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秦、西汉时，开始在北方边地的军事占领区实行移民屯田开荒，即“守边备塞”的边地经济策略。西汉时在河套等黄河中游匈、羌等部的塞外占领之地，先后设置西河、上郡、北地、安定、陇西、天水六郡领县，云中、定襄、五原、朔方四郡领县，通过迁徙内地大量贫民屯田西北边地，来巩固军事占领的成果。如元朔二年（前年）卫青收复河南地（今内蒙古河套一带）后，政府置朔方、五原郡，募民十万口开发这里水草肥美的土地；元狩四年（前年），匈奴主力遭卫青、霍去病重击，远遁北方，漠南无王廷，为汉政府徙民屯田创造了有利条件，而据《汉书武帝纪》载此次徙往陇西、北地、西河、上郡等地的贫民达七十二万之多。

元鼎六年（前年），羌人势力被逐岀湼水流域后，汉置张掖、敦煌郡，又在“上郡、朔方、西河、河西开田官，斥塞卒六十万戍田之，昭帝始元六年（前81年），从天水、陇西、张掖三郡析置金城郡，由于都是新辟疆土，因此该郡居民几乎全是内地移民。宣帝时，赵充国伐羌，在湼水两岸临羌至浩亶（今青海湼源东南至甘肃永登西南）一带实行大规模军屯，取得较好的经济效益。

平帝元始四年（4年），王莽执政，招诱羌人纳土，在涅水以西、青海湖周边地区置西海郡。为增加西海人口，王莽又把它作为罪人迁徙的主要地点。据《汉书王莽传》载，“增法五十条，犯者徙之西海，徙者以千万数”，始建国二年（10年），又规定“禁民不得挟弩铠，徙西海”。但在莽败后，羌人即将郡地夺回，内地移民复返。

太初三年（前年）光禄勋徐自为奉命出五原塞，筑城障列亭至卢胸，强弩都尉路博德筑居延塞。居延汉简的出土表明这一带在很长一段时间内一直在实行高效、管理有方的屯田。西汉后期，为保持内地与西域的政治经济联系，政府在轮台、渠犁、伊循等地实行屯田。边郡的军事和屯田设施在新莽时遭到严重破坏，直到建武二十一年（45年）后，才“建立三营，屯田殖谷，驰刑谪徒以充实之”。凉州作为通往西域的重要关卡及军需供应的需要，此地屯田至东汉末时仍持续进行。

总之，汉代西北地区的屯田规模宏大，徙民众多，在政府专置的行政机构管理下，大片草原和森林被垦为农田。新垦的处女地由于“地肥饶”产量高，屯区经济发展较快，新占领的“河南地”号称“新秦中”。河西走廊及西域等地绿洲农业的开垦也富有成效，为汉政府经营西域提供了有力的支持。广漠的森林与草地变成了阡陌相连，宅舍相望的农业社会景象。屯田的成功使得屯区一直随着军事的胜利延续到“北益广田，至眩雷为塞”的荒远边地，眩雷在西河郡的西北边，约在今伊克昭盟杭锦旗的东部，农牧界线一直北推到了阴山脚下，当时的垦区与今天此处农牧过渡地带的景观相比显然已扩展到了自然生态环境条件所容许的极限。

虽然西汉时在黄土高原上开垦的农田在初始时期效益较好，但这种直接发育在黄土母质上直接耕种熟化而成的黄绵土耕层较浅，土壤发育常处于幼年状态，有机质含量低，其自身肥力较低，在耕作一段时间后肥效会逐渐降低。严重的是，该地的褐土及黄土质地粉细疏松，耕层薄，生态环境极其脆弱，开垦后若没有保水增肥的措施，在内陆干燥的气候作用下，会引发严重的水土流失及土壤沙化，农田废弃，生态环境恶化。

尤其是汉代的屯田在不少地方是随着军事活动的进退而反复。如湼水流域在赵充国、王莽及东汉时，屯田几经反复，这种较浅的土壤耕作层，其上的天然植被被破坏后，极难恢复，暴露的沙土层经风化后形成沙化土地。《水经河水注》载五世纪时鄂尔多斯高原西部“道多深沙”，南部已出现了“沙丘”、“沙陵”和“沙溪”，说明鄂尔多斯高原经过秦汉时代的过度开发，已经出现了沙漠化的迹象，破环的生态环境已无法逆转气黄河中游是黄河来水量的主要部分，而此处黄土高原的农业开发改变了大片原始的林、草地面貌，丧失了原有固土保水的功能，在夏季降水集中的气候条件下，随着黄河上中游地区林草资源的大片消失，水土流失加剧，泥沙大量淤积，使得黄河主道在西汉后期已出现“高于平地”的悬河现象，从而造成中下游地区频繁的水患。

