少。湖泊主要分布在里海近岸、河漫滩地带古河道和绿洲边缘地带，一些喀斯特成因的地下湖分布在科佩特山中。绝大部分湖泊规模不大，其面积从数百平方米到数千平方千米。
受地形与气候条件影响，土库曼斯坦是沙尘暴频繁活动影响区，沙尘暴主要集中在阿姆河沿岸和靠近里海与咸海的平原荒漠地带。增长的人口、人类的生产经营活动、全球大气循环的变化、水源地人类活动的增加等，都可能造成原本处于沙漠腹地的土库曼斯坦自然地理和气候的改变。