在地理和文化上，两河流域可大致以今天的巴格达-萨迈拉为界分为南北两部分，北部高地的丘陵地带被称为亚述，南部平坦的冲积低地被称为巴比伦尼亚。巴比伦尼亚又可以圣城尼普尔为界，再分为南北两部分，尼普尔以北地区被称为阿卡德，尼普尔以南毗邻波斯湾的湖池沼泽地被称为苏美尔，这些不同地区的名称来源于各地曾经兴起的文明。
大体上两河流域的文明呈现自南向北发展的趋势，两河流域南部的巴比伦尼亚是两河文明的发源地，而巴比伦尼亚南部的苏美尔则是巴比伦尼亚最早出现文明的地区。但在新石器时代两河流域的文化进程却是颠倒过来，由北向南发展，这是因为两河流域地区的降水量从北向南递减，从北部的年平均 500 毫米，到南部逐渐降为不足 100 毫米，温度则从北向南升高，巴格达七八月平均气温才 34℃，而最南部波斯湾第一大港口巴士拉最高纪录温度达 58.8℃（1921年7月8日），被称为世界的热极。比炎热更可怕的是不可预知的洪水，每年春季两河上游山脉的积雪融化入河，造成河水泛滥，水量随上游山区雨雪量的多少而变化。两河流域北部地势较高，河水泛滥只能淹及沿岸地带，而两河流域下游的南部低地因洪水滞积成为沼泽地带，因两河相距较近，泛滥的时间常有交错，若遇雨量较大而两河又同时发生洪水，下游的南部低地便会成为一片汪洋。这片烈日蒸晒、干旱贫瘠、洪旱交织的荒原，资源稀缺，缺乏金属、石料、木材，其土壤又干又硬，一年中多达 8 个月不适合农作物生长。正因如此，在新石器时代早期，南部巴比伦平原地区人烟稀少，只居住着一些渔民，而两河流域北部雨水丰沛的丘陵地带则成为早期的农业中心。
两河流域东北部的耶莫遗址是早期重要的农业遗址，其年代约为公元前7000—前5800年，耶莫遗址的居民已懂得生产彩陶，并懂得运用加热美索不达米亚盛产的天然沥青提炼出石油作为燃料，并使用沥青为器物添加颜色，用作物品黏合、镶嵌、塑型材料，这是人类最早利用沥青的记录，沥青也是人类最早运用的石油产品。
到约公元前 6000 年，底格里斯河上游的两岸出现哈苏纳文化。哈苏纳村民用泥块建成房屋，遗址中发现有精美玉髓珠串以及已知世界上最早的印章。印章的出现说明社会开始出现私有化现象，印章被盖在房门、陶罐、包裹等器物的封泥上，如果打开，印泥就损坏无法恢复，可以防止保管员或送货员擅动，以作信验，成为当时最重要的信物。哈苏纳文化最重要的成就是掌握了农业生产中防洪排涝和蓄水调节灌溉的技术，他们挖掘了许多水渠，与天然水塘、河流相接，用于引水浇灌离河流较远的农田，灌溉农业的出现成为两河文明诞生的关键。
哈苏纳文化
到约公元前 5500 年，在哈苏纳文化附近的萨迈拉地区出现萨迈拉文化，萨迈拉文化时期出现了有围墙和壕沟的大型聚落，在纺织业上已经开始普遍使用陶纺轮，在农业方面发现有使用牛耕的痕迹，灌溉农业也得到进一步发展。萨迈拉人是最早大规模发展防洪灌溉的民族，也正是这项技术解决了美索不达米亚南部冲积平原洪灾肆虐、雨水稀少等问题，让该地区低地平川、便于灌溉的优势逐渐显现出来，于是两河流域南部原本渺无人烟的巴比伦地区开始出现了人口迅速增长的居民点，美索不达米亚的农业村落也开始逐渐南迁。
在美索不达米亚南部冲积平原的早期农业文化被称为欧贝德文化，该文化因最早发现于伊拉克最南端波斯湾海岸的欧贝德遗址而得名。欧贝德遗址最早是一个渔村，两河下游地区河网密布，渔业发达，由于两河南部缺乏木料，居民大都住在简陋芦苇棚内，并用芦苇造船，在外面涂上一层天然沥青防水。到约公元前5500年，欧贝德文化的居民学习北方萨迈拉文化的防洪灌溉技术在大河边挖掘沟渠，修建堤坝，通过防洪排涝、蓄水灌溉等方法，成功将南方沼泽洼地变为良田，完成了从渔民到农民的转变。除种植大麦、小麦外，椰枣（俗称“伊拉克蜜枣”）也是这里重要的种植物，椰枣树耐旱、耐碱、耐热，是热带和亚热带干旱地区的理想种植物，是中东地区人们的主食之一，被称为“沙漠面包”，直到现在，伊拉克的椰枣产量与出口量仍长期占据世界第一。
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