西北地区水土流失造成的持续环境恶化促使一些已经开发起来的农田废弃，人口内徙。西汉时，由于屯区基本上是在驱逐匈、羌之后进行的农田开发，因此河西四郡、金城、朔方、五原等郡基本由移民组成，北地、西河、上郡移民也在总人口一半以上。西汉西北地区的移民有数量可考的就达八十二万之余，据估计，到原始二年（2年），内地移民及其后裔至少有一百五十万。由于因水土流失、土壤肥力下降及风蚀、沙化等造成的土壤退化严重，使得原来的牧区可能已不再适宜农耕的发展，对牧区进行过分的耕作开发超出了该地生态环境所能承受的限度，迫使许多农业人口退出屯区。西汉时移民的方向多是西北，初垦的土地因肥效高使屯区经济的发展卓有成效，但两汉之际移民西北的趋势开始出现了反向的变化。两汉之际，西北屯区部分移民内返的现象除军事、政治的因素外，与农作环境的恶化不无关系。《汉书·王莽传中》云:“边民流入内郡，为人奴婢，乃禁吏民敢挟边民者弃市。”边民甘愿内流，甚至不惜“为人奴婢”，可见西北边地生态环境已开始恶化，一些地方已不宜于农耕生产活动。

《后汉书光武帝纪下》：建武二十六年（50年），“发遣边民在中国者，布还诸县。”《后汉书明帝纪》载永平五年（62年），“发遣边人在内郡者”。当时虽有“边人不得内移"的规定，但移民内返的现象时有发生。李贤在注光武“发遣边民，布还诸县”之事时引《东观记》曰：“时城郭丘墟，扫地更为，上悔前徙之。”反映出政府上层对边地生存条件转变而在决策失误上产生的矛盾心理，“前徙之”之事可能是指建武十年（34年）“省定襄郡，徙其民于西河”；建武十五年“徙雁门、代郡、上谷三郡民，置常（山）关、居庸关以东。”建武二十五年“省五原郡，徙其吏人置河东”诸事，但事实上边民后来的流向仍以中原地区为主。

而民间大规模自发的流民亦不断，据《后汉书庞参传》载，永平五年（58年），“西州流民扰动”。永初元年（年），“司隶、并、冀州民人流移"（《续汉书-五行志一》）。《后汉书-刘陶传》云：灵帝中平年间，河东、冯翊、京兆“三郡之民皆以奔亡，南出武关，北徙壶谷，冰解风散，唯恐在后，今其存者尚十三四。”《晋书地理志》亦云：“灵帝末，羌胡大扰，定襄、云中、五原、朔方、上郡等五郡并流徙分散。”显然，外族的寇扰、土壤的退化使他们逐渐失去了农业生产的环境和基础，生存条件的恶化迫使边民大量内迁。

同时，西北边地农业人口的大规模撤退也为牧业的恢复及生态环境的改善带来了机遇。两汉之际，中原内乱，西北缘边诸郡暂时被放弃，匈、羌等部复还故地，边郡汉人大量内迁，东汉时虽恢复了边郡的建制，但西汉时代边郡屯区的旧貌却再也没有恢复过来。尤为重要的事，随着边地匈、羌、胡、休屠、乌桓等部落的不断内附，游牧民族又重新占据了缘边诸郡，东汉时不仅没有移民边塞，反于东汉初建武年间恢复边郡之际发遣原有边民归于本土，牧业经济又占据了主导地位。从黄河中游及河套诸郡户口在顺帝永和五年（年）的情况来看，当时在边区十郡范围内汉人已经变成了少数族，因为十郡的总口数不过32万，而这一带正是总数在百万左右的羌胡等族的主要分布区。与西汉的编户相比，各郡人口都减少了好几倍，甚至20倍。由于内附的匈、羌等胡族“毋赋税”，因此沿边杂居的游牧民族极可能不在汉政府的编户籍册上，边郡人口的锐减显示农耕人口的退出和游牧民族的进入。

人口减少最突出的正是与黄河下游河道安危关系最为密切的西河、上郡、北地、安定等郡。因此农牧界线的南移使得土地利用转向以牧为主，逐渐改善了黄河中游的生态环境，使黄河下游的洪水量及泥沙量大为减少。黄河中游地区土地利用方式的改变可能是东汉明帝十二年（69年）王景治河之后，黄河保持几百年安澜期的一个重要的环境因素。