轮台的屯田虽然受阻，但罗布泊地区的屯田却很顺利。汉昭帝虽然只派了司马一人率吏士四十人，却起到了稳定伊循的作用。据《水经注》记载，原驻敦煌的索励就率千余名士卒到鄯善国的伊循城屯田，因为这里具有扩大屯田的物质基础，所以他又从鄯善、焉耆、龟兹等地调集三千多名士兵，在塔里木河尾闾挖沟通渠，并进行了规模巨大的横断注滨河的工程，“河断之日，水奋势激，波陵冒堤。大战三日，水乃回减，灌浸沃衍，故胡人称神，大田三年，积粟百万”。注滨是古代若羌河和米兰河的交汇处，数千人的大军共修水利，引水灌溉，其声势之浩大，是前所未有的。他们使用内地先进水利技术和工具，在伊循建设了完整的灌溉渠系主渠和七条大型支渠，总长三十七公里，还有斗渠、农渠、毛渠，交织纵横，密布于灌区之间。这是罗布泊地区大规模、高水平的一项划时代水利灌溉工程。仅伊循一地，受益此水就造田近两万亩。
到汉宣帝时，轮台、渠犁屯田又有恢复，田卒达1500人之多，城堡之旁，田畴阡陌，畦垅毗连，直达河岸。灌区渠系整齐完善，分布均匀，渠道长达一百多公里。
公元前60年汉统一西域，将西域都护府设在乌垒，就是为了依仗塔里木河中游屯田中心轮台和渠犁。这以后，又在塔里木河下游罗布泊地区建立居卢仓，通渠转谷，屯田积粮，这无论在军事上和丝绸之路的交通上，都具有重大意义。
东汉时西域出现“三通”、“三绝”局面，使蓬勃兴起的农田水利建设又一次受阻。但由于班超力挽狂澜，取得了塔里木河流域的军事上的胜利，开渠屯田又通。当时班超已能统领康居、莎车、疏勒、于阗、抒弥等国，并已攻克姑墨，他见到莎车、疏勒一带“田地肥广，草牧饶衍”，比敦煌、鄯善还富庶，就上疏汉朝力主经营西域。他预见到在这一带屯田积谷，是西域图强进取的基地，因此大力推进农田水利的发展。甚至将管理屯田积谷的“司禾府”建在了位于鄯善国西境的精绝。汉朝政府赏识班超的雄才大略，于是任命他为西域都护，驻守龟兹。又任命徐干为西域长史，驻守疏勒。塔里木河流域的经营开发，掀开了历史的新篇章。随着屯田种植、水利工程的兴起，中原农耕文化全方位地进入西域诸国，中华文明之风熏染着塔里木河流域的每一个城郭、每一片绿洲。
这时的塔里木河流域，“皆种五谷”，以种植麦（大麦、小麦）、黍（黄米）、稻、稷（谷子）、菽（豆类）为主，还种植棉花，农业经济类型与中原基本相同。果类蔬菜如桃、杏、梨、瓜、葡萄、核桃、石榴以及青蔓、葫芦、蕃茄、韭菜、葱蒜等，种植非常普遍。除了农业和园艺业，由于沿河水草丰盛，所以畜牧业也很发达。这～方面是屯田活动的收获，同时又为大规模屯田提供了有利的条件。与此同时，西域的冶铁业、手工艺加工、纺织印染业随之发展起来，中原先进技术在西域诸国普遍应用，内地汉族人的礼仪风尚、生活习俗，也在塔里木河流域浸润和盛行。
东汉灭亡后，数百年烽烟不断，魏、蜀、吴三足鼎立，群雄逐鹿中原。公元220年，统一了北方的曹魏政权在海头（今罗布泊附近）设西域长史，在高昌（今吐鲁番）设戊己校尉。同时设西域校尉、宜禾都尉协同工作，承袭了汉在西域的统治。魏晋时期罗布泊地区的屯田仍有继续，业管理和水利灌溉更加有序。为了防止塔里木河泛滥，屯田区筑了‘堤坝，一次筑堤人数就达五百人，而且还在“增兵”，可见工程已有相当的规模。
晋代时还在塔里木河流域的龟兹，罗布泊附近的鄯善、楼兰、精绝等地推行一种新式牛耕技术，可能是二牛架双轭犁，驭手扶犁驱牛耕作，即所谓“二牛抬杠”耕作法。使用的犁是头上宽大呈三角形的铁铧，这种铁犁形状和牛耕方式，与中原非常类似。当地民族还使用宽刃锄即新疆流行的“坎土镘”，可耕田也可兴修水利，是一种适应当地需要的先进生产工具，在农田水利建设中发挥很大作用。
然而西晋时期（公元四世纪初叶），罗布泊地区发生了一起灾难性变化。塔里木河突然改道，转向南流，河水注入台特马湖，中断了罗布泊的水流。楼兰很快出现水草枯萎、社会衰落的景象。进而丝绸之路在楼兰的通道绝迹，随之楼兰在西晋政权覆灭之际，也神秘地从历史舞台的前沿消失了。
