Abril, Origem Programa COMEA/RENAM INFRAVERMELHO TERMAL

1. Publicação n9

INPE-2718 -FRE/304

2. Versão 3. Data

Abril, 1983

5. Distribuição

C]

Interna

x

Externa 4. Origem Programa

DSR/DDP

COMEA/RENAM

III Restrita

6. Palavras chaves - selecionadas pelo(s) autor(es)

SENSORIAMENTO REMOTO

DEFICIÊNCIA HÍDRICA

INFRAVERMELHO TERMAL

MILHO

7. C.D.U.:

528.711.7:633.15

8. Titulo

INPE-2718-PRE/304-"

10. Pãginas:

31

AVALIAÇÃO DA CONDIÇÃO HÍDRICA DA CULTURA DO MILHO

(Zea mays L.): ABORDAGEM ATRAVES DE

_{11. Ultima pãgina:}

₂₈

SENSORIAMENTO REMOTO TERMAL

12. Revisada por

9. Autoria

_{José Carlos Neves Epiphanio}

_ae2

_AC1-

Mario Valeria Filho

13. Autorizada por

Nels

/44424242\

on e Jesus Parada

Assinatura responsãvel

41.---

4 J

Diretor

14. Resumo/Notas

g apresentada uma metodologia de utilização de sensoria

mento remoto na faixa espectral do infravermelho termal (8-14 pra) para

detecção de estresse hidrico na cultura do milho (Zea mays L.). Através

da coleta horária da temperatura radiante de dossel e da temperatura do

ar durante o período reprodutivo da cultura, foi construido um índice

que expressa as diferentes condições hídricas a que a cultura foi sub

metida. Com

esse índice são estabelecidas correlações com a produtivi

dade afetada pelo déficit hídrico. Também é feita uma discussão

sobre

oshordrios mais adequados às leituras, de acordo com a finalidade de

sejada. Os resultados mostraram que a metodologia apresentada é eficie -ri

_{_}

te para os objetivos propostos.

15. Observações

Trabalho submetido para publicação na Revista Pesquisa

Agropecuária Brasileira.

RESUMO

É apresentada uma metodologia de utilização de sensoria mento remoto na faixa espectral do infravermelho termal (8-14 um) para detecção de entresse hídrico na cultura do milho (Zea mays L3. Através da coleta horária da temperatura radiante de dossel eda temperatura do ar durante o periodo reprodutivo da cultura, foi construido um índice que expressa as diferentes condições hídricas a que a cultura foi sub metida. Com esse 'índice são estabelecidas correlações com a produtivi dade afetada pelo déficit hídrico. Também é feita uma discusão sobre os horários mais adequados is leituras, de acordo com a finalidade de sejada. Os resultados mostraram que a metodologia apresentadaéeficien te para os objetivos propostos.

EVALUATION OF CORN

(Zea mays

L.) WATER CONDITION: A THERMAL INFRARED REMOTE SENSING APPROACH

ABSTRACT

A methodology that uses remote sensing data in the thermal infrared spectral band (8-14 gm) to detect water stress in com n

(Zea mays

L.) is presented. Using hourly canopy radiant temperature measured with a PRT-5 radiometer and air temperature during a crop reproductive period, an index that can be used to show the different water conditions at each experiment plot was derived. This index is correlated with com n yield, and a discussion about the better time of data recording was made. The results showed that the methodology used is efficient for ali the proposed objectives.

AVALIAÇÃO DA CONDIÇÃO H/DRICA DA CULTURA DO MILHO

(Zea mays

L.): ABORDAGEM ATRAVES DE SENSORIAMENTO REMOTO TERMAL

José Carlos Neves Epiphanio (*)

INTRODUÇÃO

O sensoriamento remoto é um conjunto de técnicasqueper mitem a extração de informações â. distância sobre alvos de interesse, através da avaliação da energia eletromagnética absorvida, refletida, transmitida ou emitida por esses alvos.

Embora a gama de comprimentos de onda que envolve ener gias do mesmo tipo - energia eletromagnética - seja imensa, apenas de terminadas porções do espectro eletromagnético são utilizadas para o sensoriamento remoto (Fig. 1). Cada uma dessas porçãesenvolvediferen tes tipos de interações energia-matéria, e a detecção da energia pro veniente dessas interações é feita por diferentes instrumentos senso res.

