Field CO2, CH4, and environmental measurements from leaf-cutter ant (Atta cephalotes) nests, and conceptual fluid dynamics model describing gas emissions ----- supporting for "Diel pattern driven by free convection controls leaf-cutter ant nest ventilation and greenhouse gas emissions in a Neotropical rainforest" in Oecologia ----- DOI: 10.1007/s00442-020-04602-2]

Contents R code and data.zip Data from several leaf-cutter ant nests and R scripts to model convective CO2 emissions. The conceptual model contains equations for forced and free convection. ***For information about how to fabricate the devices to measure CO2, please contact the authors. The R script contains the code to transform CO2 concentrations in time into CO2 emissions assuming that the chamber behaves as a well-mixed volume. The equations (Eq. S1, S2, and S3) are described explained in the supplementary information on http://doi.org/10.1007/s00442-020-04602-2 Temperature Data Excavation.xlsx Fungus and soil temperatures during leaf-cutter ant nest excavation (Atta cephalotes) CH4 and N2O concentration.xlsx Methane (CH4) and Nitrous oxide (N2O) concentrations (ppm in volume) measured from 19 vents 3 nests CO2 data Day vs Night.xlsx Summary of CO2 measurements in 10 leaf-cutter ant nest vents and one control (bare soil) comparing the statistics during the day and night. In all cases, CO2 concentration (ppmv) at night was significantly higher than during daytime, although the standard deviation was almost always greater during the day, suggesting more stability in (higher) nest emissions at night than during the day (more prone to sporadic wind episodes). Abstract Leaf-cutter ant nests are biogeochemical hot spots where ants live and import vegetation to grow fungus. Metabolic activity and (in wet tropical forests) soil gas flux to the nest may result in high nest CO2 concentrations if not adequately ventilated. Wind-driven ventilation mitigates high CO2 concentrations in grasslands, but little is known about exchange for forest species faced with prolonged windless conditions. We studied Atta cephalotes nests located under dense canopy (leaf area index >5) in a wet tropical rainforest in Costa Rica, where wind events are infrequent. We instrumented nests with thermocouples and flow-through CO2 sensing chambers. The results showed that CO2 concentrations exiting leaf-cutter ant nests follow a diel pattern with higher values at night. We developed an efflux model based on pressure differences that evaluated the observed CO2 diel pattern in terms of ventilation by (1) free convection (warm, less dense air rises out the nest more prominently at night) and (2) episodic wind-forced convection events providing occasional supplemental ventilation during daytime. Average greenhouse gas emissions were estimated through nest vents at about 78 kg CO2eq nest-1 yr‑1. At the ecosystem level, leaf-cutter ant nest vents accounted for 0.2% to 1% of total rainforest soil emissions. In wet, clayey tropical soils, leaf-cutter ant nests act as free convection-driven conduits for exporting CO2 and other greenhouse gases produced within the nest (fungus and ant respiration, refuse decay), and by roots and soil microbes surrounding the nest. This allows A. cephalotes nests to be ventilated without reliable wind conditions. Location Latitude: 10.431200Longitude: -84.003400Minimum Elevation: 35.0 mMaximum Elevation: 135.0 m Resumen en españolLos hormigueros de las cortadoras de hojas son áreas muy activas biogeoquímicamente en donde las hormigas viven y cultivan un hongo a partir de la vegetación que colectan. La actividad metabólica y (en zonas tropicales) el intercambio de gases entre la matriz del suelo y el aire del hormiguero resultan en elevadas concentraciones de CO2 que debe ser ventilado. La ventilación inducida por el viento mitiga este efecto en especies localizadas en campo abierto, pero se desconocen muchos detalles sobre las emisiones de especies típicas de locales sin la influencia del viento. Nuestro estudio se enfocó en hormigueros de Atta cephalotes situados bajo el denso dosel de un bosque tropical lluvioso maduro de Costa Rica, donde episodios de viento son infrecuentes. Instrumentamos hormigueros con termopares y cámaras para detectar CO2 sin inhibir el caudal de aire a través de los orificios. Los resultados muestran que las concentraciones de CO2 provenientes del hormiguero siguen un patrón de 24 horas, con valores más altos por la noche. Creamos un modelo conceptual basado en diferencias de presiones que confirmó que este patrón diario está dominado por convección libre, por la que el aire húmedo y caliente cargado de CO2 sale más eficientemente cuando la temperatura del hormiguero es superior a la exterior. Episodios de viento esporádicos producen convección forzada y proveen ventilación adicional durante el día. Estimamos que la media de emisiones de gases de efecto invernadero es de unos 78 kg CO2eq nest-1 yr‑1. A nivel de ecosistema, los hormigueros de las cortadoras de hojas producen emisiones adicionales entre 0.2% y 1% del CO2eq total emitido por el suelo en este bosque Neotropical lluvioso. En suelos húmedos y arcillosos, estas estructuras actúan como conductos para el aire que es impulsado por convección libre para exportar CO2 producido en el hormiguero (por la respiración del hongo y de las hormigas, y por la descomposición de los residuos) y en el suelo circundante (raíces y microorganismos del suelo). Esto permite a los hormigueros de A. cephalotes mantenerse ventilados sin depender en vientos regulares.

