Simulação do Crescimento Potencial de Pastagens de Tifton 85 Carise E. S. Mallmann Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - Mestrado em Modelagem Matemática 98900-000, Ijuí, RS E-mail: [email protected] Jorge L. Berto Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - Departamento de Estudos da Agronomia 98900-000, Ijuí, RS E-mail: [email protected] RESUMO A importância deste trabalho está associada à necessidade de geração de informações que possam auxiliar na orientação de práticas de manejo da pastagem, visando a otimização da produção, a persistência das pastagens e a sustentabilidade do sistema. Implementou-se computacionalmente um modelo matemático para simulação numérica do crescimento potencial de pastagens de Tifton 85 (Cynodon spp.). As simulações permitiram observar o acúmulo e partição de matéria seca aérea da pastagem e a evolução do índice foliar em períodos distintos, variando-se os parâmetros envolvidos. A avaliação dos resultados das simulações foi realizada a partir da comparação entre os dados simulados e entre os dados observados experimentalmente, considerando os diferentes períodos. O modelo proposto possibilitou a simulação da produtividade potencial de matéria seca aérea do Tifton 85, em função da radiação solar e temperatura do ar. INTRODUÇÃO Nos últimos anos a agricultura brasileira tem apresentado um padrão de crescimento notável, resultado de um cenário econômico e de mercado favorável, o qual tem permitido avançar e alcançar patamares de produção nunca antes atingidos. Dentro deste contexto, a pecuária tem exercido um papel de destaque, o que proporcionou um interesse renovado e crescente na utilização de pastagens. A utilização das pastagens como o principal suprimento alimentar está relacionada ao baixo custo e alto potencial de produção, especialmente de forrageiras tropicais que, aliado à sua colheita pelos animais, tornam estas pastagens uma opção econômica para a criação de ruminantes [11]. Dentre estas forrageiras, as espécies e cultivares do gênero Cynodon têm se destacado, de forma especial a cultivar Tifton 85 (Cynodon spp.), em virtude da boa adaptação às condições tropicais e subtropicais, elevado potencial de produção de matéria seca e alta digestibilidade [10]. No Estado do Rio Grande do Sul, sistemas de produção leiteira baseados no uso de pastagens vêm experimentando índices significativos de aumento e, ao que tudo indica, a conjuntura tende a manter favorável este crescimento, seja pelas sucessivas frustrações nas safras de grãos, seja pela instalação de importantes plantas industriais do setor, principalmente na Região Noroeste do Estado. A elevada concentração de sistemas de produção agropecuários do tipo familiar nesta região, faz com que a sua economia seja voltada à produção leiteira. No entanto, historicamente, têm-se observado índices de produção muito superiores ao aumento na produção por animal, indicando que o principal componente que explica este crescimento é o aumento do rebanho. Desta forma, para a obtenção de eficiências ótimas de produção e utilização e para alcançar os potenciais benéficos à lucratividade do sistema, torna-se essencial o conhecimento sobre a utilização e o manejo das pastagens. Este, é essencialmente determinado pela necessidade de manter área foliar para realização da fotossíntese e de colher elevadas quantidades de tecidos vegetais com alta qualidade, especialmente folhas, antes que ocorra o processo de senescência e a decomposição das mesmas [17]. Para entender as adaptações das plantas frente às práticas de manejo adotadas, torna-se necessário conhecer suas respostas morfofisiológicas ao ambiente, as quais variam de acordo com alterações nos níveis de luz, temperatura, umidade e disponibilidade de nutrientes [12]. Neste sentido, a utilização da modelagem matemática pode auxiliar no planejamento do sistema produtivo e no suporte às tomadas de decisão. O desenvolvimento de modelos e a utilização da programação podem disponibilizar uma ferramenta para estimar e entender o comportamento do sistema face à diferentes situações, auxiliando no processo de tomada de decisão através de uma