Assim, na faixa do vis :levei e infravermelho próximo a

energia que é detectada é basicamente a energia solar refletida pelo

objeto. Na faixa das microondas tem-se, por exemplo, o radar onde a

energia detectada também é a refletida pelo objeto, porém a fonte de

Eng9 Agr9, M.Sc., Instituto de Pesquisas Espacias (INPE), Caixa Pos

tal 515 - CEP. 12200 - São José dos Campos - SP

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energia jã não é mais o Sol, e sim o próprio radar. Na faixa do infra vermelho termal a energia é a emitida pelo corpo, devido unicamente ã sua temperatura; quanto maior for a temperatura maior a quantidade de energia emitida (Lillesand & Kieffer 1979).

Os instrumentos de detecção da energia na faixado infra vermelho termal (8-14 um) são denominados radiómetros. Esses radióme tros de infravermelho podem ser operados no campo, a bordo de avião ou de satélite. A maior parte dos trabalhos voltados ã agricultura são realizados com instrumentos ao nivel de campo. As perspectivas de uti lização de sensoriamento remoto termal abrangem várias áreas de apli cação, como umidade de solo (Price 1980), irrigação (Lucht 1980), eva potranspiração (Blad et al. 1976) e previsão de safras (Idso et al. 1978), entre outras.

Os estudos voltados para a agricultura baseiam-se na me dida remota da temperatura radiante de dossel. Essa temperatura não é a temperatura real da planta, pois é dependente da emissividadedo dos sel. Porém, para vegetação a emissividade é alta e, além disso, quan do em comunidade, como é o caso de um campo de cultivo,aemissividade aproxima-se muito de 1,0, segundo Jackson et al. (1977) eSutherland & Bartholic (1977), o que dispensa correções da leitura feita com o ra diómetro. Portanto, para fins agricolas a temperatura radiante pode ser considerada bem próxima da temperatura real. A temperatura de dos sel pode fornecer informações de grande interesse sobre a condição hi drica da planta.

No Brasil, excetuando as condições extremas, o princi

pai fator controlador do desempenho da agricultura num ano agrícola

é a distribuição pluviométrica. A planta, sendo um organismo vivoe ten do seu desenvolvimento na interface solo-atmosfera, está sujeita is va nações ocorridas tanto num meio quanto no outro. Como expõe Slatyer (1977), a planta é muito mais susceptível a alterações hídricas que a alterações térmicas. Quando em presença de grande demanda hídrica atmos férica ou de baixa disponibilidade de água pelo solo, a planta dispara seu principal mecanismo de controle de perda de água, que é o fechamen to estomatal (Reichardt & Libardi, 1976).

Entretanto, o acionamento desse mecanismo desencadeia

uma série de processos prejudiciais, tais como a queda da atividade fo tossintética pelo impedimento de entrada de CO 2 , e o aumento da tempe ratura da folha pela retração do resfriamento evaporativo pela água. Esse aumento da temperatura pode ser da ordem de vários graus centigra dos, dependendo da cultura e das condições de oferta e demanda de água pelo sistema solo-atmosfera (Gates 1980).

J5 em 1966, Wiegand & Namken mostraram que a temperatura

foliar elevava-se acima da temperatura do ar quando a planta estava

com deficiência hídrica. Ehrler et al. (1978) e Scott et al. (1981),

entre outros, encontraram relações inversas entre o potencial de água na folha e a temperatura foliar, o que indica a forte relação existen te entre condição hídrica e temperatura foliar.

Os radiOmetros de infravermelho são instrumentos altamen re sensíveis às variações de temperatura - da ordem de 0,1 ° C - e são

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capazes de acusar as diferenças de temperatura existentes entre as par celas que estejam sob diferentes condições hidricas. Como a temperatu ra da planta num dado instante pode estar sofrendo a influência de fa tores meteorolõgicos, é necessário comparar a temperatura da planta com parâmetro representativo do balanço entre esses fatores atmosféri cos. Idso et al. (1976) mostram que a temperatura do ar é o parâmetro mais indicado para servir como referencial.

Assim, pode-se, a partir da estreita relação existente entre temperatura foliar e deficiência hidrica, investigar um grande número de aplicações agricola utilizando essa relação e as metodolo gias de sensoriamento remoto que estão sendo desenvolvidas.