本数据集包含压缩包Contents R code and data.zip，内含多个切叶蚁（leaf-cutter ant）蚁巢的观测数据，以及用于模拟对流二氧化碳（CO₂）排放的R脚本。该概念模型包含强制对流（forced convection）与自由对流（free convection）相关方程。***如需了解二氧化碳测量装置的制作方法，请联系本文作者。本R脚本包含将实时二氧化碳浓度转换为二氧化碳排放量的代码，其假设测量舱为充分混合体积。方程S1、S2及S3的详细说明可参见补充材料：http://doi.org/10.1007/s00442-020-04602-2

1. Temperature Data Excavation.xlsx：顶切叶蚁（Atta cephalotes）蚁巢挖掘过程中采集的真菌与土壤温度数据
2. CH4 and N2O concentration.xlsx：从3个蚁巢的19个排气口测得的甲烷（CH₄）与一氧化二氮（N₂O）浓度数据（体积百万分浓度，ppm）
3. CO2 data Day vs Night.xlsx：10个切叶蚁蚁巢排气口及1个裸土对照组的二氧化碳测量结果汇总，对比了日间与夜间的统计特征。所有样本的夜间二氧化碳浓度（体积百万分浓度，ppmv）均显著高于日间，尽管日间的标准差普遍更大，这表明夜间蚁巢排放的稳定性（更高）优于日间——日间更易出现间歇性大风事件。

### 研究摘要
切叶蚁蚁巢是生物地球化学热点区域，蚂蚁在此栖息并搬运植被以培育真菌。代谢活动以及（湿润热带森林中）土壤气体向蚁巢的交换，若未得到充分通风，将导致蚁巢内二氧化碳浓度升高。在草原生态系统中，风力驱动的通风可缓解高浓度二氧化碳问题，但对于长期处于无风环境的森林物种，其气体交换机制仍鲜有研究。我们对哥斯达黎加一处湿润热带雨林中、位于茂密冠层下（叶面积指数（leaf area index）>5）的顶切叶蚁蚁巢展开研究，该区域风力事件极为罕见。我们使用热电偶与流通式二氧化碳传感舱对蚁巢进行了监测。结果显示，切叶蚁蚁巢排出的二氧化碳浓度呈现昼夜节律模式（diel pattern），夜间浓度更高。我们基于压差构建了排放模型，从两方面的通风机制验证了观测到的二氧化碳昼夜节律：（1）自由对流——夜间巢内温暖低密度空气更显著地向外上升；（2）间歇性风力驱动的强制对流事件——在日间提供额外的补充通风。经估算，单个蚁巢排气口的平均温室气体排放量约为78千克二氧化碳当量（CO₂eq）·巢⁻¹·年⁻¹。从生态系统尺度来看，切叶蚁蚁巢的排气量占该热带雨林土壤总排放量的0.2%至1%。在湿润黏质热带土壤中，切叶蚁蚁巢作为自由对流驱动的通道，可排出蚁巢内部（真菌与蚂蚁呼吸、蚁巢垃圾分解）及巢周土壤（根系与土壤微生物）产生的二氧化碳及其他温室气体，这使得顶切叶蚁蚁巢能够在无可靠风力的条件下实现通风。

### 采样地点信息
纬度：10.431200；经度：-84.003400；最低海拔：35.0米；最高海拔：135.0米

### 西班牙语摘要译版
切叶蚁蚁巢是生物地球化学活性极高的区域，蚂蚁在此栖息并通过采集的植被培育真菌。代谢活动以及（热带区域）土壤基质与蚁巢空气间的气体交换，会导致二氧化碳浓度升高，需通过通风进行稀释。风力诱导的通风可缓解开阔地带物种的该问题，但对于无风力影响区域的典型物种，其排放机制仍有诸多未知。本研究聚焦于哥斯达黎加成熟湿润热带雨林茂密冠层下的顶切叶蚁蚁巢，该区域间歇性风力事件极为罕见。我们使用热电偶与不影响气流通过量的二氧化碳检测舱对蚁巢进行了监测。结果显示，蚁巢排出的二氧化碳浓度呈现24小时节律模式，夜间浓度更高。我们构建了基于压差的概念模型，证实该昼夜节律主要由自由对流主导：当蚁巢内部温度高于外部时，富含二氧化碳的暖湿空气可更高效地排出。间歇性风力事件会引发强制对流，在日间提供额外通风。经估算，单个蚁巢的平均温室气体排放量约为78千克二氧化碳当量（CO₂eq）·巢⁻¹·年⁻¹。从生态系统尺度来看，切叶蚁蚁巢的额外排放量占该新热带区热带雨林土壤总二氧化碳当量排放量的0.2%至1%。在湿润黏质土壤中，这类结构作为自由对流驱动的通道，可排出蚁巢内部（真菌与蚂蚁呼吸、蚁巢垃圾分解）及周边土壤（根系与土壤微生物）产生的二氧化碳，使顶切叶蚁蚁巢无需依赖常规风力即可实现通风。