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  高原由西北向東南傾斜,海拔多在1,250至2,000米之間。除許多石質山地外,大部分為厚層黃土覆蓋。經流水長期強烈侵蝕,逐漸形成千溝萬壑、地形支離破碎的特殊自然景觀。 高原上主要山脈有太行山脈、呂梁山和六盤山等,這些高脈把黃土高原分成三部分:山西高原、陝甘黃土高原、隴西高原。

  黃土高原的地區屬溫帶季風氣候區的邊緣,大陸性和季風不穩定性更加突出,全年總雨量少,65%的雨水集中在夏季,降水的強度大,往往一次暴雨量就佔全年雨量的30%,甚至更多,是造成黃土高原水土流失的原因之一。高原日照充足,高原從西北向東南,年均溫度在8至14°C,無霜期為120至200天,屬暖溫帶。  黃土高原的水系是以黃河為骨幹,發源於黃土高原的河流約有200條(參看小流域),較大的河流有渭河、汾河、洮河、祖厲河、清水河 、北洛河、黃甫川、窟野河、無定河等,那裡的河流水量不豐,年徑流量只有185億立方米(黃河干流除外),河流受汛期影響較嚴重,洪峰急漲急落,汛期水量佔全年水量的7%以上,高原淺層地下水貧乏,大部分地區地下水的埋藏很深,多在60～70米以下。

  

  黃土是最適合農耕文明誕生和延續的土壤。黃土質地細膩、顆粒細小、結構疏鬆,原始人類用簡單的木質、骨質或石質工具就可以輕鬆翻開黃土,進行耕種,這就是黃土的易耕性。與黃土易耕性形成鮮明對比的是中國南方大部分地區覆蓋的紅土,因為氣溫高、雨量大,土層的淋溶非常嚴重,紅土中大量的鐵元素被淋溶下去,在距離地面20-30釐米左右的地方形成一個富含鐵結核的澱積層,這一層非常堅硬,在沒有鐵質工具前,人類對其基本無計可施。所以農業的起源,只能發生在黃土這類易耕的土層之上。  只有土層足夠深厚,才能讓誕生於其上的農耕活動持續進行下去。如果土層太薄,在耕種了幾季之後,就觸到淋基岩層,那隨後肯定無法再進行農耕活動了。中國東北地區的黑土以肥沃著稱,它的土層厚度卻只有1米左右,當現代人克服了氣候寒冷的不利影響,在東北發展農業時,仍然時刻要擔心黑土厚度不斷減薄的土壤侵蝕問題。在黃土高原上,土層厚度卻根本不成問題。研究表明,黃土高原上,黃土一般厚度堆積厚度在80-120米,最大厚度超過400米。  黃土還有一個至關重要的特性,即“自肥性”。20世紀初,美國地質學家龐波里(Raphael Pumpelly)在考察過中國的黃土後,曾發出這樣的感慨:“它(黃土)的肥力似乎是無窮無竭!”一方面由於黃土堆積深厚,它具有垂直的紋理,灌溉後有利於下層的養分、水分被毛細作用帶到地表。另一個重要原因是,季風對黃土的搬運和堆積一直都沒有停止,每年都有新的黃土落在地面上,就好像它一直在進行“自我加肥”,所以不用擔心土壤中養分元素耗盡而無法繼續耕種的問題。“在中國遼闊的黃土帶,幾千年來農作物幾乎不靠人工施肥就可以年復一年地種植。正是在這類土壤之上,稠密的人口往往繼續不斷地生長到它強大支援生命能力的極限”。

  歷史上,黃土高原曾經擁有較多植被和森林,直到清朝時期,仍記載有大片森林存在。然而,由於氣候變化和土地開墾等人為破壞,植被已經大面積消失,成為生態環境十分脆弱的地區。近年來,政府在黃土高原開展退耕還林等政策,減少人類活動對植被的破壞,以恢復脆弱的生態環境。  由於水土流失嚴重,熟化土壤不斷流失,土壤偏鹼性,腐殖質和氮素養分貧乏,土地貧脊,植物很難生長。加上長期戰亂和濫砍濫伐以及對土地的不合理利用,高原上植被稀少,森林覆蓋率低,東南部的植被條件好一些,西北部多為乾草原和荒漠草原。根據中國政府的統計數字,1977年,黃土高原的森林覆蓋率僅為11%;2014年,森林覆蓋率增加至19.6%。

  黃土高原水土流失嚴重的面積約27萬平方公里,有11萬平方公里特嚴重面積。大部分地區的侵蝕模數在4000噸/平方公里,最嚴重的地區達3.57萬噸/平方公里。水土流失使黃土高原喪失熟化土層,使當地土層的蓄水保溼能力降低,喪失耕種能力。水土流失還導致河道淤塞,水庫淤積、渠道不暢等後果,治理困難。
黃土高原的範圍在中國北方太行山以西,烏鞘嶺以東,秦嶺以北,長城以南,面積約有65萬平方公里,佔中國面積7%左右。其海拔在1000至2000米之間,高原包括陝西省、山西省、寧夏回族自治區大部地區和甘肅省、內蒙古自治區部分地區,是中國水土流失最嚴重的地區。