중력퍼텐셜
중력퍼텐셜은 중력의 작용으로 인하여 물이 가질 수 있는 에너지를 말하며, 그 크기는 물의 상대적인 위치에 따라 결정된다. 따라서 중력퍼텐셜은 기준면으로부터 물의 위치가 높아질수록 커진다. 중력퍼텐셜의 절댓값은 지구의 중심에서 0이 되지만. 실제로 지구의 중심이 어디인가를 정확히 알 수 없기 때문에 편의상 임의의 기준면을 설정하여 상대적인 값으로 중력퍼텐셜을 나타낸다. 기준면에 있는 물의 경우 중력퍼텐설은 0이 된다. 그리고 기준면보다 높은 위치에 있는 물은 +값, 기준면보다 낮은 위치에 있는 물은 -값의 중력퍼텐셜을 가진다. 중력은 비가 많이 오거나 관수한 후에 대공극에 채워진 과잉의 수분을 제거하는 데 작용한다.
매트릭퍼텐셜
매트릭퍼텐셜은 극성을 가진 물 분자가 토양 표면에 흡착되는 부착력과 토양입자 사이의 모세관에 의하여 만들어지는 힘 때문에 생성되는 물의 에너지이다. 어떤 매트릭스의 영향을 전혀 받지 않는 자유수가 매트릭퍼텐셜의 기준상태가 되며 퍼텐셜은 0이다. 토양입자의 표면이나 모세관공극에는 물이 강하게 흡착 보유되므로 기준상태인 자유수에 비하여 낮은 퍼텐셜을 가진다. 따라서, 매트릭퍼텐셜은 항상 -값을 가진다. 건조한 토양 덩어리나 스펀지를 물에 담그면 매우 빨리 토양 덩어리나 스펀지 속으로 물이 스며든다. 이러한 현상은 건조한 토양 덩어리나 스펀지의 매트릭퍼텐설이 매우 낮기 때문이다. 습한 부분의 토양에서 건조한 부분의 토양으로 물이 이동하는 현상도 습한 토양의 매트릭퍼텐셜이 높고 건조한 토양의 매트릭퍼텐셜이 낮기 때문이다. 토양 내에서 수분이 뿌리 부근으로 이동함으로써 식물이 지속해서 물을 흡수, 이용할 수 있는 것도 바로 매트릭퍼텐셜의 차이 때문이다. 식물의 뿌리는 직접 접하고 있는 토양으로부터 수분을 먼저 흡수하므로 뿌리 근처 토양의 매트릭퍼텐셜이 낮게 유지되며, 이때 뿌리 근처 토양과 뿌리의 영향을 직접 받지 않는 토양 사이에 매트릭퍼텐셜의 차이가 발생한다. 매트릭퍼텐셜의 차이에 의한 물의 이동은 매우 느린데, 중력에 의하여 과잉의 수분이 제거된 후 불포화 상태에서 일어나는 수분의 이동은 대부분 매트릭퍼텐셜의 차이에서 오는 것이다. 일반적인 밭 토양에서는 압력퍼텐셜과 삼투퍼텐셜의 비중이 매우 작기 때문에 매트릭퍼텐셜은 총수분퍼텐셜과 비슷한 값을 갖는다.
압력퍼텐셜
압력퍼텐셜은 물의 무게에 의하여 생성되며, 주로 수면 이하에서 그 위에 존재하는 물의 무게로 인한 압력 때문에 생기는 퍼텐셜이다. 대기와 접촉하고 있는 수면이 기준 상태이며, 그 압력퍼텐셜을 0으로 정의한다. 따라서, 포화상태의 토양에서 수면 이하의 물의 압력퍼텐셜은 항상 +값을 가지고, 불포화 상태의 토양에서는 토양수분이 대기압과 평형상태에 있으므로 그 압력퍼텐셜은 0이다. 따라서, 압력퍼텐셜은 논과 같이 물로 포화한 상태의 토양에서 작용하고, 불포화 상태의 토양에서는 물의 이동에 영향을 끼치지 못한다고 할 수 있다.
