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海水养殖是海洋渔业的重要组成部分,也是沿海地区重要支柱产业之一,近些年来发展迅速。但无序的、高密度的养殖活动也对近海生态环境造成了一些负面影响:如沉积物中有机质累积、生物群落结构改变等。多营养层次综合养殖（Integrated Multi-Trophic Aquaculture,IMTA）,通过科学地整合不同营养级生物,取得较好经济效益的同时,维持了良好的水域生态环境,为实现规模化海水养殖活动与生态环境保护的协同共进提供了有效的解决方案。然而,目前已构建的多营养层次综合养殖系统尚存在级联效率较低,尤其是底栖生物功能群适宜种类少等“短板”,亟需开发新的底栖生物种类实现系统功能的进一步提升。在这一背景下,本文选择经济和营养价值高且对环境适应能力强的单环刺螠（Urechis unicinctus）作为目标种类,通过解析单环刺螠生物扰动能力、对沉积物-水界面氮磷营养盐交换通量的影响、氮循环相关功能微生物的响应等,阐释单环刺螠生物扰动对沉积物氮循环过程的影响和机理,探讨其对底栖环境的生态效应。研究结果为尝试将单环刺螠作为底栖生物功能群种类纳入多营养层次综合养殖系统提供了重要理论依据和数据支撑。主要研究结果如下:1.温度缓变和骤变对单环刺螠生理代谢的影响采用实验室内循环水槽控温实验,设置4个温度梯度（5℃、10℃、15℃、20℃）,研究了不同温度处理单环刺螠的耗氧率和排氨率;并对温度骤变处理下单环刺螠超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量的变化情况进行了分析。5℃、10℃、15℃、20℃温度条件下单环刺螠的排氨率分别为0.17、0.05、0.06、0.14μmol·g-1·h-1。相关酶活性的结果表明,温度骤变组CAT的活性于3 h～6 h达到最高,随着时间增加,酶活性呈负相关。5℃骤变组的MDA含量在3h时达到最高,从总体上看,相关酶活性较低。温度骤变没有显著影响单环刺螠的生理代谢和生化活动。2.单环刺螠生物扰动对沉积物颗粒垂直分布的影响利用直径0.5～0.6 mm玻璃珠作为示踪颗粒物,研究了单环刺螠对沉积物颗粒的扰动作用。单环刺螠分为两种规格（湿重）,小规格（10～15 mg/尾）和大规格（1.5～1.8 g/尾）。表层沉积物示踪颗粒在不同深度的分布的结果表明,迁移深度与单环刺螠的规格呈现正相关,且随着迁移深度增加,示踪颗粒数显著下降。沉积物7 cm深处示踪颗粒的结果显示,经过扰动,在垂直方向发生向上和向下的迁移。单环刺螠规格与向下迁移深度呈现正相关,与向上迁移呈现负相关。3.不同温度下单环刺螠生物扰动对营养盐扩散通量的影响研究了不同温度下单环刺螠生物扰动对营养盐扩散通量的影响。结果表明,与对照组相比,随着温度的增加,处理组NH4+扩散通量分别增长了97%,47%,55%;处理组总溶解无机氮（DIN）扩散通量分别增长了40%,46%,55%,不同温度下的DIN随着温度升高呈正相关。所有处理组的NH4+扩散通量均表现为由沉积物向上覆水扩散,作为沉积物-水界面的源。单环刺螠的排氨作用在5℃、10℃、15℃中分别占NH4+扩散通量的2%、1%、5%,对NH4+扩散通量的促进作用主要来源于单环刺螠的生物扰动作用。4.不同密度单环刺螠生物扰动对营养盐扩散通量的影响采用室内实验生态学方法探究了单环刺螠生物扰动作用对沉积物-水界面氮磷扩散通量的影响及其持续性。结果表明:处理组DIN扩散通量变化范围为10.6～765.3μmol/（m~2·d）,与对照组相比,低、中、高处理组的DIN扩散通量分别提高了57%、76%、88%。NH4+是DIN的主要贡献者,对DIN的贡献在低、中、高处理组中分别占55%、65%、80%。与对照组相比,低、中、高密度组的平均NH4+通量分别提高了39%、111%、257%,与低、中密度处理组平均NH4+通量相比,高密度处理组分别提高了43.7%、23.6%。在第2至第10天,NH4+通量处于持续增加的趋势。处理组PO43-通量变化范围为-7.85～6.42μmol/（m~2·d）,第2至6天,处理组PO43-通量处于持续增加。单环刺螠的生物扰动能够持续的促进DIN由沉积物向水体中的扩散,且存在明显的密度效应。5.单环刺螠生物扰动对沉积物微生物群落结构的影响为了探究单环刺螠生物扰动作用对沉积物微生物群落结构的影响,利用宏基因组学技术对沉积物中的微生物组群进行分析。结果表明:变形菌门（Proteobacteria）占总量的46%以上,为沉积物的优势细菌,低密度处理与对照组共有物种5513个科,独有物种62个科,增加了279个科,高密度处理组与对照组共有5460个科,独有131个科,增加了302个科。在所有样品都发现了氨氧化细菌（Nitromonas）、氨氧化古菌（Nitrosopumilus）、亚硝酸盐氧化细菌（Nitrospina）。与对照组相比,处理组氨氧化细菌（AOB）的相对丰度显著减少（P＜0.05）,氨氧化古菌（AOA）显著增加（P＜0.05）,亚硝酸盐氧化细菌（NOB）几乎没有变化,与氮循环过程相关的功能基因在高密度处理组中最为丰富。单环刺螠的生物扰动使沉积物的微生物群落结构更加复杂,研究结果为深入认识单环刺螠生物扰动机制提供了基础数据。