representação simplificada da realidade, a qual permite simular vários cenários e estimar a repercussão de diferentes cursos de ação sobre os sistemas produtivos. O potencial da modelagem matemática vem sendo explorado com maior intensidade nos últimos anos por diversos campos de pesquisa. Especialmente na área agrícola, a quantidade de elementos que interagem de forma complexa torna a matemática um instrumento de grande importância para responder questões pertinentes. Assim, considerando uma situação onde os únicos fatores restritivos ao crescimento são a quantidade de radiação solar e a temperatura ambiente, pode-se modelar o acúmulo de biomassa de uma pastagem a partir destas variáveis [8]. A este modelo, pode-se chamar de modelo potencial de acúmulo de matéria seca ou, simplesmente, modelo energético. Desta forma, o objetivo deste trabalho é implementar as equações que formam o modelo de crescimento energético de pastagens e um submodelo de senescência de lâmina foliar no programa Stella 5.0, considerando também a remoção de matéria seca pelo pastejo. Com isso, busca-se simular o crescimento potencial de pastagens de Tifton 85, observado os resultados de acúmulo e partição de matéria seca aérea e a evolução do índice de área foliar para diferentes estações, avaliando a implementação do modelo a partir de dados experimentais independentes. Neste trabalho, utilizou-se as equações que compõem um modelo energético de crescimento de pastagens e um submodelo de senescência de lâmina foliar, os quais foram implementados computacionalmente, a fim de simular numericamente o acúmulo e partição da matéria seca aérea e a evolução do índice de área foliar em pastagens de Tifton 85, em desenvolvimento potencial. A seguir são descritas as equações que compõem o referido modelo, bem como os submodelos que o compõem. É possível estabelecer uma relação linear entre a produção bruta de matéria seca (MS) aérea e a quantidade de radiação fotossinteticamente ativa (RFA) interceptada pela cultura [8]. Dessa forma, a condição inicial e o modelo geral são dados por: MSt +1 = MSt + EUR ⋅ RFAt +1 RFA int = RFAo ⋅ E int (2) onde, RFAo e Eint são, respectivamente, a radiação fotossinteticamente ativa incidente e a eficiência de interceptação dessa radiação. A relação entre a eficiência de interceptação da RFA e o índice de área foliar (IAF), permite estimar o coeficiente de extinção de luz na cultura (k) [3]: E int = 1 − e ( − k ⋅IAF ) (3) O IAF relaciona a superfície de folhas e a superfície de solo que estas ocupam. A evolução linear desse índice em função do acúmulo de grausdia ou soma térmica (ST), é dada por [8]: IAF0 = β ⋅ ST0 IAFt +1 = IAFt + β ⋅ STt +1 (4) t = 0, 1, 2,.., n - 1 MATERIAIS E MÉTODOS MS0 = EUR ⋅ RFA0 de biomassa [14], o qual representa uma estimativa global da eficiência dos processos respiratório e fotossintético. A partir do modelo geral, são apresentados os submodelos que o compõem. A quantidade de radiação fotossinteticamente ativa interceptada pela cultura pode ser obtida através das relações [8]: (1) t = 0, 1, 2,..., n - 1 O coeficiente angular da curva de regressão entre a matéria seca total e a radiação fotossinteticamente ativa interceptada define a eficiência de uso da radiação (EUR) para a produção onde, β representa a quantidade de soma térmica necessária para alcançar cada unidade de IAF. A soma térmica diária, ou acúmulo de grausdia, pode ser calculada a partir da proposição [1]: T max0 + T min0 ST0 = − Tb 2 T max + t +1 T mint +1 STt +1 = STt + − Tb 2 (5) t = 0, 1, 2,.., n-1 onde, Tb representa a temperatura basal da cultura, abaixo da qual a planta não se desenvolve e; Tmax e Tmin são, respectivamente, a temperatura máxima e mínima diária. Considerando que um fluxo de perda de matéria seca verde ocorre com a senescência e, que esse processo também inclui transferência de massa internamente na planta, utilizou-se uma proposição que formaliza a proporção de transferência ou realocação de parte da matéria seca das folhas senescentes para a matéria seca verde aérea [5], expressa da seguinte forma: AEFv AEFs λ = 1− (6) onde AEFv e AEFs correspondem, respectivamente, à área