No presente trabalho, parte-se da utilização da tempera tura radiante de dossel e da temperatura do ar para aliviara queda de

produtividade do milho (zea mays L.) relacionada â deficiência hidrica.

Esse tipo de abordagem tem suas raizes na assertiva de Baier & Robertson (1968) de que as produções são muito mais relaciona das com a umidade de solo que com variáveis meteorolõgicas como preci pitação e temperaturas máximas e minimas. Também Nix & Fitzpatrick

(1969) chegaram â conclusão de que melhores resultados para estimati vas de produção eram obtidas quando se levavam em consideração as con dições de suprimento de água para a planta.

A partir dai surgiram indices de estresse baseados na de manda e na oferta de água para a planta (Nix & Fitzpatrick1969,Hiler

temperatura foliar fosse representativa do balanço entre a oferta de água pelo solo e a demanda atmosférica de água e, portanto,da condição hídrica da planta num dado momento, estabeleceram um índice de estres se baseado nas temperaturas da planta e do ar e o correlacionaram com a produção de trigo, obtendo bons resultados.

Vários autores utilizaram-se dessa metodologia para es

tudar várias culturas. No Brasil, onde as condições hídricas são de

grande importáncia no desempenho produtivo de um ano agrícola, o desen volvimento desse trabalho surge como tentativa de familiarização com a metodologia além da procura de outros aspectos que possam melhorá-la.

MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi conduzido sobre um Latossolo Vermelho Escuro na Estação Experimental do Centro de Pesquisas Agropecuária dos Cerrados (CPAC-EMBRAPA), cujas coordenadas de suaestaçãoclimatológica principal são 15 0 35'30"S e 47 ° 42'30"W. A precipitação media anual é de 1570mm, concentrada principalmente nos meses de outubro a março.

Foi utilizada a cultura do milho plantada no dia 9/6/

1981, no espaçamento 0,80 x 0,20 m, sofrendo o terreno adubações nor

mais de correção e cultivo. As parcelas foram em

rulmero

de 12 e tinham

dimensões de 9,6 x 12,0 m. Para obter produtividades variadas escalona ram-se as irrigações no período reprodutivo do milho, que é o mais sus ceptivel a déficits hídricos (Hiler et al. 1974). Até o florescimento todas as parcelas receberam irrigações normais; a partir dai iniciou-se o escalonamento do seguinte modo: no dia 10/9 somente a parcela de nü

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mero 7 foi irrigada; em 16/9, as de nõmero 7 e 8; em 23/9, as de número 7,8 e 9; em 30/9 e 1/10, as parcelas 7,8,9 e 10. Porém, nesta intima data as condições do tempo alteram-se, cessando as irrigações.

As irrigações foram feitas nos sulcos das parcelas atra vés do sistema de tubo janelado. O critério adotado foi o de fazer a irrigação semanalmente por um tempo de 4 a 6 horas. No final do experi mento as parcelas foram colhidas, eliminando-se as bordaduras. Fez-se a pesagem dos grãos e a determinação do teor de umidade. De posse do teor de umidade e do peso de grãos por parcela, foi feita uma correção dos pesos para a umidade padrão de 13,5% e esses valores foram então transformados em kg/ha.

Temperatura das plantas

Para as leituras de temperatura de dossel (Td) do milho utilizou-se o radiametro de infravermelho termal Precision Radiation Thermometer (PRT-5)*

O PRT-5 consiste num sistema sensor e num sistema regis trador, os quais são interconectados por cabos de força. o sistema sen sor compara continuamente a quantidade de energia emitida peloalvo com a quantidade de energia emitida por uma fonte interna de referência.

* O INPE não endossa ou recomenda o uso de qualquer marca, produto ou

equipamento, unicamente por seus nomes estarem citados ou incluídos

nesta publicação.

O sistema registrador processa essa comparação numa voltagem que é dire tamente relacionada com a diferença de energia entre alvo e a referên cia. Essa voltagem é mostrada num painel frontal em termos de tempera

tura radiante, em oC. Esse instrumento é projetado para fornecer leitu

ras de temperatura radiante precisas e estãveis na faixa de - 20 a +70

o

C. Tem precisão nominal de 0,5 oC, sensibilidade de 0,1 oC e tempo de

resposta de 5 a 500 milissegundos na faixa de comprimento de onda do infravermelho termal (8-14 pm). O sistema sensor permite que se opere

com ângulos de visada de 2 ou 20 ° (Barnes Engineering, 1970).

