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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，占中國面積7%左右[1]。其海拔在1000至2000米之間，包括山西省和寧夏回族自治區全境、陝西省中部和北部、甘肅省中部和東部、青海省東北部以及內蒙古自治區的河套平原和鄂爾多斯高原等地區[2]，是中國水土流失最嚴重的地區。
黃土高原廣布黃土，厚達50至80米，隴東、陝北厚達150米，最厚的地方達200米。由於人為開墾土地，採伐森林和過度放牧導致高原的植被遭到嚴重的破壞，加劇黃土的土質疏鬆，水土流失與草原退化極為嚴重，形成「千溝萬壑」的黃土地貌。
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[3]。
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，往往一次暴雨量就占全年雨量的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℃，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（黃河幹流除外），河流受汛期影響較嚴重，洪峰急漲急落，汛期水量占全年水量的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厘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。[4]
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。[4]
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持生命能力的極限」。[4]
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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[5]。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[6]。
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%[1]。
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濕能力降低，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。
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