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从公元265年至317年西晋统治时代结束后，在中原就分裂为汉、匈奴、鲜卑、羯、氐、羌各族封建主割据的五胡十六国时代。在这一百多年中，与河西及西域地区有关的是前凉、后凉、前秦、后秦、南凉、西凉、北凉；而后秦的疆域虽及于乐都、武威一带，但与西域关系较少，所以只是五凉和前秦的几个封建王国的疆域及于西域，并且都积极经营了西域。他们不仅在曹魏和西晋时对已设郡县的哈密地区相沿未变外，更在吐鲁番盆地设立高昌郡，置太守以统治。
  到了前凉张骏时，不仅统治着已设郡县的高昌、伊吾、罗布泊地区，也同样统治着广大西域地区。《晋书·张骏传》称：“自轨据凉州，属天下之乱，所在征伐，军无宁岁，至骏境内渐平。又使其将杨宣率名众越流沙伐龟兹、鄯善，于是西域并降，鄯善王元孟献女，号曰美人，立宾遐观以处之。焉耆、前部、于阗王并遣使贡方物，得玉玺于河，其文曰，执万国，建无极。”又说：“西域诸国献汗血马、火浣布、犁牛、孔雀、巨象及诸异二百余品。”
  上述所说杨宣平定龟兹，实际是指的龟兹、焉耆，因为这时龟兹已为焉耆龙家王族所兼并，焉耆王龙会自任龟兹王后被龟兹人所杀，焉耆王则为龙熙担任。当杨宣派部将张桓为前锋，进至焉耆境时，焉耆王龙熙迎战。《晋书·四夷传》焉耆国称：“熙拒战于贲仑城，为植所败，植进屯铁门，未至十余里，熙又率众先要之于遮留谷..植单骑尝之，果有伏。植驰击败之，进驻伊犁，熙率群下四万人肉袒降于宣。”可见此时龙会已被杀，否则他绝不会坐视儿子“肉袒降于宣”。由是西域各国都进贡于前凉。
  前凉为了统治西域，特设沙州刺史以总领西域军政事务。《魏书·张骏传》称：“骏字公庭，自称使持节大将军护羌校尉凉州牧西平公..分..敦煌、晋昌、高昌、西域都护、戊己校尉，玉门大护军三郡三营为沙州，以西胡校尉杨宣为刺史。”由此可见，这时所设的西域都护（实职为西域长史）受沙州刺史节制。据王国维《流沙坠简》序中说：“戊己校尉屯高昌，玉门大护军屯玉门，而西域长史则屯海头，以成鼎足之势”，并在尼雅北古城地方所得木简有西域长史营写鸿胪书语，更可证明西域长史的命令当时通行于塔里木盆地。所称三营机构当然是以武职为主，并表明仍然承袭着两汉统治方式，保持各属国一定程度的自主。前凉对西域主要是在统一号令之下，负责西域各属国的军事外交，以确保各族人民生产、生活的社会安宁。
  公元345年，前凉统治者张骏病逝，其子张重华继位，在他统治期间（346356年），西域仍和前凉保持着密切关系，龟兹仍“遣使贡方物于张重华”。唯自此以后，前凉内讧迭起，君主频繁易位，张耀灵、张祚、张云靓、张天锡，尸位素餐，一个不如一个，终于为前秦所并灭。