介电常数 (ε) 以复杂物理学为基础，但简单来说，它可以描述为物质保持电荷的能力。介电常数 (Ka) 是物质的介电常数与自由空间的比值。Ka 在空气中的值为 1，在水中的 Ka 值约为 80。许多材料具有 ε 或 Ka。例如，玻璃的Ka在5到10之间，纸的Ka在2到4之间，身体组织的Ka大约是8。土壤中 1 至 1000 MHz 电磁波的行为可用于测量或表征复介电常数。介电常数在 1870 年代首次由麦克斯韦方程组进行数学量化。1980 年，GC Topp 提出了一种方法和校准方法，可以根据土壤的电特性来预测土壤水分，称为 Topp 方程。今天，许多不同种类的土壤湿度传感器以一种或另一种方式在市场上出售，它们的土壤湿度估计基于介电常数。在所有市售的电子土壤传感器中，涉及复介电常数的测量仍然是通过原位传感器或便携式设备确定土壤含水量的最实用方法。电磁土壤传感器使用振荡射频，产生的信号与土壤的介电常数有关，其中原位土壤颗粒/水/空气基质是电介质。随后的校准将原始传感器响应用于土壤湿度估计。水的 Ka 随温度和压力略有不同。Ka 值为 80 假定水处于室温。Owen 等人 (1961) 引用了水在一定温度和压力范围内的 Ka 值。温度与水的 Ka 之间存在反比关系，其中 Ka 随温度升高而减小。水的 Ka 的温度依赖性对土壤含水量传感器的校准具有重要意义。通常，传感器的校准是在室温下进行的。然而，田间土壤温度可以从极低到极高不等。大多数研究人员，当然也包括大多数种植者，在报告土壤含水量值时忽略了温度对 Ka 的影响。其他变量，尤其是土壤电导率，会加剧温度对土壤含水量传感器精度的影响。介电理论复介电常数描述了材料允许电场的能力。当电磁波在物质中传播时，电场的振荡与磁场的振荡垂直，而这些振荡与传播方向垂直。材料的介电常数是一个复数，包含实部和虚部，取决于频率、温度和材料的特性。这可以表示为：[1]r是实介电常数，ε i是虚介电常数和 （托普 1980）。当无线电波在土壤中传播和反射时，土壤的性质和含水量会影响波。当电磁无线电信号在土壤中传播时，水分含量以及在较小程度上的土壤特性将通过改变频率、振幅、阻抗和传播时间来改变和调制电磁无线电信号。当射频在土壤中传播时，可以通过测量这些对射频的调制来确定介电常数。通常，实部代表以旋转或定向极化形式存储的能量，表示土壤含水量。水的实际介电常数在 25°C 时为 78.54，干土壤的实际介电常数通常约为 4。实际介电常数的变化与含水量的变化直接相关，所有电磁土壤传感器的湿度校准都基于测量或估计土壤颗粒/水/空气基质的实际介电常数。（琼斯 2005 年，布朗奎斯特 2005 年）。介电常数的虚部：[2]表示能量损失，其中 ε rel是分子弛豫，⨍ 是频率，ε v真空介电常数，σ dc是直流电导率。在大多数土壤中，ε rel相对较小，对虚部的测量可以很好地估计 1 到 75 MHz 的电导率（Hilhorst 2000）。在沙质土壤中，分子弛豫可以忽略不计。电荷的存储是以法拉为单位的电容，并且与实数分量（非频率相关）相关：[3]其中 g 是几何因子，ε 是介电常数。如果电容器的电场是振荡的（即电磁波），则电容也会变成一个复数，并且可以用与方程 [1] 和 [2] 中的复介电常数类似的方式来描述（Kelleners 2004）。视在介电常数 ε a是一个包含真实介电常数和图像介电常数的参数，是大多数土壤传感器用来估计土壤湿度的参数。[4]从方程 [4] 中，表观介电常数是实部和虚部的函数（Logsdon 2005）。较高的 ε i值会使 ε a膨胀，这可能会导致土壤水分含量估计出现错误。