到了北朝时期，塔里木河流域的农田水利建设又有发展。据《宋云行记》载，且末城居民因“土地无雨，决水种麦”，决水种麦就是开渠灌溉，可能引用的是车尔臣河的水。还记载叶城一带“人民山居，五谷甚丰，食则面麦”，这是因为叶尔羌河水系，为人们提供了良好的水利灌溉条件。《水经注·河水传》记载了塔里木河流域的河流水系，还记载了水利灌溉情况，如说敦甍之水（今开都河）“其水又西出沙山铁关谷，又西南流经连城别注，裂以为田”。库尔勒一带分水开渠，引河灌溉，与轮台、渠犁屯田连成一片，进一步发展了塔里木河流域的农田水利事业。
《魏书·西域传》还记载于阗“土地宜种桑麻”。疏勒（今喀什）“土多稻、粟、麻、麦”。这都是引水灌溉的成果。特别是水稻的种植，需要大量的水，水利工程不配套或水量不充沛，在沙漠干旱地区种水稻是很难想像的。当时水稻种植遍及于阗、疏勒、姑墨（今阿克苏地区）及罗布泊的～些地方，这说明一方面是汉军屯田带来了水稻和水稻种植技术，另一方面也说明塔里木河流域农业水利建设已达到相当发达的程度。稻的原产地在我国南方，在殷墟卜辞中已使用“稻”字。但稻子的实物却发现于公元前6000年河姆渡遗址。或许稻子正是由西域传人中原，而西域由于长期处于游牧状态，不事耕作，所以于汉晋时期又由中原回传了稻子和稻子的耕作技术。塔里木河就是这样往而又返，乐此不疲地传播着文明的种子。
菽是豆类的总称，其中大豆、黄豆、绿豆等来自中原；中亚地区也产豆类，张骞出使西域就带回了中亚的豌豆。塔里木河流域则于中原、中亚的豆类兼而有之，充实了自己的物产，也丰富了自身的农业文化。
粟又称黄米、小米，还有高粱，都应是中原传来的品种。西域种植桑树，是中原丝绸西传，引进蚕种后开始的。西域许多国家种桑养蚕，织出的“西域锦”、“龟兹锦”不仅在塔里木河流域很出名，而且还远销到中原一些地方。
棉花、葡萄、苜蓿，是由西域传往中原的品种。棉花原产于南亚次大陆，塔里木河流域诸国至迟在东汉年间已掌握了棉花种植技术，并用棉花织成棉布。此后的东汉末年，中原也引进了棉花品种，但普遍纺织棉布，就晚于魏晋时期了。葡萄的种植和葡萄酒的生产，在西域可谓历史悠久了。早在公元前二世纪中叶，大宛就盛产葡萄和葡萄酒，“宛左右以葡萄为酒，富人藏酒至万余石，久者数十岁不败”。龟兹接受了中亚的葡萄栽培技术，大量种植葡萄，当时龟兹富人之家存葡萄酒者亦达数万斛。鄯善、楼兰、精绝等塔里木河下游诸国也种植葡萄，大量酿造葡萄酒。为此这些国家还专设酒局，负责征收酒税，葡萄酒还可以代替税款，交纳其他税收。葡萄种植传到了中原就晚了，大约在隋唐时期才引进葡萄种植和葡萄酒酿造技术。
苜蓿是古代西域游牧民族的重要发明。据《史记》记载，公元前二世纪中亚诸国已掌握了种植苜蓿的技术。塔里木河流域各地引种苜蓿后，为高度发达的畜牧业提供了充足的饲料。后来汉武帝知道苜蓿对养殖优良军马能发挥重大作用，就将苜蓿引进中原，还带头将苜蓿种植于离宫之旁。
这里要特别提到西域的造纸业。造纸术是中国古代的伟大发明创造。早在西汉时中原就开始制作纸张了，到东汉时蔡伦首倡用树皮、鱼网废料造纸，大大降低了纸张成本，从而把纸张的使用普及到民间。随着东西方贸易的扩大，丝绸之路的繁荣，中原造纸术传到了塔里木河流域各国，龟兹、楼兰、精绝、于阗等国，早于晋代就使用麻、树皮制作的纸张，抄写典籍经卷。后来，这种技术渐渐传人西方各国，使整个人类都共享了中华民族的文明成果。
最有活力的文明是交汇对流的文明。
最伟大的文化必然是博采众长、兼收并蓄、融合创造的文化。
塔里木河水系正是东西方文明交汇对流的载体。它承载着商业贸易穿梭往返的轻舟，也承载着历史文明El益沉重的负荷。
塔里木河流域的片片绿洲，就是吸吮南来北往、西去东返的文明营养而变得特别肥沃富庶的土地；而那散布于沙漠戈壁的一个个小小的城郭之国，却担当起国际都会的历史重任，因而得到一份格外珍重的殊荣。这些历史角色，都因塔里木河而分配停当。
