本文将国际研究热点与黄土地区水土养分严重流失相结合,将纳米碳的特殊性质应用于改善黄土坡地土壤结构,以达到治理水土养分流失的目的。本文通过室内分析试验、野外人工模拟降雨试验和模型模拟分析三者结合的研究手段,对纳米碳作用于黄土地区坡地水土养分流失调控机理进行了研究,并确定了描述纳米碳作用下坡面水分、养分传递的数学模型及参数确定方法,主要研究成果如下:（1）纳米碳可有效改善土壤孔隙结构分布及土壤水势能变化过程。纳米碳的施加能够有效减少0.01⁰.05mm³区间的土壤孔隙,增加大孔隙（>0.05mm³）在孔隙结构中的占比。另外,土壤表层以下布设纳米碳混合层在入渗过程中具有明显减渗作用,且施加量对于水分下渗的抑制程度呈正相关关系。施加纳米碳改变了土壤含水率和土壤吸力之间的关系,提高了整体土壤水吸力,且纳米碳施加量越多,土壤水吸力越大,土体对水分的吸持能力越强;（2）黄土区坡面土壤中施加纳米碳,对坡面降雨初始产流时间的影响显著,且坡面累计产流产沙量随着纳米碳施加量的增加而降低,具有明显的减流减沙效果。径流平均水深随着纳米碳施加量的增加而增大,而雷诺数和弗劳德数随着纳米碳施加量的增加而逐渐减小。平均水流功率与含沙量之间的分析得出,产流初期,坡面的产沙率随着纳米碳施加量的增加而降低;通过剖面含水量对比分析,纳米碳混合层的布设,增加了土壤深层剖面的含水量,提高了土壤对降雨的容纳、快速渗入能力;通过Hydrus-3D模型模拟坡地土壤剖面水分运动过程,模拟效果良好,纳米碳混合层内土壤的水力参数与纳米碳存在显著关系,进气吸力α^-1、形状系数n和饱和导水率K_s与纳米碳施加量呈线性关系,随着纳米碳施加量的增加而增大;施加纳米碳的土壤中各项水力参数均发生了中等变异,在土壤水分运动过程中纳米碳对土壤水分性质的影响要大于土壤结构的影响;（3）径流和泥沙硝态氮累计流失量与纳米碳的施加量总体上呈负相关关系。降雨后剖面硝态氮分布呈现单峰状,纳米碳可促进土壤硝态氮向深层迁移。基于幂函数的等效混合深度模型对硝态氮径流流失过程拟合效果最好,其中,混合层深度与纳米碳施加比例呈幂函数关系,随着纳米碳施加量的增加,混合层深度h_m、h_m?和H₀均呈现降低趋势,土壤参与径流养分流失的深度减小。