Na Fig. 2 é apresentado um esquema completo do equipamen to de leitura. Para que não houvesse desvio de localizaçãodoequipamen to quando as leituras tivessem de ser repetidas sobre a mesma parcela, selecionou-se um local fixo em cada parcela, em posição semelhante a todas. Quando se realizavam as leituras, o suporte era colocado no lo cal fixado e, assim, mantinha-se sempre a mesma localização do equipa mento.

Para evitar que diferentes ângulos de observação em rela cão ao Sol pudessem interferir nas medidas e prejudicar a comparação entre as parcelas, os locais de fixação do tubo receptor foram determi nados de modo que todas as visadas em todas as parcelas fossem feitas sob o mesmo ângulo em relação ao Sol. As visadas com o PRT-5 foram to madas a 3 metros de altura do solo, e a unidade Eptica desviada da ver tical de um ângulo aproximado de 30 0 . Esse desvio do sistema sensor te ve por finalidade diminuir a influência do solo na resposta e aumentar a área de interceptação de folhas pelo campo de visada do aparelho.

- 8 -

Em um ciclo completo de leituras tomava-sea temperatura de dossel três vezes. Durante o periodo de leituras (5/9/81 - 5/10/81) foram realizados 252 ciclos de leituras. Os horários abrangidos pelas leituras foram desde 7:00 até 16:00 horas. As vezes mais de um ciclo era realizado dentro do intervalo de uma hora completa (por exemplo: 8:00 - 9:00, 10:00 - 11:00, etc). O número de dias em que se têm lei turas para determinada hora é variável, pois durante um dia nem sempre se obtinham leituras em todos os horários.

Adice Diário de Déficit (IDD) e Fator de Déficit Total (FET)

Antes de definir o Indice Diário de Déficit (IDD) e o fa tor de Déficit Total (FDT) é necessário fazer uma alusão is premissas do trabalho. Inicialmente, há o fato de que a planta com deficiência hidrica sofre um decrécimo na sua produção potencial. O segundo fato é que a deficiência hidrica causa uma elevação da temperaturafoliar, o que pode ser detectado por sensoriamento remoto termal.

Também se espera que quanto mais tempo perdurar um esta do de deficiência hidrica, maior será a diferença entre a produção po tencial e a produção obtida. Paralelo a este fato está o de queadife rença entre a temperatura de dossel e a do ar (Td - Ta) será maior e estará presente por mais tempo.

Assim, Idso et al. (1977) definiram como "stress degree day" a diferença entre a temperatura do dossel e a do ar is 14:00 ho ras. Porém, essa fixidez de horário não permite que os outros horários

sejam analisados. Assim, no presente trabalho o índice Diário de Déficit (IDD) para determinado horário foi definido como o valor dadi ferença entre a temperatura de dossel e a do ar atribuído auma parcela num dia, para aquele determinado horário.

Quando se realizava a tomada da temperatura de dossel

anotava-se o horário para posterior obtenção da temperatura do ar das cartas de registro contínuo da Estação Meteorológica do CPAC, localiza da300metros do experimento. O Indice Diário de Déficit (IDD) para de terminado horário e determinada parcela foi considerado a média aritmé tica de todas as diferenças entre temperatura de dossel (Td) e tempera tura do ar (Ta) daquele horário e parcela.

De posse dessas assertivas, passa-se a definir o Fator de Déficit Total (FDT). Assim,

FDT (H) = IDD (H), [ oC ] (1)

i=n

onde:

FDT = Fator de Déficit Total para a hora (H) ( ° C);

n,m = Inicio e término do período do ciclo vital da cultura no

qual se realizam as leituras;

IDD = Indice Diário de Déficit para a hora H ( ° C).

Assim, o Fator de Déficit Total representa o grau de es tresse a que esteve submetida a cultura durante um determinado período do seu ciclo vital.

- 10 -

Portanto, quanto mais insatisfatória for a condição hi

drica da planta, mais restrições a planta fará ã transpiração. Com is

so sua temperatura se elevará e o Fator de Déficit Total tenderá a se elevar, acusando uma condição menos satisfatória em termos hidricose , portanto, produtivos.