específica da folha verde e senescente. A quantidade de matéria seca morta de folhas (Mf) na pastagem após pastejo, é dada por [4]: AEFv ST0 Mf 0 = Mr0 ⋅ ⋅ AEFs TVF AEFv STt +1 Mf t +1 = Mf t + Mrt +1 ⋅ ⋅ AEFs TVF (7) t = 0, 1, 2,..., n-1 onde, Mr é a matéria seca residual após pastejo e TVF o tempo médio de vida da folha, dado em graus-dia da emergência até o início da senescência. Partindo destas equações, implementou-se o modelo no programa de simulação Stella 5.0, considerando também a remoção de matéria seca pelo pastejo. O diagrama abaixo representa um esquema simplificado do modelo implementado, indicando os fatores que interferem no acúmulo e desacúmulo de MS e no IAF. Com o intuito de avaliar a implementação do modelo, utilizou-se uma base de dados experimentais independentes. Simulou-se o desenvolvimento da pastagem em crescimento livre, utilizando os mesmos dados de radiação solar e de temperatura média observados na condução do experimento e os parâmetros determinados para o período em questão. Os dados obtidos através das simulações foram comparados aos dados experimentais independentes. Inicialmente, simulou-se o crescimento potencial da pastagem ao longo de 32 dias de rebrote, durante o verão, utilizando os parâmetros: k = 0,5635; EUR = 3,0098; AEF = 0,0018967; TVF = 414, 64; β1 = 0,0057; β2 = 0,0132. Os resultados obtidos foram comparados com dados exprimentais coletados para o mesmo período [9]. Também, simulou-se o crescimento da pastagem durante o final do verão e início do outono, ao longo de 70 dias de rebrote, utilizando como parâmetros os valores: k = 0,7449; EUR = 2,0728; AEF = 0,0020548; TVF = 336,49; β1 = 0,0067; β2 = 0,0147 e comparando os resultados destas simulações a dados experimentais obtidos para o mesmo período do ano [18]. A avaliação do modelo compreendeu a análise do comportamento das curvas de acúmulo de matéria seca aérea total, de lâmina foliar e material morto, além da evolução temporal do índice de área foliar. A avaliação também considerou a ocorrência de situações limitantes ao desenvolvimento da pastagem, observada nos dados experimentais. Em ambos os períodos, nas simulações, o rebrote da pastagem é considerado a partir de uma situação nula de índice de área foliar. RESULTADOS E DISCUSSÃO A radiação solar e a temperatura média do ar são dados de entrada do modelo. Além disso, para cada período simulado, utilizou-se parâmetros determinados empiricamente para a Região Noroeste do RS, em condições potenciais [13], determinados a partir do modelo descrito anteriormente. Para a Região da Depressão Central (RS), a RFA representa 42% da radiação global [7]. Admitindo-se que as condições de radiação são semelhantes para a Região Noroeste do Estado, adotou-se 0,42 como coeficiente para estimar a RFA a partir da radiação global. Como temperatura basal da cultura, assumiu-se 10ºC [15]. Simulou-se o crescimento de pastagens de Tifton 85, submetidas à diferentes intensidades e freqüências de remoção da matéria seca. Nestes ensaios, observou-se os dados de acúmulo e partição da matéria seca aérea e a evolução do índice de área foliar, em diferentes períodos. A implementação computacional do modelo permitiu simular o crescimento de pastagens de Tifton 85 submetidas ao pastejo, a partir da variação da intensidade e da freqüência de remoção de matéria seca, conforme observa-se na Figura 2: MS aérea MS folhas MSM folhas 8000 7000 Matéria Seca (kg/ha) Figura 1: Esquema simplificado da implementação do modelo potencial de crescimento de pastagens 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 Tempo (dias) 80 100 Figura 2: Dinâmica do acúmulo de MS em intervalos de 25 dias e remoções de 30%, no verão/outono virtude disso, nas amostragens de matéria seca é possível que exista a presença de resíduo, resultando assim em uma estimativa maior da matéria seca aérea e, portanto um erro experimental. Como na fase inicial a presença de material rebrotado é pequena, o resíduo coletado na amostra exerce influência considerável nos resultados. Da mesma maneira, no último período de amostragem foram constatados sintomas de ataque de cigarrinha (Deois flavopicta Stal.) [9], os quais possivelmente afetaram o acúmulo de matéria seca, provocando um erro nas estimativas e a diminuição da taxa de acúmulo de matéria seca da pastagem. 