沙區年均溫6.0~8.5℃,1月均溫-9.5~12℃,7月均溫22~24℃,年降水量250~440毫米,集中於7~9月,占全年降水60~75%,尤以8月為多。降水年際變率大,多雨年為少雨年2~4倍,常發生旱災和澇災,且旱多於澇。夏季常降暴雨,又多雹災,最大日降水量可達100~200毫米。沙地東部年降水量達400~440毫米,屬淡栗鈣土乾草原地帶,流沙和巴拉(半固定和固定沙丘)廣泛分布,西北部降水量為250~300毫米,屬棕鈣土半荒漠地帶。
毛烏素沙區處於幾個自然地帶的交接地段,植被和土壤反映出過渡性特點。除向西北過渡為棕鈣土半荒漠地帶外,向西南到鹽池一帶過渡為灰鈣土半荒漠地帶,向東南過渡為黃土高原暖溫帶灰褐土森林草原地帶。
沙區土地利用類型較複雜,不同利用方式常交錯分布在一起。農林牧用地的交錯分布自東南向西北呈明顯地域差異,東南部自然條件較優越,人為破壞嚴重,流沙比重大;西北部除有流沙分布外,還有成片的半固定、固定沙地分布。東部和南部地區農田高度集中於河谷階地和灘地,向西北則農地減少,草場分布增多。現有農、牧、林用地利用不充分,經營粗放。
全區流沙面積達1.38萬平方公里,中華人民共和國建立後,在陝北進行固沙工作,引水拉沙,發展灌溉,植樹造林,改良土壤,改造沙漠,成效顯著。通過各種改造措施,毛烏素沙區東南部面貌已發生變化。
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