В условиях глобальных изменений и цели «двойного углерода» анализ пространственно-временной неоднородности и механизмов, определяющих запасы углерода в системе горы-оазис-пустыня засушливых районов, имеет важное значение для достижения регионального «углеродного баланса». В данном исследовании северный склон Тяньшань выбран в качестве района исследования. На основе модели InVEST рассчитаны запасы углерода за 1990—2020 годы, с использованием анализа градиента горной котловины и двувариантной пространственной автокорреляции систематически выявлены закономерности пространственно-временной эволюции, а с помощью географического детектора с оптимальными параметрами исследованы движущие факторы. Результаты показали: 1) во времени запасы углерода сначала уменьшаются, затем увеличиваются, с общего прироста 4,06×107 тонн за 2000—2020 гг., что связано в основном с превращением неиспользуемых земель в пахотные и пастбищные; в пространстве запасы уменьшаются полосами вдоль градиента горной котловины. 2) Запасы углерода значимо положительно связаны с градиентом горной котловины, средняя плотность углерода на землю с увеличением градиента имеет модель «стабильность — резкий рост», что отражает динамическое равновесие между человеческой деятельностью и природными ограничениями при изменении рельефа. 3) Механизмы движущих факторов демонстрируют пространственную неоднородность. Низкий градиент преимущественно определяется антропогенными факторами, средний градиент — взаимодействием человека и среды, высокий градиент — природным контролем; временно происходил переход от социально-экономического доминирования к усилению интенсивности использования земли, затем к двукомпонентному сотрудничеству социально-экономических факторов и ночного освещения, что отражает тенденцию регионального развития к пространственно-тонкому управлению. Данное исследование углубляет понимание теории взаимодействия человека и среды в системе горы-оазис-пустыня засушливых районов и может служить научной основой для пространственного планирования территории и повышения возможностей углеродных поглотителей.