5000 4000 3000 2000 1000 0 Simulado Observado 6 MS aérea simulada MS aérea observada MS folhas simulada MS folhas observada MSM folhas simulada MSM folhas observada 6000 Matéria seca (kg/ha) A partir destas simulações é possível analisar o acúmulo e partição da MS e a variação temporal no IAF, para os períodos em questão, considerando diferentes níveis e freqüências de remoção. No entanto, estas simulações constituem apenas um ensaio, em virtude da impossibilidade de avaliação dos resultados devido à indisponibilidade de dados experimentais em situações semelhantes. Além disso, verifica-se que em situações de pastejo, é necessário incorporar outros fatores, como por exemplo a seleção animal. As figuras a seguir apresentam os resultados das simulações numéricas do crescimento potencial de pastagens de Tifton 85 para os períodos compreendidos no verão e também durante o final do verão e início do outono. A partir da simulação do crescimento potencial de Tifton 85 ao longo de 32 dias, foi possível comparar a evolução do IAF e a dinâmica de acúmulo da MS, entre os dados simulados a partir do modelo e os dados observados experimentalmente (Figura 3). 0 10 20 30 Tempo (dias) 5 Figura 4: Comparação entre os dados de partição da MS aérea simulados e observados experimentalmente, para o período do verão IAF 4 3 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Tempo (dias) Figura 3: Comparação entre os dados de evolução do IAF simulados e observados experimentalmente, para o período do verão Verifica-se que a evolução do índice de área foliar, nos dados simulados, acompanha satisfatoriamente os dados experimentais, apresentando uma diferença relevante apenas no final do período, o que possivelmente ocorreu em virtude de um ataque de cigarrinhas, observado na condução do experimento [9]. Analisando os dados (Figura 4), verifica-se que na simulação, o acúmulo de matéria seca aérea é menor na fase inicial de desenvolvimento, acompanhando satisfatoriamente os dados experimentais posteriores e, apresentando um maior acúmulo no final do período. Essa diferença mais visível na fase inicial, pode ser explicada a partir dos dados experimentais. Durante a condução do experimento, as amostras foram coletadas a partir de uma situação de rebrote da pastagem, a qual foi cortada a 5 cm do solo no início do experimento. Em O acúmulo de matéria seca de lâmina foliar estimado foi semelhante àquele encontrado nos dados experimentais, sendo observados valores um pouco superiores a partir da segunda coleta. Através da análise de correlação entre os dados estimados e observados (Figura 5), fica claro que o modelo superestimou a quantidade de lâmina foliar acumulada. Lâmina foliar observada (kg de Ms/ha) 1 2500 2000 1500 1000 y = 0,7562x + 140,47 r = 0,9992 500 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Lâmina foliar estimada (kg de MS/ha) Figura 5: Relação entre MS de lâmina foliar estimada através das simulações e observada experimentalmente, durante o verão Considerando que a estimativa de matéria seca de lâmina foliar é obtida a partir do IAF e da AEF e, que existe uma boa relação entre os valores Simulado Observado 7 6 IAF 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tempo (dias) Figura 6: Comparação entre os dados de evolução do IAF simulados e observados experimentalmente, para o período do verão/outono De acordo com o gráfico (Figura 6), percebese uma diferença acentuada entre os dados. No entanto, na condução do experimento, o autor indicou a ocorrência de períodos de déficit hídrico, o que teria afetado os resultados, reduzindo, em determinados períodos, o acúmulo de MS e a evolução do IAF (regiões destacadas nos gráficos). Analisando a taxa de acúmulo de IAF observada entre a primeira e segunda amostragem, verifica-se que estas apresentam comportamento idêntico à taxa de acúmulo de IAF dos dados simulados. No entanto, possivelmente o déficit hídrico provocou um atraso na evolução do IAF. Sob condições favoráveis, o