为解决水稻种植过程中化肥、除草剂的不合理施用造成的肥药利用率低、农业面源污染严重等问题,本文创新提出了一种“缓释肥料一次性集中减量深施+机械化除草”肥药减施模式（以下简称“SFDM模式”）,并开展了 SFDM模式的使用效果与适用性研究。针对现有施肥除草装备作业效果差的问题,研究设计了独立风机气力排肥系统与仿形交错楔形耙齿轮式机械除草装置,研制了精准对行作业控制系统,开发了水稻对行施肥除草机,并进行了四年期定位试验,构建了土壤环境质量评价体系。本文开展的主要工作与取得的成果如下:（1）开展了不同除草方式控草效果、不同肥药施用模式对水稻产量与品质影响的研究,测算并分析了种植经济效益,探究了 SFDM模式在条播水稻生产中的适用性,表明其对稳定水稻产量、提高稻米品质及控制成本方面有一定优势。（2）研制了独立风机气力排肥系统,利用FLUENT仿真,以气流流速与气流分布均匀性为目标优化了支管路倾斜角度θf和支管路距主管路底部高度h,优化后的θf为30°、h为20mm。设计了仿形交错楔形耙齿轮式机械除草装置,开展了基于ADAMS-EDEM耦合的机械-土壤互作效果仿真,并优化了楔形齿齿面夹角θa为130°,并通过实际除草效果试验验证了耙齿交错排列结构除草轮除草效果要显著优于不交错排列结构。（3）提出了一种基于纯追踪-串级PID控制的路径跟踪控制方法,采用纯追踪控制理论构建农机在预瞄点处的总航向偏差的状态量方程,通过设置串级PID控制回路提高了对期望转角跟踪控制的稳定性,路径跟踪试验结果表明:该方法对不同水田环境均具备较好的适应性和鲁棒性,在3 km/h、4 km/h和5 km/h作业速度下的横向偏差变化范围均在±4 cm以内,标准差均小于1.5 cm,机具作业速度越低,控制精度越高。（4）提出了一种适用于条播水稻的秧苗行中心线提取方法,通过基于平均灰度统计的感兴趣区域提取方法降低了秧苗行图像分割难度,采用基于面积阈值与“先闭后开”的图像滤波方法有效消除了秧苗行间噪声,提高了后续秧苗行边缘检测精度,并通过对秧苗行边缘特征点的筛选提高了秧苗行中心线拟合精度。提取精度试验结果表明:该方法在各除草作业时期均表现出良好的秧苗行提取精度,平均误差均小于1.7 cm。在分析相机成像原理的基础上,采用张氏标定法进行了相机标定,明确了纠偏控制参数的获取方案。基于平面四杆机构原理设计了对行纠偏执行装置,采用PID算法和液压伺服控制技术完成了对行纠偏控制系统构建。（5）研制了水稻对行施肥除草机,并进行了田间试验。施肥性能试验结果表明:在10 r/min～30 r/min电机转速范围内,各行排肥量一致性变异系数均小于3%;当目标施肥量分别为150kg/hm2、250kg/hm2和350kg/hm2时,施肥量偏差均小于5%;试验过程未出现肥料断条区域,且施肥侧向距离合格率和施肥深度合格率均符合标准要求。除草性能试验结果表明:在不同除草作业时期,不同作业速度下（3km/h、4km/h和5 km/h）,机具除草率均大于80%,伤苗率均小于4%。（6）构建了田块尺度下基于多方法融合的土壤环境质量评价体系,确定了包括土壤容重、有机质、pH、全氮、微生物量碳和二氯喹啉酸在内的6项土壤环境质量评价指标。提出了基于因子分析的模糊综合评价法和基于Ward法的层次聚类分析法融合的土壤环境质量评价方案。并通过四年期定位试验对比研究SFDM模式与常规肥药施用模式下各田块的土壤环境质量,结果表明:相较于常规肥药施用模式,SFDM模式可通过提高土壤物理、化学及生物性指标和减少农药残留来提升土壤环境质量。