由於塔里木河流經世界第二大沙漠——塔克拉瑪干沙漠北緣，沿河氣候極端乾旱，塔里木胡楊林保護區及整個塔里木河流平原的年降水量不足50毫米，分別是北京及上海年降水量的7％和4％。因此，所有自然生態系統都依賴於河水，無論是地下水的補充還是農業灌溉。灌溉若用地下水，成本要高得多。塔河是農業及天然植被的水源與生命線，被當地人稱為「母親河」。而且，「塔里木」一詞的土耳其語詞根意為「耕種」，這更體現了它對世代生活在塔克拉瑪干沙漠的人們的重要性。
塔里木河近80％的河水來自於天山的阿克蘇河。和田河只有在汛期才能到達塔里木河，併為之輸入近20％的河水。葉爾羌河則是在洪水異常高漲的時候才能匯入塔里木河，貢獻的水量不到1％。
在山區，河流由冰川和積雪融水及降雨補給。天山的降雪，降雨都相當豐富，從西面來的氣流以及從北邊西伯利亞來的氣流還是能帶來一些溼氣。空氣沿著天山的坡面爬升並冷卻，從而形成雲層並最終形成降雪和降雨。一旦氣流越過天山到達塔里木盆地，那裡極端乾旱的氣候就會使空氣中的溼氣蕩然無存。因此，來自山區的水是以河流的形式到達塔里木盆地的，同時從河流中滲入地下，維持天然植被的生存，或是被抽上來灌溉。
春季，天山較低海拔處的積雪開始融化，雪水流入阿克蘇和塔里木河。夏季，冰川融化，同時降雨量也達到最大，大量水流入阿克蘇
及塔里木河。塔里木河年流量的75％都集中在7—9月，這3個月同時也是塔里木河一年一度的夏季汛期。
在夏季汛期，水平面升高至3—4米，塔里木河支流及沿岸凹地都溢滿了水。
地下水同樣依靠夏季洪水來補充，然而，在汛期內地下水的入滲只能達到100米的寬度。因此，河床及支流的水越充盈，河水與地下水層的接觸面積就越大，地下水補充得也就越多。
一般來說，每條河床都能維持寬1公里，深度超過5米的地下水帶，這樣對大多數天然植物來說就足夠了。在500米的寬度範圍內，地下水位在汛期升高，並在來年春季下降，出了這個範圍，地下水位就出現下降，再往外延伸就脫離河流影響了。
夏未及秋季，洪水消退之後，塔里木河及其支流沿岸的土地很潮溼，為種子發芽提供了條件。而且，洪水還把所有的鹽分都沖洗掉了。秋季氣候不再那麼炎熱，蒸發也降低了。即使是在沙漠地區，直到冬季土壤還能保持潮溼。被夏季洪水充溢了的某些凹地依然能保持週期性湖泊的形態。
到了12月，塔里木河。支流以及週期性湖泊都封凍了，土壤中的水分也已經凍結。因此，來年春季河床及週期性湖泊裡仍然有水可用，被洪水浸泡過的土壤仍然是潮溼的。5月氣溫上升，週期性湖泊就消失了，土壤也變得極端乾旱。
植物的生長期從4月就開始了，但直到7月才會有水補充進來，所以天然植被利用的是地下水。這裡的地下水起到了水庫的作用，一部分洪水被儲存在地下直到來年春季和初夏，這對植物來說是極其需要的。因此，天然植被很好地適應了塔里木河流域的環境條件。
春季和夏初也是當地主要的作物——棉花和蜜瓜最需水的季節，為了克服夏季洪水到來之前的缺水期，塔里木河沿岸修建了水庫。
塔里木河沿岸的農民都要靠這條河供水，在河床乾涸的時節，許多農民只好挖井抽取地下水，結果出現了與天然植被爭水的局面。水井和水泵抽上來的地下水很容易就超過了塔里木河的補給量，這就造成了地下水水位下降。
氣候變化使得冰川融化加速，目前的結果是夏季水量增加但最終冰川將越來越小，來自冰川的融水也將越來越少。塔里木河將來的水位很可能會下降，因此，塔里木胡楊林保護區應成為一個示範區，在越來越缺水的情況下研究如何在保護、生態系統可持續利用及其他形式的土地利用之間分配用水。
（本章完）