氮素作为运动细胞不可缺少的生长因子,对作物增产具有特殊重要意义。不同生育时期作物对氮素营养需求有所不同,适当的减少基肥、种肥施用量,合理地追施氮肥对粮食作物产量和品质形成起着十分积极的作用。变量施肥技术作为实施肥料合理按需投入的重要措施,可有效改善氮肥效应,增强作物生产活力,保证粮食生产安全。目前我国变量施肥技术研究主要集中在基于处方信息的小幅宽条播式施肥机械的设计与开发,而对基于作物实时生长信息的在线控制施肥变量技术以及能够保证高效追肥的离心撒肥装备关键技术少有研究。因此,自主研制适用于我国南方水稻种植模式的变量撒肥装备,在规模化经营和机械化水平发达的粮食主产区推广示范应用,具有十分重要的社会意义。本文以南方稻麦轮作区水稻作物为研究对象,针对水稻生产农机农艺高度融合作业需求,基于大田面域作物光谱信息实时获取、在线融合技术,研制适用于规模化现代农业种植区的离心圆盘式水稻变量撒肥机,开发相耦合的智能化变量调控系统和交互软件,开展系统的性能测试和田间试验。主要研究内容与结论如下:（1）研制了基于光谱传感技术的双圆盘离心式水稻变量撒肥机。设计了信息采集装置、肥量调节装置和肥料撒施装置,通过GreenSeeker光谱传感器实时采集作物生长信息,步进电动机驱动排肥结构调节排肥开度,匀肥罩式锥形离心双圆盘反向旋转高速撒肥,实现根据作物光谱信息的实时变量追肥。（2）设计了撒肥机智能变量控制系统。搭建了以STM32F103核心控制器为下位机的硬件系统平台,配置相关的功能模块完成作业信息的实时获取、在线反馈和快速处理;构建了以WLT102A8嵌入式组态型工控机为上位机的控制终端,运用C语言在Keil开发环境中编译系统软件控制程序,完成数据在线采集、施肥决策运作、变量作业执行系列过程;创建了基于组态编辑结构控件的触摸可视化人机交互界面,通过点击按钮链接完成实时监控、数据查询、系统帮助等目标功能界面切换。（3）建立了撒肥机离散元仿真模型,对撒肥装罝进行了结构优化和性能分析。通过理论分析颗粒抛撒运动轨迹模型,结合EDEM离散元分析软件设计了变量撒肥过程虚拟仿真试验,试验结果表明:影响肥料颗粒分布变异系数Cv的主次因素分别为叶片倾角β、圆盘锥角α和撒肥高度h,通过RSM优化结构参数寻求最佳组合为α=10.35°,β=12.58°,h=88.88cm,获得较小的Cv 11.55%;在此基础上,设计了基于撒肥装置工作参数的撒肥性能仿真试验,试验结果表明:叶片倾角β=15°、撒肥高度h=95cm、排肥流量q=300g/s、圆盘转速为临界转速ωo=600r/min时,颗粒分布曲线变异程度小,撒肥均匀性较好。（4）研究了系统排肥流量一致性和光谱数据采样频率合理性,对变量施肥模型适用性进行了修正。通过试验分析表明:系统排肥流量实际值与理论值线性相关决定系数R2达到0.99、系统采样最佳频率f=1.6Hz时能够表征水稻作物长势群体结构空间差异性;结合我国南方稻作生产基本地情,对氮肥优化算法（NFOA）模型进行适用性改进,划分合理的NDVI值施肥推荐梯度（间隔0.05）,优化了变量施肥决策、提高了系统控制精度。（5）探讨了不同排肥流量、圆盘转速对单位面积撒肥量和撒肥作业有效幅宽影响,建立撒肥机变量作业过程撒肥量空间分布模型。研究表明:排肥流量q主要影响单位面积撒肥量,保证撒肥准确性优先策略、圆盘转速ω主要影响撒肥有效幅宽,保证撒肥作业效率优先策略,发挥撒肥机最佳工作性能和最优撒肥效果;撒肥机变量撒肥（增量、减量）撒肥量空间分布模型与S型函数曲线具有很高的拟合度,一定程度上预测变量撒肥空间撒肥量分布,指导后续多轨迹重叠撒肥作业。（6）分析了肥量调节装置执行机构动态特性和系统响应延时、排肥滞后形成机理,提出变量控制系统响应延时修正方法。建立齿轮齿条A、电动推杆5、丝杆滑块C 3种调肥执行机构运动模型和系统排肥滞后模型,设计了系统性能试验优选出丝杆滑块执行机构,植入相应的延时修正时间Tlag=1.74s,改善撒肥机落肥滞后问题、降低系统排肥误差,提高排肥精度和综合撒肥性能。（7）开展了变量撒肥机相关性能验证试验。性能试验表明:经RSM优化结构参数后的离心式变量撒肥机较优工作参数组合下,颗粒分布变异系数Cv降低了 20.3%,与仿真试验误差不超过11.78%,验证了离散元仿真分析可行性;撒肥量模型验证试验表明:变量撒肥模型预测精度在83%以上,试验值与预测值相关性决定系数R2分别为0.91、0.82（增量、减量）,建立的撒肥量预测模型具有一定的准确性。（8）进行了变量撒肥机田间试验研究。田间撒肥试验表明:颗粒分布变异系数Cv均值、撒肥量误差γ与性能试验误差分别为9.19%、9.25%,满足相关规定对施肥机械作业要求;系统撒肥误差较小,撒肥精度保持在80%以上,相比于人工撒肥和传统的均衡机撒,变量撒肥减小了地块内水稻冠层NDVI值变异系数,较好地改善了作物生长群体结构和长势空间差异性。