aumento da área foliar em uma pastagem apresenta normalmente um comportamento sigmoidal [2]. No entanto, para a implementação do modelo foram utilizadas relações lineares para descrever este crescimento. Além disso, os dados experimentais revelam que houve atraso no rebrote, em virtude de uma reestruturação na planta, devido ao corte intenso. Contudo, isso não foi considerado no modelo, o que superestimou a evolução do IAF, a qual também pode estar relacionada à estimativa da AEF para o período. MS aérea simulado 10000 9000 Matéria seca (kg/ha) estimados e observados de IAF, pode-se supor que a área específica da folha deva ser reavaliada no modelo. Diferenças nos valores de AEF para mesmas espécies podem ser explicadas por diferentes condições de desenvolvimento da pastagem, como por exemplo, o nível de radiação, fator que interfere fortemente na AEF. Além disso, a espessura da folha é um fator que possui efeito expressivo na AEF [6]. À medida que avança a maturidade da planta, aumenta a proporção dos tecidos condutores e mecânicos nas folhas, provocando redução na área foliar específica [16]. No entanto, para a implementação do modelo, utilizou-se um valor constante para representar a AEF. A partir das simulações, verificou-se que a estimativa a partir de um valor constante não é suficiente para descrever adequadamente o acúmulo de lâmina foliar, sendo necessário, em futuras avaliações, considerar a variação desse parâmetro ao longo do tempo. Quanto ao acúmulo de material morto, as diferenças estão relacionadas ao fato de que o modelo estima apenas a matéria morta de lâmina foliar, enquanto que nos dados experimentais essa parcela corresponde à proporção de lâmina e bainha foliar e de colmo que se encontram em processo de senescência. Além disso, conforme já analisado, na coleta de material há um resíduo devido ao corte, o qual apresenta grande proporção de material morto na sua composição, pois compreende uma parcela de material com maior tempo de vida. As Figuras 6 e 7 apresentam, respectivamente, um comparativo entre o IAF e os dados de acúmulo de MS da pastagem observados e simulados para o final do verão e início do outono. MS aérea observado 8000 7000 MS folhas simulado 6000 MS folhas observado 5000 4000 MSM folhas simulado 3000 2000 MSM aérea observado 1000 0 0 10 20 30 40 50 Tempo (dias) 60 70 Figura 7: Comparação entre os dados de partição da matéria seca aérea simulados e observados experimentalmente, para o período do verão/outono Igualmente, em virtude do déficit hídrico observado durante o período experimental, há uma redução na taxa de acúmulo de matéria seca aérea total (Figura 7). Os dois primeiros pontos amostrais são muito próximos às estimativas e a inclinação, a partir da quarta amostragem, segue uma tendência muito próxima à inclinação dos valores estimados. Conforme os dados de precipitação pluviométrica do período, percebe-se que a disponibilidade de água é menor justamente no período onde há um decréscimo nas taxas de acúmulo de matéria seca. Como a irrigação utilizada foi constante ao longo do período avaliado, é possível que em alguns momentos esta não tenha sido suficiente para manter a pastagem em crescimento potencial. O maior acúmulo de material morto na fase inicial pode ser compreendido uma vez que o modelo simula apenas a morte de lâmina foliar, enquanto que os dados amostrais envolvem parcelas de lâmina e bainha foliar e de colmo, que estão em fase de experimentalmente, a fim de verificar qual a diferença percentual entre os mesmos. Obtido esse valor, acrescentou-se esse mesmo percentual ao valor do coeficiente do modelo que define a área específica das folhas. Além disso, considerou-se nas simulações um atraso de 5 dias no rebrote. Em seguida, simulou-se novamente o acúmulo de lâmina foliar, comparando os valores obtidos com os dados experimentais (Figura 9). Simulado Observado Matéria Seca de Lâmina Foliar (kg/ha) senescência [18]. Alem disso, enquanto o modelo parte da inexistência de material senescente, no material experimental era encontrado material senescente e morto do ciclo anterior, o que se torna mais visível na fase inicial. Por