Como o Fator de Déficit Total para cada horário é fruto do somatório de um numero diferente de valores de índices Diários de Déficit, fica prejudicada a observação do comportamento médio de cada parcela quanto aosvalores de (Td-Ta) para cada horário do dia. Para que esse comportamento pudesse ser observado, foi estabelecido o Indi ce Diário de Déficit médio (IDO médio) para cada horário. O IDD médio para determinado horário é obtido pela divisão do Fator de Déficit To tal pelo ndmero de dias em que houve observação para aquele horário.

RESULTADOS E DISCUSSAO

Os valores de Fator de Déficit Total (FDT) para todas as parcelas e horários estão apresentados na Tab. 1. Ao analisar esses re

sultados, tem de ser levado em conta que o

niimero

de dias que contri

buiu para a formação do FDT para cada horário é variável. Assim, por

exemplo, para o horário de 9:00 horas têm-se 18 dias, enquanto para

as 14:00 horas têm-se 26. Portanto, a observação da Tab. 1 deve obede cer preferencialmente ao sentido vertical. O que se observa é que as parcelas que receberam alguma quantidade de água (7,8 e 9) apresentam valores de FDT menores, o que indica que o estresse hidrico sofrido por essas parcelas durante o período de realização de leituras foi reduzido em relação ao restante das parcelas.

lor aproxima-se do encontrado por Idso et al. (1977) para trigo, is 14:00 horas. No presente experimento com milho no Distrito Federal, a amplitude de variação encontrada para as 14:00 horas foi de 281,5 ° C.

Para a observação da variação de FDT entre as parcelas num horário pode-se recorrer i Tab. 1 ou á Tab. 2. Constata-se que pela manhã ocorrem valores baixos de diferença de temperatura entre a planta e o ar, observando-se que is 7:00 horas todas as parcelas apre

sentam temperaturas de dossel inferiores i temperatura do ar. Nesta

análise foi suprimido o horário de 12:00 horas devido i pouca quan

tidade de dias de observação neste horário. A partir das 7:00 horas a amplitude de IDD (Tab. 2 ) tende a ter um incremento acentuado até atingir o pico is 11:00 horas (Fig. 3). A partir dai inicia-se uma di minuição lenta da amplitude de IDO médio entre as parcelas atéo final da tarde sem, porém, atingir o nível mais baixo das 7:00 horas. Numa análise individual das parcelas o comportamento do IDD médio para os vários horários aproxima-se do comportamento de um dia observado por Ehrler et al. (1978).

Assim, considerando a amplitude do IDO médio (Fig.3),ao ter em vista a discriminação de parcelas em diferentes temperaturas e

condições hidricas, os horários de 11:00 e 13:00 horas apresentaram

maior importância que o de 14:00 horas. Entretanto, este ultimo é o

mais utilizado na maioria dos trabalhos que se valem daradiometriade infravermelho termal para estudos que envolvem as relações solo-água -planta-atmosfera, como os de Gates (1964), Walker & Hatfied (1979) e

- 12 -

Clawson & Blad (1982). O horário de 11:00 horas apresentou 3,0 ° C a

mais de amplitude de IDO médio que o de 14:00 horas.

Para a análise da eficiência do Fator de Déficit Total

para a avaliação da produtividade quando influenciada pelo déficit hi drico, fez-se uso de regressões de primeiro e segundo graus utilizando os dados de FDT (Tab. 1) e produtividade (Tab. 3). Na Tab. 4estãoapre

sentados os resultados das regressões com os coeficientes a e b da re

ta e a,b e c da parábola, além dos coeficientes de correlação corres

pondentes, para todos os horários. Como exemplo gráfico da relação

FDT x produtividade é apresentada a Fig. 4, onde se tem o ajuste para bOlico para as 14:00 horas, e a fig. 5, onde se tem a relação 1:1 entre a produtividade real e a produtividade estimada pela parábola para o horário de 11:00 horas.

Todos os valores dos coeficientes de correlação são esta tisticamente significativos ao nivel de 1%, segundo Steel & Torne (1960), exceto o horário de 7:00 horas. Pelos valores dos coeficientes de correlação, evidencia-se o potencial do Tndice Fator Déficit Total como auxilio na avaliação de produtividade.