为了缩小来自 ε i的湿度校准误差，一些土壤传感器技术，例如时域反射计 (TDR)和时域透射计 (TDT)将在高频下运行，从而使 ε具有更真实的特性。实际上，含盐量高的土壤会使土壤水分测量值膨胀，因为 ε a会因 ε的直流电导率分量而增加我。此外，ε i对温度变化比 ε r更敏感，导致土壤水分数据中的昼夜温度漂移（Blonquist 2005，Seyfried 2007）。能够最好地隔离真实成分并将其与虚构成分描绘出来的土壤湿度传感器将是最准确的，并且具有较低的传感器间变异性。水是极性分子，这意味着水分子的一部分带有负电荷，而分子的另一半带有正电荷。水的极性非常强，而土壤则是非极性的。在存在电磁波的情况下，水的极性会导致旋转偶极矩，而土壤几乎不受影响。1. 术语说明。术语“实际介电常数”通常是指在特定条件下恒定的物理特性。术语“实介电常数”或“实介电常数”是指正在发生变化的介质（例如土壤）的实介电常数。这意味着水将随着振荡电场（即电磁波）的上升和下降而旋转和重新定向，而土壤大部分保持静止。从 1 到 1000 MHz，水的旋转偶极矩会出现在与电磁波相同的频率上。正是水的这种旋转偶极矩造成了水的高介电常数1约为 80。介电常数的大变化与土壤湿度的变化直接相关。液相中的水分子重新定向，即旋转偶极矩。极化的插图。土壤的实际介电常数主要是由于水的取向极化（取自 Lee 等人，2003 年）温度如何影响介电常数实部和虚部介电常数都会受到温度的影响。虚部比实部对温度变化更敏感。（塞弗里德 2007 年）。水的实际介电常数与温度有轻微的相关性。随着温度升高，分子振动会增加。在存在振荡电场的情况下，这些分子振动将阻碍液态水的旋转偶极矩；因此，水的实际介电常数会随着温度的升高而降低。文献中发现的与温度的经验关系如公式 [5] 所示（Jones 2005）：[5]液态水的介电常数随着温度的升高而降低，但在土壤中，由于结合水效应，水对温度的介电依赖性更加复杂。随着温度的变化，水和在微观水平上与土壤颗粒结合的阳离子（正离子）的分子振动会影响射频存在下的偶极矩。实际上，土壤湿度校准的温度校正高度依赖于土壤。在某些土壤中，实际介电质可能会随着温度升高而呈下降趋势，就像它以液态形式存在一样，或者随着温度升高而呈上升趋势（Seyfried 2007）。虚介电常数高度依赖于温度，并且这种依赖关系类似于体电导率的依赖关系。测量表观介电常数与虚介电常数大多数土壤传感器通过假设介电常数来测量表观介电常数。也就是说，表观介电常数测量值将实部和虚部介电常数混合在一起（Logsdon 2010）。这种混合测量容易出错，因为土壤并不完全与水有关。盐度、温度、电导率和矿物学等其他变量可以独立影响实部和虚部介电常数。当这些变量在测量实部和虚部介电常数时没有独立表征时，就会出现错误。“真正的电介质”仅代表水。“虚电介质”代表与水无关的其他事物。土壤特性在空间、时间和地理位置上的可变性对每个站点评估以及站点内部和站点之间土壤条件变化的检测提出了挑战。空间变化包括景观的水平变化和水平深度的垂直变化。这些变化是由许多因素造成的，包括矿物学、动物/昆虫活动、风抛、枯枝落叶和木材投入、人类活动、植物、降水化学、耕作、压实、季节性等。这些土壤变量对表观介电常数有影响。大多数基于通用标准（例如 NIST 可追溯标准）的传感器没有此类特定于站点的变化变量，并且会对虚介电常数（受此类变量影响）做出假设。为获得最高精度，传感器应仅根据实际介电常数进行土壤湿度校准。 只有一种传感器技术——同轴阻抗介电反射计——将介电常数的实部和虚部作为单独的参数进行测量。基于实际介电常数而不是表观介电常数进行土壤水分校准有几个优点：土壤水分校准受土壤盐度、温度、土壤变异性和传感器间变异性的影响较小 。