outro lado, como os valores de matéria seca de lâmina foliar simulados são maiores que os observados experimentalmente, isso também resulta em uma estimativa maior de material morto de lâmina foliar, especialmente na fase final. Além do efeito do déficit hídrico, as diferenças observadas nos dados de matéria seca de lâmina foliar também podem estar relacionadas à estimativa da AEF, conforme já analisado, e também devido ao atraso no rebrote, em virtude da menor eficiência fotossintética das folhas residuais. Para verificar o efeito do déficit hídrico sobre o crescimento potencial e, assim avaliar melhor os resultados das simulações, novas comparações foram realizadas. 2500 2000 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 Matéria Seca (kg/ha) Tempo (dias) 7000 MS aérea simulado 6000 MS folha simulado 5000 MSM folha simulado 4000 3000 MS aérea observado 2000 MS folhas observado 1000 MSM aérea observado 0 0 10 20 30 40 50 Tempo (dias) Figura 8: Comparação entre os dados de partição da MS aérea simulados e observados experimentalmente, para o verão/outono, sem deficiência hídrica Conforme a Figura 7, verifica-se que ao desconsiderar o acúmulo de matéria seca, nos dados experimentais, no período onde observou-se deficiência hídrica e utilizar os dados de entrada do período correspondente para realizar as simulações, o modelo prediz adequadamente o acúmulo de matéria seca aérea. No entanto, ainda é notável que as estimativas obtidas para o compartimento de matéria seca de lâmina foliar tendem a apresentar diferenças substanciais que não podem ser explicadas apenas pelo déficit hídrico. Dessa forma, deve-se considerar que a estimativa das frações de matéria seca acumulada, conforme determinada o modelo, necessita de maior aprimoramento. Para identificar os demais fatores responsáveis pelas diferenças encontradas, relacionou-se os dados de acúmulo de matéria seca de lâmina foliar estimados e observados Figura 9: Comparativo entre os dados de acúmulo de MS de lâmina foliar simulados e observados experimentalmente, para o verão/outono, sem deficiência hídrica A alteração na área específica da folha, assim como a incorporação de um atraso no rebrote nos dados simulados, contribui para uma maior proximidade entre os dados. Dessa forma, reafirmase mais uma vez a importância de considerar os determinantes da variação e alteração da AEF no modelo, em futuras avaliações. Além disso, no modelo implementado há de se considerar a possibilidade de um atraso no rebrote, o que também interfere na evolução do IAF, provocado pela menor eficiência fotossintética das folhas que ficam no resíduo. Nesse sentido, faz-se necessário a incorporação desse fator e uma reavaliação da estimativa da AEF, para que seja possível obter resultados mais precisos. CONCLUSÕES As estimativas de IAF e de MS total determinadas pelo modelo foram semelhantes aos resultados experimentais após considerar as ocorrências ambientais que determinaram variações nos dados experimentais. No entanto, a estimativa das frações da porção aérea apresentou desvios significativos, o que impõem a necessidade de rever certas simplificações do modelo, principalmente em relação à estimativa da AEF. Além disso, há a necessidade de se considerar no modelo o atraso no rebrote, causado pela reestruturação da planta devido ao corte severo ou à menor eficiência fotossintética das folhas existentes no resíduo. Para a realização de simulações envolvendo a remoção de matéria seca por pastejo, faz-se necessário a incorporação de fatores como a seleção animal e de estabelecer uma relação entre a proporção de lâmina foliar removida e a proporção deste material na pastagem, o que deve ser considerado em futuras avaliações. REFERÊNCIAS [1] M.A. Berlato, R, Matzenauer e V.R. Stuli, Relação entre temperature e o aparecimento de fases fenológicas do milho (Zea mays L.). Agronomia Sulriograndense, Porto Alegre, vol. 20, n. 1, pp. 111-132, (1984). [2] R.H. Brown, Growth of the green plant, em “Physiological basis of crop growth and development” (M.B. Tesar) pp. 153-174, ASA/CSSA, Madison, 1984. [3] G.S. 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