Da Fig. 4 alguns aspectos devem ser observados. Inicial mente é nítida a destribuição curvilínea dos pontos, o que se asseme lha razoavelmente aos resultados obtidos por Idso et al. (1980). Outro ponto a ser observado desse comportamento não-linear é que para atingir 50% da variação de produtividade é necessária apenas cerca de 25% da variação de FDT; e que quando se atinge 50% da variação do FDT, a vari ação da produtividade já ultrapassou a marca dos 80%. Esse com

portamento é mantido para todos os horários analisados. Portanto,a fa se mais critica do progresso do incremento de FDT está no seu inicio, ou seja, nos seus valores mais baixos.

Essa observação do comportamento FDT x produtividade as sume maior importância quando se tem em mente, além da avaliação de produtividade, o acionamento de mecanismos de controle da deficiência hídrica como a irrigação. Como o FDT é um :índice que vai se acumulando diariamente, pode-se ter a avaliação diária da condição da cultura, obtida através de sua temperatura radiante. Porém, essa utilização do FDT como um indicador auxiliar no manejo de irrigação ainda está por ser estudada com mais profundidade.

Uma outra observação a ser tirada dos resultados é a de que apesar de os valores de IDD médio (Tab. 2) apresentarem-se bem di ferentes para vários horários, os coeficientes decorrelaçãoda Tab. 4 não se distinguem acentuadamente entre si no transcorrer dos horários. Essa constatação sugere que apesar da diferença termalexistenteentre as parcelas ser pequena no início e no final do dia e grande nos horí rios intermediários, é mantida uma acentuada proporcionalidade de res posta térmica ã condição hídrica da cultura. Isso faz com queo compor tamento das curvas não se altere significativamente.

CONCLUSOES

Os resultados permitiram a conclusão de que o Fator de Déficit Total (FDT), baseado em dados de sensoriamento remoto termal e meteorolOgicos, demonstrou ser um :índice diagnóstico das condições hídricas a que esteve submetida a cultura do milho.

-14-

O Fator de Déficit Total também apresentou-se significa tivamente correlacionado com a produtividade, desde 8:00 até 16:00 ho ras, o que indica o potencial desse índice como auxiliar importante em programas de estimativa de safras.

Cabe destacar que a utilização do sensoriamento remoto

termal para fins agrícolas encontra-se nos seus primardios. Como adven to do lançamento de satélites que possam fornecer esse tipo de dados, além de instrumentos de campo e de aeronave, essa ãrea de pesquisa mos tra-se com grande potencial de desenvolvimento.

Esses resultados, apesar de indicarem a necessidade de

estudos mais aprofundados, vêm apresentar uma ferramenta que se mostra promissora para estudos que envolvam as relaçõessolo-ãgua-planta-atmos fera, tanto do ponto de vista de pesquisa bãsica quanto aplicada.

AGRADECIMENTOS

Ao CPAC/EMBRAPA, especialmente ao pesquisador Ariovaldo Luchiari Jr., pelo apoio e cessão de dados essenciais ã realização des te trabalho.

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"Avaliação da condição hidrica ...H - 18 -

LEGENDAS DAS TABELAS

1 - Fator de Déficit Total ( ° C)

2 - Indice Diário de Déficit Médio ( ° C) 3 - Produtividade do milho (kg/ha)

4 - Coeficientes de regressão da reta (a,b), da parãbola (a,b,c) e de

- 19 -

LEGENDAS DAS FIGURAS

1 - Espectro eletromagnético, absorção atmosférica e faixas de opera ração dos sensores (FONTE: MARCHETTI & GARCIA, 1977, p. 194).

2 - Esquema do equipamento completo de leitura da temperaturadasplan tas ou de dossel (fora de escala).

3 - Indice Diário de Déficit médio (IDD médio) nos vários horários do dia.

4 - Relação entre a produtividade e o Fator de Déficit Total (FDT) (14:00 horas).

5 - Relação entre a produtividade real e a estimada pela parábola (11:00 horas).

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Fig. 2 - "Avaliação da condição hidrica ... "

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Fig. 3 - "Avaliação da condição hidrica

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Fig. 4 - "Avaliação da condição hídrica ... "

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Fig. 5 - "Avaliação da condição hídrica ..."

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