（1）地质地貌

自然保护区位于伊犁盆地中央拗陷带北缘，地处天山支脉阿拉斯山山前荒漠草原边缘，为山前倾斜平原向山地的过渡带。保护区内总体地势为北高南低，北靠察汗乌逊山和别珍套山，东、南、西三面为丘陵、平原地貌，地形由北向南倾斜，海拔高度656～1045米。保护区主要包括丘陵、平原和低阶地河滩3种地貌类型。

（2）水文

自然保护区及周边河流水系主要有：萨尔布拉克水系、果子沟水系。泉水沟主要有解放泉、西大泉、卡拉麻扎泉水、卡桑布拉克泉等。自然保护区内有麻杆沟水库Ⅰ库、麻杆沟水库Ⅱ库、倒须沟水库、卡桑布拉克水库四座小型水库。自然保护区地下水大部分储存在扇缘地带至低阶地河漫滩。地下水深3～80米，地下水补给主要靠河流、水田及降水入渗形成，埋深约1～20米，多为微硬水，水质较好。

（3）土壤

土壤类型主要有灰钙土、盐土、潮土、风沙土、沼泽土等。其中灰钙土是自然保护区最主要分布的土壤，广泛发育于覆盖有黄土状母质的山前倾斜平原、伊犁河高阶地和低山带黄土丘陵的中下部，土壤速效氮含量低，速效磷含量极缺，土壤中氮、磷肥含量比例失调。

（4）气候

自然保护区属大陆性温带气候。具有光照丰富，冬夏冷热悬殊，春温不稳，秋季降温快，温度日变化大，干燥少雨等典型的大陆性气候特点。同时，降水的垂直带分布明显，山区降水量相对平原区较大；冬季积雪丰厚，冻土较深，大风日数较多。年平均气温在8.2～9.4°C，极端最高气温为40.1℃，极端最低气温为—42.6℃。无霜期平均为165天，年均降水量140～460毫米，年均蒸发量1400～1900毫米。一般积雪深度20毫米左右，年均积雪日数84～107天，年均大风日数22～34天。