삼투퍼텐셜
삼투퍼텐셜은 토양용액 중에 존재하는 이온이나 용질 때문에 생긴다. 용액 중의 이온이나 분자들은 수화 현상으로 물 분자들을 끌어당기므로 물의 퍼텐셜에너지가 낮아진다. 반투막을 사이에 두고 양쪽에 증류수와 설탕 용액을 두면 설탕 용액 쪽으로 물이 이동하여 물의 높이가 달라진다. 이러한 물의 이동은 설탕 용액과 증류수 사이에 형성된 삼투퍼텐셜의 차이 때문이다. 순수한 물의 삼투퍼텐셜을 0으로 정의하며 설탕 용액을 비롯한 용질을 함유하는 용액은 항상 -값의 삼투퍼텐셜을 가진다. 토양수분은 용질을 함유하고 있으므로 항상 -값의 삼투퍼텐셜을 가진다. 그러나 토양용액의 농도가 순수한 물에 비하여 크게 높지 않은 경우가 많고 또한 토양 중에는 용질의 이동을 제한하는 반투막이 존재하지 않기 때문에 토양에서 물의 이동에 미치는 삼투퍼텐셜의 영향은 크지 않다. 염류가 집적된 토양에서와 같이 토양용액의 삼투퍼텐셜이 매우 낮은 경우에는 식물이 물을 흡수하기가 어려워진다, 토양용액과 식물세포 용액 사이에 뿌리 세포의 원형질막이 있고 원형질막은 반투막으로 작용하므로 토양으로부터 식물이 물을 흡수하는 경우에는 삼투퍼텐셜이 중요하게 작용한다.
총수분퍼텐셜
총수분퍼텐셜은 앞에서 설명한 여러 가지 퍼텐셜의 합이며, 따라서 각 퍼텐셜들이 기준상태와 비교하여 어떤 값을 가지는가에 따라 총수분퍼텐셜이 결정된다. 물로 완전히 포화한 토양에서 배수가 충분히 된 후에는 지표면에서부터 깊이에 따라 수분함량이 점차 증가하고 일정 깊이에 도달하면 포화상태가 나타날 수 있다. 이때 100cm 깊이에서 포화상태가 발견되고 또한 토양 내에서 더 이상 물이 이동하지 않는다고 가정하면 토양의 깊이별로 총수분퍼텐셜은 모두 동일하며 어떤 지점의 수분퍼텐셜을 서로 비교하더라도 그 차이는 0이 되어야 한다. 한편, 100cm 깊이를 기준 수면으로 하면 중력퍼텐셜은 100cm 깊이에서 0이 되고, 지표면에 가까워질수록 +값으로 증가하여 지표면에서 최댓값을 갖는다. 매트릭퍼텐셜은 수분함량이 가장 적은 지표면에서 가장 작은 값을 가지며, 깊이에 따라 수분함량이 증가하므로 매트릭퍼텐셜도 증가하여 포화상태인 100cm 깊이 에서 최댓값 0이 된다. 지표면에서부터 100cm 깊이까지 토양이 모두 불포화 상태이므로 압력퍼텐셜은 모든 깊이에서 모두 0이 된다. 토양용액 중의 용존물질의 농도는 일반적으로 매우 낮으므로 삼투퍼텐셜은 0으로 가정할 수 있다. 또한, 용존물질의 농도가 깊이별로 동일하다고 보면 토양 깊이별 총수분퍼텐셜의 분포에 아무런 영향을 끼치지도 못한다. 불포화 상태의 토양에서 압력퍼텐셜과 삼투퍼텐셜은 모두 0이 되고, 중력퍼텐설은 토양 깊이별로 각각 일정한 값을 가지므로 토양의 총수분퍼텐셜은 결국 매트릭퍼텐셜에 따라 결정된다. 토양 표면에 일정한 양의 물을 가하면 표면층 토양의 중력퍼텐셜은 변하지 않지만 매트릭퍼텐셜은 증가하므로 총수분퍼텐셜이 증가한다. 그러므로 지표면에 가해진 물은 총수분퍼텐셜이 높은 지표면으로부터 총수분퍼텐셜이 낮은 아래쪽으로 이동한다. 이와 같은 물의 이동은 토양 깊이별로 총수분퍼텐셜의 분포가 동일하게 될 때까지 계속된다.